基于人机交互技术的磨矿过程运行控制应用软件的设计与开发

摘要

磨矿过程是选矿过程的关键环节，为后续选别作业提供合格的矿浆，其质量指标即磨矿粒度直接影响到全厂的经济技术指标。因此实现该过程的运行控制，将磨矿粒度控制在目标值范围内，并尽可能地接近目标值，对保证生产过程的安全、稳定，提高精矿品位和产能，从而提高企业经济效益、降低能耗具有十分重要的意义。
　　目前，以实时优化控制、模型预测控制等基于模型方法的软件已在石油、化工等行业得到应用并取得极大的经济效益。然而上述软件产品不仅价格昂贵，而且难以用于国内边界条件波动频繁、关键运行指标无法在线检测、难以建立精确数学模型的磨矿工业过程。目前国内面向磨矿过程的运行控制软件主要基于组态软件设计和开发，这些软件主要面向过程监控，虽然提供了较为丰富的设备图形库以及动画脚本函数，但在实现复杂的运行优化控制算法时，由于编程接口的限制，灵活性低，使其所开发的系统往往用户界面友好性、可用性不够出色。但是在工业应用时，受自身文化水平的限制，操作员需要交互性能好的软件帮助他们完成控制任务。因此，迫切需要研发可用性强、用户界面友好、可靠的运行优化控制软件。
　　本文在东北大学973子课题“具有安全性、协同性、易用性的一体化控制系统的若干技术基础与半实物仿真实验平台的研究”支持下，在人机交互技术的基础上，对软件的界面友好性、可用性和可靠性问题进行了研究，并设计与开发了磨矿过程运行控制应用软件。本文的主要研究工作如下：
　　1.对磨矿生产工艺特点、磨矿运行控制方法的要求及现有的运行控制软件的功能和架构进行了分析。从人机交互角度入手，对运行控制应用软件进行了需求分析。
　　2.设计了磨矿过程运行控制应用软件的整体架构，并以人机交互设计的基本原则对各交互模块的功能和人机交互界面进行了详细设计。从实现运行控制目标的角度，将软件分为算法模块、优化操作模块、变量监视模块及运行日志管理模块。
　　3.在MVVM(Model ViewViewModel)模式下开发了运行控制软件各个模块。其中，利用有限状态机技术实现优化操作中各个状态间的转移，利用数据绑定和触发器技术实现了界面组件的动态刷新，解决操作逻辑过于复杂的问题，提高了软件的可用;利用分页技术实现日志管理，将数据分段呈现，提高了人机交互的易用性;提供表格、趋势图、柱状图、动画等多种数据显示方式，使用户与计算机的信息交换更加有效;利用动态对象和数据绑定实现了监视模块针对数据模型的自适应交互界面。
　　4.文章最后对软件的人机交互性能和各个功能模块展开了验证，并进行了工业验证。利用人机交互性能的一种评价手段即软件的可用性对软件进行了测试，结果表明软件具有较高的可用性;然后验证了软件的核心功能，结果表明软件能够很好地完成基本功能;最后将本软件在工业现场进行了实际验证。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及研究意义

1．2 磨矿过程优化控制软件的研究现状

1．3 人机交互技术的研究现状

1．4 存在的问题及本文所做的工作

第2章 磨矿过程运行控制应用软件的需求分析

2．1 磨矿过程工艺流程描述

2．2 磨矿过程优化控制策略

2．2．1 预设定控制器案例推理算法

2．2．2 动态调节器磨机负荷估计算法

2．2．3 动态调节器专家规则算法

2．3 磨矿过程运行控制软件的需求分析

2．3．1 磨矿过程运行控制应用软件功能的需求分析

2．3．2 磨矿过程运行控制应用软件人机交互技术需求分析

2．4 本章小结

第3章 磨矿过程运行控制应用软件设计

3．1 磨矿过程运行控制应用软件整体功能设计

3．1．1 软件架构设计

3．1．2 软件整体功能设计

3．1．3 人机交互技术基本原则在软件中的应用

3．2 磨矿过程运行控制应用软件的优化算法模块设计

3．2．1 基于案例推理算法的预设定算法模块设计

3．2．2 基于专家规则算法的动态校正模块设计

3．3 基于数据绑定的界面控件刷新功能设计

3．4 基于有限状态机的人机接口设计

3．4．1 有限状态机理论简介

3．4．2 有限状态机理论与磨矿过程运行控制应用软件的关联

3．5 数据监控模块设计

3．5．1 界面设计

3．5．2 功能设计

3．6 运行日志管理模块

3．6．1 界面设计

3．6．2 功能设计

3．7 本章小结

第4章 磨矿过程运行控制应用软件的实现

4．1 开发环境

4．2 磨矿过程运行控制应用软件的优化算法模块实现

4．2．1 基于案例推理算法的预设定算法模块实现

4．2．2 基于专家规则算法的动态校正模块实现

4．3 基于数据绑定的界面控件刷新功能实现

4．4 基于有限状态机的人机接口实现

4．4．1 软件状态转移分析

4．4．2 有限状态机实现方法

4．5 数据监控模块实现

4．5．1 数据显示功能的实现

4．5．2 趋势图模块实现

4．5．3 自适应交互界面的实现

4．6 运行日志管理模块

4．6．1 观察者模式的实现

4．6．2 分页功能的实现

4．7 本章小结

第5章 磨矿过程运行控制应用软件的验证

5．1 运行环境

5．2 磨矿过程运行控制应用软件的可用性测试

5．3 磨矿过程运行控制应用软件实验验证

5．3．1 优化设定算法运行实验验证

5．3．2 动态校正算法模块的验证

5．3．3 案例库管理验证

5．3．4 优化操作及状态显示的验证

5．3．5 数据通讯与监视验证

5．3．6 运行日志管理功能验证

5．4 磨矿过程运行控制应用软件的工业验证

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 本文小结

6．2 下一步工作方向

参考文献

致谢

攻读硕士期间的主要工作