[发明专利]一种球磨机负荷参数软测量方法

摘要

一种球磨机负荷参数软测量方法，该方法通过硬件支撑平台获得的磨机筒体振动信号、振声信号及电流信号对表征磨机负荷的磨机内部参数(料球比、矿浆浓度、充填率)进行软测量。该方法包括如下步骤：采集磨机筒体振动、振声和电流数据及时域滤波，对振动及振声数据进行时频转换，对振动及振声数据进行频域内的分频段的基于核主元分析的非线性特征提取，对时域电流数据进行非线性特征提取，对融合后非线性特征数据进行特征选择，建立基于最小二乘-支持向量机的软测量模型。本发明的软测量方法灵敏度高，测量结果准确，具有很好实用价值和推广前景，有助于实现磨矿生产过程的稳定控制、优化控制和节能降耗。

主权项

1.一种球磨机负荷参数软测量方法，其特征在于：包括步骤如下步骤一：采集球磨机筒体振动、振声及电流数据通过硬件支撑平台采集如下信号：球磨机筒体的振动加速度信号X_v；球磨机研磨区域下方的振声信号X_A；球磨机驱动电动机的电流信号X_I；步骤二：对采集的球磨机振动、振声及电流数据进行滤波采用有限冲激响应滤波器分别对振动及振声信号进行带通滤波和低通滤波，滤波器公式见下式：y(m)=Σn=0N-1h(n)x(m-n)]]>式中，h(n)——滤波器的系数；N——滤波器的长度；y(m)——滤波器在第m点的输出；x(m-n)——滤波器的第(m-n)个输入；n——采样时刻n＝0，1，...N-1；m——当前采样时刻；采用均值滤波法对电流信号进行滤波，公式见下式：y(m)=1NΣn=0N-1xn]]>式中，y(m)——滤波器的输出，即N次采样的算术平均值；x_n——第n次的采样值；N——采样点数；步骤三：对滤波后的振动及振声数据进行时频转换采用改进的平均周期图法求球磨机旋转整周期的球磨机筒体振动及振声信号的功率谱密度；按如下公式：P~(k)=1RΣr=1RPr(k),r=1,···,R]]>Pr(k)=1N|XN(k)|2]]>式中，——总功率谱；P^r(k)——第r段的功率谱；R——分段的段数；N——X数字序列的数据点数；k——为求得的频率点数；步骤四：对振动及振声信号的频谱数据和时域电流数据进行非线性特征提取4.1对振动及振声信号的频谱数据数据进行非线性特征提取将湿式球磨机频域信号划分为低频段，中频段及高频段，其分别对应着球磨机的固有频率段、主要冲击频率段、次要冲击频率段，将球磨机筒体振动信号在低、中、高频的数据分别记做X_{V_LF_org}、X_{V_MF_org}、X_{V_HF_org}；振声信号在低、中、高频的非线性特征分别记做X_{A_LF_org}、X_{A_MF_org}、X_{A_HF_org}，这些频谱数据存在高维和共线性的问题，采用核主元分析分别对X_{V_LF_org}、X_{V_MF_org}、X_{V_HF_org}、X_{A_LF_org}、X_{A_MF_org}、X_{A_HF_org}进行降维和非线性特征提取；对振动及振声信号共六个频段提取非线性特征均按如下公式进行提取：th=(vh·Φ(X))==Σk=1Mαk(h)K~(Xk,X)]]>将球磨机筒体振动信号在低、中、高频的频谱变量X_{V_LF_org}、X_{V_MF_org}、X_{V_HF_org}提取的非线性特征分别记做X_{V_LF}、X_{V_MF}、X_{V_HF}；球磨机振声信号在低、中、高频的频谱变量X_{A_LF_org}、X_{A_MF_org}、X_{A_HF_org}提取的非线性特征分别记做X_{A_LF}、X_{A_MF}、X_{A_HF}，其值分别用下式表示：XV_LF=[tV_LF_1,tV_LF_2,···,tV_LF_hVLFmax];]]>XV_MF=[tV_LF_1,tV_MF_2,···,tV_MF_hVMFmax];]]>XV_HF=[tV_HF_1,tV_HF_2,···,tV_HF_hVHFmax];]]>XA_LF=[tA_LF_1,tA_LF_2,···,tA_LF_hALFmax];]]>XA_MF=[tA_MF_1,tA_MF_2,···,tA_MF_hAMFmax];]]>XA_HF=[tA_HF_1,tA_HF_2,···,tA_HF_hAHFmax];]]>式中，——表示各个频段提取的最大主元个数，其值的采用如下公式：hMNFmax=arghMmin{CPVhM≥99%};]]>CPV_hM——表示振动或振声信号的前个主元的方差累积之和；M＝[V，A]——表示振动(V)和振声信号(A)；N＝[L，M，H]——本别表示频域信号的低(L)、中(M)、高(H)频段；4.2对电流数据进行非线性特征提取采用与步骤4.1中相同的方法即核主元分析提取时域球磨机电流信号中的非线性特征，提取后的非线性特征记做X_I，其值可用下式表示：XI=[tI_1,tI_2,···,tI_hIm ax]]]>式中，t——主元，即提取的非线性特征；h_Imax——表示针对时域电流信号进行非线性特征提取后的最大主元个数，其值采用如下公式确定：hIm ax=arghImin{CPVhI≥99%};]]>式中，——表示电流信号前h_Imax个主元的方差累积之和；步骤五：对振动、振声、电流非线性特征提取后的融合数据进行特征选择本发明将非线性特征输入变量中每类的的最佳变量个数(KPCA的主元个数)的集合称为特征参数集，并统一表示为：FPsel={(hVLFsel,hVMFsel,hVLFsel)(hALFsel,hAMFsel,hALFsel)(hIsel)},]]>采用LSSVM模型选择误差惩罚参数和核参数的调整范围，获取存储优化后的特征参数集，最后确定料球比优选特征参数集、矿浆浓度优选特征参数集及充填率优选特征参数集，特征参数集的确定采用如下特征参数优化模型：s.t.1≤hVLFsel≤hVLFmax1≤hVMFsel≤hVMFmax1≤hVHFsel≤hVHFmax1≤hALFsel≤hALFmax1≤hAMFsel≤hAMFmax1≤hAHFsel≤hAHFmax1≤hIsel≤hImax---(20)]]>式中，RMSE_val——最小二乘-支持向量机模型的最小评价误差；hMNFmax=arghMNmin{CPVhMN≥99%}]]>——振动及振声信号在频域内的低中高三个频段进行KPCA降维和特征提取后能够选择的最大主元个数；CPV_hMN——表示振动或振声信号的前个主元的方差累积之和；M＝[V，A]——表示振动(V)和振声信号(A)；N＝[L，M，H]——本别表示频域信号的低(L)、中(M)、高(H)频段；hIm ax=arghImin{CPVhI≥99%}]]>——是时域电流信号进行KPCA非线性特征提取后的最大主元个数，一般取1；n——输入变量的行数即样本数；y——磨机负荷参数的真值；——磨机负荷参数的估计值即模型的计算值；步骤六：确定球磨机的负荷参数料球比、矿浆浓度、充填率通过料球比、矿浆浓度及充填率模型的输入变量X_i，采用LSSVM模型，确定的料球比、矿浆浓度及充填率：yi=Σk=1Mαkiki(xi,xki)+bi,k=1,···,M,]]>得到球磨机的负荷参数料球比、矿浆浓度和充填率。