izvestswsuИзвестия Юго-Западного государственного университетаProceedings of the Southwest State University2223-15602686-6757ЮЗГУ10.21869/2223-1560-2022-26-3-112-128izvestswsu-1040Research ArticleИнформатика, вычислительная техника и управлениеComputer science, computer engineering and IT managmentПостроение системы автоматического управления шаровой мельницей с применением наблюдателя возмущений и виртуального анализатораControl Strategy of Ball Mill Based on Disturbance Observer and a Virtual Analyzer of Overloadhttps://orcid.org/0000-0002-4781-236XЗакамалдинА. А.ZakamaldinA. A.

Закамалдин Андрей Андреевич, главный  специалист

ул. Малая Бухарестская, д. 6 к1, г. Санкт-Петербург 192288

Andrei A. Zakamaldin, Chief Specialist

6, build. 1 Malaya Bukharestskaya, St. Petersburg 195251

aaz5@tpu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4761-7249ШилинА. А.ShilinA. A.

Шилин Александр Анатольевич,  доктор технических наук, профессор

пр. Ленина, д. 30, г. Томск 634050

Aleksandr A. Shilin, Dr. of Sci. (Engineering),  Professor, Power Engineering School, Department of Electric Power and Electrical Engineering

30 Lenin ave., Tomsk 634050

shilin@tpu.ruООО "Электра +""Electra +" Ltd.ОЭЭ ИШЭ НИТПУNational Research Tomsk Polytechnic University202221022023263112128Copyright © Закамалдин А.А., Шилин А.А., 20232023Закамалдин А.А., Шилин А.А.Zakamaldin A.A., Shilin A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://izvestswsu.elpub.ru/jour/article/view/1040Цель исследования

Цель исследования. Повышение производительности по руде агрегата измельчения при воздействии внешних возмущений, не допуская перегрузки мельницы в условиях эксплуатации, близких к перегрузке. Методы. Для достижения поставленной цели предложена новая система автоматического управления (САУ) заполнением материалом шаровой мельницы с разгрузкой через торцевую решетку в замкнутом цикле измельчения с применением управления с прогнозирующей моделью и активным подавлением возмущающих воздействий (MPC-DOB). В дополнение к САУ для контроля за перегрузом мельницы предло-жен виртуальный анализатор (ВА) веса материала в мельнице на основе разработанной модели технологического процесса. Проведено тестирование системы управления на лабораторной установке, где в качестве объекта выступала модель мельницы в Simulink, а система управления была реализована на ПЛК. Тестировались САУ с ПИД-регуляторами, MPC, MPC-DOB для различных сценариев.

Результаты

Результаты. MPC-DOB показал эффективность по отношению к ПИД и MPC при синусоидальных и ступенчатых возмущениях, сократив RSD на 4-7 %. Совместное применение MPC-DOB и ВА позволило повысить производительность измельчения на 1 % и улучшить качество стабилизации вибрации мельницы в режиме функциональной нестабильности. 

Заключение

Заключение. Разработанная САУ может быть применена в АСУТП измельчения в шаровой мельнице с решеткой для повышения производительности и устойчивости технологического процесса и уменьшения затрат электроэнергии приводом мельницы.

Purpose of research

Purpose of research.. Increasing the ore productivity of the grinding mill under the influence of external disturbances, preventing overloading of the mill in operating conditions close to overloading.

Methods

Methods. To achieve this goal, it is proposed a new automatic control system (ACS) for ore volumetric filling of grate-discharge ball mill in a closed grinding cycle using model predictive control and active disturbance observer (MPC-DOB). And in addition, virtual analyzer (VA) of the ore weight in the mill based on the developed model of the grinding process is proposed for mill overload control. The ACS was tested on a laboratory installation with the mill PC-model in Simulink and the PLC based implementation of control algorithms. 

Results

Results. MPC-DOB was compared with other ACS based on PID, MPC controllers for various test scenarios and show high performance under the influence of sinusoidal and step disturbances by reducing relative standard deviation (RSD) by 4-7 %. The combined using of MPC-DOB and VA made it possible to increase the grinding process ore productivity by 1 % and improve the quality of mill vibration stabilization in the mode of functional instability.  Conclusion. The developed ACS can be used in the process control system for grinding in a ball mill with a grate to increase the productivity and stability of the technological process and reduce the energy consumption of the mill drive.

перегруз мельницыуправление с прогнозирующей модельюшаровая мельница с решеткойвиртуальный анализаторнаблюдатель возмущениймоделированиеmill overloadmodel predictive controlgrate-discharge ball millvirtual analyzerdisturbance observermodelingReferencesEnergy efficiency analysis of copper ore ball mill drive systems / P. Bortnowski, L. Gładysiewicz, R. Król, M. Ozdoba // Energies. 2021; 14(6): 1786-1799. https://doi.org/10.3390/en14061786.Bortnowski P., Gładysiewicz L., Król R., Ozdoba M. Energy efficiency analysis of copper ore ball mill drive systems. Energies, 2021, vol. 14, no. 6, pp. 1786-1799. https://doi.org/10.3390/en14061786.Control strategy of cement mill based on bang-bang and fuzzy PID self-tuning / Q. Meng, Y. Wang, F. Xu, X. Shi // 2015 IEEE International Conference on Cyber Technology in Automation, Control, and Intelligent Systems (CYBER). IEEE; 2015; 1977-1981. DOI: 10.1109/CYBER.2015.7288250.Meng Q., Wang Y., Xu F., Shi X. Control strategy of cement mill based on bang-bang and fuzzy PID self-tuning. 2015 IEEE International Conference on Cyber Technology in Automation, Control, and Intelligent Systems (CYBER). IEEE, 2015, pp. 1977-1981. DOI: 10.1109/CYBER.2015.7288250.Expert system based adaptive dynamic matrix control for ball mill grinding circuit / X. S. Chen, S. H. Li, J. Y. Zhai, Q. Li // Expert systems with Applications. 2009; 36(1): 716723. DOI: 10.1016/j.eswa.2007.10.008.Chen X. S., Li S. H., Zhai J. Y., Li Q. Expert system based adaptive dynamic matrix control for ball mill grinding circuit. Expert systems with Applications, 2009, vol. 36, no. 1, pp. 716-723. DOI: 10.1016/j.eswa.2007.10.008.Composite control for raymond mill based on model predictive control and disturbance observer / D. Niu, X. Chen, J. Yang, X., Wang X. Zhou // Advances in Mechanical Engineering. 2016; 8(3): 1–10. https://doi.org/10.1177/1687814016639825.Niu D., Chen X., Yang J., Wang X., Zhou X. Composite control for raymond mill based on model predictive control and disturbance observer. Advances in Mechanical Engineering, 2016, vol. 8, no. 3, pp. 1–10. https://doi.org/10.1177/1687814016639825.Process Control of Ball Mill Based on MPC-DO / X. Chen, J. Yang, Z. Zhong, J. Zhai // Mathematical Problems in Engineering. 2021; 2021: 1-14. https://doi.org/10.1155/2021/9994666.Chen X., Yang J., Zhong Z., Zhai J. Process Control of Ball Mill Based on MPC-DO. Mathematical Problems in Engineering. 2021, vol. 2021, pp. 1-14. https://doi.org/10.1155/2021/9994666.Gavrilin A. N., Moyzes B. B., Cherkasov A. I. Research methods of milling technology elements // Applied Mechanics and Materials. Trans Tech Publications Ltd; 2015; 756: 35-40. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.756.35.Gavrilin A. N., Moyzes B. B., Cherkasov A. I. Research methods of milling technology elements. Applied Mechanics and Materials. Trans Tech Publications Ltd, 2015, vol. 756, pp. 35-40. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.756.35.McClure K. S., Gopaluni R. B. Overload detection in semi-autogenous grinding: a nonlinear process monitoring approach // IFAC-PapersOnLine. 2015; 48(8): 960-965. https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2015.09.094.McClure K. S., Gopaluni R. B. Overload detection in semi-autogenous grinding: a nonlinear process monitoring approach. IFAC-PapersOnLine, 2015, vol. 48, no. 8, pp. 960965. https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2015.09.094.Semi-Autogeonous (SAG) Mill Overload Forecasting / R. Hermosilla, C. Valle, H. Allende, E. Lucic, P. Espinoza // Iberoamerican Congress on Pattern Recognition. Springer: Cham; 2021; 392-401. https://doi.org/10.1007/978-3-030-93420-0_37.Hermosilla R., Valle C., Allende H., Lucic E., Espinoza P. Semi-Autogeonous (SAG) Mill Overload Forecasting. Iberoamerican Congress on Pattern Recognition. Springer, Cham, 2021, pp. 392-401. https://doi.org/10.1007/978-3-030-93420-0_37.Zakamaldin A. A., Shilin A. A. Neural simulation of ball mill grinding process // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing; 2020; 795(1): 012010-012017. DOI:10.1088/1757-899X/795/1/012010.Zakamaldin A. A., Shilin A. A. Neural simulation of ball mill grinding process. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing, 2020, vol. 795, no. 1, pp. 012010-012017. DOI:10.1088/1757-899X/795/1/012010.Байзакова Г. А., Томилин А. К. Электромагнитный способ подстройки частоты виброметра // Известия высших учебных заведений. Физика. 2012. 55(6-2): 244-247. URL: https://core.ac.uk/download/pdf/161606946.pdf.Bajzakova G.A., Tomilin A.K. Elektromagnitnyi sposob podstroiki chastoty vibrometra [Electromagnetic way to adjust the frequency of the vibrometer]. Fizika = Physics, 2012, vol. 55, no. 6-2, pp. 244-247. Available at: https://core.ac.uk/download/pdf/161606946.pdf.Методика постановки эксперимента в среде CoDeSys на примере системы управления вентиляцией / С. В. Прохоров, Н. В. Выонг, А. А. Шилин, Г. И. Однокопылов, В. А. Шевчук // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. 2019; 22(4): 109-115. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/metodika-postanovki-eksperimenta-v-srede-codesys-na-primere-sistemy-upravleniyaventilyatsiey.Prokhorov S. V., Vyong N. V., Shilin A. A., Odnokopylov G. I., Shevchuk V. A. Metodika postanovki eksperimenta v srede CoDeSys na primere sistemy upravleniya ventilyatsiei [Methodology for setting up an experiment in the CoDeSys environment on the example of a ventilation control system]. Doklady Tomskogo gosudarstvennogo universiteta sistem upravleniya i radioelektroniki = Reports of Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, 2019, vol. 22, no. 4, pp. 109-115. Available at: https://cyberleninka.ru/article/n/metodika-postanovki-eksperimenta-v-srede-codesys-na-primere-sistemy-upravleniyaventilyatsiey.Le Roux J. D., Craig I. K. Requirements for estimating the volume of rocks and balls in a grinding mill // IFAC-PapersOnLine. 2017; 50(1): 1169-1174. DOI: 10.1016/j.ifacol.2017.08.403.Le Roux J. D., Craig I. K. Requirements for estimating the volume of rocks and balls in a grinding mill. IFAC-PapersOnLine, 2017, vol. 50, no. 1, pp. 1169-1174. DOI: 10.1016/j.ifacol.2017.08.403.Faria P. M. C., Rajamani R. K., Tavares L. M. Optimization of solids concentration in iron ore ball milling through modeling and simulation // Minerals. 2019; 9(6): 366-380. https://doi.org/10.3390/min9060366.Faria P. M. C., Rajamani R. K., Tavares L. M. Optimization of solids concentration in iron ore ball milling through modeling and simulation. Minerals, 2019, vol. 9, no. 6, pp. 366-380. https://doi.org/10.3390/min9060366.De Oliveira A. L. R., Tavares L. M. Modeling and simulation of continuous open circuit dry grinding in a pilot-scale ball mill using Austin's and Nomura's models // Powder technology. 2018; 340: 77-87.De Oliveira A. L. R., Tavares L. M. Modeling and simulation of continuous open circuit dry grinding in a pilot-scale ball mill using Austin's and Nomura's models. Powder technology, 2018, vol. 340, pp. 77-87.Liu Y., Spencer S. Dynamic simulation of grinding circuits // Minerals Engineering. 2004; 17(11-12): 1189-1198. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2004.05.018.Liu Y., Spencer S. Dynamic simulation of grinding circuits. Minerals Engineering, 2004, vol. 17, no. 1-12, pp. 1189-1198. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2004.05.018.le Roux J. D., Craig I. K. State and parameter identifiability of a non-linear grinding mill circuit model // IFAC-PapersOnLine. 2016; 49(20): 1-6. https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2016.10.087.Le Roux, J. D., Craig, I. K. State and parameter identifiability of a non-linear grinding mill circuit model. FAC-PapersOnLine, 2016, vol. 49, no. 20, pp. 1-6. https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2016.10.087.Закамалдин А. А., Шилин А.А. Моделирование замкнутого цикла измельчения в шаровой барабанной мельнице с разгрузкой через торцевую решетку // Технология машиностроения. 2021; 8: 12-20.Zakamaldin A. A., Shilin A. A. Modelirovanie zamknutogo tsikla izmel'cheniya v sharovoi barabannoi mel'nitse s razgruzkoi cherez tortsevuyu reshetku [Simulation of a closed grinding cycle in a ball drum mill with grate discharge]. Tekhnologiya mashinostroeniya = Engineering technology, 2021, vol. 8, pp. 12-20 (In Russ.).A low-cost pole-placement MPC algorithm for controlling complex dynamic systems / Z. Zhang, L. Xie, S. Lu, J. A. Rossiter, H. Su // Journal of Process Control. 2022. 111: 106-116. https://doi.org/10.1016/j.jprocont.2022.02.001Zhang Z., Xie L., Lu S., Rossiter J. A., Su, H. A low-cost pole-placement MPC algorithm for controlling complex dynamic systems. Journal of Process Control, 2022, vol. 111, pp. 106-116. https://doi.org/10.1016/j.jprocont.2022.02.001Букреев В. Г., Шандарова Е. Б., Рулевский В. М. Многомерная модель системы электропитания погружного технологического оборудования // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2018; 329(4): 119-131. URL: https://earchive.tpu.ru/bitstream/11683/47202/1/bulletin_tpu-2018-v329-i4-11.pdfBoukreev V. G., Shandarova E. B., Rulevskiy V. M. Mnogomernaya model' sistemy elektropitaniya pogruzhnogo tekhnologicheskogo oborudovaniya [Multidimensional model of the power supply system for submersible processing equipment]. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. Inzhiniring georesursov= Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Georesource Engineering, 2018, vol. 329, no. 4, pp. 119-131. Available at: https://earchive.tpu.ru/bitstream/11683/47202/1/bulletin_tpu-2018-v329-i4-11.pdfЗакамалдин А. А., Шилин А. А. Построение системы автоматического управления с прогнозирующей моделью для стабилизации плотности и уровня при перемешивании пульпы в горно-обогатительном оборудовании // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). 2021; 58: 77-83. DOI: 10.36807/1998-9849-2021-58-84-77-83.Zakamaldin A. A., Shilin A. A. Postroenie sistemy avtomaticheskogo upravleniya s prognoziruyushchei model'yu dlya stabilizatsii plotnosti i urovnya pri peremeshivanii pul'py v gorno-obogatitel'nom oborudovanii [Construction of an automatic control system with a predictive model for density and level stabilization during pulp mixing in mining and processing equipment]. Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo instituta (tekhnicheskogo universiteta) = News of the St. Petersburg State Technological Institute (Technical University), 2021, vol. 58, pp. 77-83. https://doi.org/10.36807/1998-98492021-58-84-77-83.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.