基于多傳感器信息融合的球磨機負荷檢測系統

　　信號處理一般包括信號的預處理、A/D轉換和數字信號處理器的數字信號處理等。其中，對于要檢測的聲響和振動(dòng)信號，是隨機的混有多種噪聲信號在內的復雜的時(shí)域信號。然而球磨機不同負荷參數的變化往往引起聲響和振動(dòng)信號頻率結構的變化，為了通過(guò)所檢測的信號得到球磨機內部負荷參數，往往需要了解信號的頻域信息。所以，需用快速傅立葉變換(FFT) 對聲響和振動(dòng)信號進(jìn)行頻譜分析，計算其反映球磨機內部負荷參數的狀態(tài)和特征信息。

　　圖2 振動(dòng)信號采集電路

　　(3)數據層融合

　　由于磨礦過(guò)程機理復雜、影響因素多，又是一個(gè)多變量輸入輸出過(guò)程，生產(chǎn)過(guò)程緩慢，滯后時(shí)間長(cháng)，同時(shí)具有非線(xiàn)性、時(shí)變性以及干擾因素多而嚴重等特點(diǎn)。此外，球磨機機組龐大，噪聲高達100dB。在這種相當惡劣的工作環(huán)境下，如果用傳統的單一傳感器來(lái)觀(guān)測球磨機的外部響應信息，顯然是難以勝任的。所以，基于信息融合的多傳感器觀(guān)測手段在這里是個(gè)很好的應用方案。分別通過(guò)聲音傳感器、振動(dòng)加速度傳感器和有功功率傳感器進(jìn)行球磨機外部響應信號的數據采集，經(jīng)信號處理后提取的這三個(gè)參數在數據層融合，可以增強獲取的球磨機外部響應信息的冗余性和互補性，減少整個(gè)系統的不確定性;當某個(gè)傳感器失效時(shí)，多個(gè)傳感器提供的冗余信息則可以排除故障信息，從而提高系統的魯棒性。

　　因為融合是在信息的最低層次進(jìn)行的，傳感器原始信息的不確定性、不完全性和不穩定性，以及數據通信量較大，抗干擾能力較差等，決定了融合時(shí)算法需有較高的糾錯能力，實(shí)時(shí)處理大量數據的能力等。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )作為一種并行的分布式信息處理系統，具有很強的信息綜合能力，知識泛化能力及結構的容錯性等，可以在數據層用作融合算法。

　　(4)融合算法設計

　　本文是要通過(guò)檢測球磨機的外部響應來(lái)間接地檢測球磨機的內部負荷參數，即球磨機外部響應是已知的，球磨機內部參數是待預測的。因此，可以在數據層，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )建立球磨機系統的逆向模型——球磨機外部響應與內部負荷參數之間的關(guān)系模型，從而進(jìn)行球磨機負荷的預測。

　　本文神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )選用有教師學(xué)習的標準三層結構的徑向基函數RBF網(wǎng)絡(luò )，輸入變量是數據層的球磨機外部響應，輸出變量是球磨機的內部負荷參數。

　?、?輸入層的設計

　　由于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模型的輸入變量是球磨機的外部響應信號，根據三因素檢測的要求，本文檢測了球磨機的外部聲響信號、外部振動(dòng)信號和有用功率信號這三個(gè)因素，所以輸入層節點(diǎn)有三個(gè)，分別是歸一化處理后的球磨機的外部聲響信號、外部振動(dòng)信號和有用功率信號。

　?、?輸出層的設計

　　RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模型的輸出變量是球磨機的內部負荷參數，由于本文要檢測的球磨機內部負荷參數包括球磨機的介質(zhì)充填率、料球比和磨礦濃度，所以，以介質(zhì)充填率、料球比和磨礦濃度作為輸出變量建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )系統。這樣，輸出層有三個(gè)節點(diǎn)，輸出層的激活函數是簡(jiǎn)單的求和運算，即輸出層是隱層輸出的加權和。

　?、?隱層的設計

　　在RBF網(wǎng)絡(luò )訓練中，隱含層神經(jīng)元數量的確定是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，MATLAB7提出了改進(jìn)方法，基本原理是從0個(gè)神經(jīng)元開(kāi)始訓練，通過(guò)檢查輸出誤差使網(wǎng)絡(luò )自動(dòng)增加神經(jīng)元。每次循環(huán)使用，使網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)生的最大誤差所對應的輸入向量作為權值向量，產(chǎn)生一個(gè)新的隱含層，然后檢查新網(wǎng)絡(luò )的誤差，重復此過(guò)程直到達到誤差要求或最大隱含層神經(jīng)元數為止。實(shí)現是：函數newrbe在創(chuàng )建RBF網(wǎng)絡(luò )時(shí)，自動(dòng)選擇隱含層的數目，使得誤差為0，完成網(wǎng)絡(luò )的訓練和建立(RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的建立過(guò)程就是訓練過(guò)程)。

　　RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )輸出層三個(gè)神經(jīng)元上的數據經(jīng)過(guò)反歸一化處理后，就為球磨機的內部負荷參數：介質(zhì)充填率、料球比和磨礦濃度。

　　在磨礦過(guò)程自動(dòng)控制中，可以根據這三個(gè)參數間接反映的球磨機的負荷(包括球負荷、物料負荷以及水量的各自數值)實(shí)現整個(gè)球磨機的優(yōu)化控制。