一种基于随机矩阵单环理论的球磨机料球比评估方法

本发明涉及矿物加工机械监控领域，具体是一种基于随机矩阵单环理论的球磨机料球比评估方法。

背景技术：

1、球磨机作为选矿环节的重要设备，通过旋转带动介质群对矿物进行研磨与破碎，其负荷状态对设备节能及产品质量有着重要影响，由于球磨机运行工况恶劣且复杂导致磨机负荷参数难以准确检测和控制，因此对磨机负荷软测量技术的研究具有重要的研究价值及意义。

2、对于磨机料位软测量的研究，目前国内外专家学者已揭示了磨机振动信号、声音信号与料位间的关联性。并以分类的形式实现了磨机负荷的检测，并获得了较高的检测精度，然而在实际应用中存在以下弊端：(1)球磨机(干式球磨机)的负荷信息主要包含以下两方面：钢球充填率(bcvr)和料球比(mbvr)。钢球填充率反映磨机内部钢球体积与钢球之间的空隙体积与磨机内腔的容积之比，它是影响球磨机粉磨能力的主要因素。料球比反映物料体积与钢球之间空隙体积的比值，其主要影响球磨机粉磨效率。以上研究只针对于负荷参数(bcvr+mbvr)进行笼统研究，未细化至每一项。且相较于检测磨机钢球填充率而言，料球比的检测更困难。因此，磨机料球比的准确监测对于磨机节能与优化的研究更具有研究价值。(2)目前采用的分类方法只能检测当前磨机内物料是否达到某个最佳位置，但由于矿物颗粒形状、尺寸、风化程度、干湿度等不稳定因素将影响矿物破碎的物理性质及球磨机磨矿效率，导致磨机内物料高度可能发生波动，如何检测到磨机当前料位高度，及时反馈并控制进料速度，提高磨矿产线的智能化水平是当前迫切需要解决的问题。(3)磨机介质运动规律存在不稳定性，采集的振动信号数值呈现复杂的非线性和不确定性，这将对后续分类的精度及准确率将带来干扰，因此如何有效提取磨机振动特征尤为重要。

3、随机矩阵单环理论作为统计概率学的重要工具，通过特征分解等方法将数据映射在平面内去研究数据整体的渐近分布特性，由于其良好的数据挖掘特性，目前被广泛应用于工业数据分析中，因此，本专利基于随机矩阵单环理论提出一种料位检测新方法，以构建料球比评估指标的形式连续、实时监测磨机内料球比，对于提高球磨机的运行效率和降低能耗至关重要。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于随机矩阵单环理论的球磨机料球比评估方法，目的是连续、实时监测磨机内料球比变化。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

3、一种基于随机矩阵单环理论的球磨机料球比评估方法，具体步骤如下：

4、步骤1.球磨机振动信号采集平台的搭建；

5、首先搭建球磨机振动信号采集平台，确定相关实验方案：球磨机回转滚筒尺寸及结构、颗粒物质类型及尺寸、步进电机转速、传感器布置方案、球磨机中料球比填充方案及振动信号采样参数内容，为了准确监测磨机料球比大小，设定传感器采样频率为m，在时间t内共进行n次采样，共采集xall个数据。通过改变磨机内料球比大小以模拟矿石研磨过程中的料位变化过程；

6、步骤2.球磨机振动数据的随机矩阵化处理；

7、基于随机矩阵单环理论挖掘球磨机振动数据特征，需要求振动数据进行随机矩阵化处理满足随机矩阵单环理论的要求，有必要对xall个球磨机振动数据进行随机化处理、矩阵扩增及维数重构操作构建特征矩阵；

8、步骤3：基于随机矩阵单环理论的球磨机料位指标的构建；

9、步骤3中将构造的随机特征矩阵进行特征提取，并根据特征值分布状态构造评估指标，确定球磨机内当前料球比大小；

10、步骤4：数据分析及模型验证；

11、根据实时采集到球磨机料位变化信号，将特征值的平均谱半径作为球磨机料球比大小的量化评估指标，研究球磨机中料球比增加和减少过程中，所构建评估指标的变化趋势。

12、作为本发明进一步改进，所述步骤2具体过程如下：

13、步骤2.1：从xall个数据中提取xs个振动数据，并将其分成k段k≥2，形成k个规模为m/k×1的子矩阵j＝1,2,3l,k；

14、步骤2.2：利用子矩阵构建模拟矩阵，其中模拟矩阵h中第j段矩阵对应xs中前j个子矩阵随机化累加和的平均，所以构造出的模拟矩阵h为；

15、

16、其中；

17、

18、其中，θj为随机生成数，用于矩阵随机化构造；

19、步骤2.3：重复步骤2.1和步骤2.2操作n次，生成n个模拟矩阵分别记作hj，j＝1,2,3…n，并构造大维特征提取矩阵构造过程如下式所示：

20、

21、步骤2.4：为满足随机矩阵要求：矩阵行列之比c∈(0,1]，因此对矩阵进行维度重构，构造得到

22、步骤2.5：对进行处理后得到非hermitian的特征矩阵处理方法如下式所示：

23、

24、式中:表示矩阵行向量均值；表示矩阵行向量标准差。

25、作为本发明进一步改进，所述步骤3具体过程如下：

26、步骤3.1：对特征矩阵按照如下公式处理可得奇异值等价矩阵

27、

28、式中:上标h表示共轭转置；u为haar酉矩阵；

29、步骤3.2：若有l个奇异值等价随机矩阵可通过如下式所示方法处理得到矩阵积z：

30、

31、步骤3.3：将矩阵积z进行归一化处理，转化为标准矩阵积矩阵均值及方差均满足随机矩阵要求，处理方法如下式所示：

32、

33、步骤3.4：对标准矩阵进行特征分解，可提取k个特征值λi，i＝1,2,...,k；

34、步骤3.5：利用数据可视化的处理方法将料位振动数据对应的特征值分布在单环内，分析特征值离散点在单环内的分布状态，其中单环外径为1，内径为(1-c)l/2，c为矩阵行列之比，且c∈(0,1]，将各特征点到单环中心的距离即平均谱半径r，为监测指标用于评估球磨机滚筒内料球比大小，指标构造过程如下式所示；

35、

36、本发明通过高精度振动传感技术与先进的随机矩阵单环理论相结合，有效地实现了球磨机料位的实时精确监测。

37、(1)该技术提出一种对球磨机振动数据随机矩阵化的处理具体方法，通过数据的分段、随机化处理以及模拟矩阵构造等方式构造随机特征矩阵，这些步骤可使得将采集得到的球磨机数据转化为适应于随机矩阵单环理论分析的非hermitian的特征矩阵，为后续基于随机矩阵单环理论对于球磨机振动信号的处理奠定基础。

38、(2)通过在球磨机的关键部位安装振动传感器实时采集数据，该方案允许持续监测评估球磨机料球比信息，与传统分类方法相比，更准确地反映球磨机的实际运行状况，从而增强整个监控系统的可靠性，同时使得操作者可以基于准确的数据调整球磨机的运行参数，从而优化磨矿过程，提高能效和产出质量优化生产效率。

技术特征：

1.一种基于随机矩阵单环理论的球磨机料球比评估方法，具体步骤如下，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的一种基于随机矩阵单环理论的球磨机料球比评估方法，其特征在于：所述步骤2具体过程如下：

3.根据权利要求1所述的一种基于随机矩阵单环理论的球磨机料球比评估方法，其特征在于：所述步骤3具体过程如下：

技术总结本发明提出一种基于随机矩阵单环理论的球磨机料球比评估方法，该方法基于随机矩阵单环理论对球磨机的振动信号进行分析，本技术通过对采集的振动数据进行矩阵化处理、随机化构造及矩阵维度重构等方式构建特征矩阵，将矩阵特征点投影在单环内，将其特征点的平均半径作为球磨机料球比的评估指标。实验证明，本方法能有效应对由料球比变动引起的振动数据波动，即便在微小的料球比变化（5%差异）下，也能准确反映料球比变化，提供了一种对球磨机操作进行实时精确监控与调节的高效技术解决方案。技术研发人员：黄鹏,朱文昌,缪秋华,贾民平,许飞云,胡建中受保护的技术使用者：东南大学技术研发日：技术公布日：2024/9/9