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　　制粉系統(tǒng)作為燃煤電廠機組的一個*的輔助系統(tǒng)，它的安全經(jīng)濟運行直接影響著電廠運行的經(jīng)濟性和安全性。其中，鋼球磨煤機作為中儲式制粉系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，已廣泛應用于火電廠中，具有運行可靠、維護簡單、適應性強、檢修費用低等優(yōu)點。但球磨機是多變量、非線性、強耦合、大延遲對象，加之原煤水分、煤質(zhì)（揮發(fā)分、灰分、可磨性等）的變化，及鋼球、襯板磨損等原因，使得球磨機的工況特性復雜，造成球磨機監(jiān)測控制困難。目前，國內(nèi)大多數(shù)球磨機控制都是由運行人員手動操作，長期手動運行不僅易造成球磨機堵磨、斷煤、跑煤、超溫事件的發(fā)生，且系統(tǒng)不能長期運行在*工況，如何在球磨機安全運行前提下，降低磨煤單耗，提高經(jīng)濟效益和機組的自動運行投入率，成為電廠控制的一個關(guān)鍵。
　　
　　一、球磨機數(shù)學模型的建立
　　
　　1.1測試法建模
　　
　　測試法建模即通過輸入輸出信號之間的關(guān)系來建立，例如可以通過輸入信號為階躍信號或者脈沖信號得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。目前，實際應用中一般用磨煤機出入口差壓來表征料位。
　　
　　1.2機理法建模
　　
　　機理法建模也就是基于系統(tǒng)變化機理寫出各種平衡方程:物質(zhì)平衡方程、能量平衡方程、動量平衡方程、相平衡方程以及反映流體流動、傳熱、傳質(zhì)、化學反應等基本規(guī)律的特性方程，從中獲取所需的數(shù)學模型。
　　
　　二、球磨機制粉系統(tǒng)常用控制方法
　　
　　2.1常規(guī)比例積分微分（PlD）控制
　　
　　球磨機系統(tǒng)是一個三輸入三輸出的控制對象，給煤量、熱風門開度以及再循環(huán)（冷）風門開度作為調(diào)節(jié)變量，而球磨機料位（磨內(nèi)存煤量）、入口負壓和出口溫度作為被控量。由于球磨機系統(tǒng)具有多變量、強耦合、大慣性、純遲延以及模型時變的特點，就導致了傳統(tǒng)的單回路PID控制系統(tǒng)（即用給煤量控制料位、冷風門開度控制入口負壓、熱風門開度控制出口溫度）不能有效地實施，因為差壓控制回路和入口負壓控制回路、出口溫度控制回路存在嚴重耦合，磨煤機入口負壓的變化會影響冷熱風量的變化，這就造成出口溫度的變化，同時也影響到差壓。
　　
　　因此，采用這種常用的PID單回路控制強行割裂了各變量之間的關(guān)系，不但得不到好的控制效果，還極容易造成鍋爐燃燒系統(tǒng)的不穩(wěn)定。另外，用給煤量來控制球磨機進出口差壓，很難保證球磨機在優(yōu)化區(qū)運行而不出現(xiàn)堵磨現(xiàn)象，因此常規(guī)的球磨機負荷控制策略應用效果并不理想，系統(tǒng)難以長時間投入自動。
　　
　　2.2解耦控制
　　
　　文獻[1]應用Bristol-shinskey方法對制粉系統(tǒng)球磨機的耦合進行了理論分析，結(jié)論是:不解耦的系統(tǒng)不可能實現(xiàn)良好的控制，解耦設計是必須的。
　　
　　文獻[1]設計了2種補償方法:前饋補償法和三角矩陣法。文獻[2]以振動信號來表征球磨機的負荷，將給煤量設計成一個單回路，對球磨機出口溫度和入口負壓回路則基于多變量頻域設計方法，分別給出了反標架正規(guī)化（RFN）設計方法和逆奈奎斯特陣列（INA）法，其特點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，較易于工程實現(xiàn)，見圖1。
　　
　　對球磨機入口負壓和出口溫度，文獻[3]設計了3種解耦控制系統(tǒng)，其中工程實用的靜態(tài)解耦方法是通過試驗來確定解耦補償函數(shù)，具有一定的實用性，見圖2。
　　
　　文獻[4]則對球磨機入口負壓和出口溫度控制系統(tǒng)，提出以下改進方法:在2個單回路控制系統(tǒng)基礎上設計交叉解耦環(huán)節(jié);在磨煤機出口溫度控制系統(tǒng)中，加入相位補償環(huán)節(jié)，可有效克服溫度對象的大慣性，提高溫度控制系統(tǒng)的品質(zhì)，這一改進在南京熱電廠得到應用，見圖3。
　　
　　球磨機是一個非線性、慢時變的復雜工業(yè)對象，由于參數(shù)的攝動會導致解耦模型的失配，因此如何構(gòu)建具有自適應能力或者具有動態(tài)補償模型的解耦模型成為解耦控制的關(guān)鍵。
　　
　　2.3預測控制
　　
　　預測控制的出發(fā)點和傳統(tǒng)PID控制不同:PID控制是根據(jù)過程當前和過去的輸出測量值和設定值的偏差來確定當前的控制輸入，而預測控制不但利用當前和過去的差值，而且還利用預測模型來預估過程未來的偏差值，以滾動確定當前的*輸入策略。球磨機制粉系統(tǒng)是一個大慣性純遲延的工業(yè)過程，因此預測控制可以很好地解決這一控制難題。文獻[5]采用了模型算法控制（MAC）對球磨機進行了控制，同時通過引入輸出反饋消除靜差，具體MAC控制是由被控系統(tǒng)的內(nèi)部模型、參考模型和控制變量的計算三大部分組成。其中參考模型用于生成參考軌跡，引導被控對象的輸出沿著這條期望的平滑的曲線無超調(diào)的收斂到給定值，采用預測二步控制算法求解3個回路的*控制方案。
　　
　　在文獻[6]中，針對MAC對多變量耦合系統(tǒng)解耦時需要求解大量的線性方程的問題，提出一種新型解耦思想，其核心思想是假設Y1，Y2、Y3已被解耦是對立給出的，這樣使預測時域P1、P2、P3和控制時域M1、M2、M3在不同情況具有不同值。
　　
　　2.4模糊控制
　　
　　模糊控制是一種非線性控制，容易與具體生產(chǎn)實踐經(jīng)驗相，解決末知模型系統(tǒng)的控制問題，具有良好的穩(wěn)定性和較強的魯棒性，因此非常適合于球磨機這一復雜控制對象。
　　
　　對于球磨機這種三輸入三輸出多變量系統(tǒng)，若采用常規(guī)單階模糊控制定會造成規(guī)則數(shù)過多:若取m=7,n=6，則規(guī)則個數(shù)為76=117649個，這對于現(xiàn)場控制的硬件要求非常高，既達不到實時控制的目的，又不能節(jié)省改造成本。因此，可以采用模糊解耦控制，也可采用遞階模糊控制，即第1級系統(tǒng)看作3個獨立系統(tǒng)，計算器控制作用，第2級用作對第1級的3個輸出量作調(diào)整，這樣第1級控制規(guī)則總數(shù)為72×3=147，第2級控制規(guī)則總數(shù)為73=343，控制規(guī)則總數(shù)為490，大大減少，如圖4所示。
　　
　　模糊控制有比較大的局限性，對于不同的球磨機必須采取不同控制算法，此外因球磨機模型的時變特性，導致模糊控制沒有良好的魯棒性，使控制系統(tǒng)對被控對象的攝動反應很強烈。因此，模糊控制往往和其他控制算法相結(jié)合，充分利用模糊控制對系統(tǒng)大偏差時響應迅速、動作幅度大的優(yōu)點，加之其他控制算法良好的靜態(tài)性能，達到理想的控制目的。
　　
　　2.5自尋優(yōu)控制
　　
　　由于磨煤機的慢時變特性導致*工況點會受到各種因素的影響而改變，因此要提高運行經(jīng)濟性需要控制系統(tǒng)具有跟蹤*工況點變化而保持*工況的能力。從磨煤機負荷特性曲線上可以看到*料位和zui小煤耗是相對應的，因此考慮直接以磨煤機的單耗減小的方向為調(diào)整目標，從而避免考慮了球磨機內(nèi)存煤量這一難以測量的參數(shù)。這種控制方法具有良好的魯棒性，無論是風量、煤種還是煤的水分以及鋼球填充率的改變而導致的*料位的漂移，該控制方法都能很好地跟蹤*工況的變化，從而實現(xiàn)zui小磨煤單耗。可以采用預估比較的動態(tài)步進搜索法，給定一給煤量改變信號，然后測量由于信號改變弓起的磨煤單耗變化的大小和方向，再按需要的方向和大小調(diào)節(jié)給煤量，見圖5。
　　
　　對于自尋優(yōu)控制往往采用磨煤單耗作為控制的參考標準，但是出粉量的測量目前尚是一個工業(yè)難題，若運用給煤量來代替出粉量，由于系統(tǒng)的時滯以及非線性必然導致較大誤差，因此自尋優(yōu)并不是自尋*。由球磨機運行特性曲線可知，在*料位附近前軸瓦振動量的變化接近于零，因此可以利用前軸瓦振動量的變化作為自尋優(yōu)的參考標準，以提高自尋優(yōu)控制的精度。由于襯瓦波浪線延伸變形，使鋼球與原煤不能升到預定的角度和高度，鋼球裝載量不足及各種直徑鋼球配比不合理使鋼球與原煤的研磨達不到理想狀態(tài)，均是造成無用功增加、出力降低的影響因素。因此，自尋優(yōu)*值僅是在目前設備條件下的*，但不是制粉系統(tǒng)經(jīng)濟運行的*。隨著上述影響磨制出力因素的改善，此*值會大大提高，因此選用質(zhì)優(yōu)耐用的襯瓦以及合理的球徑配比和補球策略配合自尋優(yōu)控制能取得非常理想的經(jīng)濟效益。
　　
　　2.6神經(jīng)網(wǎng)絡控制
　　
　　由于神經(jīng)網(wǎng)絡具有并行處理、分布存儲、高度容錯、自學習能力、強魯棒性和強適應性特點，而且能夠逼近任意非線性函數(shù)，因此越來越引起控制界的重視，越來越多地被運用于傳統(tǒng)控制難以解決的復雜工業(yè)控制過程中。神經(jīng)網(wǎng)絡不依賴具體數(shù)學模型，非常適合動態(tài)特性隨運行工況大范圍變化的對象，而球磨機就屬于這類對象。
　　
　　文獻[9]對溫度和負壓采用神經(jīng)元解耦控制器，神經(jīng)元采用Hebb學習規(guī)則和學習規(guī)則相結(jié)合，通過關(guān)聯(lián)搜索對外界的變化做出相應的反應，從而達到了自學習的功能，并且具有較好的解耦性能。文獻提出了對球磨機系統(tǒng)控制的逆系統(tǒng)控制方案和基于分布式人工神經(jīng)網(wǎng)絡的逆系統(tǒng)控制，給出了適于分布式控制的模糊工況劃分方法，并對逆系統(tǒng)進行魯棒PID整合。與按線性控制方法的設計結(jié)果相比，可在大范圍內(nèi)克服系統(tǒng)的非線性和強耦合問題，對于一直難以解決的中間儲倉式制粉系統(tǒng)球磨機的自動控制探索了新的方法，見圖6。
　　
　　三、討論
　　
　?。?）球磨機料位的測量。在球磨機控制優(yōu)化方案中，料位是一個重要的控制參數(shù)，而料位的直接在線測量一直是工業(yè)控制現(xiàn)場中一個比較棘手的問題。傳統(tǒng)的測量手段采用磨出入口差壓來代替料位大小，雖然差壓的大小和料位的高低具有一定程度上的一致性，但由于料位會受到多個因素和參數(shù)的影響，因此傳統(tǒng)測量手段的誤差較大，以至于控制精度達不到理想的效果。近幾年興起利用音頻或者振動測量法來測量球磨機料位，比傳統(tǒng)手段的精度有了很大的提高，但僅用一個相關(guān)參數(shù)去表征球磨機料位肯定是存在較大誤差的，因此可以利用多信息融合技術(shù)軟測量手段來測量球磨機料位的變化。因此，很多學者都利用反向傳播（BP）神經(jīng)網(wǎng)絡來建立測量模型，即把和球磨機料位相關(guān)的各個量（風量、壓差、出入口溫度、振動量等）作為神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入，球磨機料位作為輸出，建立測量模型。當然訓練和校驗網(wǎng)絡需要大量的樣本數(shù)據(jù)（要求樣本數(shù)據(jù)要全面而且準確），這給實驗者帶來了極大的工作量而且也會對工業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)帶來比較大的影響。由于BP網(wǎng)絡自身收斂速度慢，且訓練容易陷入局部zui小，導致模型精度差異較大。建議采用小波理論對輸入信號（如振動信號）作相應處理，提取特征參數(shù)后再建立模型，甚至用小波神經(jīng)網(wǎng)絡代替神經(jīng)網(wǎng)絡來提高軟測量模型的精度。
　　
　　（2）由于球磨機制粉系統(tǒng)自身的復雜性，導致建模的困難，這也就增加了以數(shù)學模型為基礎的解耦、預測等控制方法的使用。由于固定單一的控制規(guī)則或者算法很難取得滿意的控制效果，因此必須綜合考慮，多種控制方法相結(jié)合，各取所長。例如，考慮到球磨機制粉系統(tǒng)多變量、強耦合、大慣性、純遲延以及動態(tài)模型具有時變的特點，充分利用模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡對非線性對象具有良好適用能力的特點，通過和其他控制方法相結(jié)合來達到控制和優(yōu)化球磨機制粉系統(tǒng)的目的。此外，應當考慮充分結(jié)合當前的智能算法，如遺傳算法、粒子群優(yōu)化、免疫優(yōu)化等以提高控制質(zhì)量，達到既安全又經(jīng)濟的生產(chǎn)方式。
　　
　?。?）控制策略的制定要充分考慮到球磨機制粉系統(tǒng)的實際工況特點，并不是一定要選擇那些*的控制理論和方法，考慮到球磨機制粉系統(tǒng)作為鍋爐燃燒系統(tǒng)的一個重要組成部分，它的擾動會給全廠的生產(chǎn)運行產(chǎn)生影響，因此首先要保證球磨機制粉系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運行，即追求制粉單耗的zui小化和整廠的生產(chǎn)效率要統(tǒng)籌兼顧。實際運行中，系統(tǒng)被調(diào)量允許有一定的波動范圍，在設計控制策略時要把這一點考慮進去，從而減少運行過程中被調(diào)量的頻繁微調(diào)，既保證了生產(chǎn)的安全又減少了執(zhí)行器的動作頻度，有益于提高整個運行系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外，由于對球磨機制粉系統(tǒng)控制的改造是在原有電廠分散控制系統(tǒng)（DCS）基礎上進行的，因此設計的控制系統(tǒng)在現(xiàn)場必須能夠方便實施，構(gòu)造具有實用價值的運行支援系統(tǒng)，以充分利用現(xiàn)有DCS的軟硬件資源，尤其要進一步考慮基于DCS甚至現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）的運行支援系統(tǒng)。
　　
　?。?）目前，各類控制系統(tǒng)的實施和改造各有不同，有的在原來基礎上增加工控機和板卡擴展來實現(xiàn)，有的增加了小型計算機網(wǎng)絡，有的借助電廠原有的常用儀器和儀表，僅僅增加其算法與功能來實現(xiàn)。但是，由于球磨機制粉系統(tǒng)自身的復雜性，針對不同型號的球磨機改造需要進行大量的重復工作。目前，我國發(fā)電廠正朝著大容量大機組方向發(fā)展，球磨機的安全穩(wěn)定運行與否更是關(guān)系到全廠生產(chǎn)運行的安全和經(jīng)濟性，因此設計一個具有普遍適應性的球磨機制粉系統(tǒng)控制方案將具有重大意義。