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摘    要
    球磨機制粉系統(tǒng)是個多變量的系統(tǒng)，各個變量之間不僅存在著嚴(yán)重的偶合，而且一些變量還存在著很大的純遲延及時變性。如果球磨機制粉系統(tǒng)采用經(jīng)典的PID控制，很難得到較好的控制效果。
    本文針對中儲式鋼球磨煤機制粉系統(tǒng)的多變量、強耦合、大慣性、非線性和時變性等特點，在對系統(tǒng)的動態(tài)特性進行了較為全面分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的球磨機解耦控制系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明，文中提出的控制方法相比傳統(tǒng)控制方法有更好的控制品質(zhì)，跟蹤快、魯棒性強、解耦好，較好地解決了球磨機系統(tǒng)的時變性、耦合性等問題。
關(guān)鍵詞：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，解耦，球磨機
第一章  緒論
1.1球磨機制粉系統(tǒng)控制現(xiàn)狀與發(fā)展
    中間倉儲式球磨機制粉系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電機組，是火電廠的重要大型輔助設(shè)備，也是耗電大戶之一，據(jù)統(tǒng)計，制粉系統(tǒng)的用電量占火電廠用電量的15-25%，是潛在的節(jié)能大戶之-，而長期以來，我國火電廠中間倉儲式制粉系統(tǒng)的自動控制一直是一項技術(shù)難題，由于系統(tǒng)的大時延、非線性、多變量、強耦合及時變特性，還有控制方式和磨內(nèi)存煤量測量信號等存在的問題，使得設(shè)計安裝的自動控制系統(tǒng)一直未能投入運行。以往設(shè)計的控制系統(tǒng)大多是基于三套獨立的PID控制回路，對于各回路之間的耦合及大時延特性顯得無能為力。因此研究制粉系統(tǒng)的自動控制和優(yōu)化運行，具有重要的實際意義。
    鋼球磨煤機是我國大中型燃煤電廠制粉系統(tǒng)中使用最多的磨煤設(shè)備，它具有運行可靠、維護簡單、對煤種適應(yīng)性強和檢修費用低等優(yōu)點，從目前發(fā)展情況來看，其應(yīng)用范圍還在不斷擴大，但是它的缺點也很突出，即制粉電耗高和難以實現(xiàn)自動控制。
    中儲式磨煤機制粉系統(tǒng)是一個多變量、強耦合、大慣性和具有多種不確定性擾動的被控對象，其主要被控量是球磨機出口溫度、入口負壓、出入口壓差、磨煤機載煤量等，這些參量的影響是交織在一起的．使得球磨機制粉系統(tǒng)成為一個具有多變量耦合和模型時變等特性的控制對象，改變給煤、熱風(fēng)、冷風(fēng)和再循環(huán)風(fēng)中的任何一個量，都會影響磨煤機的出口溫度、入口負壓、存煤量、通風(fēng)量等，從而使得該系統(tǒng)的自動化較難以實現(xiàn)。
    以往的控制系統(tǒng)大多以單回路調(diào)節(jié)器為基礎(chǔ)，采用3套相互獨立的PID控制回路，強行將變量間的相互關(guān)系割裂，從而顧此失彼，不可能得到滿意的控制效果。此外，中儲式磨煤機制粉系統(tǒng)動態(tài)特性復(fù)雜，且動態(tài)特性隨時間而發(fā)生變化，這使得對象的數(shù)學(xué)模型難以準(zhǔn)確獲得，這也是該系統(tǒng)難以實現(xiàn)自動化控制的原因之一。目前大多數(shù)電廠的制粉系統(tǒng)仍處于人為判斷和手工操作的原始狀態(tài)。手動操作時為了保證球磨機安全工作，防止堵煤跑粉等事故，球磨機經(jīng)常處于料位偏低（低負荷）、風(fēng)量偏大、經(jīng)濟運行較差的“習(xí)慣運行區(qū)”，系統(tǒng)的制粉單耗較高。對鋼球添加量與鋼球大小配比、風(fēng)量優(yōu)化等缺乏合理的指導(dǎo)，故提高制粉系統(tǒng)的經(jīng)濟性，是火電廠的一個重點節(jié)能挖潛之處。所以如何將現(xiàn)有的控制理論及方法應(yīng)用于制粉系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制，使之運行在最佳工況點足目前亟待解決的問題之一。
    實現(xiàn)中儲式球磨機制粉系統(tǒng)自動控制的目標(biāo)是，充分考慮球磨機系統(tǒng)的非線性特性、強耦合特性以及大遲延大慣性特性，并充分考慮斷煤、堵煤和超溫等異常工況，進一步提高系統(tǒng)在大范圍內(nèi)的可控性和適應(yīng)性，采用領(lǐng)域相關(guān)知識優(yōu)化系統(tǒng)的運行狀態(tài)，不僅使單耗最低，更要使制粉系統(tǒng)的總體效率最佳，達到整體上的優(yōu)化，并且保證系統(tǒng)安全運行，構(gòu)造具有實用價值的運行支援系統(tǒng)。實現(xiàn)鋼球磨煤機自動．化控制有如下意義：
    1)可保證鍋爐機組運行經(jīng)濟可靠；
    2)可減輕操作人員的勞動強度；
    3)可使得球磨機運行于最佳工況，產(chǎn)生較好的社會和經(jīng)濟效益。
    因此，本課題針對球磨機制粉系統(tǒng)難以實現(xiàn)自動控制的難題，提出智能控制的辦法來保證球磨機在安全運行的情況下，使磨出力達到最大，處于最佳經(jīng)濟運行工況，并避免在制粉過程中的滿煤、跑粉等問題。
    由于中儲式球磨機制粉系統(tǒng)存在多變量強耦合，大時滯和模型時變的特性，造成了基于經(jīng)典PID方法設(shè)計的控制方案多年來無法長期穩(wěn)定的投入自動控制，影響了球磨機運行的安全性，使球磨機無法長期穩(wěn)定運行在最佳經(jīng)濟出力工況下，造成了廠用電的較大浪費。二十世紀(jì)六十年代末，國外大都采用模擬儀表進行磨煤機控制，而我國的鋼球磨煤機一直是采用手動控制方式，直到七十年代初期，我國開始設(shè)計了以給煤量控制壓差，以熱風(fēng)量控制溫度，以再循環(huán)風(fēng)量控制負壓的自動控制系統(tǒng)，以及另一種用給煤量控制溫度、用熱風(fēng)控制負壓的方法。它們共同的問題是以單網(wǎng)路凋節(jié)器為基礎(chǔ)，對球磨機如此復(fù)雜的系統(tǒng)顯然達不到控制要求。三變量之間的嚴(yán)重耦合，加乏系統(tǒng)的非線性和時變性問題，這個時期的自動控制系統(tǒng)均不能投入運行，直到八十年代初期，國內(nèi)丌始有人研究鋼球磨煤機制粉系統(tǒng)的動態(tài)特性，并把多變量解禍控制方法應(yīng)用于制粉系統(tǒng)的分析中。進入九十年代，人們在消化引進國外制粉系統(tǒng)控制技術(shù)的同時，開始探索用新的方法來檢測磨煤機內(nèi)的存煤量，而且控制方法也有了較大的進步。隨著先進控制理論和檢測手段以及計算機技術(shù)的發(fā)展，火電廠過程控制水平有了大幅度的提高，球磨機制粉系統(tǒng)這一較難控制的系統(tǒng)開始受到重視，并取得了一些理論和應(yīng)用方面的研究成果。在充分考慮了球磨機制粉系統(tǒng)特點的基礎(chǔ)上，針對不同被控過程的具體特性，一批以多變量控制理論、模糊控制理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論以及自適應(yīng)優(yōu)化理論為基礎(chǔ)的實用控制策略已被提出，如解耦控制、自尋優(yōu)控制、模糊控制、預(yù)測控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等先進控制方法。
    (1)球磨機制粉系統(tǒng)的常規(guī)解耦控制
    球磨機制粉系統(tǒng)是一個嚴(yán)重耦合的三輸入三輸出多變量系統(tǒng)，在任何一個調(diào)節(jié)回路中，不管輸入和輸出之問如何配對三個回路之間均存在嚴(yán)重的耦合，因此需要進行多變量解禍。常規(guī)解禍控制方法可分為靜態(tài)解耦和動態(tài)解耦。靜態(tài)解耦方法適用于對象模型較精確，在靜態(tài)工作點附近線性度較好的情況下，它具有結(jié)構(gòu)簡單、實現(xiàn)容易的特點，但鋼球磨煤機是一個復(fù)雜的被控對象，工作狀態(tài)極不穩(wěn)定，所以靜態(tài)解禍不適用于鍘球磨煤機。動念解耦足在被控對象工作的全過程進行解耦，在一定的條件下有良好的解耦效果。解耦后的系統(tǒng)可按單回路的原則來整定PID制器的參數(shù)。動態(tài)解耦方法適用于能獲得鋼球磨煤機精確數(shù)學(xué)模型的條件下，并且它還限于磨煤機在動態(tài)工作點附近有良好的線性度情況下。對于鋼球磨煤機這樣一個多擾動、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，此方法還是具有較大的局限性。另外，為了使解耦網(wǎng)絡(luò)易于實現(xiàn)必須對系統(tǒng)做出相應(yīng)的簡化，但這樣會造成系統(tǒng)模型的失真，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時極易造成不穩(wěn)定。所以常規(guī)解耦法不能從根本上解決磨煤機的控制問題。解耦控制的共同特點是用補償矩陣來消除各控制回路之間的影響，要實現(xiàn)完全解耦在理論上是可以通過補償來實現(xiàn)，但工程上應(yīng)遵從簡單有效的原則，過于復(fù)雜的補償矩陣是無法實現(xiàn)的。
    (2)球磨機制粉系統(tǒng)的基于多變量頻域理論的INA設(shè)計方法
    INA法即逆奈氏陣列法是多變量頻域理論的重要內(nèi)容之一，它具有對數(shù)學(xué)模型的精確性要求不高、物理概念清晰、易于工程實現(xiàn)等特點。INA法的關(guān)鍵在于求出被控對象的預(yù)補償矩陣，使對象的廣義傳遞函數(shù)具有對角優(yōu)勢。基于INA方法設(shè)計的磨煤機控制方案不需要精確的數(shù)學(xué)模型，克服了系統(tǒng)易受擾動，穩(wěn)定性差的毛病，使系統(tǒng)具有耦合小，魯棒性及故障穩(wěn)定性強的特點，但INA法設(shè)計磨煤機控制系統(tǒng)需相應(yīng)的CACSD軟件支持，而且系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜。
    (3)球磨機制粉系統(tǒng)的自尋優(yōu)控制
    當(dāng)制粉系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)工況時，常規(guī)的控制方式可以維持系統(tǒng)運行在給定料位下，但無法保證運行的經(jīng)濟性。對于磨煤機系統(tǒng)來說，最佳料位不是一成不變的，鋼球的磨損、煤種的變化等都會使最佳料位產(chǎn)生漂移，因此控制系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)崟r自動跟蹤料位變化，在運行中不斷修正控制參數(shù)，使控制對象始終運行在最佳工作狀態(tài)。為提高球磨機的效率，工程技術(shù)人員提出了采用預(yù)估比較的動態(tài)步進搜索法，輸入信號不作連續(xù)變化，而是在起始狀態(tài)的基礎(chǔ)上作一個有限的變化，然后測量由于輸入信號的改變引起輸出量變化的大小和方向，等辨明方向后，再按需要的方向調(diào)節(jié)被控對象的輸入。
    利用給煤量的自適應(yīng)優(yōu)化控制，可以使制粉系統(tǒng)在安全運行的前提下，確保其處于或接近最佳工況，使制粉系統(tǒng)出力最大，系統(tǒng)制粉電耗最小，即通過改變給煤量來計算單耗，判斷單耗變化方向，再控制給煤量朝著單耗減小的方向變化。為了使給出的設(shè)定值能實時跟蹤球磨機的最佳工作點，在自尋優(yōu)的過程中，需要給出一個振動信號變化的整定值A(chǔ)Yo。如果檢測到的振動信號變化的變化值，說明這時球磨機的工作點在最大出力的左邊，因此應(yīng)加大設(shè)定值R，反之應(yīng)減小設(shè)定值R，重復(fù)幾次調(diào)整后可使系統(tǒng)穩(wěn)定運行在最大出力點。自尋優(yōu)的引入，使控制系統(tǒng)能自動跟蹤最大出力點的漂移，保證球磨機始終運行在最大出力點。
    但是球磨機單耗的計算沒有統(tǒng)一的算法，若以給煤機的給煤量近似表示球麼機負荷，并不能準(zhǔn)確測得球磨機的實際出力，也無法正確計算出單耗，那么在線尋優(yōu)也并非為最優(yōu)，另外該方法調(diào)節(jié)動作頻繁不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。自尋優(yōu)控制的優(yōu)（未完待續(xù)）
    三門峽富通新能源銷售球磨機、雷蒙磨、木屑顆粒機等機械設(shè)備。

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