火電廠球磨機(jī)制粉控制系統(tǒng)的研究及優(yōu)化

孫景旭 李海濤

摘 要：文章在闡述了電廠球磨機(jī)中儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)先進(jìn)的控制方法和當(dāng)前應(yīng)用研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對其特點(diǎn)對球磨機(jī)制粉系統(tǒng)的雙輸入雙輸出系統(tǒng)加入PID解耦及仿真技術(shù)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：磨煤機(jī);PID解耦控制;仿真研究

中圖分類號：TK227 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1674-1064（2020）11-001-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2020.11.001

球磨機(jī)制粉系統(tǒng)作為一個(gè)具有強(qiáng)耦合、大延遲、大慣性的多變量系統(tǒng)，對于球磨機(jī)的強(qiáng)耦合關(guān)系，設(shè)計(jì)傳統(tǒng)控制方法[1]中的基于前饋補(bǔ)償法進(jìn)行解耦的PID控制系統(tǒng)，運(yùn)用MATLAB的simulink模塊進(jìn)行仿真，使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)控制。

1 球磨機(jī)制粉系統(tǒng)

1.1 工作特性

功率特性：球磨機(jī)功率與存儲(chǔ)量呈現(xiàn)非線性關(guān)系，不會(huì)一直增加，無拐點(diǎn)。功率曲線上可以找到一個(gè)極值點(diǎn)m，這是功率的最大值。這個(gè)點(diǎn)是在最大輸出點(diǎn)n的左邊。

出力特性：球磨機(jī)產(chǎn)量與儲(chǔ)藏量非正比，煤儲(chǔ)存量較少，空磨時(shí)球磨機(jī)產(chǎn)量隨儲(chǔ)存量增加而增加，當(dāng)煤粉量過多時(shí)，球磨機(jī)產(chǎn)量下降。球磨機(jī)輸出曲線上有一個(gè)極值點(diǎn)n，這是最佳工作點(diǎn)。

振動(dòng)特性：磨煤機(jī)的差壓是磨煤機(jī)儲(chǔ)煤量和煤粉的節(jié)流產(chǎn)生的，磨煤機(jī)出力越大差壓上升就越快，磨煤機(jī)出力小時(shí)差壓變化非常平緩。

進(jìn)出口差壓特性：球磨機(jī)的振動(dòng)特性與存煤量成反比關(guān)系，當(dāng)存煤量較高時(shí)，鋼球間充滿原煤，其振動(dòng)的信號也逐漸減小;當(dāng)達(dá)到出力極點(diǎn)N時(shí)，磨煤機(jī)內(nèi)填滿了原煤，其振動(dòng)信號也趨于水平。各工作特性曲線如圖1所示。

1.2 運(yùn)行效率影響因素

球磨機(jī)的運(yùn)行效率跟很多因素有關(guān)。

磨制出力：磨煤機(jī)的大小不同，筒的鋼球質(zhì)量、大小不同，磨煤機(jī)轉(zhuǎn)速、煤的干濕程度等，都會(huì)對磨煤機(jī)出力產(chǎn)生不同的影響。

干燥出力：煤的標(biāo)號，煤的含水量，鋼球磨的溫度，通風(fēng)量的多少，都會(huì)影響磨煤機(jī)的干燥出力。

通風(fēng)出力：磨煤機(jī)內(nèi)磨好的合格煤粉需要及時(shí)帶出磨煤機(jī)，使用的就是通風(fēng)帶走方式，需要有一個(gè)合理范圍的風(fēng)量來帶走煤粉，風(fēng)量大小會(huì)影響磨煤機(jī)的效率。

1.3 控制對象特性分析

磨煤機(jī)控制系統(tǒng)是典型的存在嚴(yán)重耦合的系統(tǒng)，因?yàn)轳詈系拇嬖冢瓜到y(tǒng)的自適應(yīng)能力降低了。球磨機(jī)的主要被控對象是：出口溫度和入口負(fù)壓，相對應(yīng)的主要調(diào)節(jié)對象為熱風(fēng)門開度和冷風(fēng)門開度。

冷風(fēng)量用來調(diào)節(jié)入口負(fù)壓，但是冷風(fēng)量的改變，也會(huì)引起磨煤機(jī)出口穩(wěn)定的變化。熱風(fēng)量的改變不但會(huì)使磨煤機(jī)出口溫度改變，同時(shí)也會(huì)使磨煤機(jī)的入口壓力發(fā)生變化。

1.4 制粉系統(tǒng)對象組成

常規(guī)的球磨機(jī)制粉系統(tǒng)控制對象包括三個(gè)輸入和三個(gè)輸出，其解耦困難，設(shè)計(jì)繁瑣。改變測量方式，通過測量球磨機(jī)前軸瓦垂直振動(dòng)分量來檢測球磨機(jī)內(nèi)的存煤量，而不再采用差壓信號來測量，這樣熱風(fēng)門開度或者再循環(huán)風(fēng)門開度都不會(huì)再影響存煤量的檢測，給煤量對于入口負(fù)壓的影響可以忽略，給煤量對于出口溫度的影響是可檢測擾動(dòng)。上述工作，將給煤回路分離了出來，將三入三出的制粉系統(tǒng)變成熱風(fēng)量-出口溫度和再循環(huán)風(fēng)量-入口負(fù)壓等兩入兩出的耦合系統(tǒng)，以及一個(gè)簡單的給煤量-存煤量的單回路系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)的MATLAB設(shè)計(jì)與仿真

2.1 解耦設(shè)計(jì)

系統(tǒng)加入前饋補(bǔ)償器進(jìn)行解耦[2]，具有設(shè)計(jì)簡單、使用方便、控制回路簡潔清晰、易于仿真等優(yōu)點(diǎn)。文章根據(jù)球磨機(jī)壓力回路和溫度回路的耦合系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了靜態(tài)前饋補(bǔ)償解耦的PID控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了仿真。

假設(shè)補(bǔ)償器D21是系統(tǒng)從μ1到μc2通路的，假設(shè)補(bǔ)償器D12是系統(tǒng)從μ2到μc1通路的，利用補(bǔ)償原理可得：K21g21+D21K22g22=0，K12g12+D12K11g11=0，由上面兩式進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算就可分別解出補(bǔ)償器的數(shù)學(xué)模型：D21= ? ?，D12= 。系統(tǒng)經(jīng)過前饋補(bǔ)償解耦后，耦合系統(tǒng)將變?yōu)閮蓚€(gè)單回路控制系統(tǒng)[3]。已給雙輸入耦合系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是： ? ? ? ? ? ? ? ? ，式中：T、P、μ1、μ2分別表示磨煤機(jī)的出口溫度、磨煤機(jī)的入口負(fù)壓、磨煤機(jī)的熱風(fēng)門開度以及磨煤機(jī)的再循環(huán)風(fēng)門開度。因此， ，式中：T、P單位為工程值。放大系數(shù)矩陣為：，第一放大系數(shù)矩陣為：P=，相對增益矩陣為：Λ=，可以得出，λ11=λ22=0.5033，λ12=λ21=0.4966，均在（0.3，0.7）范圍內(nèi)，說明系統(tǒng)耦合作用比較強(qiáng)，需要解耦：通過計(jì)算，前饋解耦控制器的參數(shù)分別為：D1=0.3563，D2=-2.77。

2.2 加入PID解耦后系統(tǒng)的MATLAB仿真

加入PID解耦如圖2所示，在解耦后的系統(tǒng)上加上使用PI控制規(guī)律的PID控制器[4]，使得該系統(tǒng)輸出值可以更好地跟蹤給定值。對兩個(gè)使用PI控制規(guī)律的PID控制器進(jìn)行參數(shù)整定，使其達(dá)到最好的控制效果，調(diào)整兩個(gè)PID控制器參數(shù)，得到的結(jié)果分別是Kp1=4，Ki1=0.03;Kp2=0.3，Ki2=0.12。解耦前，仿真結(jié)果如圖3所示，解耦后，仿真結(jié)果如圖4所示。

從上面的仿真曲線可以看出，采用前饋補(bǔ)償法解耦的球磨機(jī)PID控制系統(tǒng)解除了球磨機(jī)負(fù)壓回路和溫度回路的耦合，解耦后的系統(tǒng)[5]完全可以按照單回路進(jìn)行PID的控制。并且取得了不錯(cuò)的仿真結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

[1] 金以慧，方崇智.過程控制[M].北京：清華大學(xué)出版社，l993.

[2] 白焰.鋼球磨制粉系統(tǒng)的耦合分析和解耦設(shè)計(jì)[J].吉林電力技術(shù)，1986（6）：1-7.

[3] 張玉鐸等.熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：水利電力出版社，1993.

[4] 楊平.自動(dòng)控制原理[M].北京：中國電力出版社，2006.

[5] 王永初.解耦控制系統(tǒng)[M].成都：四川科技出版社，1985.