（动力机械及工程专业论文）智能模糊控制在制粉系统中的应用.pdf

摘要 中储式制粉系统的磨煤机对象的是一三输入三输出的强耦合、大滞后、非线 性和时变系统，目前采用常规方法的自动投入率一直不高，影响了机组的安全经 济运行。 本文分析了磨煤机对象的运行特点并结合以往的控制经验将其分解为一个 磨煤机冷、热风门入口负压、出口温度的多变量系统和一个给煤机输出 磨煤机负荷的单回路系统，经过现场数据整理，总结出了对象的传递函数。 在这一基础上，为简化后的2 * 2 对象设计了多变量模糊解耦控制系统，系统 由两个模糊控制器和解耦控制器构成，对模糊控制器引入了基于模糊推理的自适 应p i d 控制方法。对于解耦控制器，应用了模糊推理动态调整解耦系数以及根 据运行工况综合判断解耦方式的智能方法。对于单回路系统，设计了基于增益自 适应s m i t h 预估的控制方法。并在自动控制的基础上研究了磨煤机启停时的顺序 控制。通过s i m u l i n k 下的仿真实验，证明其具有较好的控制效果。 最后结合a b bs y m p h o n y 系统，说明了本文所设计的控制策略在当前d c s 系统内的可实现性，并提出了随着d c s 控制环境的完善，控制策略尚需加以改 善的方面。 关键字：中间储仓式制粉系统球磨机模糊控制多变量模糊解耦集散控制系统 a b s t r a c t w i t ht h e s t u d y o ft h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c o fp u l v e r i z e dc o a l p r e p a r a t i o n s y s t e mw i t hi n t e m i e d l a t es t o r a g eb u n k e r ，w ed i v i d st h et u b em i l lc o n t r o lo b i e c ti n t oa t w od i m e n s i o nm i m o s y s t e ma n d as i s o s y s t e ma n da l s og e tt h ed y n a m i cm o d e lo f e a c hf r o mf i e l dd a t a o nt h eb a s i so f a n a l y s i n ga b o v e ，am u l f i v a r i a b l ef u z z ya d a p t i v ec o n t r o l l e rw i t h d e c o m p o s i t i o nc h a r a c t e r i s t i ci sp r e s e n t e df o rt h em i m o s y s t e m , w h l c hn s e sat y p eo f f u z z yr e a s o n i n ga d a p t i v em e t h o dd e d u c e df r o mf i e l da p p l i c a t i o np r a c t i s ea n df u z z y c o n t r o lt h e o r i e st o d y n a m i c l ym o d i f y t h em a i np i d c o n t r o l l e r sa n dt h e d e c o m p o s i t i o n c o n t r o l l e r s p a r a m e t e r s 。a n d as m i t h p r e d i c t o r c o n t r o l l e rw i t h c h a n g e a b l eg a i ni sa p p l i e dt ot h es i s o t h i st w oc o n t r o ls t r a t e g i e ss h o wb e t t e rr e s u l t i nt h es i m u l i z a t i o n e x p e r i m e n t o f s i m u l h l ke n v i r o m e n t f i n a l l y , w ed i s c u s se a s yr e a l i z i n gn a t u r eo fi n c o r p o r a t i n gt h ec o n t r o ls t r a t e g i e s i n t od c se n v i r o m e n ta n dp u tf o r w a r ds o m ei m p r o v e m e n t so ft h ec o n t r o ls t r a t e g i e s p r e s e n t e di n t t h i sp a p e r k e yw o r d ：p u l v e r i z e dc o a lp r e p a r a t i o ns y s t e m ，i n t e m i e d l a t es t o r a g eb u n k e r , t u b e m i l l ，f u z z yc o n t r o l ，m u l f w a r i a b l ef u z z yd e c o m p o s i t i o nd c s 东南大学学位论文独创性声嗣 矿s 4 5 0 2 莲 本人声明所里交的学位论文是我个人在导师指导。r 进行的研究上作及取得的研究成果， 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中4 i 包含其他人匕经发表城撰写过 晌研究成果，也_ ；包含为获得东南大学或其它教育机构的学佗或证f 而使川过的材料。与我 一闷工 二的同志对本研究所做的任阿贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究奎签名： ：i ：画耋口期：地盘壬 j 东南大学学位论文使用授权声鞲 东南人学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权徐留本人所送交学位论文的复印 份綦i 电子文挡，w 以采翔影印、缩印或其他复帝i 手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文涎内撵楣一致。除盎保密裂内麓探密论文外，允诲论文被查阅霸借阉，可驻公布( 包括 到登) 论文的全部或滔分内容。论文越公布( 包括司登) 授投东南夫学研究生院办疆。 研究生签名：! 。童，豳考导师签名：左! ! 芝困期：竺曼兰：墼 东南大学坝上学位论文 第一章绪论 1 1 论文的研究意义和选题背景 我国是一个以煤炭为主要能源的国家，在电力行业，尽管水电和火电等近年发展迅 速，但目前我国火力发电量占总发电量的份额仍在8 0 以上。目前我国火力发电厂应用 的多是筒式低速球磨机，约占全国电厂磨煤机总数的8 0 8 5 【7 j ，它具有可磨煤种多、 控制简单等特点，但也普遍存在着钢球消耗量大、系统运行自动化程度低等问题。据统 计，制粉系统用电量占厂用电量的1 5 2 5 【3 ”，是电厂的耗电大户之一，同时也是潜 在的节能大户之一。制粉系统的安全经济运行直接影响发电机组的正常运转。 目前，我国绝大部分2 0 0 m w 以下燃煤机组及部分3 0 0 m w 机组均采用中间储仓式球磨机 制粉系统，该部分的自动控制一直是一项长期困扰电厂运行人员和d c s 调试人员的技术 难题。球磨机是一“多输入多输出”的强耦合、非线性、大延迟、大惯性的被控对象， 具有自动控制领域上的多个难点，采用常规控制策略很难保证自动控制有效投入。制粉 系统的长期手动运行，不仅容易造成磨煤机堵煤、断煤、超温、跑粉；也不能使系统长 期保持在最大出力运行，这对整个机组的安全性和经济性都产生很大的影响。 如何使制粉系统安全运行，降低单位磨煤电耗，提高机组的自动投入率，已成为火 电厂的一大攻关项目。本课题研究的目的即是针对目前存在的这些问题，根据中间储仓 式球磨机制粉系统的特点，研究采用先进的控制理论和控制策略来实现制粉系统的有效 控制，改善目前中储式制粉系统控制品质不佳的现状。 通过本课题研究，设计适用于中储式制粉系统过程控制的控制算法，为设计实际控 制系统提供有效的基础，具有理论价值和工程应用价值。该项目的完成将使中储式制粉 系统的控制品质有显著的改善，提高火电机组运行的安全性和经济性。 1 2目前国内控制现状 火电厂制粉系统的自动控制主要有两方面内容：一是在机组长期运行过程中，在磨 煤机出口温度、磨煤机入口负压、排粉机出口压力被控制在给定范围内时，使磨煤机出 力达到最大，当系统某一被调量偏离设定值时，调节器能迅速动作消除扰动，不发生大 幅振荡，同时要求在稳态下各风门挡板不能频繁动作以延长执行机构的寿命。二是在启 东南大学硕上学位论文 停磨过程中实现全过程顺序自动控制。顺控过程中给煤机转速、各风门挡板按要求动作， 在运行人员不需要进行任何干预的情况下自动完成制粉系统启停操作。在这两点内容中， 后者不同于一般的s c s j e n 控，它要求在顺序控制过程中制粉系统各回路的自动始终投入， 一方面自动控制系统要完成加减煤、风门切换的工作，还要保证各被控参数在允许范围 内变化。从而从某种意义上讲后者其实是对前者控制品质的一次检验。 目前国内的各火电机组制粉系统的自动控制通常采用的是三个独立的p i d 回路，即 由磨煤机冷风门或排粉机再循环风门控制磨煤机入口负压，由磨煤机热风门控制磨煤机 出口温度，由给煤机转速控制磨煤机负荷。这种设计思路简单清晰，易于实现，但由于 磨煤机的三对输入输出参量问存在强烈的耦合作用，导致自动常常不能长时间稳定投 入；同时由于被控对象的时变性和非线性，使得系统很可能在某一工况下是稳定的，而 在另一工况下却出现不稳定。实践表明，国内大多数采用这一类调节方法的制粉系统自 动投入情况都不尽如人意。对于制粉启停过程的顺序控制，由于制粉系统自动控制如前 所述投入并不理想，因此大多数机组的d c s 系统通常都不具备这一功能，目前大部分机 组采用s c sj 顿控的思路设计制粉顺控，即用计算机模拟运行人员的操作，将整个顺控分 成若干个步骤，每步动作某几个风f i n 设定位置，设定值由运行人员凭经验输入。这种 设计方法较易实现，但实际运用后运行人员普遍反映该方法较为死板，适应性不强，常 常某一次成功了，而另一次又不成功，并且风门切换过程中容易引起被控参数的大幅变 化【l9 】。最终为安全起见运行人员还是不得不通过手动方式完成制粉顺控的操作。自动控 制系统不具备，或者有而不投是目前制粉系统控制的普遍现象。 目前国内带中储试制粉系统的机组，通常都必须专门用一台d c s 操作员站来随时观 察制粉系统运行情况，增加了设备和人员成本，降低了生产效率。 1 3 课题研究的理论和实践依据 1 3 1 理论基础 。 l - 3 1 1 模糊控制理论概述 美国加利福尼亚大学的z a d e h 教授于1 9 6 5 年创建模糊集理论，在随后的几十年里随 着模糊系统理论在工业界的成功应用，越来越多的学者开始研究模糊系统理论。1 9 7 4 年 英国的e h m a m d a n i 成功的将模糊控制应用于锅炉和蒸汽机控制，标志着模糊控制首次 进入电力生产领域。模糊控制得以广泛发展并在现实中得以成功应用，其根源在于模糊 逻辑本身提供了由专家构造语言信息并将其转化为控制制策略的一种系统的推理方法， 东南大学硕士学位论文 【习而能够解决许多复杂而无法建立精确的数学模型系统的控制问题，是处理系统和控制 系统中不精确和不确定性的一种有效方法。模糊控制是模糊数学同控制理论相结合的产 物，属于现代控制理论的一个分支，它与专家控制、神经网络控制一起构成了智能控制 领域。 模糊控制适合那些常规自动控制难以实现，而有经验的操作人员进行手动控制却可 以收到令人满意的效果的场合。模糊控制是建立在人的直觉和经验的基础上，把那些熟 练操作人员的实践经验进行总结和形式化描述，用语言表达成一组定型的条件语句和不 精确的决策规则，然后利用模糊集合作为工具使其定量化，用形式化的人的经验法则模 仿人的控制策略，再驱动设备对复杂的工业过程进行控制。 一般而言，模糊控制器的设计一般大致可分为三部分，首先将精确的输入量模糊化， 通过隶属函数的建立，完成精确的数学量到模糊的语言变量的的转换，隶属函数通常采 用三角函数，正态分布函数等，以符合人的思维方式，这部分功能称为模糊器。第二部 是进行模糊推理，即是根据控制过程的输入模糊变量和预先取得得模糊规则库，通过某 种合理的方法进行归纳组合，从而获得模糊推理结果即输出模糊结果集的过程。由于推 理规则库主要是按现场的操作经验与知识而建立的，因此模糊控制具有一定的模拟人的 思维的特点，这部分功能称为模糊推理机。第三部是解模糊过程，将推理得到的模糊语 言控制量转化为精确的数学变量，去驱动控制机械装置，这部分功能称为解模糊器。因 此简单来说模糊控制器就是由模糊器模糊推理机解模糊器构成的控制系统。 与传统经典控制方法比起来，模糊控制的特点为： 1 设计控制系统时，可以不要求知道对象精确的数学模型，但要对受控对象的特 性有充分了解，是以现场操作人员或专家的经验知识的总结和归纳而建立知识 模型的。 2 用语言变量代替常规的数学变量，或两者结合运用，来构造形成专家的知识库。 3 控制系统的鲁棒性强，适应于常规控制难以解决的非线性，时变性，多层次， 多干挠的滞后系统。 在常规模糊控制中，一般根据( 被调量与给定值之间的) 偏差和偏差变化来确定控 制作用，但用这种简单形式的模糊控制规则来全面地描述操作人员的控制经验是很困难 的，而在不同工况下，控制规则也不一定相同。比如，按额定负荷工况下模糊控制规则 设计的控制系统在低负荷下的控制性能就不理想，这是因为模糊控制本身自适应能力有 东南大学硕士学位论文 限，因此常规模糊控制的性能受到很大的限制。另外，球磨机是一“多输入多输出”的 强耦合、非线性、大延迟、大惯性的复杂系统，由于被控过程的非线性、高阶次、时变 性以及随机干扰等因素的影响，造成模糊控制规则比较粗糙或者不够完善，也会不同程 度的影响控制效果。解决这一问题的一个有效方法是引入自适应机制，即自适应模糊控 制，使模糊控制规则能够自动的修改，从而获得满意的控制性能。自适应模糊控制器是 一种具有学习( 自适应) 算法的模糊控制器，学习算法主要用来调整模糊控制器中的量 化因子和比例因子、模糊规则中的参数以及模糊规则本身( 包括获取、删减、增补、优 化等) 等模糊控制器的组成部分，也可以对模糊控制器的其他组成部分( 模糊化环节、 模糊推理机制和模糊判决环节等) 进行自适应调整。 1 3 1 2 模糊控制在火电厂热工控制中的应用现状 模糊控制发展至今，已在火电机组热工控制领域取得了多项的应用和发展。其在过 热、再热汽温【8 1 ，汽包水位1 9 1 等采用常规控制方法常常遇到困难的热工对象上的应用都 取得了比较好的效果。 综合来说，模糊控制主要通过如下几种方式应用于火力发电机组： 一种是结合现场运行人员的经验和专家知识经验来建立模糊规则和进行模糊推理， 并与p i d 控制相结合形成模糊p i d 控制器。其形式具有多种方式：( 1 ) 直接控制量型 ( d i r e c t a c t i o n ) 模糊p i d 控制器，即模糊推理机的输出是p i d 原理范围内的控制作用 量。通过误差、误差变化ae 、误差累计e 这些输入量通过查模糊表来确定控制作用， 从而形成直接控制型p p i p d p i d 模糊控制器。( 2 ) 增益调整型( g a i n s c h e d u l i n g ) 模糊p i d 控制器，该类模糊控制器中推理机的输出直接对应于增量参数，通过应用模糊规 则对三个p i d 参数进行调整。( 3 ) 混合型( h y b i r d ) 模糊p i d 控制器，该类模糊p i d 控制 器可以以多种形式出现，如直接控制量型与增益调整型相结合的控制器。或者在大偏差 时应用模糊p i d 控制器一具有较高的鲁棒性，小偏差时应用传统p i d 控制器以具备较好的 收敛性。可以通过其仿真结果表明，这样整定出来的p i d 控制器，具有较好的跟踪能力 和抗干扰能力，并有一定的自适应性，实际应用时能取得理想的控制效果。 另一种是将模糊控制与预测控制技术相结合的控制。由于单纯的模糊控制仍是根据 被控量的偏差信息来确定的，本质上仍属于事后控制性。因此对于大滞后对象常常并不 理想，因此有人提出了一类基于被控对象一般模型的模糊预测控制方法。其系统框图如 东南大学硕十学位论文 图卜1 所示。 图卜1 模糊预测控制系统 图中u 为被控对象的输入，y n 过程输出。首先将控制量的论域分为若干子域，并以 分界点作为参考控制量，随后预测各参考控制量在建立的被控过程模型作用下可能的输 出，且以预测的偏差与偏差变化两个变量为输入建立模糊性能规则库，推理出控制性能 的测量指标，来评价各参考控制量的控制效果。最后由确定的各时刻最佳控制量和稳态 控制量所在的控制量论域中的子域确定控制输出。由于建立一个性能测量规则库易于建 立一个控制规则库，因此也适合工程实现。 还有就是模糊控制与神经网络相结合的控制技术，这类控制器属于具有自学习算法 的控制方法。通过利用数据信息，系统的改善隶属度函数，以此来改善模糊控制器的控 制精度。一般而言，神经网络与模糊逻辑控制的结合方式大约有：( 1 ) 利用神经网络 驱动模糊推理的模糊控制，利用神经网络直接设计多元的隶属函数，并把它作为隶属函 数生成器组合在模糊控制系统中。( 2 ) 利用神经网络记忆模糊规则的控制，通过一组 神经元不同程度的兴奋表达一个抽象的概念值，由此将抽象的经验规则转化为多层神经 网络的输入输出样本，通过神经网络b p 记忆这些样本，控制器以联想记忆方式使用这些 经验，在一定意义上与人的联想记忆思维方式接近。( 3 ) 用神经网络优化模糊控制器 的参数，在模糊控制系统中对控制性能影响的因素除了上述隶属函数，模糊规则外，还 有控制参数，比如误差、误差变化的量化因子以及输出的比例因子，都可以调整，利用 神经网络的优化计算功能可以优化这些参数，改善模糊控制系统的参数。 。 在模糊控制器中，执行模糊化运算通常是系统计算中很费时的一环，且不易进行严 格的数学分析。因此在具体热工控制策略实现时常采用一些不需要去模糊化的模糊推理 系统。如采用由t a k a g i 、s u g e n o 和k a n g 提出的t s 模型。其典型的模糊规则形式为： i fxi saa n dyi sbt h e nz = f ( x y ) 其中z = f ( x ，y ) 为精确函数，从而避免了去模糊化过程。事实上，采用一些较灵活的 东南大学硕十学位论文 去模糊化方法进行建模可有利于缩短控制时间。 i 3 2 实践依据 中储式制粉系统的自动控制问题已在国内引起广泛关注，很多高等院校的热能工程 专业、电力科研单位、工业控制厂家都专门立项对其进行研究。到目前为止，许多先进 的控制方法如预测控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制均先后被引入到制粉系 统控制当中，这之中有应用成功的，也有失败的例子。笔者将对这些控制策略进行综合 总结，并根据笔者本人在国电南瑞科技股份有限公司工作过程中所调试的多台1 2 5 m w 火 电机组的现场经验，结合对模糊控制理论的研究和应用，提出一套适用于制粉系统的方 便、实用、有效的控制策略。 m a t l a b 就是当今国际上最流行的c a c s d 软件环境。它集可靠的数值计算、图象和图 形显示及处理、高水平的图形界面设计风格等于一身，并带有数以百计的控制理论和 c a d 工具箱，提供了与其它高级程序设计语言如c 、f or t r a n 等的接口，功能非常强大。 1 9 9 0 年，m a t l a b 提供了新的控制系统模型图形输入与仿真工具一s i 咖l i n k 。它可以利 用鼠标在模型窗口上“画”出所需的控制系统模型，然后对系统进行仿真或线性化分析。 这使得复杂系统的输入变得相当容易且直观，而且便于进行调试和分析。在s i m u l i n k 中 对控制对象特性和控制策略进行数学仿真与在d c s 中组态控制策略极为相似，本文将选 用s i m u l i n k 作为本次论文研究工作的仿真平台。 为火电机组热工对象设计控制策略时，通常一方面要求其具备优秀的控制性能，另 一方面也希望它容易实现并能方便的融入电厂d c s 系统。目前很多为制粉系统、磨煤机 设计的控制优化策略经常由于过于复杂而无法直接在d c s 中组态，而要使用专门的计算 机并通过r s 2 3 2 、m o d b u s 等通讯方式与d c s 系统相连，增加了系统的复杂度和不可靠性。 实践表明，很多采用通讯方式挂接n d c s 来运行的控制策略，在实际电力生产过程中只 是起到为运行人员提供操作指导和参考的作用，并不能直接作用于现场执行机构：这是 由于不管是从机组运行还是d c s 设计来考虑，安全性始终是放在第一位的，而目前通讯 方式数据传输的稳定性、速度和正确率与硬接线相比还有很大差距，这就导致电厂运行 人员不信任或不放心通过这种方式来直接控制生产设备。因此，控制策略的有效性和易 实现性必须相互兼顾。笔者在攻读研究生期间有幸参与了国电南瑞科技股份有限公司所 集成a b bs y m p h o n y 系统的d c s 的设计、组态、调试工作，对该系统有了较为详尽的了解。 东南大学硕上学位论文 a b b s y m p h o n y 系统是当今最为优秀的电力行业d c s 系统之一，在国际上的火电厂领域得 到了广泛的应用，占有很高的市场份额，我国的多台火电机组也都采用了这套d c s 系统。 本文将把所研究的控制策略实t 雅i j a b bs y m p h o n y 系统中，相信这对于目前市场上普遍 应用的d c s 都具有一定的代表性。 东南大学硕士学位论文 第二章中储式制粉系统动态特性研究 2 1中储式制粉系统的运行特点和控制方案 2 1 i 中储式制粉系统的构成 中储式钢球磨制粉系统一般由给煤机、磨煤机、粗粉分离器、细粉分离器、绞龙输 粉机、煤粉仓等设备构成。按照其输粉方式的不同可分为乏气送粉和热风送粉系统。其 中乏气送粉制粉系统一般如图2 一i 所示。不同机组的具体管路和调节阀设计可能有所差 别，但基本都具有与图中功能相似的各个调节风门。 图2 1 乏气送粉制粉系统典型系统图 乏气送粉制粉系统运行时，原煤和热风通过干燥管一同进入球磨机，磨制好的煤粉 由热风从磨煤机内输送至粗粉分离器分离，粗粉返回磨煤机重新碾磨，合格的煤粉继续 东南太学硕士学位论文 输送至细粉分离器被再次分离，风、粉经细粉分离器分离后，煤粉经绞龙输粉机分配到 不同的粉仓储存待用，由细粉分离器上部出来的乏气( 携带有一部分极细的煤粉) 经排 粉机提高压头后作为输送煤粉的一次风。制粉系统不工作时，机组采用热风送粉方式， 即采用排粉机入口冷、热风门的近路风经排粉机提高压头后作为一次风。 热风送粉制粉系统一般如图2 2 所示，系统结构大体与乏气送粉相同。磨煤乏气由 排粉机提高压头后经独立的风门作为三次风进入炉膛。而一次风则来自送风机或者一次 风机( 1 2 5 m l v 和2 0 0 m w 机组一般不设独立的一次风机，而直接用空预器来的热风) 。 空 来 再循环风门 图2 2 热风送粉制粉系统典型系统图 一谈风 三次风 2 1 2中储式制粉系统的运行特点 制粉系统中的排粉机对象较为简单，迟延性、时变性都较小，实践表明采用常规控 制方法即可获得满意结果，因此本节主要研究一下磨煤机的运行特点。 磨煤机磨煤过程所消耗的能量主要用于简体转动和提升钢球，因此磨煤机空载时 东南大学硕士学位论文 功率较大，随着磨煤出力的增加，磨煤机功率增加较少，磨煤出力越大，制粉单耗就 越小，所以，磨煤机在高出力下保持运行，对提高制粉系统的经济性作用较大。 根据文献【1 4 】的分析，磨煤机的电动机功率、进出口差压、磨出力与简体内的存煤 量之间关系，可按如图2 - 3 所示的曲线表示。 功率 差压 出力 i 电机功率2 进出口差压3 磨出力 图2 3 磨煤机特性曲线 磨煤机投入运行时，随着筒内存煤量的不断增多，电动机功率也不断增大。当功率 达到最大时，磨煤机出力并没有达到最大，出力最大点在功率最大点右边，因此，将 磨煤机运行工作点推向最大出力点附近，既可提高出力，又可节约单位电耗。随着存煤 量的增加，出力逐渐增加，存煤量达到一定时的出力将达到最大。继续使存煤量增加， 出力反而减小，球磨机将出现进煤大于出粉的情况，球鼓内存煤量急剧上升，造成堵煤。 当磨煤机出力达到最大以前，磨煤机出入口差压变化比较平稳，达到最大出力后，若 继续加大给煤量，出力减小，差压先是缓慢增加，继而急剧增大，即为堵煤工况。根据 各曲线特性将图2 - 3 分为i 区、i i 区和i 区，在i 区时磨煤机耗电量大、出力小， 不合理；在i i i 区易堵煤，应避免：i i 区状况最好，是磨煤机的理想工作区域。 磨煤机制粉能力的大小受磨制出力、干燥出力和通风出力三者的限制，而且等于三 者中较小者。( 1 ) 磨制出力。磨煤机出力除了与设备类型、简体转速及煤种有关外，还 与钢球数量、规格和筒内载煤量有关。由图2 - 3 可知，提高磨煤机出力和降低磨煤机 电耗的关键在于维持筒内的合理载煤量。( 2 ) 干燥出力。影响磨煤机干燥出力的因素主 要是煤的水分、热风温度和干燥风量。在热风送粉制粉系统中，磨煤机进口干燥剂组成 东南大学碗上学位论文 一般为热风加再循环风，乏气送粉系统中，则通常为热风加冷风。为了保持磨入口负 压、降低风机电耗、提高锅炉燃烧效率，磨入口总风量需在一定范围内调节。( 3 ) 通风 出力。磨煤机内磨制好的煤粉需要有相当的磨煤通风量将其携带出，其通风量与磨煤出 力及制粉电耗关系，如图2 4 所示。 出力 电耗 1 磨煤出力2 电耗 图2 - 4 通风量与出力、电耗关系 ( 4 ) 中间储仓式制粉系统的风量协调。在磨制煤粉的过程中，既要有一定的通风量把磨 好的煤粉输送走，又要有一定数量和温度的干燥通风量以保证干燥出力。风量协调的出 发点是使磨煤机在经济工况下运行，其干燥出力应不小于磨煤出力。设计中通常利用向 热风中掺冷风或乏气再循环来降低磨煤机入口干燥剂介质温度，以协调干燥风量和磨 煤风量。 由于利用向热风中掺入冷风的方法降低磨煤机入口干燥剂温度和增加磨煤通风量， 使流往空气预热器的空气量减少，导致排烟温度升高，锅炉效率降低，因而不经济。故 应优先考虑采用乏气再循环来协调干燥出力与磨煤出力之间的相互关系。但在乏气送粉 系统中磨煤机再循环风门的开度变化也同时会影响到一次总风压的变化，一次总风压是 影响锅炉内燃烧工况的重要参数，通常希望其稳定在某一数值范围内不频繁变化，因此 一般在乏气送粉系统中采用磨煤机入口冷、热风门来协调干燥风量和磨煤风量：而在热 风系统中则优先采用磨煤机入口热风门、磨煤机再循环风门来调节磨煤粉量和干燥风量 的配比，磨煤机冷风门只作为辅助调节手段。 由于乏气送粉制粉系统比热风送粉系统更加复杂，本文将主要以乏气送粉系统为研 究对象。以后在本文中提到制粉系统，如不特别说明，都是指乏气送粉系统。 2 1 3 中储式制粉系统的控制方案 制粉系统运行时，为保证磨煤机通风量和干燥出力，必须将磨煤机入口负压和出 东南大学硕士学位论文 口温度维持在允许范围内。目前大部分设计采用三个独立的单回路p i d 控制为基础， 通过控制热风门开度来维持磨煤机出口温度，通过控制冷风门或再循环风门开度来维 持磨煤机入口负压，通过给煤机输出来控制磨煤机负荷。 由于这种控制方案无法在现场正常使用，故无法获得满意的控制效果，其主要原 因如下： ( 1 ) 当改变热风流量维持出口温度时，对磨煤机入口负压产生干扰，。因此，常规 控制方案会造成2 个单回路控制系统之间的交叉影响，对象的耦合特性使得单回路控 制效果很差。 ( 2 ) 由磨煤机入口热风门开度改变而引起的磨煤机出口温度变化，这是一个大惯 性大滞后的过程，对于一个存在大惯性的子阶的被控对象，基于单回路常规p i d 控制 不可能获得满意的控制效果。 ( 3 ) 若负压降低，为了维持负压稳定，再循环门( 或冷风门) 将打开，但是磨煤机 出口温度和干燥出力降低。在磨煤机正常运行时，通过再循环门( 或冷风门) 来调节磨 煤机入口负压，会降低磨煤机出力，故不经济。 对于磨煤机负荷控制，关键要找到一个测量球磨机存煤量的有效方法。而该参数一 直是一个难以直接测量的量，其测量方法多年来人们一直在努力寻找却又直不能较好 地解决。运行人员在无法了解制粉系统内部变化时，很难实现制粉系统随时处于最佳状 态。 目前应用的球磨机负荷主要有：( 1 ) 用磨煤机进出口差压来代表负荷，该方法设备 简单，只需安装一个差压传感器，应用最为普遍。但差压信号所代表的磨负荷通常带有 较大的延迟，应用时容易造成磨煤机堵煤。( 2 ) 用球磨机前轴承振动垂直分量的加速度 来代表球磨机负荷【3 2 】。在永昌电厂应用表明，可节电3 5k w h t 。但这种测量方式投 资和改装工作量大，测重装置维护量大，且钢球装载量发生变化时，直接影响存煤量测 量。( 3 ) 通过音频信号判断料位吲。料位检测采用音频振动传感器或传声器，安装于球 磨机筒体4 点半到5 点半的区间。然而，当煤种、水分和钢球量等发生变化时，同样的存 煤量对应的噪声电流是不同的。另外，音频传感器的输出信号对料位变化不灵敏，如某 电厂采用音频传感器后，经测试，磨煤机空载到满煤，音频传感器的输出仅变化了l m a ， 显然，该信号就很难用于自动控制。 一般电厂机组制粉系统每天都需要进行卜2 次启停操作。操作过程中步骤繁杂、需 东南大学硕士学位论文 要操作的阀门和维持一定范围的参数都较多，因此许多电厂都提出在d c s 中加入制粉系 统顺序控制逻辑。 乏气送粉中间储仓式制粉系统启动控制包括启磨倒风、暖磨：停止控制包括抽粉、 停磨倒风。制粉系统启动前采用热风送粉，即排粉机入口冷、热风门以一定开度保持一 次风压和排粉机出口温度在正常范围内。在制粉系统启动时，先要进行启磨倒风，将热 风送粉转变成乏气送粉。此时为了维持一次风压不发生波动，要求在关闭排粉机入口冷、 热风门的同时打开排粉机入口风冷、热风门。启磨倒风结束后要进行暖磨，此时要开大 磨入口热风门，关小磨入口冷风门，待磨煤机出口温度满足要求后即可启动磨煤机。制 粉系统停止前先要逐渐减小给煤量，当给煤机停止后再进行抽粉，制粉系统内含粉量满 足要求即可停磨煤机。接着再将乏气送粉转变成热风送粉，关闭排粉机入口风门和热风 再循环门，同时打开排粉机入口冷、热风门，此时亦要求维持一次风压。 由上分析可以看出，制粉系统自动难投入的主要问题在于：( 1 ) 磨煤机入口冷、热 风门与出口温度的耦合严重。( 2 ) 磨煤机负荷的测量较为困难，目前的所有测量方法都 还不能很好的表征磨煤机内存煤量。( 3 ) 制粉系统顺控启停步骤繁多、复杂，且要维持 在一定范围内的参数多，如果设计不合理，常常会执行到一半由于参数无法满足要求而 进行不下去。 基于以上问题，本文将三入三出的磨煤机对象分解为一个两输入两输出( 磨煤 机入口冷、热风门开度磨煤机入口负压、出口温度) 的多变量对象和一个单回路对 象( 给煤机输出磨煤机负荷) 。对于前者，本文将提出应用模糊自适应理论的模糊 解耦控制方法：对于后者，本文将应用磨煤机电流和进出口差压的综合模糊推理方法判 断磨煤机内存煤量，并根据其带有纯延迟的特性采取某种预估系统进行控制。做这样的 设计一方面是因为若直接构造三入三出的控制对象则控制系统将非常复杂，另一方面考 虑到磨煤机负荷与入口负压、出口温度的耦合并不十分严重，且运行中磨煤机一般都要 求带满负荷，负荷波动不会太大。 对于一次风压和排粉机出口温度，前者为快速回路，后者也一般为一惯性不大的二 阶对象。二者之间虽有一定程度的耦合，但由于其延迟较小负荷变化时对象特性基本不 变，根据控制经验可知这一类对象具有较好的可控性，在现场实践中也发现采用简单的 单回路即可取得满意的控制效果，因此本章将不具体研究这两个对象的特性。只在第四 章的仿真实验中将其结合顺序启停控制进行简要分析。 东南大学烦士学位论文 2 2中储式制粉系统的动态特性 2 2 1 现场数据获取 笔者在南通天生港# 8 机组的调试中，记录了现场的部分扰动实验数据。天生港# 8 机 组( 1 3 5 m w ) 采用的是乏气送粉系统，系统组成基本与图2 1 相同，只是缺少磨煤机再循环 风门。在机组运行在1 2 0 m w 阶段，给煤煤机输出在正常运行的最大出力附近( 指令在5 0 左右) 时对制粉系统进行了一系列扰动实验，并记录下了实验的数据曲线。 1 在运行中将磨煤机入口热风门由6 0 开至7 0 ，得到的磨煤机入口负压和出口温 度的响应曲线如图2 5 、图2 6 所示： 一4 0 0 嚣 压 一o ( p a ) - 6 0 0 ，产 卜n n p 。 ，巾、，八旷 呵l 隔 v | 遗 1 02 口3 04 0 时间( s ) 图2 5 磨煤机入口热风门入口负压响应曲线 东南大学硕士学位论文 雒6 8 琵) ，一 厂 7 ， f ? ， 1 2 0 03 0 04 s o e 时间f s ) 图2 6 磨煤机入口热风门出口温度响应曲线 2 在运行中将磨煤机入口冷风门由6 0 关至3 0 ，得到的磨煤机入口负压和出口温 度的响应曲线如图2 - 7 、图2 - 8 所示： 一4 2 0 默嗡。 昱负 ( p a ) - 5 0 0 6 弋 ”扒、肌 ；邮胁气坩肚 ，谢 v 1 02 03 0 时间f s ) 图2 7 磨煤机入口冷风门入口负压响应曲线 5 0 东南大学硕士学位论文 6 9 髓 度 6 8 ( ) 一 ， ? ? f 0】2 , o o3 0 04 时间( s ) 图2 8 磨煤机入口冷风门出口温度响应曲线 3 在运行中将给煤机输出由4 0 升至5 5 ，得到的磨煤机进出口差压的响应曲线如 图2 9 所示： 33 蜇誓 差压3 1 f 口a 29 小肿 洲呻肌m m 。 。一 ， 删眇 醇 v i 0 0锄004 0 05 0 0 时间( s ) 图2 9 给煤机输出磨煤机进出口差压响应曲线 东南大学硕士学位论文 2 2 2 动态特性整理 根据上一节的现场扰动试验瞎线可葭大致看蹬磨漾税输入输出鼹象的大致动态关 系： 磨煤机入口冷风门出口温度3 - 4 阶惯性对象。 磨煤桃入口冷风门入口负压：一阶惯性对象。 瘗煤嫒入口热最f 1 出豳涅度；3 - 4 除撰燃对象。 磨煤机入口热风门入口负压：一阶惯性对象。 给煤机输出磨煤视逐出口麓压：带有明麟纯延遴的2 3 阶对象。 据姥，罴躅瓣域分撰方法，褥爨二天二蹬对象戆砖遴丞数缀蓐和零遐路系统款传递 函数如下； 搿 刚。唰s ) 1 糜煤机入口热风门入口负压传递函数g 场( s ) = 而k 当机组及磨煤机在0 1 0 0 负荷之问变动时，k 的取饿范围为2 5 3 5 ，死的取值范围 1 为8 - 1 2 s 。 2 磨煤机入口冷风门入口负压传递函数g 。( 5 ) = i 面k 当机组及磨煤机夜o l o o 负荷之问变渤时，k 的取值范围为7 1 0 ，瓦的取值范围 为8 1 2 s 。 3 磨煤机入口热风门出口温度传递函数瓯( s ) = 西南 当机组及磨煤机在0 一1 0 0 负荷之间变动时，k 的取值范围为o 6 - i 3 ，瓦的取值范 围为3 0 - 6 0 s ，n 的取值范围为3 4 。 4 磨煤机入口冷风门出口温度传递函数瓯( s ) = 百筹可 当机组及磨煤机在0 1 0 0 负荷之间变动时，k 的取值范围为o 1 - 0 1 3 ，瓦的取值 东南大学硕士学位论文 范围为2 5 4 8 s ，n 的取值范围为3 4 。 5 给煤机输出磨煤机进出口差压传递函数g 咖( s ) = i 击e ” 当磨煤机在0 1 0 0 负荷之间变动时，k 的取值范围为o 0 3 0 0 5 ，t o 的取值范围为 3 5 6 0 s ，n 的取值范围为2 3 ，f 的取值范围为7 0 l o o s 。 由此可得到天生港# 8 机组磨煤机在8 5 负荷下的动态特性为： 阡 7 _ 3 l + 9 s o 1 3 ( 1 + 4 5 s ) 4 凹= 斋1 5 等0 s ) e “。 r + 3 倒 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 式中： p 磨煤机入口负压( p a ) ； r 磨煤机出1 2 1 温度( ) ； 尸磨煤机进出口差压( k p a ) ； u 。磨煤机入口热风门开度( ) ； u 。，磨煤机入口冷风门开度( ) ： 0 给煤机输出( ) ； 本文下一章将按照公式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 为对象模型来设计控制策略，同时根据不 同负荷下对象特性偏移后，考察控制策略的自适应能力a 2 3 本章小节 本章分析了中储式制粉系统的运行特点和控制方案，简要研究了制粉系统中各控制 变量的动态特性和相互之间的关系。说明了应用常规控制手段无法在制粉系统取得满意 的控制效果的原因。并结合现场数据，根据运行和调试经验，将乏气送粉制粉系统的磨 羔焉 东南大学硕+ 学位论文 煤机对象分解为一个二入二出对象( 磨煤机入口冷热风门磨煤机出口温度、入1 3 负 压) 和个单回路对象( 给煤机输出磨煤机负荷) 。提出了大致的数学模型，为进 一步的控制算法设计提供了基础。 东南大学硕士学位论文 第三章中储式制粉系统控制算法研究 3 1磨煤机对象模糊控制算法设计 目前常见的模糊系统在控制方面的应用按其在输入数据的模糊化主要有两种：( 1 ) t - s ( t a k a g i s u g e n o ) 模糊系统。明；( 2 ) 具有模糊器推理机解模糊器结构的模 糊系统。它们也是模糊控制方法在当前锅炉热工控制中最常见的两种模糊系统。它们的 典型结构如图3 - 1 和3 - 2 所示： 图3 - 1t - s 模糊系统的基本框图 图3 - 2 具有模糊器和解模糊器模糊系统的基本框图 其中t - s 模糊系统在应用中通常与传统p i d 结合，构成基于t - s 模型的模糊p i d 控 制器，而第二种方法则采用常规的模糊系统设计策略，首先根据某种模糊化方法将输入 的精确数据进行模糊化，运用模糊推理机制得出模糊结果集，再通过解模糊得到精确的 东南大学碗一l 学位论文 控制量。 这两种模糊系统在应用中各有优缺：t - s 模糊系统中模糊规则的t h e n 部分是一个 数学公式，这样在就较易在计算机上实现，并且计算量很少。但正因如此，在这种系统 中无法提供一个自然的体系来表达人类知识，模糊逻辑的的各种原理得到应用的自由度 很有限。 根据第二章的分析结果，三输入三输出的磨煤机对象可简化为一对二入二出 ( 磨煤机入口冷、热风门开度磨煤机入口负压、出口温度) 和一个单回路控制对象 ( 给煤机输出磨煤机负荷) 。本节将分别按照上述的两种方法，设计出应用在二入 二出对象上的基于模糊器解模糊器系统的模糊控制器和基于t - s 系统的模糊p i d 控 制算法，并将在进一步的仿真实验上比较它们在系统实现和控制性能方面的差别。并且 根据这一二入二出对象的耦合和非线性特性，增加了模糊解耦算法。对于给煤机输出一 一磨煤机负荷的单回路对象，根据第二章的研究，当磨煤机负荷采用磨煤机进出口差压 来表示时，通常都伴有较大的纯延时，因此本章将对其设计基于s m i t h 预估的控制方 法并参考磨煤机电流对磨煤机负荷进行综合判断，以求获得较好的控制效果。 3 1 1多变量模糊解耦控制算法设计 模糊控制利用模糊集合理论将专家知识或操作人员经验形成的语言规则直接转化 为自动控制策略( 通常是利用查模糊规则表) 。其设计不依靠精确数学模型，而是利用 其语言知识模型进行设计和修正控制算法。传统模糊控制对象通常为s i s o 系统，因为 操作者大多只能给出如下形式的2 维模糊控制规则： i f ( 6i s a i a n daei s b i ) t h e n ( u i s c i ) 这是因为模糊控制系统所选用的模糊控制维数越高，则控制精度虽然能得到相应提 高，但同时系统的复杂度也就越高，而常规的2 维模糊控制器通常也能满足一般控制需 要。但以上规则若直接推广到多变量系统，就会遇到很多困难。首先，难以建立组比 较完善的多维模糊控制规则。以本文所研究的磨煤机系统的两输入两输出对象为 例，其控制规则应具有如下形式： i f ( ( 。i s a l ia n d 6 1 i s b l i ) a n d ( z i s a 2 ia n d e 2 i s b 2 i ) ) t h e n ( ( u l i s c l i ) a n d ( u 2 i s c 2 i ) ) 由操作人员总结对受控对象认识的模糊信息的归纳和操作经验的总结来建立这样 东南大学硕士学位论文 一组模糊规则通常是很困难甚至办不到的。因为人的逻辑思维通常不超过3 维，即使能 凑成这样一组不完整的粗糙的模糊控制规则，其控制效果也难以保证。另外建立的多变 量模糊规则表( 多维表) 的规则数与输入变量的数量呈指数关系，具体的讲，假设有n 个输入变量，每个变量定义为m 个模糊集，则模糊系统的规则数为m “。当n 值较大时， m n 将是一个非常大的数。这种复杂度随涉及变量数目的增加而指数性上升的现象通常被 称为“维度灾难”。针对这一问题的解决办法通常是采用模糊解耦的方法设计模糊控制 器或者应用多级模糊技术将控制对象分解为多个低维的模糊系统。在本文中将首先应用 一个具有自调整功能的解耦控制器，并参照多级模糊技术设计具有人工智能的综合解耦 策略。 与常规解耦控制器相似，模糊解耦控制系统首先