（热能工程专业论文）中储式钢球磨制粉系统的建模与优化控制研究.pdf

华北电力大学博士学位论文 中文摘要 钢球磨煤机是中储式制粉系统的核心设备，它被广泛应用于国内外中小型电 厂。它是一个典型的强非线性、多变量耦合系统，而现有的常规控制策略大都建立 在对象的线性模型基础上，很难取得理想的控制效果；此外如何建立该系统的数学 模型以实现运行的优化控制具有重要的理论价值和现实意义。 本文首先针对球磨机系统的控制策略进行了简要的概述，详尽地研究了几种多 变量系统的解耦控制算法，并阐述了复杂系统的建模方法。 根据球磨机的运行机理，结合前人的研究成果，提出了新型的多变量系统控制 算法，并针对钢球磨损、磨负荷以及整个球磨机系统分别进行了建模研究，通过仿 真实验表明建模与优化控制的有效性。 ( 1 ) 针对钢球的磨损情况进行了综合分析，建立了一套新的钢球磨损模型以及反 映运行经济性的性能评价方程，最后利用泛灰数线性方程组和最小二乘回归的方 法，对模型进行了辨识。该磨损模型对于如何进行钢球的配比和补加球，对分析运 行的经济性有很强的理论指导意义。 ( 2 ) 基于鲁棒整定的内模控制原理，导出一种多变量系统的p i d 控制器参数 整定新方法，可直接获得控制器的比例项、积分项、微分项系数以及考虑到微 分项可实现性的实际微分环节的时间常数。该整定方法应用于严重多变量耦合 的电厂制粉系统球磨机控制的仿真研究，结果表明：所整定的p i d 控制系统具 有良好的调节品质，在系统特性变化的情况下具有很强的鲁棒性。 ( 3 ) 基于c m a c 原理，实现了c m a c 软测量的算法，通过采集球磨机在堵磨和 正常工况下的样本数据来训练c m a c 神经网络，实现了磨煤机的料位软测量，并且 证实了c m a c 能够准确地反映料位，从而提高制粉系统的效率，节约用电，为制粉 系统球磨机的控制优化和节能经济运行提供了指导。 ( 4 ) 对球磨机动态特性进行机理分析的基础上，利用t - s 模糊神经网络，结合简 化的减法聚类法和改进p s o b p 混合算法优化后件参数的思想，对球磨机系统进行 了建模与辨识。仿真结果表明基于改进p s o b p 混合算法的模型比基于递推卡尔曼 滤波的最小二乘估计具有更高的辨识精度。该建模方法为球磨机控制系统的优化配 置和改善控制品质提供了参考，同时也为t - s 模糊内模控制器的设计奠定了基础。 最后对全文进行了总结，并指出本文所用的建模与优化控制方法在电厂球磨机系 统中的工程实际应用方面有待进一步研究的问题。 i 华北电力大学博士学位论文摘要 关键词：中储式制粉系统，钢球磨损，多变量控制，内模控制，c m a c 神经网络，软测 量，t - s 模糊模型 i i a b s t r a c t t u b eb a l lm i l li st h ec o r eo fc o a lp u l v e r i z e ds t o r a g es y s t e m ，w h i c hi sw i d e l yu s e di ns m a l l o rm e d i u ms c a l ep o w e rp l a n t sh o m ea n da b r o a d i ti sat y p i c a ln o n l i n e a rm u l t i v a r i a b l e c o u p l i n gs y s t e m c o n v e n t i o n a lc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nt h el i n e a ro b j e c tm o d e l ，c r nh a r d l y a c h i e v ei d e a lc o n t r o le f f e c t i t si m p o r t a n tt ob u i l dam a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h i s s y s t e mt o r e a l i z et h eo p t i m a lc o n t r 0 1 i nv i e wo fb a l lm i l ls y s t e mc o n t r o ls t r a t e g y , s e v e r a lm u l t i v a r i a b l es y s t e md e c o u p l i n g a l g o r i t h m sh a v eb e e nr e s e a r c h e d t h em o d e l i n gm e t h o do fc o m p l e xs y s t e mh a sa l s ob e e n d e s c r i b e d b a s eo nt h eo p e r a t i o nm e c h a n i s mo fb a l lm i l l s y s t e m ，c o m b i n i n gw i t hp r e v i o u s a c h i e v e m e n t s ，n e wm u l t i v a r i a b l es y s t e mc o n t r o la l g o r i t h mh a sb e e ni n t r o d u c e d s p e c i f i c m o d e l i n gr e s e a r c hh a sb e e nd o n er e s p e c t i v e l yw i t hc o n s i d e r a t i o no fs t e e lb a l lw e a r , m i l ll o a d a n dt h ew h o l es y s t e m t h es i m u l a t i o ns h o w st h ee f f e c t i v e n e s so fm o d e l i n ga n do p t i m a l c o n t r 0 1 ( 1 ) t h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s e sa r ec a r r i e do u to w i n gt ot h ei n d i s p e n s a b l ek n o w l e d g eo f t h ew e a rc o n d i t i o no ft h es t e e lb a l l t h eg e n e r a lm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es t e e lb a l lw e a r i s s e tu p ，w h i c hn o to n l yd e s c r i b e si m p a c to f c h a n g e so ft h ep a r a m e t e r so fb a l lm i l l sw o r k i n g c o n d i t i o n s ，b u ta l s or e f l e c t st h ee c o n o m yo ft h eo p e r a t i o n s u b s e q u e n t l y , t h em e t h o do f i d e n t i f i c a t i o ni sp r e s e n t e df o rt h em o d e lw i t hp a n g r e yn u m b e rl i n e a r e q u a t i o n sa n dl e a s t s q u a r er e g r e s s i o n t h i sw e a rm o d e lh a sv e r yp r o f o u n dt h e o r yv a l u et oa n a l y z et h ee c o n o m y o p e r a t i o no nh o w t oc a r r yo nt h em a t c h e so ft h es t e e lb a l la n dw h e nt oa d db a l l s ( 2 ) b a s e do ni n t e r n a lm o d e lc o n t r o l ( i m c ) p r i n c i p l e ，an e wk i n do fp i da r g u m e n t s t u n i n gm e t h o df o rm u l t i v a r i a b l es y s t e mi sp r o p o s e d t h ec o e f f i c i e n t so fp r o p o r t i o n a lt e r m ， i n t e g r a lt e r ma n dd e r i v a t i v et e r ma r ed i r e c t l yo b t a i n e df r o mt h ep r e s e n tm e t h o d c o m p u t e r s i m u l a t i o n si nb a l lm i l lp r o c e s so f p u l v e r i z i n gs y s t e mi sd o n e , a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tp i d c o n t r o l l e rt u n e db yt h en e wm e t h o di s v e r ys u p e r i o rt ot h eg e n e r a lt u n i n gm e t h o di nt h e f o l l o w i n ga s p e c t s ：c o n t r o lq u a l i t y , r o b u s t n e s sa n dd i s t u r b a n c er e j e c t i o nc a p a b i l i t yw h i l e c o n t r o l l e dp l a n tv a r i e s ( 3 ) m a k i n g u s eo ft h ec m a cn e u r a ln e t w o r kp r i n c i p l e t h ea l g o r i t h mo fs o f ts e n s o rf o r c m a ci sc a r r i e do u t t h es a m p l ed a t af r o mt h ea b n o r m a la n dn o r m a lc o n d i t i o n so ft h eb a l l m i l l sa r eu s e dt ot r a i nt h ec m a cn e u r a ln e t w o r k t h ef i l ll e v e lo ft u b eb a l lm i l l i s i m p l e m e n t e db ys o rs e n s o r i ti sp r o v e dt h a tt h ec m a cm o d e lc a l lr e f l e c tt h ef i l ll e v e l p r e f e r a b l y i ta l s op r o v i d e st h eg u i d ea n dc o n v e n i e n c ef o rc o n t r o la n do p t i m i z a t i o no f i i i 华北电力大学博士学位论文摘要 p u l v e r i z i n gb a l lm i l l i tw i l lr e d u c et h ee l e c t r i c i t y - u s i n g ( 4 ) o nt h eb a s i so ft h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sm e c h a n i s ma n a l y s i so ft u b eb a l lm i l l ， u s i n gt - sf u z z yn e u r a ln e t w o r k ，w i t ht h ei d e ao fs i m p l i f i e ds u b t r a c t i o nc l u s t e ra n di m p r o v e d p s o - b ph y b r i da l g o r i t h mt oo p t i m i z et h et h ec o n s e q u e n tp a r a m e t e r so fr u l e s ，w em o d e la n d i d e n t i f yt h es y s t e mo ft u b eb a l lm i l l t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mb a s e do n i m p r o v e dp s o b ph y b r i dm o d e l h a st h eh i g h e rr e c o g n i t i o na c c u r a c yt h a nt h ea l g o r i t h mw h i c h i st h el e a s t - s q u a r e se s t i m a t i o nb a s e do nt h er e c u r r e n c ek a l m a nf i l t e r t h em o d e l i n gm e t h o d p r o v i d e sar e f e r e n c ef o ro p t i m i z i n ga l l o c a t i o na n di m p r o v i n gq u a l i t yc o n t r o lo ft h eb a l lm i l l c o n t r o ls y s t e m ，b ma l s ol a y st h ef o u n d a t i o nf o rt h ed e s i g no f t - sf u z z yc o n t r o l l e r f i n a l l y , as u m m a r yo ft h er e s e a r c hr e s u l t si sa d d r e s s e d ，a n dt h ef u t u r er e s e a r c ho ft h e m o d e l i n ga n do p t i m u mc o n t r o la l g o r i t h mu s e di nt h ep a p e r f o rp r a c t i c a lp r o j e c ta s p e c t so ft h e p o w e rp l a n tt u b eb a l lm i l ls y s t e mi sd i s c u s s e d k e y w o r d s ：c o a l - p u l v e r i z e ds t o r a g es y s t e m ，t h eb a l lw e a ra n dt e a r , m u t i v a r i a b l ec o n t r o l ， i n t e r n a lc o n t r o l ，c m a cn e u r a ln e t w o r k s ，s o f ts e n s o r , t - sf u z z ym o d e l i v 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文中储式钢球磨制粉系统的建模与优化 控制研究，是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在导师指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果 不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。 签名：日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 华北电力大学博士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 “开发与节约并重，是我国建设节约型社会的能源基本方针，国家电力公司 也提出了创节能型发电企业的要求。火力发电厂既是电能的生产者，又是电能的用 户和消费者。随着厂网分开，发电侧电力市场竞争的加剧，火力发电厂的发电煤耗、 厂用电率已成为发电厂考核的重要指标，直接关系到电厂的效益和企业竞争力。 节能，对于火力发电企业而言，就是要最大可能地改进电厂的设备质量和优化 设备的运行，以降低发电煤耗、减少电厂的厂用电。制粉系统作为火力发电机组中 重要的辅助系统，也是整个机组的用电大户，优化制粉系统的运行、降低制粉系统 的厂用电是火电机组节能的重要手段。 因传统习惯、煤源供应不稳定和劣质煤种较多等因素，我国燃煤发电厂，特别 是老电厂，仍然普遍采用钢球磨中储式制粉系统。据调查，我国电力行业使用的球 磨机多达上千台，钢球磨所占比例高达8 0 以上，目前，中储式制粉系统仍然是火 力发电厂的主要制粉形式【l 】。钢球磨煤机中间储仓式制粉系统是一典型的多变量非 线性时变系统，各控制量和被控制量之间存在着相当严重的耦合，这些因素使得基 于经典p i d 方法设计的控制方案多年来几乎没有一套能够长期运行。对这一系统的 控制成了热工控制研究人员和实践人员的一大难题，也一直未能较好地解决。 目前，我国火力发电厂应用的筒式低速球磨机，依然占有相当多的数量，它具 有可磨煤种多，控制操作简单等优点，特别适用于磨制可磨系数低、磨损性强和煤 粉细度要求较高的煤种，如劣质烟煤、贫煤和无烟煤。但也普遍存在着钢球消耗量 大、系统运行自动化程度低、维护维修力度差等问题。据统计，制粉系统用电量占 厂用电量的1 5 , - - - , 2 5 ，是电厂的耗电大户之一，同时也是潜在的节能大户之一。 因此，如何有效地实现这一设备的自动控制和优化运行，具有重要的理论意义 和现实意义。 1 2 球磨机系统的建模与优化控制 二十世纪六十年代末，国外大都采用模拟仪表进行磨煤机控制，而我国的钢球 磨煤机一直是采用手动控制方式，到二十世纪七十年代初期，我国开始设计了以给 煤量控制差压，以热风量控制温度，以再循环风量控制负压的自动控制系统，以及 另一种用给煤量控制温度、用热风控制负压的方法。它们共同的问题是以单回路调 节器为基础，对磨煤机如此复杂的系统显然达不到要求，若强行将其间的相互联系 割裂开来，只能顾此失彼，达不到理想的控制效果。三变量之间的严重耦合，加之 1 第一章绪论 系统的非线性和慢时变问题，这个时期的自动控制系统均不能投入运行，因此采用 常规控制策略无法消除和克服回路之间的相互干扰，导致钢球磨煤机制粉系统的自 控系统的自动投入率甚低，经常造成超温、堵磨和喷粉事故，而且也难以保证钢球 磨煤机运行在最佳经济出力工作点，造成单位磨煤电耗增加和能源浪费。由于上述 原因钢球磨制粉系统的建模和控制技术的研究受到了广泛的关注【2 ，3 1 。n - 十世纪八 十年代初期，国内开始有人研究钢球磨制粉系统的动态特性和数学模型，并把多变 量解耦控制方法应用于制粉系统的分析。进入二十世纪九十年代，人们在消化引进 国外钢球磨制粉系统控制技术的同时，开始探索用新的方法来检测磨煤机内的存煤 量，而且控制方法也有了较大的进步。 随着先进控制理论和检测手段以及计算机技术的发展，火电厂热工过程控制水 平有了大幅度的提高，制粉系统球磨机这一较难控制的系统开始受到重视，并取得 了一些理论和应用方面的研究成果。一批以多变量控制理论、模糊控制理论及自适 应优化理论为基础，在充分考虑了制粉系统特点的基础上，针对不同被控过程的具 体特性，基于不同控制理论的实用控制策略已被提出，如解耦控制、自寻优控制、 模糊控制、预测控制等先进控制方法在这一系统中的研究和应用。 1 2 1 球磨机系统的动态数学模型的建立 ( 1 ) 测试法建模 测试法建模即通过输入输出信号之间的关系来建立，例如可以通过输入信号为 阶跃信号或者脉冲信号得到系统的传递函数。目前，实际应用中一般用磨煤机进出 口差压来表征料位。 ( 2 ) 机理法建模 机理法建模也就是基于系统变化机理写出各种平衡方程：物质平衡方程、能量 平衡方程、动量平衡方程、相平衡方程以及反映流体流动、传热、传质、化学反应 等基本规律的特性方程，从中获取所需的数学模型，具体的机理推导详见文献【4 。 1 2 2 球磨机系统的控制策略 1 2 2 1 球磨机系统的耦合性分析及解耦控制 众所周知，球磨机系统是一严重的多输入多输出的多变量、非线性、强耦合系 统。文 5 的作者应用b r i s t 0 1 s h i n s k e y 方法对制粉系统球磨机的耦合进行了理论分析， 结论是，在钢球磨制粉系统的三个调节回路中，不管三个回路如何配对，均存在着 相当严重的耦合，不解耦的系统不可能实现良好的控制，解耦设计是必须的。其作 者设计了两种补偿方法，一种是前馈补偿法，即根据抗干扰设计原理，选择一个补 偿支路，使它与耦合支路的影响互相抵消；另一种是三角矩阵法，即在前馈补偿法 2 华北电力大学博士学位论文 的基础上，只考虑采用部分解耦公式，允许一些相对来说不太重要的变量存在耦合， 让解耦环节与对象组成的广义对象矩阵成为一个上三角或下三角矩阵。 将给煤回路看作单回路系统，针对磨入口负压和出口温度，文 6 设计了三种解 耦控制系统：动静态全解耦方法、静态解耦方法和工程实用的静态解耦方法。其后 一种方法是通过试验来确定解耦补偿函数，具有一定的实用性。 文【7 、8 】以振动信号来表征球磨机的负荷，亦将给煤量设计成单回路，对磨出 口温度和入口负压回路则基于多变量频域设计方法，分别给出了逆奈奎斯特阵列 ( i n a ) 法和反标架正规化( r f n ) 设计方法，其特点是系统结构简单，较易于工程实 现，物理概念清晰，系统具有一定的鲁棒性。文 9 】则对磨入口负压和出口温度控制 系统，提出以下改进方法：( 1 ) 以多变量控制理论设计该控制系统，在2 个单回路控 制系统基础上设计交叉解耦环节，消除磨煤机入口负压和出口温度控制系统间的相 互作用；( 2 ) 在磨煤机出口温度控制系统中，加入相位补偿环节，可有效克服温度 对象的大惯性，提高温度控制系统的品质，如图1 1 所示。这一改进在南京热电厂得 到应用。 温度 设定值 + 负压 设定值 + 图1 1 磨煤机入口负压和出口温度解耦控制系统 球磨机是一个非线性、慢时变的复杂工业对象，由于参数的摄动会导致解耦模 型的失配，因此如何构建具有自适应能力或者具有动态补偿模型的解耦模型成为解 耦控制的关键。 1 2 2 2 球磨机系统的自寻优控制 对球磨机的控制就是使其产品煤粉的质量达到规定的指标，煤粉的质一般 用细度与温度衡量，它直接影响煤粉的燃烧速度和效率，煤粉的量就是一个磨机负 荷问题。负荷太小时，磨机出力不足，效率低钢球损耗大；负荷太重时，不能保证 煤粉的细度要求，而且容易引起冒煤粉，甚至出现堵磨事故。负荷控制是系统的难 点和关键【10 1 。 3 第一章绪论 当系统处于稳态工况时，常规的控制方式可以维持系统运行在给定料位下，但 无法保证运行的经济性。对于磨煤机系统来说，最佳料位不是一成不变的，钢球的 磨损、煤种的变化等都会使最佳料位产生漂移，因此控制系统应能够自动跟踪料位 变化，在运行中不断修正控制参数，使控制对象始终运行在最佳工作状态【l 。 为提高球磨机的效率，文 1 0 提出了综合极值控制方法。文 1 1 1 采用预估比较的 动态步进搜索法，输入信号不作连续变化，而是在起始状态的基础上作一个有限的 变化，然后测量由于输入信号的改变引起输出量变化的大小和方向，等辨明方向后， 再按需要的方向调节被控对象的输入。文 1 2 1 也使用步进搜索的寻优方法，利用磨 音特性的斜率变化自动寻找最佳工作点，能在变化了的环境中自动寻优，对于对象 特性变化具有一定的自适应能力。 文【9 】利用给煤量的自适应优化控制，在使制粉系统在安全运行的前提下，确保 其处于或接近最佳工况，使制粉系统出力较大，系统制粉电耗较小。文 1 3 、1 4 、1 5 】 通过改变给煤量来计算单耗，判断单耗变化方向，再控制给煤量朝着单耗减小的方 向变化。 为了使给出的设定值能真正代表并能实时跟踪球磨机的最佳工作点，文 1 6 】亦 采用了自寻优的方法。在自寻优的过程中，需要给出一个振动信号变化的整定值 少。如果检测到的振动信号变化的变化值a y a y 。，说明这时球磨机的工作点最大 出力的左边，因此应加大设定值r ；反之应减小设定值r 。重复几次调整后可使系 统稳定运行在最大出力点。自寻优的引入，使控制系统能自动跟踪最大出力点的漂 移，保证球磨机始终运行在最大出力点。 1 2 2 3 球磨机系统的模糊控制 模糊控制( f c ) 算法是本世纪7 0 年代才发展起来的一种新型控制算法，其本质是 一种非线性控制，并具有比常规控制系统更好的稳定性和更强的鲁棒性。f c 采用模 糊变量，具有良好的抗噪性能，而且容易与人工操作经验相结合，它不需要知道被 控对象的数学模型，可以有效地应付非线性对象。 球磨机负荷受各种干扰影响很大，输出测量信号的随机干扰因素也很多，无法 获得精确的数学模型，文 1 7 】提出对该系统采用模糊负荷计算并进行模糊控制，克 服测量信号的非线性和慢时变特性。 文 1 5 】采用分级控制方法，利用模糊语言规则，将运行人员的经验归纳后，存 储到计算机中进行数值计算，实现模糊控制。首先通过调整冷、热、再循环风门， 使磨煤机入口负压和出口温度控制在给定范围内，即将磨出口调整到较好工况；其 次，在负压、温度都正常的情况下，调整给煤量到磨煤机内存煤量最佳，达到出力 4 华北电力大学博士学位论文 最大和单耗最小。文【1 8 针对纯迟延、非线性特性，采用分级f c 和预n f c 相结合的 控制方法，在某电厂3 0 0 m w 机组中的4 台球磨机上获得实际应用。 另一种则是利用f c 的特点，认为当偏差较大时，控制的主要矛盾是要尽快减小 偏差，使系统输出接近稳定【9 , 1 6 1 ，其中文 9 】采用一种变结构控制方案，大偏差时采 用f c 方法，小偏差时采用p i d 控制，接近稳态则为保持方式，并应用于对稳定锅炉 燃烧具有重要影响的排粉机出口压力控制。 1 2 2 4 球磨机系统的基于规则的智能控制 文 1 9 1 在分析运行人员操作的基础上提出以非线性智能调节器为基础的多输入 多输出调节系统，该系统将所有被调量和执行机构作为一个整体来考虑。其实质是 一个解耦调节器，根据被调量的重要性按优先级进行分级分层解耦调节，综合考虑 各个参量之间的影响，将一个强耦合多变量的控制过程解耦为多层次的不同单个变 量的智能调节过程，并在徐州电厂2 0 0 m w 机组中得到应用。文 2 0 的作者将智能规 则控制( i c ) 和f c 相结合，提出一种新型的仿人模糊i c 控制算法。 1 2 2 5 球磨机系统的预测控制 由于常规的模糊控制的控制规则集中并没有包含对象纯滞后的信息，因此，寻 找克服大纯滞后对象模糊控制规则也是人们正在努力的一个方向。磨出口温度控制 系统的作用是快速消除煤质扰动、给煤量扰动及对象慢时变特性，该系统要求有克 服给料非线性和对象大纯滞后特性能力，所以鲁棒性强，具有自适应能力的m a c 控 制方式便是一个选择【1 7 】。预测控制的出发点和传统p i d 控制不同：p i d 控制是根据过 程当前和过去的输出测量值和设定值的偏差来确定当前的控制输入，而预测控制不 但利用当前和过去的差值，而且还利用预测模型来预估过程未来的偏差值，以滚动 确定当前的最优输入策略。文【2 1 】采用了模型算法控制( m a c ) 对球磨机进行了控制， 同时通过引入输出反馈消除静差，具体m a c 控制是由被控系统的内部模型、参考模 型和控制变量的计算三大部分组成。其中参考模型用于生成参考轨迹，引导被控对 象的输出沿着这条期望的平滑的曲线无超调的收敛到给定值，采用预测二步控制算 法求解3 个回路的最佳控制方案。文【2 2 】针对m a c 对多变量耦合系统解耦时需要求解 大量的线性方程的问题，提出一种新型解耦思想，其核心思想是假设y l 、y 2 、y 3 已被解耦是对立给出的，这样使预测时域p 卜p 2 、p 3 和控制时域m l 、m 2 、m 3 在不同 情况具有不同值。文【2 0 】将球磨机的传递函数矩阵，转换为球磨机的脉冲响应矩阵， 根据系统的现在时刻和过去时刻的控制输入预测出系统输出的未来值，实现预测控 制。 1 2 2 6 神经元控制 5 第一章绪论 针对球磨机系统非线性多变量耦合的特性，文 2 3 提出了一种对其控制的神经 元解耦控制方法。文 2 4 、2 5 建立的中间储仓式制粉系统球磨机的动态数学模型， 从理论上揭示了球磨机系统的非线性、强耦合特征，对以后进行球磨机系统的控制 研究提供了更好的模型参考。针对制粉系统运行的不同模式，提出了分布式人工神 经网络逆系统控制方法，并对逆系统控制进行p i d 综合。与按线性控制方法的设计 结果相比，可在大范围内克服系统的非线性和强耦合问题，对于一直难以解决的中 间储仓式制粉系统球磨机的自动控制探索了新的方法。 文 2 4 通过制粉系统球磨机建立神经网络预测模型，提出了非线性系统预测控 制方法。为了克服大多数非线性系统预测控制在线计算量大的问题，在预测控制性 能指标约束下，在预测控制的模型预测、参考轨迹、反馈校正和滚动优化求解的基 础上，采用非线性优化求解技术，离线训练神经网络控制器( n n p c ) ，训练好的n n p c 即具有非线性预测控制器的功能，大大减少了在线计算量，可满足实时控制的要求。 1 2 2 7 球磨机磨筒内负荷测量方法研究现状 为了实现球磨机料位的最佳控制，磨筒内煤负荷的测量成为一非常重要的问 题，但磨内负荷是一个难以直接测量的量，而且其测量方法是多年来人们一直在努 力的方向 7 , 8 , 1 9 , 2 6 , 2 7 , 2 8 】。而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。 目前主要有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【7 , 8 , 2 7 】，在 永昌电厂应用表明，每吨煤可节电3 - 5 k w h 。另一种方法是通过音频信号判断料 位，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【2 8 1 。以及采用振动信号和差压信号来相结合来控制磨煤机负荷的方法【1 8 1 。文【1 l 】 也采用磨煤机音频信号反映筒体存煤量，同时以磨出入口差压反映磨煤机通风量， 在此基础上提出了一种3 段控制方案。文【2 8 则用单片机实现磨煤机内的存煤量检测 和控制并兼有报警和保护功能。文 2 9 介绍的料位监控设备主要包括t c s 2 0 0 料位监 控装置、音频传感器、屏蔽罩、音频电缆、功率电流变送器、料位相量变送器等。 1 2 3 制粉系统球磨机的运行优化 电站运行优化是在对电站设备及系统进行离线研究分析的基础上，通过在线对 其运行参数进行测量和分析，以一定的安全性、经济性指标对机组的运行状况做出 评价与决策，对机组的运行进行指导。电厂是一个大型复杂系统，如果同时考虑各 方面的因素，优化问题将变得极为复杂，会带来“维数灾和增加计算机寻优时间 的困难。为了简化优化问题，一般将全厂系统分级、分层为多个层次的子系统进行 优化，通过层次间协调以达到全厂的优化【3 们。制粉系统作为重要的辅助系统，其运 行优化也显得极为重要。 6 华北电力大学博士学位论文 制粉系统运行优化的目标是在保证制粉出力的前提下，降低电耗、噪声，将系 统的能量最大限度地有效利用，转化成系统的出力。具体表现为：在煤粉细度、风 温( 磨出口风温) 、风压( 磨入口负压或排粉机出口正压) 等运行约束条件下，通过调 节粗粉分离器出口挡板、排粉机三次风门、入口风门、制粉系统的冷风门、热风门、 总风门、再循环风门、刮板给煤机转速等，以降低磨煤单耗、钢耗、噪音和通风单 耗，提高制粉系统出力，保证系统安全、经济运行。 以往对制粉系统的运行参数进行优化主要是试验方法。试验法需要做大量的试 验，工作量大，劳动强度大，试验数据易分散，而且不具有连续性，优化参数也不 尽合理，对运行人员的指导作用不强1 3 。 利用建模法来对制粉系统进行优化，其基本思路是依据制粉系统的过程特性与 生产过程中的技术要求、限制条件和安全性等，抽象出具体的数学模型，包括目标 函数、约束条件，在数学模型的基础上，采用适当的优化算法编写相关的计算机程 序进行系统的优化求解以优化制粉系统的运行参数，保证制粉系统优化的连续性， 指导运行人员的操作。 另一种基于模型的优化分析方法是进行系统的性能计算和能损分析，通过对运 行参数的计算，确定机组运行状态和部件性能对机组经济性的影响，从而揭示出使 机组经济性降低的各种因素。通过对设备性能状态分析和运行参数分析，给出最优 经济运行指导；通过对机组运行参数和重要指标的统计和计算，对运行中的设备进 行在线故障诊断。 制粉系统优化运行包括系统辨识和区间优化两个主要内容，优化的目的是降低 球磨机的制粉单耗、提高球磨机的出力和寻找制粉系统运行的最佳参数，保证制粉 系统经济、安全、稳定的运行。已有的一些优化方法只侧重于试验基础上的区间优 化或结构参数的调整，没有涉及到系统的辨识问题，而且优化参数也不尽合理。 文 3 2 采用统计建模的方法给出了系统的优化模型和优化方案，并用正交试验选 择数据，获得系统的模型，根据优化理论在输入参数可调整范围内进行系统寻优， 最后获得可控参数的最优值，同时也克服了机理建模寻找系统输入输出特性的困难 和人工神经网络法需求数据样本量大等缺点。 1 3 本文的主要内容 中储式制粉系统钢球磨煤机建模是为了反映系统某一部分或整体的运行机理， 从而为进一步的控制奠定基础；而控制的目标应该是，充分考虑球磨机系统的非线 性特性、强耦合特性以及大迟延大惯性，以非线性智能控制理论为基础，并着力解 决系统的耦合问题，进行多变量解耦控制，并充分考虑断煤、堵磨和超温等异常工 况，进一步提高系统在大范围内的可控性和适应性，应用领域知识优化系统的运行 7 第一章绪论 状态，不仅使单耗最低，更要使制粉系统的总体效率最佳【”】，达到整体上的优化， 并且保证系统安全运行，构造具有实用价值的运行支援系统。 本文通过对球磨机制粉系统详细而深入的分析，在球磨机制粉系统先进控制算 法和优化运行方面，提出了新颖的思想和方法，对球磨机中储式制粉系统的建模和 优化控制，从理论和实用指导方面开辟了新的道路。全文共分六章，各章内容安排 如下： 第一章是绪论。综述了球磨机系统的几种建模方法以及现行的控制策略研究状 况，提出了制粉系统优化运行的必要性。 第二章建立了球磨机磨筒内钢球磨损的一般数学模型。中储式磨煤机由于结构 简单，工作可靠，出力不受负荷变化的约束等优点，因此在电厂中得以广泛应用。 但是它在工作中能耗和钢耗都特别大，其生产管理和过程控制主要依赖操作人员的 个人经验，理论研究水平远不能满足实用技术的需要，致使大多数磨煤机未能充分 发挥潜能。由于钢球磨损过程的不易观测性，以及实际工况条件参数的多变性，至 今尚未形成一套能描述工况条件参数变化的数学模型。因而建立能反映生产实际工 况条件参数的磨煤机钢球磨损规律的数学模型，合理确定补球参数，则对提高磨矿 效率和产品质量、降低钢耗能耗，模拟和监控其生产过程具有十分重要的意义。本 章从球磨机的运行过程着手，对钢球磨损的机理进行了综合分析，从而建立了一套 新的钢球磨损模型以及反映运行经济性的性能评价方程，最后利用泛灰数线性方程 组和最小二乘回归的方法，对模型进行了辨识。 第三章主要研究了多变量纯迟延系统的内模p i d 控制器参数整定算法。目前， p i d 控制仍广泛应用，是一种应用历史悠久、工业界比较熟悉的简单控制算法，能 满足一般工业过程的平稳操作和安全运行的要求。根据现代控制理论的观点，p i d 控制有诸多优点，如本质的鲁棒性、优化控制特征和智能化【3 4 1 。但对于强耦合多变 量过程和大时滞过程，常规p i d 控制难以得到满意的控制效果。采用内模控制 【3 5 】( i n t e r n a lm o d e lc o n t r o l ，i m c ) 原理可以提高p i d 控制器的设计水平。与经典p i d 控制相比，内模控制仅有一个整定参数，参数调整与系统动态品质和鲁棒性的关系 比较明确【3 6 , 3 7 】。 r i v e r a 等【3 6 】人首先将内模控制的思想引入p i d 控制器设计，并建立了滤波器参 数与p i d 控制器参数的关系。由于所需的整定参数仅有一个，并且该参数直接与闭 环系统的响应速度及鲁棒性相关，因而对于工业应用颇具吸引力。 在r i v e r a 等人工作的基础上，m o r a r i 3 8 1 、c h i e n 3 9 1 、龚晓峰【4 0 】等进一步完善了 基于内模原理的p i d 控制器参数整定方法。但对于多变量系统决没有单变量系统那 么简单，我们基于内模控制原理进行多变量被控对象的p i d 控制器参数整定，并应 用于球磨机控制系统的研究。目前已推导出多变量纯迟延系统的内模p i d 控制器参 数整定算法并完成了初步的仿真研究。 8 华北电力大学博士学位论文 第四章主要是应用c m a c 神经网络对球磨机的磨负荷进行了软测量。受回转滚 筒结构和工作条件的限制，磨内负荷是一个不能直接测量的量，而且其测量方法是 多年来人们一直在努力的方向却又一直不能较好地解决。本章在研究了各种料位软 测量方法以及通过分析制粉系统球磨机磨筒内存煤量的各种影响因素及影响特性 的基础上，鉴于c m a c 神经网络的学习速度快、逼近性强等诸多优势，提出了基于 c m a c 的制粉系统球磨机磨筒内负荷的思想和方法，给出了计算机仿真结果，其结 果显示了该方法良好的测量性能。对某d t m 3 5 0 6 0 0 型球磨机的现场实测数据分析 进一步证实了所提方法的有效性，为球磨机制粉系统的优化运行和自动控制奠定了 基础。 第五章针对三输入四输出球磨机系统的多变量、强耦合性，进行了t - s 模糊建 模研究。常规的控制策略大都建立在被控对象线性模型的基础之上，它的控制效果 随着对象特性的变化急剧变差。为此，本章提出了基于简化的减法聚类和智能优化 的t - s 模糊建模方法，智能优化方法采用的是改进的粒子群和b p 学习算法相结合 的策略。该模型在本质上是非线性的，具有全局建模的效果，从而为系统的进一步 控制奠定了理论基础。 第六章在总结全文研究内容的基础上，指出了还需进一步研究的问题。 9 第二章磨煤机钢球磨损的一般数学模型研究 2 1 引言 第二章磨煤机钢球磨损的一般数学模型研究 中储式磨煤机由于结构简单，工作可靠，出力不受负荷变化的约束等优点，因 此在电厂中得以广泛应用。但是它在工作中能耗和钢耗都特别大，其生产管理和过 程控制主要依赖操作人员的个人经验，理论研究水平远不能满足实用技术的需要， 致使大多数磨煤机未能充分发挥潜能。由于钢球磨损过程的不易观测性，以及实际 工况条件参数的多变性，至今尚未形成一套能描述工况条件参数变化的数学模型。 因而建立能反映生产实际工况条件参数的磨煤机钢球磨损规律的数学模型，合理确 定补球参数，则对提高磨矿效率和产品质量、降低钢耗能耗，模拟和监控其生产过 程具有十分重要的意义。 文 4 l 】中所提出的钢球磨损稳态模型，对工况条件要求的过于严格，在实际的运 用中具有很大的局限性。本文对钢球的磨损情况进行了综合分析，建立了一套新的 钢球磨损模型以及反映运行经济性的性能评价方程，最后利用泛灰数线性方程组和 最小二乘回归的方法，对模型进行了辨识。 2 2 磨煤机的运行过程分析 2 2 1 钢球磨煤机制粉系统的结构 钢球磨煤机制粉系统主要由给煤机、磨煤机、粗粉分离器、细粉分离器等设备 组成。其工艺流程如图2 1 所示，经过破碎的原煤从原煤斗经过给煤机送入系统与 热空气干燥剂混合，在下降干燥管内干燥后，进入磨煤机中继续干燥并被磨制成粉， 然后在排粉机的抽吸作用下随气流进入粗粉分离器进行分选。不合格的煤粉经过回 粉管返回磨煤机继续磨制，合格的煤粉随气流进入细粉分离器，分离下来的煤粉存 入煤粉仓内，经由排粉机送至锅炉。 1 0 华北电力大学博士学位论文 图2 1 钢球磨煤机制粉系统 该系统的三个重要输入变量分别是给煤量、热风流量和温风流量。三个重要被 控变量分别是磨煤机出口温度、磨煤机入口负压和磨煤机进出口差压，后者是用来 间接反应难以在线测量的磨煤机内存煤量。钢球磨煤机制粉系统的控制目标就是， 在保证运行安全的前提下，在单位时间内尽可能多的磨制出合格的煤粉。具体操作 要求是，通过调整给煤量来维持磨煤机出口温度，通过改变热风流量来维持磨煤机 入口负压，通过调节温风流量来维持磨煤机进出口差压，将被控变量控制在规定范 围之内，而又维持较高的制粉效率。否则，可能造成煤粉燃烧爆炸，环境污染，堵 磨或能源浪费等。当改变任一输入变量来维持对应的输出变量时，同时会对另外两 个输出变量产生较大影响。