磨煤机控制系统方案

1、磨煤机控制系统方案1. 磨煤机简介1.1概述磨煤机是将煤块破碎并磨成煤粉的机械，它是煤粉炉的重要辅助设备。磨煤过程是煤被破碎及其表面积不断增加的过程。要增加新的表面积，必须克服固体分子间的结合力，因而需消耗能量。煤在磨煤机中被磨制成煤粉，主要是通过压碎、击碎和研碎三种方式进行。其中压碎过程消耗的能量最省。研碎过程最费能量。各种磨煤机在制粉过程中都兼有上述的两种或三种方式，但以何种为主则视磨煤机的类型而定。1.2摆动式球磨机模糊控制背景分析磨煤机是制粉系统中的大型重要设备，其安全可靠地运行与最佳工作状况是设计单位所追求。但使用中还存在着一些急待解决的问题，最突出的是难以实现自动控制，运动轨迹过于

2、单一不能有效的粉碎物料。不能运行在最佳经济出力。多变量祸合、多变量时滞和模型时变特性是磨煤机控制的主要困难。由于磨煤机运行具有纯滞后、大惯性和非线性的显著特点，事态特性复杂，数学模型难以建立，采用常规PID调节难以奏效，所以，传统的控制方案大多都是建立在精确测量磨煤机存物料为已知量的基础上，并且是人工手动操作，其经济性完全取决于人员的操作水平、调整能力和工作责任心。这类方法投资大，改装工作量也客观，各制粉系统水平参差不齐，控制效果并不十分明显，不适合我国采用。模糊控制是本世纪70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。它不需要知道被控对象的数学模型，并具有比常规控制系统更好的

3、稳定性和更强的鲁棒性。模糊控制是建立在人工经验基础之上的。对于一个熟练的操作人员，他往往凭借丰富的实践试验，采取适当的对策来巧妙的控制一个复杂过程。若能将这些熟练操作员的实践试验加以总结和描述，并用语言表达出来，就会得到一种定性的、不精确的控制规则。如果用模糊数学将其定量化，就转化为模糊控制算法，从而形成模糊控制理论。1.3模糊控制理论的特点：（1）模糊控制不需要被控对象的数学模型。模糊控制是以人对被控对象的控制经验为依据而设计的控制器，故无须知道被控对象的数学模型。（2）模糊控制是一种反映人类智慧的智能控制方法。模糊控制采用人类思维中的模糊量，如“高”、“中”、“低”、“大”、“小”等，控制

4、量由模糊推理导出。这些模糊量和模糊推理是人类智能活动的体现。（3）模糊控制易于被人接受。模糊控制的核心是控制规则，模糊规则是用语言来表示的，如“今天气温高，则今天天气暖和”等，易于被一般人所接受。（4）构造容易。模糊控制规则易于软件实现。（5）鲁棒性和适应性好。通过专家经验设计的模糊规则可以对复杂的对象进行有效的控制。2 模糊控制算法的设计2.1 球磨过程的数学模型解析球磨过程解析模型最初是由爱泼斯汀(Epstein在1948年提出的。他从统计观点确定了分别描述颗粒破碎概率的选择函数和破碎产物粒度分布的破裂分布函数，并建立如下微分一积分方程 其中，PP(x是第P次粉碎破碎产物粒径小于x的质量比

5、，B(x，Y表示粒径为Y的颗粒被粉碎后成粒径为x的颗粒质量比。1962年古丁与麦劳意等人利用贝斯建立的微分方程，将选择函数和分布函数以连续函数形式来表示，建立了偏微分一积分方程。同年，戈得若和奥斯汀对连续粉碎过程建立了如下微分一积分方程 菲利浦从纯数学角度对粉碎过程的研究，也得到了同上式相同的模型。以上各种解析模型的建模思想都是基于粉碎选择函数和破裂分布函数，其相互之间也存在着可以用数学演算进行相互转换的规律。迄今，在欧美一些国家中对粉碎过程的研究基本上没有脱离BS模型框架。模型为了解析粉碎过程，引入了大量难以准确测定的选择函数和破裂分布函数，在数学上达到了很完善的程度，但由于缺少磨机操作工艺

6、参数，使模型应用受到了限制。因此，近年来对置身模型进行了改造:以输入能量代替时间参数，将选择函数表示为能量输入与物料滞留量的函数等。基于模糊控制技术的多维摆动式磨煤机控制的控制对象是交流异步电机，这一被控对象具有强非线性、多变量耦合、不确定性和大滞后的特点而且调速系统是一类不确定的复杂系统，其难以获得精确的数学模型，这些问题增加了控制难度，用普通的传统控制算法已不能满足生产工艺的要求15。而模糊控制理论为解决这一难题提供了一种新途径。2.2 模糊算法模糊控制核心部分为模糊控制器。模糊控制器的控制规律由计算机的程序实现，实现模糊控制算法的过程是这样的：微机采样获取被控制量的精确值，然后将此量和给

7、定值比较得到误差信号E和误差变化率EC。选取误差信号E和误差变化率EC作为模糊控制器的输入量，把输入量的精确量进行模糊化变成模糊量，模糊量可用相应的模糊语言表示。至此，得到了模糊语言集合的子集。再由模糊子集和控制规则（模糊关系）根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量。为了对被控对象施加精确的控制，还需要将模糊量转换成精确量，这一步骤称为非模糊化处理17。得到了精确的数字控制量后，经数模转换变为精确的模拟量送给执行机构，对被控对象进行控制。综上所述，模糊控制算法可概括为下述四个步骤：（1）根据本次采样得到的系统输出值，计算所选择的系统的输入变量；（2）将输入变量的精确值变为模糊量；（3）

8、根据输入变量（模糊量）及模糊控制规则，按模糊推理合成规则计算控制量（模糊量）；（4）由上述得到的控制量（模糊量）计算精确量。2.3 模糊控制器模糊控制器（Fuzzy Controller）在模糊自动控制系统中具有举足轻重的作用，它的硬件结构由单片机最小系统组成，在软件上采用模糊控制算法软件，即使其采用模糊控制方式来实现控制。模糊控制器的设计内容包括以下几项内容：（1）确定模糊控制器的输入变量和输出变量；（2）设计模糊控制器的控制规则；（3）确立模糊化和非模糊化的方法；（4）选择模糊控制器的输入变量及输出变量的论域并确定模糊控制器的参数（如量化因子、比例因子）；（5）编制模糊控制算法的应用程序；

9、（6）合理选择模糊控制算法的采样时间。本设计中采用基本的“查询表”方式的模糊控制器，这种控制器将模糊控制规则最终转化为一个查询表又称控制表，存储在计算机中供在线控制时使用。这种形式的模糊控制器具有结构简单，使用方便的特点8。模糊控制器结构的设计是指确定模糊控制器的输入变量和输出变量。选择转速误差E和误差变化率EC为模糊控制器的输入变量，选择输入变频器的控制输入量U为输出变量。减小甚至消除交流电机输出偏差是本设计的最终目的。仿照人控制这类问题的经验，根据“查询表”方式模糊控制器的规律以及变频调速系统的设计情况，这种模糊控制器称为二维模糊控制器，模糊控制器的维数越高，控制越精细。但是维数过高，模糊

10、控制规则变得过于复杂，控制算法得实现相当困难。二维模糊控制器是目前在模糊控制中应用较广泛的一种模糊控制器结构，它在实际应用中收到了很好的工程性能效果，也很适合本系统的实际要求。163 系统软件设计3.1 系统软件设计思路模糊控制在线部分的工作完全由软件来实现。完成模糊查表算法，需计算转速误差和转速误差变化率，若计算转速误差和转速误差变化率就必须与转速给定值进行比较计算，在本系统中，转速给定值是由操作者从键盘输入到微机控制系统中的，实现键盘输入就需要有键盘输入子程序，键盘输入程序功能要有以下4个方面：1.判别键盘上有无键闭合，其方法为扫描P1.0P1.5输出状态，若P1.0P1.2为全“1”（键

11、盘上行线全高电平），则键盘上没有闭合键，若其不全为“1”，则有键闭合。2.去除键的机械抖动，其方法为判别出键盘上有键闭合后，延迟一段时间再判别键盘的状态，若仍有键闭合，则认为键盘上有一个键处于稳定的闭合期，否则认为是键的抖动。3.判别闭合键的键号，方法为对键盘的列线进行扫描，从P1.3到P1.5依次输出低电平，相应的依次读出P1口的状态，若P1.3P1.5为全“1”，则列线为“0”的这一列上没有键闭合，闭合键号等于为低电平的列号加上为低电平的行的首键号。4.使CPU对键的一次闭合仅做一次处理，采用的方法为等待闭合键释放以后再处理。3.2 中断保护程序系统在工作过程中如出现过压、欠压、IPM等故

12、障。是需要立即处理的。只要有故障发生，就会使SA8282内部的故障保护动作，瞬时封锁PWM脉冲输出，同时向单片机发中断。在中断服务程序中，单片机除了要给SA8282发立即停止命令外，还要在显示屏上显示故障，以提示工作人员。只有在工作人员排除故障后脉冲封锁才能由复位信号解除。3.3 软件抗干扰技术球磨机控制系统的现场运行环境恶劣，干扰严重，对单片机运行的可靠性和安全性有很高的要求。除了在硬件电路上需要安排一些必要的抗干扰措施外，还需要软件系统的密切配合9。当噪声干扰窜入单片机内部时，后果非常严重，可能使系统失控。4 仿真研究采用MATLAB软件进行仿真，通过对响应速度、过渡时间、超调量等性能的分

13、析，来判断其控制品质的优劣5 系统测试分析作为制粉设备的钢球磨煤机已广泛应用在国内外电厂、大型供暖基地等厂矿中，但使用中还存在着一些亟待解决的问题，最突出的是无法实现自动控制，不能运行在最佳经济状态，多变量耦合，多变量时滞和模型时变特性是球磨机控制的主要困难 以前的控制系统设计为三套常规PID定值控制系统，无法消除和克服回路间的相互干扰，而且出入口差压不能真实地反映磨内的存煤量，故调节频繁，造成运行不稳定，自动调节设备形同虚设。基于规则的模糊控制具有一定的智能性，是一种特殊的简单的专家系统，本质是属于非线性控制，往往能在采用常规控制方法难以奏效的场合取得满意的控制效果。模糊控制系统在磨煤机中的

14、应用作为制粉设备的钢球磨煤机已广泛应用在国内外电厂、大型供暖基地等厂矿中，但使用中还存在着一些亟待解决的问题，最突出的是无法实现自动控制，不能运行在最佳经济状态，多变量耦合，多变量时滞和模型时变特性是球磨机控制的主要困难 以前的控制系统设计为三套常规PID定值控制系统，无法消除和克服回路间的相互干扰，而且出入口差压不能真实地反映磨内的存煤量，故调节频繁，造成运行不稳定，自动调节设备形同虚设。基于规则的模糊控制具有一定的智能性，是一种特殊的简单的专家系统，本质是属于非线性控制，往往能在采用常规控制方法难以奏效的场合取得满意的控制效果。在中原油田基地电厂工程中，230MW 机组的配套设备钢球磨煤机

15、，引进中能长城控制公司生产的CONTEC模糊控制系统，进行调节控制取得了良好的效果，下面作一简单介绍1 磨煤机自动控制系统的基本原理球磨机运行调节的目的是在保证球磨机安全运行的情况下，使磨的效率达到最大，处于最佳经济运行工况，包括以下几种调节。1磨再循环风调节。一般人口负压由再循环风量调节，但再循环风量的变化直接影响锅炉燃烧，故采用热风量作为辅助调节。2磨出口温度调节。出口温度不但与乏气量及其温度有关，而且与磨内存煤量多少有很大关系。3磨负荷调节。利用拾音式负荷变送器，采用磨前轴的振动能量信号和磨出人口差压信号以及磨煤机电流信号相结合来判断磨负荷的方法。在人口负压和出口温度都正常时，尽量加大给

16、煤量，寻找最佳经济工作点。4磨负压调节。5异常调节。有时困设备故障或调整不当，使球磨机运行出现异常，如断煤、满煤等情况。利用模糊控制算法，可以对以上5种调节逐一实现。2 基本模糊控制系统所谓模糊控制，就是在控制方法上应用模糊集理论、模糊语言变量及模糊逻辑推理的知识来模拟人的模糊逻辑思维方法，用计算机实现与操作者相同的控制 其中模糊控制系统框图如图1所示图1 基本模糊控制系统框图图中： 系统设定值(精确量； 群 系统偏差和偏差变化(精确量J；E和 一反映系统偏差与偏差变化由语言变量的模糊集台(模糊量； 模糊控制器输出的控制作用(情确量；一系统辖出(精确量要设计一个模糊控制器以实现语言控制，必须经

17、过以下3步：1精确量的模糊化，把语言变量的语言值化为某适当区域上的模糊子集。2模糊控制算法的设计，通过一组模糊条件语句构成模糊控制规则，并计算模糊控制规则决定的模糊关系。3输出信息的模糊判决，并完成由模糊量到精确量转化。根据球磨机运行特征和要求，CONTEC模糊控制系统设计最基本的出发点，是确保磨人in负压和磨出in温度在正常范围内，使磨的效率达到最大。由于球磨机的多变量耦台、多变量时滞和模型时变等特点，各个控制回路之间采用了多变量模糊解耦收稿13期：I99909-27作者简介：崔建伟 男，1974年生。1997年毕业于华北电力大学动力工程系生产过程自动化专业。现在中原油田建筑集团公司电气工程

18、处自动化工程队从事自动化仪表安装等工程技术工作。分级控制。这样，多变量过程就可近似分解为独立的单输入、单输出过程。当球磨机存煤量在正常范围内时，控制系统采用自组织分级模糊控制。由于磨人口负压受下煤量和风量的影响波动较频繁，因此应首先控制负压不能太大或太小；其次，再控制出口温度在给定的范围内；最后，在负压和温度都正常的情况下，调节给煤量使磨内存煤量最佳，从而达到效率最大。当球磨机运行有异常时，控制系统采用模糊预测，通过对载煤量、差压和磨电流的综合判断，进行事故处理。在控制给煤量和热风量的同时，还要对负压进行控制。这样，在系统稍有异常时，预测模糊控制能够提前动作，从而提高r系统的抗干扰能力。3 系统构成31 硬件组成球磨机模糊控制系统采用单台工控机对一台机组的所有球磨机同时进行实时控制。该系统硬件是以工业控制微机为核心的一套工控系统，如图2所示。它具有结构合理、性能可靠、速度高、抗干扰能力强等特点。lOI键盘鼠标模拟量输入模板位反l打印机工业控制簧机模拟量输模板l指l被控变量开关量啻和输出模板模糊控制柜被控对象璋磨机树粉系统图2 球磨机模糊控制系统结构图3，2 软件组成该系统的核心是一套完备的rCS(模糊控制系统软件包，采用模块式结构，选用BORJANC一语言进行编程，该系统软件的功能选择采用