摘    要
    球磨機(jī)制粉系統(tǒng)是個(gè)多變量的系統(tǒng)，各個(gè)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(shí)變性。如果球磨機(jī)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(duì)中儲(chǔ)式鋼球磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)的多變量、強(qiáng)耦合、大慣性、非線性和時(shí)變性等特點(diǎn)，在對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了較為全面分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的球磨機(jī)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(qiáng)、解耦好，較好地解決了球磨機(jī)系統(tǒng)的時(shí)變性、耦合性等問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，解耦，球磨機(jī)
第一章  緒論
1.1球磨機(jī)制粉系統(tǒng)控制現(xiàn)狀與發(fā)展
    中間倉(cāng)儲(chǔ)式球磨機(jī)制粉系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電機(jī)組，是火電廠的重要大型輔助設(shè)備，也是耗電大戶(hù)之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(hù)之-，而長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)火電廠中間倉(cāng)儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)的自動(dòng)控制一直是一項(xiàng)技術(shù)難題，由于系統(tǒng)的大時(shí)延、非線性、多變量、強(qiáng)耦合及時(shí)變特性，還有控制方式和磨內(nèi)存煤量測(cè)量信號(hào)等存在的問(wèn)題，使得設(shè)計(jì)安裝的自動(dòng)控制系統(tǒng)一直未能投入運(yùn)行。以往設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)大多是基于三套獨(dú)立的PID控制回路，對(duì)于各回路之間的耦合及大時(shí)延特性顯得無(wú)能為力。因此研究制粉系統(tǒng)的自動(dòng)控制和優(yōu)化運(yùn)行，具有重要的實(shí)際意義。
    鋼球磨煤機(jī)是我國(guó)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(yùn)行可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單、對(duì)煤種適應(yīng)性強(qiáng)和檢修費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，從目前發(fā)展情況來(lái)看，其應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)大，但是它的缺點(diǎn)也很突出，即制粉電耗高和難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。
    中儲(chǔ)式磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、大慣性和具有多種不確定性擾動(dòng)的被控對(duì)象，其主要被控量是球磨機(jī)出口溫度、入口負(fù)壓、出入口壓差、磨煤機(jī)載煤量等，這些參量的影響是交織在一起的．使得球磨機(jī)制粉系統(tǒng)成為一個(gè)具有多變量耦合和模型時(shí)變等特性的控制對(duì)象，改變給煤、熱風(fēng)、冷風(fēng)和再循環(huán)風(fēng)中的任何一個(gè)量，都會(huì)影響磨煤機(jī)的出口溫度、入口負(fù)壓、存煤量、通風(fēng)量等，從而使得該系統(tǒng)的自動(dòng)化較難以實(shí)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(dú)立的PID控制回路，強(qiáng)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(mǎn)意的控制效果。此外，中儲(chǔ)式磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜，且動(dòng)態(tài)特性隨時(shí)間而發(fā)生變化，這使得對(duì)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(dòng)操作時(shí)為了保證球磨機(jī)安全工作，防止堵煤跑粉等事故，球磨機(jī)經(jīng)常處于料位偏低（低負(fù)荷）、風(fēng)量偏大、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行較差的“習(xí)慣運(yùn)行區(qū)”，系統(tǒng)的制粉單耗較高。對(duì)鋼球添加量與鋼球大小配比、風(fēng)量?jī)?yōu)化等缺乏合理的指導(dǎo)，故提高制粉系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，是火電廠的一個(gè)重點(diǎn)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制，使之運(yùn)行在最佳工況點(diǎn)足目前亟待解決的問(wèn)題之一。
    實(shí)現(xiàn)中儲(chǔ)式球磨機(jī)制粉系統(tǒng)自動(dòng)控制的目標(biāo)是，充分考慮球磨機(jī)系統(tǒng)的非線性特性、強(qiáng)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(jìn)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(shí)優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)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(dá)到整體上的優(yōu)化，并且保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，構(gòu)造具有實(shí)用價(jià)值的運(yùn)行支援系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)鋼球磨煤機(jī)自動(dòng)．化控制有如下意義：
    1)可保證鍋爐機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)可靠；
    2)可減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度；
    3)可使得球磨機(jī)運(yùn)行于最佳工況，產(chǎn)生較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
    因此，本課題針對(duì)球磨機(jī)制粉系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的難題，提出智能控制的辦法來(lái)保證球磨機(jī)在安全運(yùn)行的情況下，使磨出力達(dá)到最大，處于最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行工況，并避免在制粉過(guò)程中的滿(mǎn)煤、跑粉等問(wèn)題。
    由于中儲(chǔ)式球磨機(jī)制粉系統(tǒng)存在多變量強(qiáng)耦合，大時(shí)滯和模型時(shí)變的特性，造成了基于經(jīng)典PID方法設(shè)計(jì)的控制方案多年來(lái)無(wú)法長(zhǎng)期穩(wěn)定的投入自動(dòng)控制，影響了球磨機(jī)運(yùn)行的安全性，使球磨機(jī)無(wú)法長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行在最佳經(jīng)濟(jì)出力工況下，造成了廠用電的較大浪費(fèi)。二十世紀(jì)六十年代末，國(guó)外大都采用模擬儀表進(jìn)行磨煤機(jī)控制，而我國(guó)的鋼球磨煤機(jī)一直是采用手動(dòng)控制方式，直到七十年代初期，我國(guó)開(kāi)始設(shè)計(jì)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(fù)壓的自動(dòng)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(fù)壓的方法。它們共同的問(wèn)題是以單網(wǎng)路凋節(jié)器為基礎(chǔ)，對(duì)球磨機(jī)如此復(fù)雜的系統(tǒng)顯然達(dá)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(shí)變性問(wèn)題，這個(gè)時(shí)期的自動(dòng)控制系統(tǒng)均不能投入運(yùn)行，直到八十年代初期，國(guó)內(nèi)丌始有人研究鋼球磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)的動(dòng)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(jìn)入九十年代，人們?cè)谙�化引進(jìn)國(guó)外制粉系統(tǒng)控制技術(shù)的同時(shí)，開(kāi)始探索用新的方法來(lái)檢測(cè)磨煤機(jī)內(nèi)的存煤量，而且控制方法也有了較大的進(jìn)步。隨著先進(jìn)控制理論和檢測(cè)手段以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，火電廠過(guò)程控制水平有了大幅度的提高，球磨機(jī)制粉系統(tǒng)這一較難控制的系統(tǒng)開(kāi)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(jī)制粉系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同被控過(guò)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(shí)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(cè)控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等先進(jìn)控制方法。
    (1)球磨機(jī)制粉系統(tǒng)的常規(guī)解耦控制
    球磨機(jī)制粉系統(tǒng)是一個(gè)嚴(yán)重耦合的三輸入三輸出多變量系統(tǒng)，在任何一個(gè)調(diào)節(jié)回路中，不管輸入和輸出之問(wèn)如何配對(duì)三個(gè)回路之間均存在嚴(yán)重的耦合，因此需要進(jìn)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(dòng)態(tài)解耦。靜態(tài)解耦方法適用于對(duì)象模型較精確，在靜態(tài)工作點(diǎn)附近線性度較好的情況下，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)容易的特點(diǎn)，但鋼球磨煤機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的被控對(duì)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(jī)。動(dòng)念解耦足在被控對(duì)象工作的全過(guò)程進(jìn)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(lái)整定PID制器的參數(shù)。動(dòng)態(tài)解耦方法適用于能獲得鋼球磨煤機(jī)精確數(shù)學(xué)模型的條件下，并且它還限于磨煤機(jī)在動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)附近有良好的線性度情況下。對(duì)于鋼球磨煤機(jī)這樣一個(gè)多擾動(dòng)、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(shí)現(xiàn)必須對(duì)系統(tǒng)做出相應(yīng)的簡(jiǎn)化，但這樣會(huì)造成系統(tǒng)模型的失真，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)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(jī)的控制問(wèn)題。解耦控制的共同特點(diǎn)是用補(bǔ)償矩陣來(lái)消除各控制回路之間的影響，要實(shí)現(xiàn)完全解耦在理論上是可以通過(guò)補(bǔ)償來(lái)實(shí)現(xiàn)，但工程上應(yīng)遵從簡(jiǎn)單有效的原則，過(guò)于復(fù)雜的補(bǔ)償矩陣是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
    (2)球磨機(jī)制粉系統(tǒng)的基于多變量頻域理論的INA設(shè)計(jì)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(duì)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(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。INA法的關(guān)鍵在于求出被控對(duì)象的預(yù)補(bǔ)償矩陣，使對(duì)象的廣義傳遞函數(shù)具有對(duì)角優(yōu)勢(shì)。基于INA方法設(shè)計(jì)的磨煤機(jī)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(dòng)，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(qiáng)的特點(diǎn)，但I(xiàn)NA法設(shè)計(jì)磨煤機(jī)控制系統(tǒng)需相應(yīng)的CACSD軟件支持，而且系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜。
    (3)球磨機(jī)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(shí)，常規(guī)的控制方式可以維持系統(tǒng)運(yùn)行在給定料位下，但無(wú)法保證運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于磨煤機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，最佳料位不是一成不變的，鋼球的磨損、煤種的變化等都會(huì)使最佳料位產(chǎn)生漂移，因此控制系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)崟r(shí)自動(dòng)跟蹤料位變化，在運(yùn)行中不斷修正控制參數(shù)，使控制對(duì)象始終運(yùn)行在最佳工作狀態(tài)。為提高球磨機(jī)的效率，工程技術(shù)人員提出了采用預(yù)估比較的動(dòng)態(tài)步進(jìn)搜索法，輸入信號(hào)不作連續(xù)變化，而是在起始狀態(tài)的基礎(chǔ)上作一個(gè)有限的變化，然后測(cè)量由于輸入信號(hào)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(duì)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(yùn)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(guò)改變給煤量來(lái)計(jì)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(shí)時(shí)跟蹤球磨機(jī)的最佳工作點(diǎn)，在自尋優(yōu)的過(guò)程中，需要給出一個(gè)振動(dòng)信號(hào)變化的整定值A(chǔ)Yo。如果檢測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)變化的變化值，說(shuō)明這時(shí)球磨機(jī)的工作點(diǎn)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(yùn)行在最大出力點(diǎn)。自尋優(yōu)的引入，使控制系統(tǒng)能自動(dòng)跟蹤最大出力點(diǎn)的漂移，保證球磨機(jī)始終運(yùn)行在最大出力點(diǎn)。
    但是球磨機(jī)單耗的計(jì)算沒(méi)有統(tǒng)一的算法，若以給煤機(jī)的給煤量近似表示球麼機(jī)負(fù)荷，并不能準(zhǔn)確測(cè)得球磨機(jī)的實(shí)際出力，也無(wú)法正確計(jì)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(dòng)作頻繁不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。自尋優(yōu)控制的優(yōu)（未完待續(xù)）
    三門(mén)峽富通新能源銷(xiāo)售球磨機(jī)、雷蒙磨、木屑顆粒機(jī)等機(jī)械設(shè)備。