火電廠球磨機制粉控制系統的研究及優化

孫景旭 李海濤

摘 要：文章在闡述了電廠球磨機中儲式制粉系統先進的控制方法和當前應用研究現狀的基礎上，針對其特點對球磨機制粉系統的雙輸入雙輸出系統加入PID解耦及仿真技術進行了研究。

關鍵詞：磨煤機;PID解耦控制;仿真研究

中圖分類號：TK227 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2020）11-001-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2020.11.001

球磨機制粉系統作為一個具有強耦合、大延遲、大慣性的多變量系統，對于球磨機的強耦合關系，設計傳統控制方法[1]中的基于前饋補償法進行解耦的PID控制系統，運用MATLAB的simulink模塊進行仿真，使系統達到最優控制。

1 球磨機制粉系統

1.1 工作特性

功率特性：球磨機功率與存儲量呈現非線性關系，不會一直增加，無拐點。功率曲線上可以找到一個極值點m，這是功率的最大值。這個點是在最大輸出點n的左邊。

出力特性：球磨機產量與儲藏量非正比，煤儲存量較少，空磨時球磨機產量隨儲存量增加而增加，當煤粉量過多時，球磨機產量下降。球磨機輸出曲線上有一個極值點n，這是最佳工作點。

振動特性：磨煤機的差壓是磨煤機儲煤量和煤粉的節流產生的，磨煤機出力越大差壓上升就越快，磨煤機出力小時差壓變化非常平緩。

進出口差壓特性：球磨機的振動特性與存煤量成反比關系，當存煤量較高時，鋼球間充滿原煤，其振動的信號也逐漸減小;當達到出力極點N時，磨煤機內填滿了原煤，其振動信號也趨于水平。各工作特性曲線如圖1所示。

1.2 運行效率影響因素

球磨機的運行效率跟很多因素有關。

磨制出力：磨煤機的大小不同，筒的鋼球質量、大小不同，磨煤機轉速、煤的干濕程度等，都會對磨煤機出力產生不同的影響。

干燥出力：煤的標號，煤的含水量，鋼球磨的溫度，通風量的多少，都會影響磨煤機的干燥出力。

通風出力：磨煤機內磨好的合格煤粉需要及時帶出磨煤機，使用的就是通風帶走方式，需要有一個合理范圍的風量來帶走煤粉，風量大小會影響磨煤機的效率。

1.3 控制對象特性分析

磨煤機控制系統是典型的存在嚴重耦合的系統，因為耦合的存在，使系統的自適應能力降低了。球磨機的主要被控對象是：出口溫度和入口負壓，相對應的主要調節對象為熱風門開度和冷風門開度。

冷風量用來調節入口負壓，但是冷風量的改變，也會引起磨煤機出口穩定的變化。熱風量的改變不但會使磨煤機出口溫度改變，同時也會使磨煤機的入口壓力發生變化。

1.4 制粉系統對象組成

常規的球磨機制粉系統控制對象包括三個輸入和三個輸出，其解耦困難，設計繁瑣。改變測量方式，通過測量球磨機前軸瓦垂直振動分量來檢測球磨機內的存煤量，而不再采用差壓信號來測量，這樣熱風門開度或者再循環風門開度都不會再影響存煤量的檢測，給煤量對于入口負壓的影響可以忽略，給煤量對于出口溫度的影響是可檢測擾動。上述工作，將給煤回路分離了出來，將三入三出的制粉系統變成熱風量-出口溫度和再循環風量-入口負壓等兩入兩出的耦合系統，以及一個簡單的給煤量-存煤量的單回路系統。

2 系統的MATLAB設計與仿真

2.1 解耦設計

系統加入前饋補償器進行解耦[2]，具有設計簡單、使用方便、控制回路簡潔清晰、易于仿真等優點。文章根據球磨機壓力回路和溫度回路的耦合系統，設計了靜態前饋補償解耦的PID控制系統，并進行了仿真。

假設補償器D21是系統從μ1到μc2通路的，假設補償器D12是系統從μ2到μc1通路的，利用補償原理可得：K21g21+D21K22g22=0，K12g12+D12K11g11=0，由上面兩式進行數學計算就可分別解出補償器的數學模型：D21= ? ?，D12= 。系統經過前饋補償解耦后，耦合系統將變為兩個單回路控制系統[3]。已給雙輸入耦合系統的數學模型是： ? ? ? ? ? ? ? ? ，式中：T、P、μ1、μ2分別表示磨煤機的出口溫度、磨煤機的入口負壓、磨煤機的熱風門開度以及磨煤機的再循環風門開度。因此， ，式中：T、P單位為工程值。放大系數矩陣為：，第一放大系數矩陣為：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，說明系統耦合作用比較強，需要解耦：通過計算，前饋解耦控制器的參數分別為：D1=0.3563，D2=-2.77。

2.2 加入PID解耦后系統的MATLAB仿真

加入PID解耦如圖2所示，在解耦后的系統上加上使用PI控制規律的PID控制器[4]，使得該系統輸出值可以更好地跟蹤給定值。對兩個使用PI控制規律的PID控制器進行參數整定，使其達到最好的控制效果，調整兩個PID控制器參數，得到的結果分別是Kp1=4，Ki1=0.03;Kp2=0.3，Ki2=0.12。解耦前，仿真結果如圖3所示，解耦后，仿真結果如圖4所示。

從上面的仿真曲線可以看出，采用前饋補償法解耦的球磨機PID控制系統解除了球磨機負壓回路和溫度回路的耦合，解耦后的系統[5]完全可以按照單回路進行PID的控制。并且取得了不錯的仿真結果。

參考文獻

[1] 金以慧，方崇智.過程控制[M].北京：清華大學出版社，l993.

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

[3] 張玉鐸等.熱工自動控制系統[M].北京：水利電力出版社，1993.

[4] 楊平.自動控制原理[M].北京：中國電力出版社，2006.

[5] 王永初.解耦控制系統[M].成都：四川科技出版社，1985.