徐毅，王恒，樊培利，王圣軍，萬齊心

(山東石橫發(fā)電廠，山東 泰安 271261)

過程控制技術(shù)

基于階梯式廣義預(yù)測控制的鋼球磨煤機(jī)控制系統(tǒng)

徐毅，王恒，樊培利，王圣軍，萬齊心

(山東石橫發(fā)電廠，山東 泰安 271261)

鋼球磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)，存在大滯后、大慣性、強(qiáng)耦合等特點(diǎn)，難以實(shí)現(xiàn)自動控制。針對某電廠鋼球磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)，對現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立數(shù)學(xué)模型。通過分析磨煤機(jī)的工作特性，提出了基于階梯式廣義預(yù)測控制(SGPC)的控制方案，通過3個(gè)回路分別實(shí)現(xiàn)磨機(jī)負(fù)荷、出口風(fēng)溫度、入口負(fù)壓的控制，運(yùn)用前饋補(bǔ)償來減少各個(gè)回路之間的耦合，并分別對各個(gè)回路設(shè)計(jì)了階梯式廣義預(yù)測控制器。仿真分析表明，采用前饋補(bǔ)償時(shí)，各個(gè)回路間耦合降低，控制性能較好。該控制方案在電廠鋼球磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)中的運(yùn)行結(jié)果表明，控制方案具有較高的控制精度和自動投運(yùn)率。

鋼球磨煤機(jī)制粉系統(tǒng) 階梯式廣義預(yù)測控制 前饋補(bǔ)償

在火電廠中，制粉系統(tǒng)將原煤磨制成合格的煤粉供鍋爐燃燒，是電廠的重要輔助設(shè)備。其中，鋼球磨煤機(jī)具有運(yùn)行可靠、煤種適應(yīng)性強(qiáng)、檢修費(fèi)用低、維護(hù)簡單等特點(diǎn)，占各類磨煤機(jī)總量的60%以上[1]。為了保證鋼球磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需要同時(shí)保證磨煤機(jī)負(fù)荷、出口風(fēng)溫度、入口負(fù)壓在工藝要求范圍之內(nèi)。在實(shí)際運(yùn)行過程中，鋼球磨煤機(jī)具有大滯后、大慣性、強(qiáng)耦合等特點(diǎn)，使得磨煤機(jī)難以實(shí)現(xiàn)自動控制，為此許多學(xué)者作了相應(yīng)的研究。

通常，磨煤機(jī)的自動控制采用3個(gè)單回路PID控制[2]，由于未考慮磨煤機(jī)的大滯后、大慣性、強(qiáng)耦合等特點(diǎn)，因而無法取得良好的控制性能。為了克服各個(gè)回路間的耦合，學(xué)者們提出了靜態(tài)解耦[3-4]、模糊規(guī)則解耦[5]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦[6]?？紤]到磨煤機(jī)本質(zhì)上是一個(gè)非線性系統(tǒng)，文獻(xiàn)[7]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造磨煤機(jī)的逆系統(tǒng)，從而采用常規(guī)方法進(jìn)行控制。文獻(xiàn)[8—9]則采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)特點(diǎn)，對PID控制器參數(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)參數(shù)最優(yōu)化。模糊控制不需知道對象的數(shù)學(xué)模型，并且具有良好的魯棒性，為此文獻(xiàn)[10—11]采用模糊控制對磨煤機(jī)進(jìn)行控制。由于磨煤機(jī)的復(fù)雜特性，不少學(xué)者將以上方法結(jié)合起來對磨煤機(jī)進(jìn)行控制[12-14]，但這些方法大多僅限于理論仿真，未能應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)。

預(yù)測控制采取了多步預(yù)測、反饋校正、滾動優(yōu)化的策略，控制效果良好，魯棒性強(qiáng)，適用于不易建立精確數(shù)學(xué)模型且較復(fù)雜的工業(yè)過程[15]，在石油、化工、電廠、農(nóng)業(yè)等行業(yè)獲得了成功應(yīng)用[16]。考慮到常規(guī)預(yù)測控制的控制律涉及逆矩陣計(jì)算，文獻(xiàn)[17]提出了階梯式預(yù)測控制，通過引入階梯式因子，避免了逆矩陣的計(jì)算，從而大幅降低計(jì)算量，同時(shí)減少了控制量輸出噪聲。近年來，階梯式廣義預(yù)測控制SGPC(Stair-like Generalized Predictive Control)亦在諸多行業(yè)中取得了良好的應(yīng)用效果[18-20]。

為此，筆者提出前饋補(bǔ)償[21]和SGPC結(jié)合的方式來對磨煤機(jī)進(jìn)行控制，運(yùn)用前饋補(bǔ)償來降低各個(gè)回路之間的耦合，通過SGPC來克服磨煤機(jī)的大滯后、大慣性等特點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)其自動控制。仿真分析和實(shí)際應(yīng)用表明該方案具有良好的控制效果。

1 過程描述與模型

1.1過程描述

鋼球磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)工作原理如圖1所示。制粉系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，原煤通過給煤機(jī)送入磨煤機(jī)進(jìn)行研磨，熱風(fēng)、再循環(huán)風(fēng)、冷風(fēng)經(jīng)過混合進(jìn)入磨煤機(jī)，攜帶煤粉沿制粉系統(tǒng)管道流動。經(jīng)過粗粉分離器時(shí)，不合格煤粉被過濾出來經(jīng)過回粉管重新回到磨煤機(jī)進(jìn)行研磨；合格的煤粉則被帶到細(xì)粉分離器進(jìn)行分離，大部分煤粉被分離出來到達(dá)煤粉倉，少量煤粉則和空氣混合。這些煤粉和空氣的混合物，一部分直接進(jìn)入爐膛進(jìn)行燃燒，另一部分以再循環(huán)風(fēng)的形式重新在制粉系統(tǒng)中流動。鋼球磨煤機(jī)在運(yùn)行時(shí)要保證出口風(fēng)溫度、入口負(fù)壓、磨煤機(jī)負(fù)荷3個(gè) 參數(shù)在工藝要求范圍內(nèi)。某電廠工藝要求： 出口風(fēng)溫度為65～70℃，入口負(fù)壓為-200～-600Pa。 溫度過高易發(fā)生爆炸，過低則造成進(jìn)入爐膛的煤粉溫度降低，影響煤粉燃燒的效率。入口負(fù)壓反映著制粉系統(tǒng)的通風(fēng)量，當(dāng)入口壓力為正時(shí)，會發(fā)生噴粉；當(dāng)入口壓力過小時(shí)，系統(tǒng)通風(fēng)量過大，較多的不合格煤粉被帶出磨煤機(jī)，造成研磨效率降低。另外，磨煤機(jī)負(fù)荷也要進(jìn)行控制，以防發(fā)生滿磨和空磨。煤位過高時(shí)，容易造成滿磨；煤位過低，出力較低，電耗較高。在制粉系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，通常采用給煤量來調(diào)節(jié)磨煤機(jī)負(fù)荷，熱風(fēng)門調(diào)節(jié)出口風(fēng)溫度，冷風(fēng)門調(diào)節(jié)入口負(fù)壓。

圖1 鋼球磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)工作原理

1.2過程模型

模型辨識采用一階純滯后模型y(k)=-a1y(k-1)+b0u(k-1-d)，其中，a1,b0為辨識模型參數(shù)；d為純滯后部署。辨識采用漸消記憶遞推最小二乘法[22]，純滯后辨識采用遍歷的方法，即估計(jì)純滯后區(qū)間，然后對區(qū)間內(nèi)整數(shù)遍歷，擬合方差最小的整數(shù)認(rèn)為是該系統(tǒng)純滯后參數(shù)，采樣時(shí)間Ts為2s。

設(shè)磨煤機(jī)負(fù)荷、出口風(fēng)溫度、入口負(fù)壓分別為Y1,Y2,Y3，給煤量、熱風(fēng)、冷風(fēng)分別為U1,U2,U3，忽略通風(fēng)量變化對磨煤機(jī)負(fù)荷、給煤變化對入口負(fù)壓和溫度的影響，取負(fù)荷在30%時(shí)，磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)的模型為

2 控制方案

2.1磨煤機(jī)負(fù)荷控制回路

磨煤機(jī)負(fù)荷采用的控制方案如圖2所示。

圖2 磨煤機(jī)負(fù)荷控制方案

在穩(wěn)態(tài)時(shí)，風(fēng)量的變化對負(fù)荷影響不大，視為擾動，通過給煤調(diào)節(jié)來克服。

2.2出口風(fēng)溫度控制回路

出口風(fēng)溫度采用的控制方案如圖3所示。

圖3 出口風(fēng)溫度控制方案

冷風(fēng)和給煤量的變化都會造成出口風(fēng)溫度的波動。經(jīng)過分析得知，給煤量變化對溫度影響較大,因而將給煤量的變化量作為前饋引入出口風(fēng)溫度控制回路。

2.3入口負(fù)壓控制回路

入口負(fù)壓采用的控制方案如圖4所示。

圖4 入口負(fù)壓控制方案

給煤量變化幾乎不影響入口負(fù)壓，而熱風(fēng)對負(fù)壓的影響較大，因而將熱風(fēng)門開度變化作為前饋引入到入口負(fù)壓控制回路。

3 仿真分析

3.1不采用前饋補(bǔ)償

當(dāng)不采用前饋補(bǔ)償時(shí)，對各回路分別設(shè)計(jì)階梯式廣義預(yù)測控制器進(jìn)行控制。當(dāng)系統(tǒng)各個(gè)回路輸入為階躍信號時(shí)，系統(tǒng)輸出和控制輸入分別如圖5和圖6所示。

圖5 系統(tǒng)輸出(無前饋時(shí))

其中，y1，y2，y3分別代表歸一化之后的磨煤機(jī)負(fù)荷、出口風(fēng)溫度、入口負(fù)壓；u1，u2，u3分別代表歸一化之后的給煤量、熱風(fēng)開度、冷風(fēng)開度。記P為預(yù)測前景，Pu為控制前景，α為柔化因子，β為階梯因子，λ為控制權(quán)重，Tc為控制周期。其中，磨煤機(jī)負(fù)荷回路控制器參數(shù)為P=30，Pu=10，α=0.98，β=1，λ=0.2，Tc= 4s；出口風(fēng)溫度回路控制器參數(shù)為P=30，Pu=20，α=0.98，β=1，λ=0.2，Tc=6s；入口負(fù)壓回路控制器參數(shù)為P=30，Pu=20，α=0.98，β=1.1，λ=0.3，Tc=4s；出口風(fēng)溫度回路中給煤量的前饋系數(shù)k21=0；入口負(fù)壓回路中熱風(fēng)門的前饋系數(shù)k32=0。

圖6 控制輸入(無前饋時(shí))

3.2采用前饋補(bǔ)償

當(dāng)采用前饋補(bǔ)償來降低各個(gè)回路之間耦合，對各回路設(shè)計(jì)階梯式廣義預(yù)測控制器。當(dāng)系統(tǒng)各個(gè)回路輸入為階躍信號時(shí)，系統(tǒng)輸出和控制輸入分別如圖7和圖8所示。

圖7 系統(tǒng)輸出(有前饋時(shí))

此時(shí)各回路預(yù)測控制參數(shù)與沒有加入前饋補(bǔ)償時(shí)的參數(shù)相同。出口風(fēng)溫度回路中給煤量的前饋系數(shù)k21=2.5×10-4，入口負(fù)壓回路中熱風(fēng)門的前饋系數(shù)k32=-5×10-3。

經(jīng)過比較可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過前饋補(bǔ)償后的制粉系統(tǒng)，出口風(fēng)溫度、入口負(fù)壓的上升時(shí)間減少，超調(diào)也減小，控制品質(zhì)獲得了較大的提升。

圖8 控制輸入(有前饋時(shí))

4 工程實(shí)現(xiàn)

筆者設(shè)計(jì)的控制方案在某電廠制粉系統(tǒng)中成功投運(yùn)。某天制粉系統(tǒng)自動投運(yùn)時(shí)的運(yùn)行曲線如圖9所示，入口負(fù)壓接近于0的區(qū)間代表停磨。在自動投運(yùn)期間，磨煤機(jī)負(fù)荷、出口風(fēng)溫度、入口負(fù)壓都可以取得良好的控制效果。自2011年11月投運(yùn)以來，運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，入口負(fù)壓控制偏差為±100Pa， 出口風(fēng)溫度偏差為±0.5℃，磨煤機(jī)負(fù)荷控制偏差為±2%，自動投運(yùn)率在90%以上。

圖9 制粉系統(tǒng)自動控制效果曲線

5 結(jié)束語

鋼球磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)，由于大滯后、大慣性、強(qiáng)耦合等特點(diǎn)，造成了難以實(shí)現(xiàn)自動控制。通過對某電廠磨煤機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立其數(shù)學(xué)模型，并分別對各個(gè)回路設(shè)計(jì)了前饋補(bǔ)償階梯式廣義預(yù)測控制器。仿真表明，該控制器使磨煤機(jī)系統(tǒng)各回路間的耦合獲得了明顯改善，具有良好的控制性能。長期運(yùn)行結(jié)果表明，該方案具有良好的控制效果及較高的自動投運(yùn)率。

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ControlSystemofBallMillBasedonStair-likeGeneralizedPredictiveControl

Xu Yi， Wang Heng， Fan Peili， Wang Shengjun， Wan Qixin

(Shiheng Power Plant， Taian， 271261， China)

It is difficult to realize automatic control in ball mill pulverizing system due to characteristics of long time-delay, big inertia, and strong interaction and so on. In view of the ball mill pulverizing system in one power plant, the mathematical model is constructed after on-site operation data analysis. A control scheme based on stair-like generalized predictive control (SGPC) is proposed after studying the operation features of the ball mill system. Three control loops are designed to realize the control for mill load, output temperature and input pressure respectively. Feed-forward compensators are introduced to reduce strong coupling between these three loops, and stair-like generalized predictive controller is designed for each loop. Simulation result shows that controllers with feed-forward compensators have a better control performance and less interaction. The operation result with application of the scheme in ball mill pulverizing system in the power plant has demonstrated that this scheme has less control deviation and high ratio of automatic control.

ball mill pulverizing system； SGPC； feed-forward compensator

稿件收到日期： 2012-12-18,修改稿收到日期2013-02-28。

徐毅(1965—)，男，畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)熱能與動力工程專業(yè)，從事電廠程控保護(hù)及自動控制裝置檢修維護(hù)、熱控系統(tǒng)技術(shù)改造等工作，任山東石橫發(fā)電廠儀控檢修隊(duì)主任，工程師，高級技師。

TP273

A

1007-7324(2013)03-0030-04