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(tǒng)先進(jìn)的控制方法和當(dāng)前應(yīng)用研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對其特點對球磨機制粉系統(tǒng)的雙輸入雙輸出系統(tǒng)加入PID解耦及仿真技術(shù)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：磨煤機;PID解耦控制;仿真研究

中圖分類號：TK227 文獻(xiàn)標(biāo)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(tǒng)作為一個具有強耦合、大延遲、大慣性的多變量系統(tǒng)，對于球磨機的強耦合關(guān)系，設(shè)計傳統(tǒng)控制方法[1]中的基于前饋補償法進(jìn)行解耦的PID控制系統(tǒng)，運用MATLAB的simulink模塊進(jìn)行仿真，使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)控制。

1 球磨機制粉系統(tǒng)

1.1 工作特性

功率特性：球磨機功率與存儲量呈現(xiàn)非線性關(guān)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(chǎn)量與儲藏量非正比，煤儲存量較少，空磨時球磨機產(chǎn)量隨儲存量增加而增加，當(dāng)煤粉量過多時，球磨機產(chǎn)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(jié)流產(chǎn)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(jìn)出口差壓特性：球磨機的振動特性與存煤量成反比關(guān)系，當(dāng)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(dāng)達(dá)到出力極點N時，磨煤機內(nèi)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(guān)。

磨制出力：磨煤機的大小不同，筒的鋼球質(zhì)量、大小不同，磨煤機轉(zhuǎn)速、煤的干濕程度等，都會對磨煤機出力產(chǎn)生不同的影響。

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

通風(fēng)出力：磨煤機內(nèi)磨好的合格煤粉需要及時帶出磨煤機，使用的就是通風(fēng)帶走方式，需要有一個合理范圍的風(fēng)量來帶走煤粉，風(fēng)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(tǒng)是典型的存在嚴(yán)重耦合的系統(tǒng)，因為耦合的存在，使系統(tǒng)的自適應(yīng)能力降低了。球磨機的主要被控對象是：出口溫度和入口負(fù)壓，相對應(yīng)的主要調(diào)節(jié)對象為熱風(fēng)門開度和冷風(fēng)門開度。

冷風(fēng)量用來調(diào)節(jié)入口負(fù)壓，但是冷風(fēng)量的改變，也會引起磨煤機出口穩(wěn)定的變化。熱風(fēng)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(fā)生變化。

1.4 制粉系統(tǒng)對象組成

常規(guī)的球磨機制粉系統(tǒng)控制對象包括三個輸入和三個輸出，其解耦困難，設(shè)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(nèi)的存煤量，而不再采用差壓信號來測量，這樣熱風(fēng)門開度或者再循環(huán)風(fēng)門開度都不會再影響存煤量的檢測，給煤量對于入口負(fù)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(tǒng)變成熱風(fēng)量-出口溫度和再循環(huán)風(fēng)量-入口負(fù)壓等兩入兩出的耦合系統(tǒng)，以及一個簡單的給煤量-存煤量的單回路系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)的MATLAB設(shè)計與仿真

2.1 解耦設(shè)計

系統(tǒng)加入前饋補償器進(jìn)行解耦[2]，具有設(shè)計簡單、使用方便、控制回路簡潔清晰、易于仿真等優(yōu)點。文章根據(jù)球磨機壓力回路和溫度回路的耦合系統(tǒng)，設(shè)計了靜態(tài)前饋補償解耦的PID控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了仿真。

假設(shè)補償器D21是系統(tǒng)從μ1到μc2通路的，假設(shè)補償器D12是系統(tǒng)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(jìn)行數(shù)學(xué)計算就可分別解出補償器的數(shù)學(xué)模型：D21= ? ?，D12= 。系統(tǒng)經(jīng)過前饋補償解耦后，耦合系統(tǒng)將變?yōu)閮蓚€單回路控制系統(tǒng)[3]。已給雙輸入耦合系統(tǒng)的數(shù)學(xué)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(fù)壓、磨煤機的熱風(fēng)門開度以及磨煤機的再循環(huán)風(fēng)門開度。因此， ，式中：T、P單位為工程值。放大系數(shù)矩陣為：，第一放大系數(shù)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(nèi)，說明系統(tǒng)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(shù)分別為：D1=0.3563，D2=-2.77。

2.2 加入PID解耦后系統(tǒng)的MATLAB仿真

加入PID解耦如圖2所示，在解耦后的系統(tǒng)上加上使用PI控制規(guī)律的PID控制器[4]，使得該系統(tǒng)輸出值可以更好地跟蹤給定值。對兩個使用PI控制規(guī)律的PID控制器進(jìn)行參數(shù)整定，使其達(dá)到最好的控制效果，調(diào)整兩個PID控制器參數(shù)，得到的結(jié)果分別是Kp1=4，Ki1=0.03;Kp2=0.3，Ki2=0.12。解耦前，仿真結(jié)果如圖3所示，解耦后，仿真結(jié)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(tǒng)解除了球磨機負(fù)壓回路和溫度回路的耦合，解耦后的系統(tǒng)[5]完全可以按照單回路進(jìn)行PID的控制。并且取得了不錯的仿真結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

[1] 金以慧，方崇智.過程控制[M].北京：清華大學(xué)出版社，l993.

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

[3] 張玉鐸等.熱工自動控制系統(tǒng)[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(tǒng)[M].成都：四川科技出版社，1985.