d-11d型磨煤机钢球数量重量_上海制砂机厂家
d-11d型磨煤机钢球数量重量
d-11d型磨煤机钢球数量重量第卷第期电站系统工程年月.,型磨煤机变负荷工作特性试验研究江西省电力试验研究院吴强熊体华周智华陈林国余廷芳摘要：依据静压零位旋转等速取样原理，利用-煤粉自动取样装置在-型双进双出式磨煤机出口管道上等速取煤粉样，通过对煤粉细度、质量的分析，研究-型磨煤机的工作特性。试验中着重研究了磨煤机变负荷对煤粉细度、电耗、粉管粉量等参数的影响，进而分析该型磨煤机变负荷对型火焰锅炉运行的影响。等速取样；双进双出；变负荷；型火焰锅炉中图分类号：:,-.:随着我国国民经济的发展，用电负荷峰谷差增大，电网对大型发电厂调峰性能的要求越来越高。在我国现役及新建以上机组绝大部分都面临提高调峰能力的客观要求。制粉系统是电厂调峰运行的关键设备，磨煤机变负荷运行时间由此大大增加。双进双出式磨煤机作为一种新型的引进型低转速磨煤机，在我国已有广泛应用。然而，目前对该类型磨煤机变负荷工作特性的试验研究还鲜有介绍。笔者利用从丹麦引进的根。d-11d型磨煤机钢球数量重量型筒式钢球磨煤机是目前我国火电厂广泛使用的制粉设备。近年来,这种钢球磨煤机曾发生多起端盖断裂事故,给电厂正常运行造成很大威胁。筒式钢球磨煤机在工作时介质重量是不断变化的,获得钢球磨煤机端盖应力变化与介质重量变化的对应规律对钢球磨煤机安全可靠运行有重要的现实意义。本文视钢球磨煤机为由端盖及筒体构成的回转体,截取壳体的建立有限元计算模型,将不同重量的介质荷载等效移植到壳体单元上,通过有限元计算分析,得到了介质重量变化对钢球磨煤机端盖应力的影响数据,该数据对钢球磨煤机的安全可靠运行有重要的参考价值。体部分来处理对于介质重量,在计算中视其沿筒体轴向均匀分布,介质对转动部的作用主要是对筒体部分的正压力,其在计算时转化为作用在筒壳上的正压力载荷,切向部分的摩擦力因其作用较小故在计算中忽略不计。考虑对称条件取转动部的四分之一建立计算模型图。图钢球磨煤机转动部分示意计算模型及网格划分型筒式钢球磨煤机为定轴转动的大型。d-11d型磨煤机钢球数量重量巩义市昱发重工机械制造有限公司的为，李经理钢球磨煤机设计计算公式来确定消耗产生的大偏差，球磨机正常工作时，研磨体在筒体内的运动并不像上述假设的条件那样简单，而是一个复杂的多维运动。物料、水、助磨剂、筒体及其内衬的重量等对球磨机的功率消耗有很大的影响。球磨机经常处于湿磨状态，水及助磨剂等促使物料微细裂纹的产生及扩展，结果使物料易粉磨。物料被筒体提升后，在筒体内降落时也会自行粉磨。控制参数：球磨机喂料量、回粉量、球磨机一仓音频、球磨机电流、磨出口负压、出磨斗提功率、入库斗提功率、选粉机电流与转数、主排风机入口挡板开度。棒磨制砂机滚动轴承滚动体是借助于保持架均匀的将滚动体分布在内圈和外圈之间，其形状大小和数量直接影响着滚动轴承的使用性能和寿命，保持架能使滚动体均匀分布，防止滚动体脱落，引导滚动体旋转起润滑作用。为了保持这个装球量、装球种类、装球比例的不变或少变，在日常生产中要进行合理补加溜球，恢球磨帆的装。d-11d型磨煤机钢球数量重量杨晓红,王藏柱,刘定茹,赵祖耀,何纪山,董志宏钢球磨端盖有限元应力分析华北电力大学学报年期杨晓红,王藏柱,刘定茹,赵祖耀,何纪山,董志宏钢球磨端盖有限元应力分析华北电力大学学报年期李迎春谢铁邦钢球磨支承托辊受力的有限元分析中国工程机械学会年年会论文集年杨晓红,王藏柱,刘定茹,赵祖耀,何纪山,董志宏钢球磨端盖有限元应力分析华北电力大学学报年期孙瑞茅民强曹德明王小辉王喜平庄清泉肖伯乐中间储仓式球磨机制粉系统自动控制策略及实践电站自动化信息化学术技术交流会议论文集年黄蔚雯气动差压式磨煤机料位测量装置的开发与应用安徽省电机工程学会优秀学术论文集年陈磊贺小明刘清龙磨煤机故障诊断中信息融合技术的应用第五届设备管理第八届设备润滑与液压学术会议论文集《设备管理设备润滑与液压技术》年张磊尤冲尹民权井绪成超超临界机组锅炉部分设备发生问题的分析及处理山东电机工程学会第六届发电专业学术交流会论文集年张和平双进双出直吹式钢球。d-11d型磨煤机钢球数量重量钢球磨煤机是火力发电站煤粉制备系统的主体设备。同时也适用于水泥工业、冶金工业、化学工业、制糖工业等制粉系统，广泛用于粉碎各种硬度的煤炭。其作用是将一定尺寸的煤块干燥、破碎并磨制成煤粉以供给锅炉燃烧。该设备被国内外火电厂大量采用，据资料统计，在国内发电厂中钢球磨煤机占各类磨煤机总量的以上。然而它的缺点也是显而易见的，如运行复杂、电耗高、噪音大、耗钢多、磨损多等，特别是自动控制难以实现这个问题至今未得到有效地解决，绝大多数电厂现在仍然以手动为主。钢球磨煤机作为电厂的重要设备其安全、经济运行与整个电厂的安全、经济运行有着紧密的联系，所以有必要对钢球磨煤机的特性以及国内现有的控制方案进行深入的分析，以找出钢球磨煤机自动投入率低的根本原因。欢迎您登陆我进行相关情况的查询或者拨打我公司销售热线进行咨询！我。d-11d型磨煤机钢球数量重量我公司系列钢球磨煤机主轴承采用双圆弧自动调心的静动压轴承降低了磨煤机启动力矩，主轴承的环形密封结构解决了漏油问题；进出料斗加装耐磨活动衬板，延长了进出料部使用寿命，降低了维修费用；自行设计的磨煤机新型慢速传动装置，该装置采用新结构齿轮马达，具有体积小、结构新颖、安装维修方便等特点，是国家产品；大齿轮采用喷油润滑装置，能够在齿轮表面形成均匀雾化油膜，具有省油、自动定时、润滑均匀等特点，能够减少齿面磨损，提高齿轮使用寿命；隔音装置采用新型固定式隔音罩，内部敷设吸音材料、阻尼材料，使噪音明显降低。型钢球磨煤机为低速筒式钢球磨煤机，是火力发电站煤粉制备系统的主体设备。同时，也使用于水泥工业、冶金工业、化学工业、制糖工业等制粉系统，该系列产品具有结构紧凑，安装维修方便，运转平维等特点，广泛用于粉碎各种硬度的煤炭或其他可磨性物料。磨煤机工作原理是在其转动部的内部装有一定数量的研磨介质-钢球，当转动部转动时，。d-11d型磨煤机钢球数量重量钢球筒式磨煤机，是一个直径、长的圆筒，两端为锥形端盖上；连着空心轴。空心轴颈架在轴承上，通过传动装置带动筒体旋转。筒体内壁衬装有波浪形耐磨钢甲，筒内装有大量直径为的钢球。球磨机的出力不仅受钢球装载量的影响，也与钢球直径有关。要求有一定的球径及不同球径的球保持一定比例关系，一般筒体内球径的尺寸范围为。如果筒体内都是大直径的球，其冲击力较大，对击碎大块煤有利，但由于球与球之间间隙大，相对表面积小，挤压、碾磨作用减弱，对磨煤机出力及煤粉细度均不利。筒体内小直径钢球太多，冲击力小，会使磨煤机出力下降，同时，由于钢球表面积相对增大，会使钢球磨损增加，磨煤电耗随之上升。磨煤机在运行过程中，由于磨损，钢球重量及直径都在不断减小，因此需定期补入新球，以维持一定的钢球装载量。一般补入的为大直径球，补球量应根据钢球磨损率（每磨一吨煤钢球的磨损量）及磨煤量来确定。磨煤机运行一定时间后，筒体内小直径钢球数量增多。故一般在运。pre:next:钢球磨煤机预测控制系统的设计与应用研究_甜梦文库
钢球磨煤机预测控制系统的设计与应用研究
东南大学 硕士学位论文 钢球磨煤机预测控制系统的设计与应用研究 姓名：黄春岑 申请学位级别：硕士 专业：动力机械及工程 指导教师：于向军
摘要摘要题名：钢球磨煤机预测控制系统的设计与应用研究 姓名；黄春岑 导师ｊ于向军 学校：东南大学 正文： 中间仓储式制粉系统广泛应用于火力发电机组，是火电厂的大型重要辅机设备。钢球磨煤机 是中储式制粉系统的重要环节，但是由于球磨机系统的非线性、大滞后、强耦合等特点使球磨机 控制过程存在多种复杂难题，长期以来传统控制方法（３套独立ＰＩＤ控制回路）的自动投入率很 低，因而必须采用智能控制策略对球磨机系统进行有效控制，提高经济性。 本文针对球磨机控制系统本身存在的问题，将球磨机控制系统分解成一个单回路即负荷控制 回路，和一个磨出口温度与入口负压控制回路。本文的主要内容包括以下几个方面：１．对球磨机制粉系统对象作了特性分析，根据现场阶跃试验的数据分析，利用最小二乘的 模型辨识方法，最后得到了球磨机在某定负荷下的动态数学模型。 通过分析球磨机负荷控制系统的特点，提出了灰色预测．ＰＩＤ控制策略．根据现场的条件， 考虑了球磨机堵磨、正常、空磨各个工况，设计了球磨机负荷的自适应控制策略。 针对球磨机出口温度、入口负压之间的耦合和出口温度大滞后等问题，提出利用串级 ＤＭｃ－ＰＩＤ控制球磨机出口温度和串级ＰＩＤ控制球磨机入口负压。同时，以多变量控制理 论设计该控制系统，可以在两单回路控制系统的基础上设计交叉解耦环节，以消除球磨 机入口负压和出口温度控制系统之间的相互作用。２．３．４．通过对预测控制的研究，以球磨机过程控制为对象，以组态王和ＭＡｌｌＪＡＢ软件为平台， 实现在线预测控制。通过动态数据交换技术（ＤＤＥ）将这两种软件连接起来，充分发挥了它 们的长处，使得动态矩阵控制等预测控制算法方便而精确地应用到球磨机控制系统中去。本文紧密结合工程实践，在控制方案上提出了一些新的思想和实现方法，对于球磨机控制系 统有重要的意义。关键词：球磨机：最小二乘法；灰色预测；动态矩阵控制：解耦控制；动态数据交换垒坚型！！ＡＢＳＴＲＡＣＴ＂Ｕｅ：Ｔｈｅ ＡｐＰｌｉｃａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｍｌｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＢａｌＩ ＭＩＩｌ ＰｕｌＶｅｒｉｚｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ一――ｏｎＰＩ℃ｄｉｃｔｉＶｅＣ∞ｔｍＩＳｙｓｔｃｍＮａｍｅ：Ｈｕ柚ｇ Ｃｈｕｎｃ即ｓｕｐｅｒｖｊｓｏｒ： ＳｃｈｏｏＩ：’Ｉｂｘｔ：Ｐｒｏｆ Ｙｕｘｉａｎｇｊｕ“ＳｏＩＩｔｈｅ越ｔ 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ｌｅａｓｔＤａｔａｓｑｕ柳ｓ；Ｇｒｅｙｐｒｃｄｋｔｉｏｎ；Ｄｙｎａｍｉｃｍａ订Ｋ咖ｌ；Ｄｅｃｏｍｐｏｓｎｊ蛐ｃ彻仃ｏｌ；Ｄｙｎ枷ｉｃＥｘｃｈ锄ｇｏＩＩ东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。研究生签名：垄：塑日期：之互ｋ、），占东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借 阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权东 南大学研究生院办理。研究生签名：≯糙一导师签名：舡日期型’“第一章绪论１．１选题背景火力发电过程涉及多个复杂过程的控制问题，这些过程的自动控制水平对电厂经济运行效益 有至关重要的影响。制粉系统是火力发电厂最重要的系统之一，它的任务就是按照规定的煤粉精 细度和水分制出锅炉所需要的煤粉，将其输送到炉膛，以保证锅炉稳定、经济运行。磨煤机是制 粉系统的关键设备，在国内发电厂中钢球磨煤机占各类磨煤机总量的６０％以上“’。钢球磨煤机的 优点是运行可靠、维护简单、对煤种适应性强和检修费用低等；缺点是电耗高（耗电量约占厂用电 量的２５％】、运行复杂、噪音大、耗钢多、易磨损，以及难以投入自动和优化运行。 钢球磨煤机是一个非线性、大滞后、大惯性、强耦合，以及具有多种不确定性扰动的多变量 对象。由于原煤水分、煤质（挥发分、灰分、可磨性等）的变化，以及钢球、衬板磨损等原因，不 仅特性复杂，而且时变缓慢，使磨煤、干燥、输送出力难以相互优化匹配。钢球磨煤机作为电厂 的重要设备，其安全、经济运行与整个电厂的安全，经济运行有着密切的联系，同时热工过程的 自动控制是保证热力设备安全和经济运行的必要技术措施，所以进行分析研究钢球磨煤机的特性 及控制方案，具有十分重要的理论意义和实用价值．１．２火电厂中间仓储式球磨机制粉系统控制现状随着火电机组单机容量和参数的提高及系统本体的复杂化，对自动化要求越来越高。目前仅 以传统控制理论为基础的自动控制系统已经不能适应工况在大范围内的变化的情况。 中储式制粉系统是高度关联的ＭＩＭｏ非线性系统，其动态特性随着运行工况的变化而大范围 变化，且各环节的动态特性的差异很大。设备老化和设备性能的渐变可视为最慢的过程，在稍快 的过程中．每日的天气变化和负荷的昼夜循环，在更快的过程中，煤质、煤种、钢球装载量及制 粉系统通风量的变化，都影响着制粉系统的特性口】。因此，中储式制粉系统的精确模型一般情况 下是不可能得到的，这使传统的控制理论的应用受到限制。 常规的中储式制粉系统自动控制的设计是采用热风门控制球磨机出口温度，再循环风门控制 入口负压．给煤量控制球磨机负荷形成３套独立的ＰＪＤ控制回路。由于常规控制方案达不到复杂 的制粉系统的各个子系统的控制要求，一些先进的控制方法应运而生。 １．常规控制 将控制系统设计为３个互为独立的控制回路，采用热风门控制球磨机出口温度，再循环风门 控制入口负压，给煤量控制球磨机入口负压形成３套独立的ＰＩＤ控制回路。通过机理分析可知， 钢球磨煤机的３个控制回路问耦合非常严重。因此，一个系统中如果有各自独立的系统，控制品 质就会很差，很难保证长期稳定运行，在电力实际生产中很大程度上仍需要手动控制，制粉系统 很难工作在最佳工况，磨煤电耗高、经济性差。 ２．解耦控制 球磨机制粉系统是一个３输入３输出多变量耦合系统，在调节回路中，不管输入和输出如何 配对均存在严重的耦合，因此，需要进行多变量解耦Ｂ”，常规解耦控制方法可分为静态解耦和 动态解耦。静态解耦方法适用于对象模型较精确、在静态工作点附近线性度较好的环境－具有结 构简单、容易实现的特点。但钢球磨煤机是一个复杂的被控对象，工作状态极不稳定，所以静态 解耦不适用于钢球磨煤机。动态解耦是对被控对象工作的全过程进行解耦，在一定的条件下有良东南大学硕士学位论文好的解耦效果。解耦后的系统可按单回路的原则来整定控制器的参数。对于钢球磨煤机这样一个 多扰动、非线性的复杂系统，此方法还是有较大的局限性，当系统出现扰动时极易造成不稳定。 因此，常规解耦法不能从根本上解决磨煤机的控制问题。解耦控制的共同特点是用补偿矩阵来消 除各控制回路之间的影响，从理论上来说．要实现完全解耦是可以通过补偿实现的，但工程应用 遵从简单有效的原则，过于复杂的补偿矩阵是无法实现的。 ３．基于多变量频域理论的ＴＮＡ设计方法 ＩＮＡ法即逆奈氏阵列法，是多变量频域理论的重要内容之一。具有对数学模型的精确性要求 不高，物理概念清晰、易于工程实现等特点ｐ’ｑ。ＩＮＡ法的关键在于求出被控对象的预补偿矩阵， 使对象的广义传递函数具有对角优势。由于ＩＮＡ法设计的磨煤机控制方案小、不需要精确的数学 模型，从而克服了系统易受扰动、稳定性差的毛病，使系统具有耦合小、鲁棒性，以及故障稳定 性强的特点，但用ⅢＡ法设计的磨煤机控制系统需相应的ｃＡｃｓＤ软件。 ４．模糊控制 本质上是非线性控制，它不需要知道被控对象的数学模型，具有比常规控制系统更好的稳定 性、更强的鲁棒性和良好的抗噪性能，而且容易跟人工操作经验相结合，可以有效地实现对非线 性系统的控制”１。运用模糊控制理论控制钢球磨煤机必须解决多变量模糊控制的问题。通过相关 方程分解可将一个多输入、多输出的模糊控制器分解为若干个单输入、单输出的模糊控制器。这 样，可用３个单输入，单输出的模糊控制器实现对磨煤机的控制，因而大大简化了系统的设计。 模糊控制方案无需磨煤机精确的数学模型，这对经典的解耦方法是一个很大的进步。虽然磨 煤机模糊控制方案具有较好的鲁棒性，但是由于其是多变量系统。因而要根据运行人员的经验得 到控制规则库和隶属度函数是非常困难的。这是磨煤机的模糊控制理论亟待解决的问题． ５．自寻优控制 当制粉系统处于稳定工况时，常规控制方式可以维持系统运行在低负载的习惯工作区，因而 无法保证运行的经济性¨“Ｊ。最佳存煤量会随钢球损耗、煤种变化，以及煤的水分变化等产生漂 移。因此，要求控制系统应能够实时跟踪料位的变化，在运行中不断修正控制参数，使控制对象 始终运行在最佳工作状态，实现球磨机制粉系统的经济运行。球磨机制粉系统自寻优控制是在一 定范围内的在线寻优。其方法是先计算出单耗，然后根据变化方向进行正向或反向寻优，直到单 耗在某值附近摆动，接近最佳工况值。球磨机单耗的计算没有统一的算法．若以给煤机的给煤量 表示球磨机近似负荷，并不能准确、坝４得球磨机的实际出力，也无法正确计算单耗，因此，在线寻 优并非最优，此外，该方法调节动作频繁．不利于系统的稳定运行。自寻优控制的优化指标是随 设各条件、煤质（特别是可磨系数）、运行工况而变化的，这对实时控制提出了很高的要求。 ６．预测控制 由于常规模糊控制的控制规则集中且不包括对象纯滞后的信息，因此寻找克服大纯滞后对象 模糊控制规则是现今研究的一个方向ＩＩｑ。预测控制的主要目的是解决大延时系统的控制问题。将 球磨机的传递函数矩阵转换为脉冲响应矩阵，根据系统的现在时刻和过去时刻的控制输入预测系 统输出的未来值，实现预测控制。获取预测传递函数是预测控制的难点。特别对于像球磨机这样 一时变对象，将预测控制和其它智能控制方法相结合是解决球磨机这样一个复杂对象的探索途径。 ７．神经网络控制 神经网络因其具有自学习、自适应的优点，并且不依赖具体数学模型，非常适合对象的动态 特性随运行工况大范围的变化，而球磨机就属于这类对象。因此，一些学者已经尝试神经网络在 制粉系统中的应用Ｉｌ“。 ８．混合型控制 对于球磨机中储式制粉系统用单一控制方法很难同时解决所有问题，如将ＰＩＤ与模糊结合、自适应与模糊结合㈣、解耦控制与模糊控制结合㈣、预测控制与模糊控制结合㈣、自寻优控制与 模糊控制结合【“】，仿人智能控制与模糊控制结合㈣，专家与模糊控制结合１１“、预测控制与神经网２第一章绪论络结合１１７】、模糊控制与神经网络结合㈣等多种控制理论结合使用取长补短，能有更好的控制效果。针对球磨机制粉系统的控制与优化，很多智能控制方案的仿真结果从理论上表明可在一定程 度上解决球磨机自控中难点，但是能否在工程实际中投用，能否长期稳定运行节能降耗，还有很 多工作要做。１．３课题的理论基础１．３．１灰色预测控制简介灰色系统理论是由我国学者邓聚龙于１９８２年首先提出的一种理论，并在理论和应用上取得了 重大进展，已经在农业、生态、经济、管理和工程技术等领域取得了令人瞩目的应用效果． 灰色系统，即信息不完全系统，是从已经发生的行为特征量中，寻找系统发展规律，按其预 测系统未来的行为，并根据未来的行为趋势，确定相应的控制策略。所以，这种控制是着眼于系 统未来行为的预控制，是超前控制，这样可以做到防患于未然，控制及时。它具有较强的自适应 性、通用性、实时性和准确性，且结构简单、技术明了，是一种具有广阔应用前景的控制算法， 这也正是预测控制在当前受到普遍重视和应用的根本原因。将这一控制理论与方法应用于克服纯 滞后系统研究，可望取得较好的控制效果。 灰预测共分为五种类型：数列灰预测、灾变（异常值）灰预测、季节灾变灰预测、拓扑灰预测 和系统灰预测。本文的研究属于数列灰预测。 灰色预测是一种重要的预测控制，灰色预测控制方法不需要预先掌握对象的数学模型，而是 实时在线建模。其数列预测不仅可以做“近期”预测，而且也适合于做“长期”预测，这对克服 纯滞后给系统带来的不利影响是非常合适的ＩＩⅥ。 在球磨机负荷控制中之所以采用灰色预测控制是因为其具有如下优点： 第一，灰色预测控制需要的原始数据较少，因此适合于工业过程的实时建模和预测控制。灰 色系统理论由于将所有的不确定变量都看作灰色变量，将不确定过程看作灰色过程，它不需要大 量历史数据而只要根据一些“近代”数据生成就可将杂乱无章的数据整理出具有一定特征的生成 数据，且要求数据有一定的统计规律．宜于工业过程的实时预测控制。 第二，灰色预测计算比较简便。它的计算步骤不多，方法也比较简单，借助于计算机计算， 则更加迅速。加之它需求的数据不多，就更节省了计算时间，这在工业过程控制中是其它预测方 法无法比拟的。灰色预测，通常采用ＧＭ（１，１）模型对系统行为特征值的发展变化进行预测，只需 辨识两个参数，因而很适合于工程技术领域。 第三，球磨机负荷控制过程，一般是一个具有较大滞后的系统。而系统具有的纯滞后特点， 大大降低了系统的稳定性，容易引起系统的超调和持续振荡，是闭环响应不稳定的根源。当被控 对象的纯滞后时间较长时，想用调节器的微分作用来改善控制质量，那是无能为力的。 第四，灰色预测控制建模是少数据建模，是数据的新陈代谢建模，因此控制具有实时性。 最后，灰色预测控制和一般预测控制相比，还具有不需要对控制对象做大量的分析和人工建 模的工作等特点ＩＭ。 由此可见，灰色预测控制是一种较新的控制策略。它具有较强的自适应性、通用性、实时性 和准确性，其ＧＭ（Ｉ，１）模型兼有近似的微分，差分、滤波、指数等性质，且结构简单，技术明了． 便于应用。灰色预测控制已经在工业过程控制领域获得了成功的应用，并具有良好的发展和应用 前景。东南大学硕士学位论文１．３．２预测控制的发展状况六十年代初期，卡尔曼（Ｒ．Ｅ．Ｋａｌｍ卸）首次系统地把状态空间法引入到系统建模和控制理论中 口”，形成现代控制理论。但是，实际工业过程的多变量、非线形、时变和不确定性等特点以及工 程应用中要求考虑控制的实时性、有效性使得以精确数学模型为基础的控制算法难以应用于复杂 的工业过程。 为了克服理论与实际应用之间的不协调性，自７０年代以来，人们一方面为了提高数学模型的 精确程度及减小不确定性因素的影响，加强系统辩识、自适应、鲁棒控制等方面的研究，一方面 试图直接面向工业过程的特点研究发展各种对模型精度要求低、控制效果好、易实现的新算法， 同时计算机的广泛使用，为这种算法提供了便捷的实现基础。预测控制就是在这种情况下发展起 来的新型计算机控制算法。 预测控制按其模型建立的基础可以分为两大类‘”１： １．基于非参数化模型的预测控制。其代表是由ＲＩｃｈａ蛔、Ｍｅｈｍ在七十年代后期提出的基于 脉冲响应的模型算法控制（ＭＡｃ），又称为模型预测启发控制（ＭＰＨｃ），以及ｃｕｔｈ等八十年代 提出的基于单位阶跃响应的动态矩阵控制（ＤＭｃ）。这类预测控制方法的特点是：脉冲响应和阶跃 响应在工业现场易于获得，不需要复杂的系统辩识建模，采用滚动优化和反馈校正来取代传统最优控制旧。由于不需要系统建模，简化了算法的实现。通过在线滚动及反馈，增强了控制的鲁棒性。 ２．基于参数化模型的预测控制，这主要是由ｃｌａｒｋ等人提出的广义预测控制（ＧＰｃ）和Ｌｃｌｉｃ 提出的广义预测控制极点配置（ＧＰＰ）。这类算法吸取了ＤＭｃ，ＭＡｃ中的多步预测优化策略，采 用受控自回归积分滑动平均（ｃＡＲＩＭＡ）模型。把预测引入自适应控制当中，因而可及时修正参 数变化产生的预测模型的预测误差，从而改善系统的动态性能”９１ａ 近年来，国内外对预测控制的研究和应用日益广泛，人们根据实际工业过程对预测控制要求 提出了一系列新的算法。对于模型算法控制ＭＡｃ，Ｍ¨ｒａｍ和Ｂｎ｜Ｕｉｎ为提高系统的抗干扰性和鲁 棒性，在单步输出预测控制的基础上提出了多步模型控制算法。经典的ＭＡｃ算法，它的预测模 型只和控制量的实际输出有关，相当于在控制回路里不加积分作用，使其控制效果存在静态误差? 在此基础上，ｚｈｅｎｇ（１９８９）和张秋宝（１９９０）为了克服基本ＭＡｃ不能无偏差跟踪的缺点，提出了 在控制器中引入积分因子的增量型ＭＡｃ：舒迪前（１９９３）提出了一种采用估计参数模型的显示 自校正ＭＡｃ。对于动态矩阵控制，席裕庚（１９８９）提出了一种ＤＭｃ―ＰＩＤ的串级控制系统；舒 迪前（１９９３）提出双值ＤＭｃ算法；石中锁（１９９４）通过构造辨识器来直接辨识控制器参数的隐 式自校正ＤＭｃ算法；彭辉提出一种采用最小化模型描述对象阶跃响应的适用于过阻尼对象的自 校正ＤＭｃ算法等等。对于广义预测控制ＧＰｃ，针对基本广义预测控制方法需要求解Ｄｉｏｐｈａｍｉｎｅ。 方程、矩阵求逆，和最小二乘法递推求解而导致计算量大的缺点，王伟（１９９６）年提出了直接辨 识控制参数的广义预测自适应算法，可以省掉Ｄｉｏｐｈ∽ｔｉｎｅ方程的求解和矩阵的求逆运算；ｃｏｍｄ训ｆ１９９７）年提出变结构广义预测控制等等“”。预测控制在热工过程中的应用前景““： 在设计工业过程的自动控制系统时，被控对象的动态特性一般通过现场测试获得其阶跃响应 曲线。由于动态矩阵控制ＤＭｃ和模型算法控制ＭＡｃ可以直接利用阶跃响应曲线来设计控制算 法，不需要被控对象准确的模型。从这个角度看，ＭＡｃ和ＤＭｃ是适合工程应用的合理方法口“。 从适用范围上来说，预测控制算法既能适用于最小相位系统又能适应非最小相位系统，并对系统 参数结构的变化具有较好的鲁棒性能。动态矩阵控制ＤＭｃ和模型算法控制ＭＡｃ不仅适合开环 渐进稳定对象，而且还可以用于开环曲线有规律的非自平衡对象。动态矩阵ＤＭｃ算法和广义预 测控制ＧＰｃ算法中假定一个控制增量时间，当控制超过采样周期后，控制增量就为零。这样的处 理不仅可以有效的减少计算量，而且可通过选择控制增量的时间，以适应各种不同的被控过程－４第一章绪论广义预测控制ＧＰｃ采用的是ｃＡＲＩＭＡ模型，控制率中包含积分作用，可以消除控制系统的稳态 偏差，同样在动态矩阵控制ＤＭｃ算法中，控制率求解本身就是求解每一步的控制增量，在算法 当中起到积分的作用，通过反馈校正来调整系统偏差，所以动态矩阵控制ＤＭｃ算法本身也是一 种基于无差调节的算法。在跟踪性能发面，动态矩阵控制ＤＭｃ算法和广义预测控制ＧＰｃ算法都 具有较好的跟踪性能，使系统可以快速的到达设定值。在系统运行受到干扰作用时，动态矩阵控 制ＤＭｃ算法和广义预测控制ＧＰｃ算法能加强起始时刻的调节作用，加强了扰动起始时刻的调节 作用，比一般传统的调节方法更有效的抑制了干扰对控制系统的作用，从而也更有效地抑制被控 过程的输出变化“…。 基于热工过程中存在的问题，以及预测控制的算法特点，预测控制在热工过程控制中的应用 是值得研究的，本文就是在这样的背景下对预测控制中的动态矩阵做一个深入研究，更好地把它 应用于实际热工控制当中。１．４本文的主要内容本文针对球磨机控制系统本身存在的问题，将传统的控制方案中的三输入三输出系统分解成 一个单回路（即给煤量控制负荷回路），和一个两输入两输出回路（即再循环风门和熟风门控制磨出 口温度与入口负压回路），这样既简化了系统的复杂度。又有效减少了系统的耦合程度。本文的主 要内容包括以下几个方面： １．论文总结了中储式球磨机制粉系统测控技术和成果的发展状况，提出控制现状中存在的问题和本文的创新点；同时介绍了本课题的理论基础――灰色预测控制和预测控制发展状况； ２．分析和研究了中储式制粉系统的数学模型，对球磨机制粉系统对象作了特性分析，并且根 据现场阶跃试验的数据分析，利用最小二乘的模型辨识方法，最后得到了球磨机在某一定 负荷下的动态数学模型。 ３．对球磨机的负荷控制系统的设计与研究。通过分析球磨机负荷控制系统的特点。总结出当 前控制存在的问题。提出了灰色预测～ＰＩＤ控制策略，并简单介绍了灰色预测理论。依托 某热电厂７＃机组球磨机的改造项目，根据现场的条件，考虑了球磨机堵磨、正常、空磨 各个工况，设计了球磨机负荷的自适应控制策略。 ４．介绍了ＤＭｃ算法及原理。然后分析了球磨机出口温度和入口负压控制系统，针对出现的 再循环风门和热风门与出口温度、入口负压之间的耦合和ＰＩＤ参数整定比较困难等问题， 提出了利用串级ＤＭｃ－ＰＩＤ控制球磨机出口温度和串级ＰＩＤ控制球磨机入口负压。同时， 以多变量控制理论设计该控制系统，可以在两单回路控制系统的基础上设计交叉解耦环 节，以消除球磨机入口负压和出口温度控制系统之间的相互作用。 ５．通过对预测控制的研究，以球磨机过程控制为对象，以组态王和ＭＡＴＬＡＢ软件为平台， 对球磨机出口温度和入口负压实现在线预测控制。通过计算机软件组态王编制界面，并用 ＭＡＴＬＡＢ来计算，为在线预测控制提供有效而方便的平台，方便有效地把这种先进的算 法用于实际当中去。 ６．对论文作了全面的总结，对论文中处理问题的方法作了进一步完善的展望，提出了下一步 工作的期望。参考文献［１】谢沁文．球磨机存在的主要问题与改造设想ｆＪ】．冶金设备，１９９３（３），总第１０９期５东南大学硕士学位论文【２】李崇晟，周洪，胡效雷周内球磨机控制系统的现状分析ｍｒ东北电力技术，１９９９（３）【３］潘且鲁．一台３００Ｍｗ机组磨煤机解耦控制系统设计［Ｊ］．热力发电，１９９６，（６）：１３～１７ 【４】王东风．制粉系统球磨机的模型算法解耦控制【Ｊ】工业仪表与自动化装置，２００２，（１）：２３￣２５［５】周洪．基于实时在线仿真方法的球磨机多变量控制系统【Ｊ】．电力自动化，２００３，（４）：６２川【６】田沛，马平．球磨机控制系统ＩＮＡ方法设计【Ｊ】．华北电力大学学报，１９９４，２ｌ（１）：６９～７２ 【７】李遵基，蔡军．中间仓式制粉系统球磨机模糊控制理论与实践【Ｊ】中国电力，１９９６，２９（１０）：３３―３７【８】王兴国，田维铎．球磨机料位监控技术和制粉系统优化运行们．中国电力，１９９６，２９（１）：２Ｉ￣２５【９】刘齐寿，黄锦涛．贺刚球磨机中储式制粉系统自寻最优控制【Ｊ】．西安交通大学学报，２０００，３４（７）：３０￣３４．【１０】王东风．球磨机制粉系统的模糊预测复合优化控制【Ｊ】动力工程，２００２，２２（３）：２０１￣２０４ 【ｌＩ】王东风，于希宁，宋之平．制粉系统球磨机的动态数学模型及分布式神经网络逆系统控制【Ｊ】． 中国电力工程学报，２００１，２２（１）：９７～１０１ ［１２】刘长良．火电厂球磨机制粉系统的自调整模糊控制【Ｊ】．中国电机工程学报，２００１，２１（１２）：９３―＿９６ ［１３】刘长良，粱伟平，董泽．钢球磨煤机制粉系统的递推模糊控制［Ｊ］动力工程２００２，２２（１０）：１９６９～１９７３【１４】张彦斌，贾立新，杨波．自寻优一模糊控制策略在球磨机控制中的实现【Ｊ】．电力系统自动化，１９９９，２３（１７）：２３￣３４【１５】章兢，童调生，庄斌．球磨机仿人模糊智能控制【Ｊ】．电工技术学报，１９９８，１３（１）：５５卅【１６】吴友政，谢建君．专家模糊控制在球磨机上的应用【Ｊ】工业控制计算机．２００ｌ，１４（８）：３ｌ～３３ 【１７】王东风．制粉系统球磨机的神经网络预测控制【Ｊ】．华北电力大学学报，２００ｌ，２８（３）：３４￣３７ｆ１ ８】姚钢，周洪．球磨机神经元解耦控制系统【Ｊ］．华中电力，２０００，１３（１）：７１０【１９】邓聚龙．灰色控制系统【Ｍ】．武汉：华中工学院出版杜，１９８７．２９３～３０２ 【２０】毕效辉，姚琼荟．灰色预测在过程控制中的应用【Ｊ】西南工学院学报，１９９７，１２（３）：Ｊ１２１６【２１】席裕庚预测控制【Ｍ】ｒ国防工业出版社，１９９３【２２】王伟．广义预测控制理论及其应用［Ｍ】．科学出版社，１９９８ 【２３】王伟，杨建军广义预测控制理论算法【Ｊ１．与应用控制理论与应用，１９９７，１４（６）【２４】ｃＩ批ｅ Ｄ ｗ，Ｍｏｈｔａｄｉ ｃ．ＰｍｐｅｒＩｉｅｓｏｆｇｅｍ删ｉｚｅｄ 【２５】ｏｗｅｌｌｓ，Ｄ．Ｈ．Ｆｅｅｄｂａｃｋ柚ｄ ＭｕｌｔｉＶ撕ａｂｌｅ Ｃｏｍｒｏｌｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ咖ｔｒｏ明．ＡＩＩＩｏ衄ｔｉｃａ，１９８９，２５（６）ｓｙｓｔｅｔＩｌ，ＰｅｔｅｒＰｅｒｅｇｒｉｎｅｓ，Ｌｏｎｄ仰１９７８【２６】吕剑虹，陈来九．预测控制在热工控制中的应用前景【Ｊ】．动力工程，１９９７，１７（２） 【２７】舒迪前．预测控制及其应用【Ｊ】．机械工业出版杜，１９９６ 【２８］Ｌ岫ｄｓ订ｏｍ Ｐ＇Ｌ∞ＪＨ，ｍｏｒ撕Ｍ ＬｉＩＩｌｉｔａｔｉ蛐ｏｆｄｙ衄ｍｉｃ ｌＴｌａ仃ｉｘ∞ｎ仃ｏｌ川．ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ｃｈｅｍＥｎｇｌｌｇ，１９９５，１９６第二章中储式制粉系统数学模型的分析与建立第二章中储式制粉系统数学模型的分析与建立２．１中储式单进单出钢球磨煤机制粉系统中储式钢球制粉系统一般由给煤机、磨煤机、粗粉分离器、细粉分离器、绞龙输粉机、煤粉 仓等设备构成。输粉方式有乏气送粉和热风送粉两种。制粉系统单侧的系统结构如图２．１所示。 不同机组的具体管道和调节阀设计可能有所差别，但基本都具有图中功能相似的各个调节风门。图２．１中储式制粉系统结构图 当系统启动乏气送粉方式时，原煤和热风通过干燥管一同进入球磨机，磨制好的煤粉由热风 从磨煤机内输送至粗粉分离器分离，粗粉返回磨煤机重新碾磨，合格的煤粉继续输送至细粉分离 器被再次分离，风和粉经细粉分离器分离后，煤粉经绞龙输粉机分配到不同的粉仓储存待用，由 细粉分离器上部出来的乏气，携带～部分极细的煤粉，经排粉机提高压头后作为输送煤粉的一次 风。此时，系统通过调节冷、热风门（１＃，２＃）的开度来控制磨煤机入口负压和出口温度。 当机组采用热风送粉的方式时，即采用排粉机入口冷、热风门（８＃、１０＃）的近路风经排粉 机提高压头后作为一次风进行输粉并送入炉膛燃烧。此时，系统要求通过调节冷、热风门（１＃、 ２＃）的开度来维持排粉机的入口温度和入口负压，而排粉机的出口压力则通过调节排粉机入口挡 板开度来维持定值。 由于存在两种送粉方式，所以～般电厂的中储式制粉系统也分为两种：乏气送粉系统和热风 送粉系统。在乏气送粉制粉系统中，当球磨机制粉系统投运时，采用乏气送粉方式即由排粉风机 出口乏气来输送给粉；当制粉系统停运时，切换热风送粉方式，故需在制粉系统启停时，在热风 送粉与乏气送粉之间切换，要求一次风压稳定，保证炉膛燃烧稳定，要增加系统“倒风”控制。而７东南大学硕士学位论文在热风送粉制粉系统中，制粉系统排粉风机出风主要是满足再循环风，余下的作为三次风入炉， 给粉一直由热风输送，制粉系统启停不需“倒风”。在本文中，主要是对中储式钢球磨的热风送粉 系统进行了研究． 对制粉系统成功控制的关键之一，就是熟悉和掌握制粉系统的静态和动态特性，只有深刻了 解制粉系统过程的机理、模型及特点后，才能正确选择控制策略及正确设计控制系统。下面主要 研究该球磨机制粉系统静态、动态特性及相关的数学模型。由于整个建模过程主要是为控制系统 设计作参考，我们并不追求模型具有很高的精度，只要能反应出制粉系统的特点以便正确设计控 制系统。因此，在建模过程中作了如下简化： ①模型仅从总体上反映球磨机特性，不涉及磨筒内复杂的磨煤过程； ②将磨煤机筒体、下降干燥管和回粉管合并考虑： ③球磨机出口温度是风粉混合温度；没有考虑球磨机内的热损失；２．２球磨机机理模型２．２．１球磨机料位的定义料位的定义…为：球磨机内煤的体积与减去钢球所占容积后球磨机的容积之比（％）。其数学表 达式为：工：丝』＆ｙ―ＭＨ｜ｐＨ（２－１）式（２．１）中，Ｌ为筒内科位，％；朋。为筒内存煤量，ｋｇ；ｐ二为球磨机中煤的密度，ｋｇ／一；矿为球磨机筒内容积，ｍ３；肘目为钢球装载量，ｋｇ：％为钢球本身的密度，ｋｇ，ｍ３。从式中可以看出存煤量和料位的关系：存煤量直接表示磨筒内贮存煤量，料位则更能综合反 映影响球磨机出力的磨筒内钢球装载量与存煤量的相对关系与特性，在实际运行过程中可表征磨 负荷的高低。２．２．２球磨机动态数学模型２．２．２．１球磨机进出口质量平衡方程‘２‘３】式（２－２）中Ｊ日０为给煤量（仇），以为球磨机出力，即粗粉分离器出口煤粉量（价Ｉ），Ｍ。为筒体内存煤量（Ｋｇ），ｆ为时间（ｓ）。燃料在粉碎和分离过程中，影响因素很复杂，对中储式 球磨机制粉系统，由长期运行可得出磨煤机出力的经验公式（２－３）。－ ’－二－’－ － － ‘一Ｂ＿一Ｂｍ ３．６ｄＭｍ（２－２）ｄｆ％＝占ｏ‘足ｍ。Ｋ。‘Ｋ，。ｘ矿（２?３）其中风为简体计算出力（伽），Ｊ．（栅、Ｋ。、砀、如分别为磨煤机出口温度、筒内存煤量、第二章中储式制粉系统数学模型的分析与建立磨煤机内通风量、粗粉分离器折向门影响修正系数，这四个系数都可以查阅相关经验表格。风的经验计算公式如式（２－４）。占ｏ＝Ｏ．１１－Ｄ２４?工?玎ｏ。?Ｋ衄?Ｋ脚?妒０６ｓ２?ｘ品（２－４）Ｄ为磨煤机筒体直径（ｍ），上为磨煤机筒体长度（ｍ），”为简体转速（ｆ／ｍｉｎ），Ｋ～为护甲修正 系数，Ｋ。为钢球、护甲磨损系数，ｙ为钢球充满系数，Ｓ２为原煤质量换算系数（即将水分为∥“时的磨煤出力换算到水分为∥，的原煤质量的换算系数），Ｋ品为工作燃料的可磨性系数。ｙ＝肘鲥／（ｐ钾‘矿） ｓ２＝（１００一矸，∥）／（１００―Ｆｒ’）（２＿５）（２－６）ｐ。为钢球密度慨／ｍ３），ｙ为磨简体积ｂ３），∥一为筒内煤平均水份（％），阡９为原煤应用基水分（％），其中一二乏豁磊／４Ｆ％＝（∥’一ｌｏｏ△辟：）／（１一△Ｆ％） △％＝０４?肼’∞，（２?８’（２?９）△∥＝（矿’一形可）／（１００一矽可） Ｋ厶＝Ｋ：?（ｓｌ／ｓｐ）（２．Ｊｏ）（２－１１）ｓ。＝√ｉ忆）２一眇一）ｚ】／【（％）２一眵，）２】％＝１．０６?形’＋４（２．１２）（２．１３）形爪，为煤粉水分（％），ｊ咯为试验燃料的可磨性系数，ｓ．为水分对燃料可磨性系数的修正系数 ?％为原煤粒度修正系数，形７为煤的分析基水分?磨煤机出力表达式是一个相当复杂的函数．对它影响的因素是相当多。在实际生产过程中， 当磨处于稳态工况时，磨煤机的出力通常用给煤量来表示。 ２．２．２．２球磨机进出口能量平衡方程１２’”¨∥以ｑ。，吁％＋摹≯一警－‘Ｇｒ‰㈣ …＋Ｑｏ一生竺竺尝型＝景［（Ｃ。鸭崛砧ｒ。】东南大学硕士学位论文式（２．１４）中ｃｎ、ｃ。、ｃ≯、ｃｒ、％、ｃ，、ｃ盯分别为热风、再循环风、漏风、总通风、给煤、煤粉、钢球的比热，均取定值厨／Ｊ国。Ｃ。ｏ、，。、，『，、，。、‘分别为热风、再循环风、漏风、磨煤机出口风粉混合温度、给煤温度（。ｃ）。Ｇ＾、（‘、Ｇ∥、Ｇｒ分别为热风、再循环风、漏风和总通风质量流量（Ｊ国／Ｊ）。Ｍ。为钢球装载量，△矿为磨煤过程 中煤的水分蒸发量（磁／Ｊ磁）。Ｑ。为磨煤过程中产生的净机械热（Ｋｇ／ｓ）。（２一１５）ｃ。；等乎＋譬Ｑ０＝４】．５７?口ｐ／３．６＝１１．５５?口∥ ‰＝（Ｋ０‘圯）／（３．６’嘭）（２－ｌ ６）２．２．２３球磨机差压流量方程口’∞△Ｐ，＝Ｌ?（１＋ｏ．８?Ⅳ。）?Ｇ；／足（２一ｌ ７） （２。１８）Ｋ曲＝１７―６５工矿＋７０’ｘ孑（２－１９）弘ｃ，一参一参蚂她ｓｓ倍率系数，Ｋ．为磨筒内通风面积对差压的影响。进出口差压随着通风量的增大而增大ｆ ２．２．２．４球磨机入口负压方程【２’”ｔｚ―ｚｏ，其中厶为球磨机环节阻力系数，“，为球磨机出口煤粉浓度（琢／Ｊ咯），Ｋ¨为粗粉分离器循环本文在研究球磨机入口负压方程时作了一些简化，将粗粉分离器阻力、细粉分离器阻力及煤 粉上升时的流动阻力视为常数，同时假定热风门入口压力、排粉机出口压力为常数，基此假定推导得到球磨机的出口压力巴ｏ（只）为：巴。＝孝?嘭＋匕一口（２＿２１）其中孝为综合阻力系数。匕为排粉机出口压力（只），口为排粉风机零位压力（只）巴＝巴。＋哦＝善－６弓＋足一口＋△Ｐ用（２－２２）＝善?Ｇ；＋足一掣＋厶?（１＋ｏ．８?“。）?Ｇ；／Ｋ２．２．２．５球磨机料位方程【２’珂 由磨煤机出力计算公式（２．３）可得：１０第二章中储式制粉系统数学模型的分析与建立Ｋ删＝Ｋｌ（上／五）一Ｋ２（三／＾）２＝口。“占ｏＫ栅足旷Ｋ矿）＝叫陋水＾＿鬲耘。１ｍ５）】，１（２．２３）此方程为料位样本的获得提供了依据。根据式（２．２）可知，稳态时的给煤量等于磨出力，此 时再根据已知的磨出力值和其他修正系数，由式（２－２３）计算间接计算出料位的样本值。２．３球磨机制粉系统对象特性１热风量对球磨机出口温度的影响【４】在其它条件不变时，热风门开大，热风量增大，球磨机出口温度升高。当热风门开度‰作阶跃变化时，球磨机出口温度Ｔ的阶跃响应曲线如图２．２所示。ｔＴｔ图２．２热风门开度对球磨机出口温度的阶跃响应曲线 ２热风量对球磨机入口负压的影响【４】 热风送入球磨机对球磨机内的原煤进行干燥，提高球磨机的通风出力和干燥出力，为了不使 磨煤机内煤粉喷出，球磨机的入口负压要维持在一定范围内，如无锡协联的球磨机入口负压维持 在．１５０Ｐａ左右。当热风门开度“＾作阶跃变化时，球磨机入口负压Ｐ的阶跃响应曲线如图２－３所 示。东南大学硕士学位论文Ｐ图２―３热风门开度对球磨机入口负压的阶跃响应曲线 ３热风量对球磨机负荷的影响 球磨机内送入热风是为了对磨煤机内的煤进行干燥。提高干燥出力的同时，也能提高进入炉 膛内煤粉的温度，有利于炉膛内的燃烧。影响制粉效率的因素有煤的硬度、煤的可磨性及磨筒内 的钢球装载量，总通风量。其它条件不变时，热风量增大，磨煤机的制粉出力会有所提高，但最 终回复到热风门没有改变之前的原出力状态。 ４再循环风量对球磨机出口温度的影响 在热风系统中会采用再循环风来调节球磨机的通风量，当球磨机的出口温度过高或停磨时， 才打开大气冷风门，这种系统中，再循环风对磨出口温度影响较大。当再循环风作阶跃变化时， 磨出口温度响应曲线与熟风扰动时的响应曲线类似，但变化方向相反，且变化幅值要小。变化方 向相反的原因是显而易见的，变化幅值小是因为再循环风温与磨出口风温基本接近因而变化过程 只有散热损失的温降，而热风温度与磨出口温度之间的温差要比再循环风与磨出口温度之间的温 差要大－再循环风门开度”矿对球磨机出口温度的阶跃响应曲线如图２－４所示。ｔＴＩｔ０＼．一ｔ图２－４再循环风门开度对球磨机出口温度的阶跃响应曲线 ５再循环风量对球磨机入口负压的影响 再循环风作阶跃变化时，磨的入口负压响应曲线与热风扰动时的响应曲线类似，但由于再循 环风比熟风的比窖小，因而再循环风对磨入口负压影响小些?再循环风门开度“矿对球磨机入口 负压Ｐ的阶跃响应曲线如图２．５所示。１２第二章中储式制粉系统数学模型的分析与建立ＵｚｆＰｔ图２．５再循环风门开度对球磨机入口负压的阶跃响应曲线¨１６再循环风量对球磨机负荷的影响１１ 在工程应用中，改变再循环风量使球磨机的负荷有所改变，但影响很小，所以将再循环风量 对球磨机负荷的影响忽略不计。 ７给煤量对球磨机出口温度的影响 进入球磨机的原煤温度等于环境温度，远低于球磨机内的温度，因而，改变给煤量会使球磨 机的出口温度有显著的变化。给煤指令“。对球磨机出口温度的阶跃响应曲线如图２－６所示ａ“∥ＴＩｔ０＼Ｌ一ｔ图２―６给煤量对球磨机出口温度的阶跃响应曲线 ８给煤量对球磨机入口负压的影响【４ｌ 磨煤机内存煤量增加时，磨煤机内的通风阻力加大，会直接影响到球磨机的入口负压。球磨 机是一个动态的环节，增大给煤量，球磨机的出粉量也随之增加，而磨煤机的负荷（料位或存煤 量）增加并不明显，因此，对球磨机入口负压的影响较小。只有当给煤量大于出粉量时，磨煤机 的料位才明显上升，才会使磨煤机入口负压明显增加。因此，给煤量对球磨机入口负压的影响可 以近似看作为放大系数较小的一阶惯性环节．东南大学硕士学位论文９给煤量对球磨机负荷的影响 球磨机的负荷控制是一个相对独立的系统。球磨机的负荷控制一般采取调节给煤量来实现的， 而给煤量的调节主要是给煤机转速的调节。所以球磨机负荷控制的目的是：通过调节给煤机的转 速来控制料位在给定值附近。当制粉系统通风能力足够时，给煤量对球磨机负荷的影响是一个多 容惯性环节：但是由于系统中通风量受到球磨机出口温度和入口负压的限制，当系统中通风能力 不够时，磨简内会产生堵煤现象，此时的对象特性是无自平衡能力的。２．４模型辨识系统辩识方法分为经典和现代两大类。经典辩识方法采用非参数模型，其表现形式是以时间 或频率为自变量的实验曲线。对系统施加特定的测试信号，同时测试系统的输出，可求得这些非 参数模型。经过适当的数学处理，又可把它们转换为参数模型。在对以时间或频率为自变量的实 验曲线或者实验数据进行处理时，由于传统方法本身固有的缺陷，导致辩识过程的随意性较大， 不能利用所有数据，从而造成不能充分利用所测数据的全部信息，不但浪费了信息，而且辩识出 来的结果准确度很差。如果能将最小二乘法用于经典辩识，那么上述困难即可迎刃而解。下面， 以经典阶跃响应辩识为例，来说明这种采用最小二乘法的经典辩识的新方法。２．４．１经典的阶跃响应辩识方法的弊端阶跃响应法是几个比较常用的经典辩识方法之一。它是通过实验来测取系统的阶跃响应曲线， 再由得到的阶跃响应曲线算出被辩识系统的传递函数。利用阶跃响应曲线确定被控系统传递函数 的方法很多，而几乎所有的方法都是在假定传递函数的结构为已知的条件下，利用图解法推算出 被辩识系统传递函数的参数，或者利用几点数据通过解方程组计算出系统参数。无论是作图法还 是计算法，由于方法本身的缺陷，辩识过程的随意性较大，又不能充分利用所有数据，辩识出来 的结果准确度很差。比如作图法，首先将测量得到的数据描绘成一条尽可能光滑的曲线，然后确 定曲线的拐点，再做拐点处的切线，接下来找到切线与时间轴的交点以及与曲线的稳态渐近线的 交点（详见有关文献）。显然，这种作图法的拟合精度很差。因为由点描绘曲线、确定拐点、画切 线、确定交点等各步都有很大的随意性。再比如计算法，由于待辩识的参数一般只有两个，所以 只需两点数据。只凭两个孤立点的数据进行拟合，而不顾及整个测试曲线形态的做法，显然是片 面的。此外，两个特定点的选择也具有某种随意性，因此所得到的结果其可靠性也是值得怀疑的Ｄｔｕ。２．４．２最小二乘法应用于阶跃响应辨识２．４．２．１最小二乘法基本概念‘７“９Ｊ 对于ｓＩｓＯ离散随机系统，其描述方程为：ｙ（女）＝～４ｌ＿＇’（七一１）一…一４％ｙ（女一”ａ）＋６ｌ。（Ｊｉ｝一１１ ＋６２ｘ（女一２）…＋６。ｘ（七一Ｈ６）＋ｅ（ｔ）佗．２４、、 ７（２．２４）式中：ｙ（＾）为系统输出量的第ｋ次观测值，ｙ（ｔ―１）为系统输出量的第ｋ―１次观测值， 依次类推；Ｊ（ｔ）为系统的第ｋ次输入值，Ｊ（｜ｊ｝一１）为系统的第（ｋ－１）次输入值；Ｐ（ｔ）是均值为１４第二章中储式制粉系统数学模型的分析与建立零的随机噪声。 系统输入输出的最小二乘格式为：＿ｙ（七）＝＾７（七）目＋Ｐ（七）式中：＾为样本集合，口为被辨识的参数集合。（２―２５）ｆ＾（女）＝卜ｙ（女一１），…一ｙ（ｔ一，乙），ｘ（☆一１），?－．，ｘ（Ｉ一，％）】１【占－【ｑ，口ｚ，…，％，６ｌ，６：，…％】１取准则函数∞ ２ ∞ ２，（ｐ）＝∑【Ｐ（☆）】＝∑【ｙ（女）一＾７（ｔ）卅使Ｊ（ｐ）＝ｍｉｎ的目估计值记作占Ⅱ，称作参数口的最小二乘估计值。（２．２６）上述基本概念表明，未知模型参数口最可能的值是在实际观测值与计算值之间累次误差的平 方和达到最小值处，所得到的这种模型输出能最好地接近实际系统的输出。 ２．４．２．２对象传递函数模型‘７?８，ｇＪｏＪ在实际工业过程中，要想相当准确地获得这些Ｎ阶惯性环节的参数是一件非常困难的事情， 准确确定模型的阶数也不容易。典型的工业过程的传递函数可以取为各种形式，其中较为常用的 有：Ｆ一阶惯性环节：Ｇ＝ｉ：＊ 』Ｊ十ｌ式中：Ｋ是静态比例系数，Ｔ是时间常数。（２－２７）具有延时的一阶惯性环节：Ｇ＝篙式中：ｆ是纯时延（纯滞后），其他符号意义同前。（２．２８）二阶环节：Ｇ＝：－■丢；；―■ｉ伍ｓ＋１）（ｔｊ＋Ｉ）式中的符号意义同前。（２－２９） ”’具有纯延时的二阶环节：Ｇ＝石ｉｉ箸；；三ｉ可式中的符号意义同前。 学模型具有一阶惯性环节或二阶惯性环节加滞后的函数形式。 ２．４．２３由阶跃响应曲线确定一阶惯性环节的参数ｃｚ－，。，根据前面分析的阶跃响应曲线可以看出，球磨机出口温度、入口负压和球磨机负荷的动态数由阶跃响应曲线的形状进行分析决定采用（２－２７）式，那么需要确定式中的未知参数Ｋ和Ｔ。Ｋ是静态比例系数，可以直接由稳态输出值），（∞）与阶跃输入幅值ｕｏ之比求得：Ｋ＝２竺生，将（２．２７）式又可写Ｇ＝旦，ｒ＝三ｊ＋埘 口（２―３１）东南大学硕士学位论文当输入单位阶跃函数时，对Ｇ：―竺一进行ＬａｐＩａｃｅ逆变换，该环节的阶跃响应曲线为：ｊ十∞ｙ’０）＝ｌ―Ｐ。耐或ｌ―ｙ‘（，）＝Ｆ一耐上式两边取以ｌＯ为底的对数，得（２－３２）ｌｏｇ（１一ｙ‘（ｆ））＝ＩｏｇＰ一“＝一６谢ＩｏｇＰ＝＿０．４３４３研将上式一般直线方程形式：ｙ＝口，（２．３３）（２―３４）热｛ｙ：嚣竺篇为了消除数据误差的干扰，需要利用最小二乘法原理来确定参数ａ。 设任～组观测数据为：（ｆ，，ｙｊ（ｆ）），ｆ＝１，２，３…．，胛则每一个拟合曲线点与观测数据点的偏差为：ｙ’（，）一，Ｏ）＝讲，一ｙ？（ｆ），ｆ＝ｌ，２，３，…玎而偏差的平方和为：ｗ（２－３５）２，（ａ）＝∑（口‘一ｙ撕）），＃ｌ（２―３６）根据最小二乘原理，应取ａ使，（力有极小值，即ａ应满足如下条件：竺盟：ｏ抛（２－３７）即２∑（口，，一），？（ｆ））ｆ，＝ｏ月（２－３８）∑ｆ，ｙ沁） 求出ａ的值：ｄ＝三匕―一 ∑乎ｌ＝ｌ（２－３９）２．４．２．４二阶加滞后连续模型的直接辨识 对工业过程回路进行模型分析时，一阶加滞后模型是最常用的形式，对于近似符合一阶模型 特点的过程，即阶跃响应曲线呈现单调凸变化的过程，这是一种很有效的方法。然而，也有许多 过程的特性与一阶加滞后模型的特性相差甚远，比如阶跃响应曲线呈ｓ形的过程或有振荡的过程， 这些过程具有典型的二阶或高阶特性．一阶加滞后模型难以描述其高频衰减状况，此时使用二阶 加滞后模型会明显提高的精度。从工业实验中可以观察到，的确有一部分温度回路的阶跃响应曲 线动态部分呈现ｓ形。此时，应当采用二阶模型来描述其过程动态特性。 阶跃输入幅度为口时，阶跃响应为：丝三童！堡茎型塑墨竺墼兰堡里竺坌堑兰蕉皇“ｆ）磁［１一鑫一＋耘一】 ｙ∽＝麟卜辜≥ｅ等＋｝专ｅ等，令‘＝Ｊ吼，加入白噪声∞（ｆ），则Ｉ―ｆ垃７ ，≥ｒ（２－４０）ｆ―ｆｙ（，）硼－一南ｅ既＋南以】，ｆｈ由于０ｓｆ≤ｆ时。ｙ（，）＝口（，），从而口 Ｏ ｐｆ（２．４１）』＿，，（，）出＝』ｙ（ｆ）曲＋』ｎ，（ｒ）出＝瑾Ｋ（ｐ―ｆ）ｆＯ 口一ｆ 目一ｆ 目≥ｆ（２－４２）＋等∥瓦ｅ－一∥州＋触ｙ（ｆ）ｆ础＝』ｙ（ｆ）ｆ西＋』ｆ国（ｆ）击＝÷口Ｋ（占－一ｆ?）＋ ｉｙ（ｒ），础：ｊｙ（，）ｒ西＋ｉ，国（，）击＝寻口Ｋ（占２一ｒＪＯｆ２）＋Ｏ－瑾ＫＬ目∥一ｌ一生！一生！口２。如一。砭＋等［∥３ｅ一薏一ｅ一等］占一位Ｋ【（∥＋１）瓦ｆ＋（卢２＋ｐ＋１）巧】＋Ｊ，∞（ｆ）出０口≥ｆ（２－４３）利用（２－４２），（２－４３）式可得！ｙｃ，，“打＝三瑾Ｋｃ口２一ｒ２，＋口［ｉ），。，衍一删ｒｃ口一ｒ，＋瑾Ｋ您ｃ∥＋，，一ｉ珊。，西］＋疋ｃ∥＋Ｄ陟∽击一硝ｃ口一ｒ，＋祓疋ｃ卢删一ｊ加，出］＋曙历ｙｃ印一以一∞ｃ别一一ｃ【Ｋ【（卢＋１）疋ｆ＋（∥２＋∥＋１）碍】＋ｐ∞（ｆ）出，０ｐ≥ｆ（２．４４’占 ０口 ０令彳（口）＝』ｙ（ｆ）西，占（目）＝』ｙ（ｆ，讲１７东南大学硕士学位论文Ｑ（口）＝ｆｆ出（ｆ）西一ｐ』ｍ（，）西一砭（∥＋１）ｆ珊（ｆ）出《肛ｕ（口），则由（２－４４）式可得０ Ｏ Ｏｐ口口．ｌ 李即…№∽＝ｐ删，牟一刊您≯ｌｘｆ２ｐ≥ｆ（２－４５）将（２．３０）式的过阻尼二阶对象换成更一般形式Ｇ（Ｊ）＝１彳尘一Ｐ一，》１丁二占二＋２壬７≥＋ｌ（２－４６）Ｉ呼即…胭∽＝卜卵，萼一詈摆埘西≥占，（２－４７）式构成线性方程组ｌ壬，ｏ＝ｒ＋△，目≥ｆ。（２－４７）Ｉ Ｋｆ２容易证明，（２－４７）式对欠阻尼（善＜１）和临界阻尼（善＝１）的二阶加滞后对象也成立。据（２＿４７）式可对模型参数进行最小二乘运算。对采样点口＝ｍｔ，（ｍ＋１）ｌ…，（所＋疗）Ｃ，ｔ为采样间隔，（２＿４８）其中。：ｐ２２ＦＫＫｆＫｆ２】７，口 ２ 口 ２ 口ｌ王，＝一吉口∽％）２彻ｔ珞 ｙ（ｏ玎＋１）巧）爿（∽＋１）Ｂ）一圭口（∽＋１）巧）２口沏＋１）％ｙ∽乃） 一∽毛）ｙ（沏＋ｎ）Ｂ）一（沏＋押）毛）一｛口（（ｍ＋栉）Ｂ）２口沏＋，，）Ｂ丑（所ｔ）一所‘彳（ｍｔ）ｒ＝２］７『一Ｑ（ⅢＢ）Ｌ一‘２（（册＋珂）？ｊ二戮≥竺二褂衅罡篓占（（坍＋仃）１）一（册＋月）ｔ爿（（肌＋疗）Ｃ）Ｊ１８由（２．４８）式可得参数０的最小二乘估计为第二章中储式制粉系统数学模型的分析与建立ｏ＝（甲７甲）－１甲７ｒ。（２．４９）根据上式（２－４９），可求得ｒ，２Ｆ，Ｋ，ｆ。ｆ由下面的方程求解；ｆ＝去（０４／０３＋（＠５／０３）”２）二（２－５０）在对象近似建模的过程中，ｍｔ，（Ⅲ＋疗）ｔ按下面条件选取：Ｉｙ（册ｔ）≥ｏ．２ｙ（∞）【纠（聊＋＂）ｔ】≥ｏ．９ｙ（∞）２．４．３工程实例分析取无锡黄巷热电厂８０％负荷下，再循环风门开度由５３％阶跃到５１％，热风门开度由６５％阶跃 到７０％扰动下的球磨机的入口负压和出口温度的数值样本点来进行模型参数的辨识。用ＭＡｌｌ．ＡＢ软件实现参数的辨识㈣。再循环风门扰动时球磨机入口负压的值如图２．７。图２．７再循环风门扰动时球磨机入口负压的值 由系统稳态值得到ＫＺＰ＝６５ｔ根据式（２－３９）求解出口＝ｏ．０４２２，继而得到乙＝１０．３?（２－５１）所以得到对象模型Ｇ，＝而主三了对象模型单位阶跃减小响应曲线如图２―８１９东南大学硕士学位论文鼬ｐ融ｓＰＯｍｅ舞霍 琶 蜃。时间№（ｓ∞）图２－８（乞阶跃响应曲线热风门扰动时球磨机入口负压的值如图２－９图２－９热风门扰动时球磨机入口负压的值由系统稳态值得到Ｋ，＝２７，根据式（２－３９）求解出口＝ｏ．０３３，继而得到乙＝１３－２?所以得到对象模型Ｇ，＝西：筹备对象模型单位阶跃响应曲线如图２一１０（２－５２）第二章中储式制粉系统数学模型的分析与建立ｓＩｅｐ融ｓＰＯｎｓｅ暑２『 霜 埕 罾ｅ ｏ图２－１０ Ｇ口阶跃响应曲线 热风门扰动时球磨机出口温度的值如图２－ｌｌ：趟ｊ越 赠口 ＿丑ｇ勘莆图２．１ｌ热风门扰动时球磨机出口温度的值 根据式（２＿４９）、（２―５０）求解出：Ｋ。＝ｏ．７３，巧＝１４９１４０，２只广５０６，ｆ＝１０８．３?所以得到对象模型Ｇ一＝函虿高高等而ｎ７知一Ｉ∞ｈ（２．５３）对象模型单位阶跃响应曲线如图２－１２２ｌ东南大学硕士学位论文ｓｔｅｐ Ｒｅ５ｐＯｎｓｅ鼎 垣 崔 香七 。图２一１２ Ｇ。阶跃响应曲线 再循环风门扰动时球磨机出口温度的值如图２－１３：倒≥创 赠Ⅱ习 暴 越 箭图２．１３再循环风门扰动时球磨机出口温度的值 根据式（２－４９），（２?５０）求解出：所以得到对象模型Ｇ。＝ｉ号羔Ｋ。＝一ｏ．２６，巧＝５２７７，２见，－５８．７，ｆ＝４５．８。（２?５４）对象模型单位阶跃减小响应曲线如图２?１４第二章中储式制粉系统数学模型的分析与建立ｓＩｅｐ陆５ｐｏｎｓｅ鼍『 ：鲁 翅 霉苗 ｏ时间恤（ｓ删图２一１４ Ｇ。阶跃响应曲线 经过图和图的对照比较．可以看出，利用最小二乘法对球磨机出口温度和入口负压系统的系 统模型进行辨识，可以得到近似的动态特性。这种方法的本质是采用了多点拟合的手段，克服了 传统切线法和两点法的不足，有效地提高了参数的辨识精度。２．４．４球磨机制粉系统对象特性小结球磨机制粉系统是一个典型的多输入多输出系统，它的输入量是热风量、再循环风量和给煤 量，输出变量是球磨机出口温度、入口负压和球磨机负荷。 球磨机料位有自稳区域和非自稳区域，本文考虑负荷控制是料位控制在优化区域时的自稳区 域，优化区域的判别不是本文的重点。 为了对球磨机制粉控制系统进行计算机仿真研究，有必要对对象特性进行近似的传递函数描 述。球磨机制粉系统对象特性可用如下传递函数矩阵表示：埘嚣㈣麓建纠 挑糕测剽开度、再循环风门开度及给煤量，单位为％。 术，是无需知道被控过程的精确数学模型的。亿５５） ㈣ｓ，式中：ｔ代表球磨机出口温度，ｐ球磨机入口负压，ｍ球磨机负荷，蚝，“２，蚝分别代表热风门由于制粉系统的特性具有时变性，所给出的传递函数是假定在某一工况点和某一时刻的特性， 并不能代表整个制粉系统在整个工况内和整个时间范围内的对象特性。我们建立模型的目的仅是 为了仿真试验，以便更好地掌握制粉系统的运行特征。而在实际应用时，我们采用的一些控制技２．５本章小结本章主要分析和研究了中储式制粉系统的数学模型。首先分析了中储式钢球磨煤机制粉系统 的运行机理，然后推导出了球磨机的机理数学模型，对球磨机制粉系统对象作了特性分析，并且 根据现场阶跃试验的数据分析，利用最小二乘的模型辨识方法，最后得到了球磨机在某一定负荷 下的动态数学模型。参考文献【ｌ】徐盛仪，付明地．球磨机制粉系统动态数学模型及其ＭＭｓ仿真【Ｊ】．重庆大学学报，１９９４，１７（５）：１１５―１１０【２】吕震中．制粉系统球磨机动态数学模型与方程、参数表【Ｇ］．内部资料，２００３ 【３】范从振．锅炉原理【Ｍ１．高等学校教材，１９８５．４８―５４ 【４】于国强．模糊控制及自适应内模控制在电厂中储式制粉系统控制中的应用研究【Ｄ】：【硕士学位论 文１东南大学动力工程系，２００３【５】王修中，岳红．二阶加滞后连续模型的直接辨识【Ｊ】启动化学报．２００ｌ，２７（５）：７２８～７３ｌ【６】樊厉，林红权．过程控制常用连续模型的直接辨识法及应用【Ｊ】控制工程．２００６，１３（４）：３ｌＯ～３１２【７】宋志安，王文馨．由阶跃响应曲线辨识传递函数的图解方法【Ｊ】山东科技大学学报（自然科学 版）．２００３，２２（１）：６１￣６３ 【８】赵文杰，刘吉臻．时滞工业对象的一种建模及控制方法【Ｊ】．华北电力大学学报．２００ｌ ２８（４），２９～３２ｔ【９］岳红，高东杰．两类实际化工对象的动态特性及其建模【Ｊ】．化工自动化及仪表．２０００，２７（２）：ｌｌ～１５ｆ１０】Ｌｊ帅ｇ．Ｌ２５４―２６１ｓｙｓｔｅｍ ｌｄｅＩｌｔｊｎｃａｔｉｏＩｌ：１１１ｅｏｒｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ＵｓｅＬ Ｐ佗ｎｔｉｃｅ Ｈ ａｌｌ’ＥｎｇＩｅｗｏｏｄ ｃＩＩ仃ｓ．１９８７【ｌｌ】薛定字．控制系统计算机辅助设计一ＭＡＴＬＡＢ语言及应用【Ｍ】一ｔ京，清华大学出版社，１９９６，第三章基于灰色预测一ＰＩＤ控制的球磨机负荷控制系统第三章基于灰色预测一ＰＩＤ控制的球磨机负荷控制系统３．１球磨机负荷控制要求与难点球磨机的负荷控制是一个相对独立的系统．一般采取调节给煤量来实现的，而给煤量的调节 主要是给煤机转速的调节。所以球磨机负荷控制的目的是：通过调节给煤机的转速来控制料位在 给定值附近。 当制粉系统通风能力足够时，给煤量对球磨机负荷的影响是一个多容惯性环节；但是由于系 统中通风量受到球磨机出口温度和入口负压的限制，当系统中通风能力不够时，磨筒内会产生堵 煤现象，此时的对象特性是无自平衡能力的。本系统设计的对象是基于通风能力足够的前提。 对于中储式钢球磨煤机制粉系统，在运行过程中，总希望球磨机处在最佳工况下工作。理论 和实践均已证明，当制粉系统的制粉出力接近最大，制粉的单位电耗较小。 要降低制粉电耗，必须要提高给煤机的转速，提高磨煤机内料位。但若料位太高，容易造成 磨煤机出口堵塞。所以，如何直接或间接测量球磨机内的料位是给煤机转速控制系统的关键。对 于料位的测量，通常采用的方法如：差压法、电流法、轴承振动法和音频法【Ｉ“。 振动信号的采集是通过安装在球磨机前后轴承上的加速度传感器获取的。从磨煤机的工作机 理可以看出，煤料的磨碎过程实际是钢球通过动量传递完成的能量再分配。随着筒内存煤量的增 加，煤对磨筒振动的阻尼逐渐增加，传递到轴承的能量越来越少。所以，磨煤机的轴振能量与磨 内存煤量应该存在着一定的对应关系。存煤量不同，振动幅度不同，通过振动频谱识别的与存煤 量相关的特征量也不同。对轴承振动信号进行适当的处理便可测量判断球磨机滚筒中的存煤量变 化情况。前、后轴承振动信号的引入反映了球磨机的分布参数特性。现场实践表明，采用振动信 号能够较好地反映出存煤量的变化，特别是在中低负荷时，灵敏度较高。但是，轴承振动能量和 存煤量呈非线性的关系，特别是球磨机运行在高负荷，贴近优化区时，振动信号随存煤量变化很 小，灵敏度大幅降低，甚至很难明显反映出存煤量的变化。这对需要优化运行的球磨机来说，如 果单纯使用振动信号来表征存煤量，很容易使球磨机进入故障区造成堵磨。 在传统的球磨机控制过程中，经常采用差压一个热工信号反映磨负荷的变化，而差压并不是 磨负荷的单值函数，它同时还容易受到再循环风和热风的影响。球磨机差压、入口负压和出口温 度这三个被控参数存在严重的耦台现象，因此球磨机控制回路往往设计成三输入三输出的控制系 统，增加了系统的复杂度和控制的困难度。采用多热工信号信息融合的方法实现料位的软测量， 使料位能够单值地表征磨负荷的变化，因此磨负荷控制系统就可以独立出来设计成单独的控制回 路。 因而，基于上面总结出的球磨机负荷控制的难点，我们必须采取先进的建模方法和智能化的 测控方法来解决问题。我们可以尝试通过软测量的新型测控方法来建立可测的变量（如差压信号、 电流信号，通风量等）与不可测变量（球磨机料位）之间的动态模型．从而解决料位难以精确测 量的难题．然后采用在传统的ＰｌＤ控制中加入灰色预测的控制方法。这样就有效解决了球磨机负 荷控制的难题。３．２灰色预测一ＰＩＤ控制灰色系统理论能较为真实地反映客观事物的本性，建立的灰色系统模型可描述控制对象的不 确定性和不完全性。灰色预测控制是将控制理论与灰色系统理论相结合的一种新型控制方法。灰东南大学硕士学位论文色预测控制通过系统行为数据序列的提取寻求系统发展规律，从而按规律预测系统未来的行为， 并根据系统未来的行为趋势确定相应的控制决策进行预测控制，这样可以做到防患于未然和及时 控制。灰色预测需要的原始数据少，计算简单，且不需要被控系统的精确模型，已在实践中得到 了广泛的应用。３．２．１灰色预测模型３．２．１．１灰色预测理论 部分信息已知、部分信息未知的系统称为灰色系统”’ｑ。灰色系统理论认为： １１任何随机过程都可看作是在一定时空区域变化的灰色过程，随机量可看作是灰参数； ２１无规则的离散时空序列是潜在的有规则序列的一种表现，因而通过生成变换可以将无规则 序列变成有规则序列。也就是说，灰色系统理论的建模实际上是对生成序列的建模，而一般建模 方法则采用原始序列直接建模。概括的说，灰色模型具有以下特点：①建模所需信息较少，通常 只要有４个以上数据即可建模：②不必知道原始数据分布的先验特征，对无规则或服从任何分布的 任意光滑离散的原始数据，通过有限次生成即可转化为有规则序列；⑨建模的精度较高，可保持 原系统的特征，较好反映系统的实际状况。 ３．２．１．２灰色预测ＧＭ（１，Ｉ）模型 在灰色系统理论中，灰色模型是由一组灰色微分方程组成的动态模型，记为ＧＭ（月，肿。其中： ＂为微分方程的阶数，＾为变量个数。灰色模型中应用最广泛的是ＧＭ（１，１）模型，该模型由一个单 变量一阶微分方程构成。本文采用的是新陈代谢模型一新数据补充、老数据去掉的序列，下面用 ＧＭ（１，１）来描述灰色系统建模过程。 ｘ”’为原始序列：ｘｔ”：ｈ一（１），Ｊ一（２）。…ｘ¨，（押），，对ｘ”’进行一次累加生成操作（ＡＧｏ），得到ｘ‘ｏ’的一次累加１．ＡＧ０序列．Ⅳ‘１’＝｛ｘ”’（１），ｘ“’（２），…ｘ“’（聍）＞其中：一（七）＝∑工‘∞（耽Ｊ；｝＝１，２，…，疗其相应的白化微分方程即ＧＭ（１，１）模型为：（３一１）生里＋甜ｆＪ）：％ｄ｜其中：。称为发展系数，。为灰色作用量。（３．２）方程胁一）（ｆ）＝（∥）（ｆ）－护讲＋三对于等间隔取样的离散值为（３．３）：。’ｃｔ＋?，＝（ｘｃ。，ｃ?，一匀ｅ一础＋詈灰微分方程为（３－４）口‘１’＠‘１’（七十１））＝一口ｚ‘１’（后＋１）＋“，ｚ‘。’Ｏ＋１）为七＋ｌ时刻工‘１’的背景值。（３．５）第三章基于灰色预铡一ＰＩＤ控制的球磨机负荷控制系统基本关系式：口‘１’（ｘ‘‘’（七十１））＝ｚ‘∞（七＋１），（３．６） （３．７）ｚ（１’（七＋１）＝÷（√。’（七）＋≯１’（七＋１）），参数序列６为：ａ＝【ａ，“】７，根据最小二乘法估计常数ｑ和钙得参数算式（３．８）６＝（矿口）～曰７蜘（３．９）Ｂ＝一妒’（－）＋川：））ｔ 一妒’（ｚ）＋１１）（３）），一圭（ｘ（１’（盯一－）＋ｚ（１’（”））?工‘。’（２） √。’（３）ｙｖ＝工‘。’（一）得到的爿１’（ｔ＋１）即下一时刻的预测值．把预测值与系统给定值进行对比确定偏差量，作为控制器的输入，实施对系统的控制【９’““１．把采样获得的系统ｋ＋ｌ时刻的实际值加入数据序列Ｘ‘ｏ’＝｛一ｏ’（１），ｘ‘ｏ’（２）…．，ｚ‘ｏ’（ｎ）｝中，去掉一ｏ’（１），形成新的序列Ｘ‘ｏ’＝｛ｘ‘ｏ’（２），一ｏ’（３），…，ｘ‘ｏ’（ｎ＋１）），建立新的 ＧＭ（１，１）模型进行下一轮预测和控制。 ３．２．１３灰色预测控制器考虑图３一Ｊ预测控制器控制系统，＾时刻系统行为的采样值为，ｏ’（＾），并与此前的Ｍ１个采样数据形成序列： ｌ，‘ｏ’＝（ｙ‘ｏ’（＾一所＋１），ｙ‘ｏ’（＾一埘＋２），…，ｙ‘ｏ’（＾））ｍ个采样数据经由ＧＭ（１，１），得到毛步超前预测值多‘ｏ’（＾＋南），并反馈参与控制。夕‘ｏ’Ｑ＋毛）的实时滚动预测算法为㈣： 夕‘。’（矗＋皇）＝多‘。’（＾＋皇）一岁‘。’（矗＋皇一】）＝眵‘。’（由一月，＋１）一兰ＸＰ叫（＿＋‘ＨＪ―Ｐ’。佃＋‘１―２’）（３．】ｏ）口式中，＾为采样时刻（每采样一次，＾递增１），ｍ为建模维数，口、Ⅳ为＾时刻辨识所得参数， 预测步数。＾．为东南大学硕士学位论文ｒ图３一ｌ灰色预测控制器控制系统３．２．２球磨机负荷控制系统的控制器的设计球磨机负荷控制系统如图３－２。在球磨机负荷控制系统中，给煤量是调节量，料位是被调量。图３＿２控制系统图 球磨机料位是一个受诸多因素影响的呈现复杂关系的变量。只有通过多传感器数据融合的方 法建立软测量模型才能实现准确可靠的测量。而料位软测量模型辅助变量的选择，则要以球磨机 工作机理为依据，选择那些可以表征料位变化的参数。综合第二章中球磨机的工作机理，可以总 结出，在煤质、钢球装载量、煤粉细度等因素不变的情况下，料位主要和入口风温、出口温度、 差压和通风量等因素有关，而通风量的大小可以表现在入口负压和差压等因素上。另外，磨电流、 轴承振动能量和料位也有一定的关系。 经无锡某电厂的负荷试验，确定了甲磨最佳钢球装载量为３４，５ｔ。在此钢球装载量下，对甲磨 进行全负荷试验，以便获取建立料位软测量模型所需的初始样本。试验从空磨开始依次遍历了低 负荷、中负荷、高负荷等工况，分别采集了甲不同工况下的入口风温、出口温度、入口负压、差 压、磨电流、前后轴承振动能量和出力值。为了确保球磨机处于稳态工况，即给煤等于制粉出力， 每次增加给煤机转速后都稳定了一小时左右。 根据式（２－２３）可计算稳态时的料位值。灰色预测控制器中，前ｍ．１个采样数据形成的序列】，‘ｏ’ 取球磨机料位的稳态点。３．２．３灰色预测ＰＩＤ控制与ＰＩＤ控制的仿真比较试验中采用某电厂球磨机料位的近似线性模型：删２而备Ｐ“ＰＩＤ控制器的参数按照ｚｉｅｇＩｅｒ－Ｎｉｃｈｏｌｓ经验公式进行整定，可以得到：吒＝１．１２４３，王＝１７３．１８０ｌ，乃＝４１．５６３２?２８㈣第三章基于灰色预测一ＰＩＤ控制的球磨机负荷控制系统３．２．３．１灰色预测一ＰＩＤ控制效果与ＰＩＤ控制效果比较在灰色预测控制器中，采样时刻＾＝６０，预测的步长ｔ＝１６，采样时间Ｚ＝ｌｓ，建模维数ｍ＝５。１）设定值为ｌ时灰色预测一ＰＩＤ控制与ＰＩＤ控制的比较如图３―３。１，５ １ ４－一哥≯每面…一卜……卜……一…热ｔ……ｒ…卜… 吾ｏ．８ ．一乒＿＿＼罩…０…｛…… ｆ１―２ １ ≈ ‘０６灰色预测一Ｐ Ｊｃｆｆｆ０?４ ０２．一￡一一一一一一：一一一一一一一一：一一一一．一一一；一一一一一一一．．ｆ０ ０７５００１０００ １５００ｔｌｍｅ（ｓ）图３．３设定值不变的控制效果比较 ２）设定值从ｌ阶跃变化到２时灰色预测一ＰＩＤ控制与ＰＩＤ控制的比较如图３＿４。；ｉ２１敷ｉＰＪＤ：６１ ２ ５０＾．ｃ ０ ８ ０４≠：每：：：纛Ｅ：二 ’一多弋忑一？………￡≥二：：１）仿真时选取预测的步长七Ｉ＝１５，采样时间Ｉ＝１ｓ，控制效果如图３―５。东南大学硕士学位论文１ ５ １４１ ２ １…搿而…＿ …扩醚一ｒ……ｆ髓；…菪ｏ ８≈｛０ ６０４ Ｏ ２ ００拳三５∞１０００１５００２０００ｔｉｍｅ（ｓ）图３．５预测步长为１５的灰色预测一ＰＩＤ控制结果２）仿真时选取预测的步长ｔ＝１７，采样时间Ｃ＝１ｊ，控制效果如图３．６。１ ５ １?４ １?２ １－一一？。：：；车ｉｉ一一一一一｛一一一一一一一一｝一一－一一一一一 …篡玎一：：■ｒ…一『¨…一芎ｏ ８字℃０６ ０４．．乒一洋…０…ｏ… ．一ｉ…墨重孕舅二１９……一ｉ……一；ｊ０２ Ｏ．ｊ一一一一一一一一．．一一一一一；一一一一一一一，；一一一一一一一．７０ １０００１５∞ｔｉｍｅ（ｓ）图３．６预测步长为１７的灰色预测一ＰＩＤ控制结果２）仿真时选取预测的步长＾．＝１８，采样时间‘＝ｌＪ，控制效果如图３－７?＂¨ 他，≠‘ｔｉ卜‘叶ＰＤ…氛■……～ｒ……ｒ…… ｝八、ｊ～¨与ｏ＾．ｃｃ仰¨一手遥磊｝…卜…Ｏ １０００．．ｆ一一一一一ｊ一一一一一一一一ｌ一一一．一一一一｝一一一一一一一一 啦 。７一一一一一一ｊ一一一一一一一一｛一一一－一一一一｝一一一一一一一一。１５∞ｔｉｍｅ（ｓ）图３．７预测步长为１８的灰色预测一ＰＩＤ控制结果第三章基于灰色预测一ＰＩＤ控制的球磨机负荷控制系统比较图３．３．图３―５，图３．６，图３．７，很明显地可以看出：图３―３（即灰色预测一ＰＩＤ控制的预测 步数为１６）的控制效果最好。图３．５（即灰色预测一ＰＩＤ控制的预测步数为１５）的灰色预测一ＰＩＤ 控制的超调量变大了，但是它的调节过渡过程时间变短。图３．６（即灰色预测一ＰＩＤ控制的预测步 数为１７）、图３．７（即灰色预测一ＰＩＤ控制的预测步数为１８）的灰色预测一ＰＩＤ控制的超调量变小了， 而它的调节过渡过程时间变长了，有了振荡的过程。综合考虑而言采取１６步的预测步数比１５步， １７步，１８步的都要好点。 与传统的反馈方法相比，灰色预测一ＰＩＤ控制器可得到更为优良的动态性能，它的鲁棒性好ｒ 跟踪快速。由预测步数改变的仿真可得出一个结论，灰色预测一ＰＩＤ控制随着预测步数的增加，超 调量变小，而调节过渡过程时间变长。３．３球磨机负荷控制系统的智能化实现中储式球磨机制粉系统的运行是个极其复杂多变的过程。上面研究的基于灰色预测一ＰＩＤ控 制的球磨机负荷控制方法只有在球磨机正常工作工况下才能采用。除了球磨机正常工况外，还要 考虑到球磨机断煤和堵煤情况下的自动控制问题。这就需要设计球磨机负荷的智能控制方案：当 球磨机中存煤过多将会引起磨出口堵煤时，将采用堵煤控制策略；当球磨机断煤时，将采用断煤 控制策略；当球磨机工作正常时，则采用正常的控制策略。这样，控制系统可以做到时刻调整， 当系统投入运行后，就可以有效地提高球磨机的负荷，从而降低系统的制粉单耗“”。 而对于球磨机堵磨、缺煤等非正常工况必须要先依据一些先决条件，判断出具体工况，然后 采用相应的给煤机转速调整准则。一般来说，我们用来判断球磨机工作运行工况的先决条件主要 有：球磨机的进出口差压、磨入口负压、磨进出口温度、磨前轴承振动能量等。而具体的条件和 依据要结合现场的运行环境和运行人员的经验来判断，这样设计出来的球磨机负荷控制系统与运 行人员的操作习惯一致，因而能比较容易将球磨机负荷控制系统投入自动。 本文将以无锡某热电厂硝机组球磨机为研究对象，根据它的具体情况，设计了球磨机负荷的 智能控制策略。 所研究的是配带热风送粉的中间储仓式制粉系统。目前７＃燃煤锅炉的甲、乙球磨机系统主要 以人工手动调节方式给煤，无法使系统在最佳点稳定运行，系统能耗居高不下。 球磨机负荷系统的改造目标就是：能够设计出智能化控制方案，实现球磨机的料位能投入自 动控制方式，在保证制粉系统的安全性的基础上降低制粉单耗从而提高制粉系统的经济性。 经过现场的试验以及运行记录分析，可以看出，当球磨机和给煤机正常启动并带上一定负荷 后，可投入料位自动控制。 对无锡某热电厂甲磨投入手动／自动切换条件： 关于甲磨自动投入条件，原则上要求如下： （１）磨煤机启动。 （２）给煤机启动。 （３）磨煤机入口负压在＜一１５０Ｐａ之间。 （４）磨煤机出口温度大于７０℃且小于８０℃。 （５）热风门开度：４５％．５０％之间，再循环风门开度：４０％ｑ９％之问 （６）磨煤机进出口差压处于２６００～３１００Ｐａ之间。 （７）磨煤机各调节风门档板可正常操作。 （８）给煤机的给煤量和转速、磨煤机的风量、入口负压、进出口差压、磨煤机的电流和排粉 机的电流均要求计量正确。 在下列情况下，必须手操退出自动：查壹查兰堡主兰堡丝塞准各停止甲磨煤机和甲给煤机之前，应切除甲磨自动。 在下列情况下，系统强制退出自动： （１）给煤机跳闸。 （２）磨煤机跳闸。 （３）磨出口温度＞８０℃或系统断煤。一当运行人员检查以上八项条件均满足时，可投入自动。在ＣＲＴ的给煤机控制操作面板上点击 “自动，，即可投入自动。当自动投入成功时，自动指示灯变红。投自控运行操作流程如图３―８：图３．８自控运行操作流程 根据现场运行人员积累的关于此机组球磨机长期以来运行的经验以及系统投自动的要求和目 标，我们设计的球磨机负荷系统的智能控制方案如图３．９所示：图３－９球磨机负荷控制系统的智能控制策略 在上面的控制方案中．控制系统首先根据制粉系统的相关参数，如：磨进出口差压、磨入口第三章基于灰色预测一ＰＩＤ控制的球磨机负荷控制系统负压、磨进出口温度等参数，判别制粉系统的运行工况。若判断出系统运行工况正常，则采用灰 色预测－ＰＩＤ控制策略；若判断出即将堵磨，则切换至相应的堵磨控制策略；若判断出球磨机断煤， 则控制系统切换到预先确定的断煤控制策略。 要指出的是：在加减给煤机转速时，加或减一定转速后要停一小段时间再继续加减，这样能 慢慢调到比较满意的状态而不至于由于球磨机制粉系统的滞后而调过头致使系统不能长期稳定的 运行。 １．正常控制策略 当磨进出口差压在２６００Ｐａ～３】００Ｐａ之间且磨出口温度在定值附近时（７０～８０℃），利用３．２节中 介绍的基于灰色预测一ＰｌＤ控制策略来对球磨机的料位进行控制；若磨出口温度高于８０℃或低于 ７０℃时。则先通过热风门调整好磨出口风温，磨出口温度定值由运行人员在操作界面上设定。在 上一节中的仿真结果也表明，采用此方法对球磨机进出口差压进行控制，取得了比较好的控制效果。２．堵煤控制策略 当球磨机进出口差压持续大于３４００Ｐａ，若出口温度下降，前轴承能量降低．球磨机入口负压 变正，此时球磨机处于严重堵磨状态，必须把给煤机转速强制调回零。若差压有所回降．当差压 在３ｌｏｏ Ｐａ～３４００ Ｐａ之间时，这是一般堵磨状态，将给煤机转速调到指定转速。这样，差压会继续 回降。最后使得系统回到正常运行工况，就可以采取正常控制策略进行控制。 ３．断煤（空磨）控制策略 若球磨机的进出口差压小于２６００Ｐａ时，出口温度飞升，前轴承振动能量升高，球磨机入口负 压负向增大，可判断出给煤机断煤．则控制系统切换到预先确定的断煤控制策略。当球磨机进出 口差压持续小于２４００Ｐａ，则要将给煤机转速直接提高。若差压继续减小，则可以判断，由于煤潮 湿等原因，导致给煤机无法下煤，要运行人员至给煤机设各处进行手工处理；若球磨机差压开始 回升直至到２３００Ｐａ～２６５０Ｐａ之间，就可以根据正常的控制策略进