磨煤機控制系統(tǒng)方案

1、磨煤機控制系統(tǒng)方案1. 磨煤機簡介1.1概述磨煤機是將煤塊破碎并磨成煤粉的機械，它是煤粉爐的重要輔助設(shè)備。磨煤過程是煤被破碎及其表面積不斷增加的過程。要增加新的表面積，必須克服固體分子間的結(jié)合力，因而需消耗能量。煤在磨煤機中被磨制成煤粉，主要是通過壓碎、擊碎和研碎三種方式進行。其中壓碎過程消耗的能量最省。研碎過程最費能量。各種磨煤機在制粉過程中都兼有上述的兩種或三種方式，但以何種為主則視磨煤機的類型而定。1.2擺動式球磨機模糊控制背景分析磨煤機是制粉系統(tǒng)中的大型重要設(shè)備，其安全可靠地運行與最佳工作狀況是設(shè)計單位所追求。但使用中還存在著一些急待解決的問題，最突出的是難以實現(xiàn)自動控制，運動軌跡過于

2、單一不能有效的粉碎物料。不能運行在最佳經(jīng)濟出力。多變量禍合、多變量時滯和模型時變特性是磨煤機控制的主要困難。由于磨煤機運行具有純滯后、大慣性和非線性的顯著特點，事態(tài)特性復雜，數(shù)學模型難以建立，采用常規(guī)PID調(diào)節(jié)難以奏效，所以，傳統(tǒng)的控制方案大多都是建立在精確測量磨煤機存物料為已知量的基礎(chǔ)上，并且是人工手動操作，其經(jīng)濟性完全取決于人員的操作水平、調(diào)整能力和工作責任心。這類方法投資大，改裝工作量也客觀，各制粉系統(tǒng)水平參差不齊，控制效果并不十分明顯，不適合我國采用。模糊控制是本世紀70年代才發(fā)展起來的一種新型控制算法，其本質(zhì)是一種非線性控制。它不需要知道被控對象的數(shù)學模型，并具有比常規(guī)控制系統(tǒng)更好的

3、穩(wěn)定性和更強的魯棒性。模糊控制是建立在人工經(jīng)驗基礎(chǔ)之上的。對于一個熟練的操作人員，他往往憑借豐富的實踐試驗，采取適當?shù)膶Σ邅砬擅畹目刂埔粋€復雜過程。若能將這些熟練操作員的實踐試驗加以總結(jié)和描述，并用語言表達出來，就會得到一種定性的、不精確的控制規(guī)則。如果用模糊數(shù)學將其定量化，就轉(zhuǎn)化為模糊控制算法，從而形成模糊控制理論。1.3模糊控制理論的特點：（1）模糊控制不需要被控對象的數(shù)學模型。模糊控制是以人對被控對象的控制經(jīng)驗為依據(jù)而設(shè)計的控制器，故無須知道被控對象的數(shù)學模型。（2）模糊控制是一種反映人類智慧的智能控制方法。模糊控制采用人類思維中的模糊量，如“高”、“中”、“低”、“大”、“小”等，控制

4、量由模糊推理導出。這些模糊量和模糊推理是人類智能活動的體現(xiàn)。（3）模糊控制易于被人接受。模糊控制的核心是控制規(guī)則，模糊規(guī)則是用語言來表示的，如“今天氣溫高，則今天天氣暖和”等，易于被一般人所接受。（4）構(gòu)造容易。模糊控制規(guī)則易于軟件實現(xiàn)。（5）魯棒性和適應(yīng)性好。通過專家經(jīng)驗設(shè)計的模糊規(guī)則可以對復雜的對象進行有效的控制。2 模糊控制算法的設(shè)計2.1 球磨過程的數(shù)學模型解析球磨過程解析模型最初是由愛潑斯汀(Epstein在1948年提出的。他從統(tǒng)計觀點確定了分別描述顆粒破碎概率的選擇函數(shù)和破碎產(chǎn)物粒度分布的破裂分布函數(shù)，并建立如下微分一積分方程 其中，PP(x是第P次粉碎破碎產(chǎn)物粒徑小于x的質(zhì)量比

5、，B(x，Y表示粒徑為Y的顆粒被粉碎后成粒徑為x的顆粒質(zhì)量比。1962年古丁與麥勞意等人利用貝斯建立的微分方程，將選擇函數(shù)和分布函數(shù)以連續(xù)函數(shù)形式來表示，建立了偏微分一積分方程。同年，戈得若和奧斯汀對連續(xù)粉碎過程建立了如下微分一積分方程 菲利浦從純數(shù)學角度對粉碎過程的研究，也得到了同上式相同的模型。以上各種解析模型的建模思想都是基于粉碎選擇函數(shù)和破裂分布函數(shù)，其相互之間也存在著可以用數(shù)學演算進行相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律。迄今，在歐美一些國家中對粉碎過程的研究基本上沒有脫離BS模型框架。模型為了解析粉碎過程，引入了大量難以準確測定的選擇函數(shù)和破裂分布函數(shù)，在數(shù)學上達到了很完善的程度，但由于缺少磨機操作工藝

6、參數(shù)，使模型應(yīng)用受到了限制。因此，近年來對置身模型進行了改造:以輸入能量代替時間參數(shù)，將選擇函數(shù)表示為能量輸入與物料滯留量的函數(shù)等。基于模糊控制技術(shù)的多維擺動式磨煤機控制的控制對象是交流異步電機，這一被控對象具有強非線性、多變量耦合、不確定性和大滯后的特點而且調(diào)速系統(tǒng)是一類不確定的復雜系統(tǒng)，其難以獲得精確的數(shù)學模型，這些問題增加了控制難度，用普通的傳統(tǒng)控制算法已不能滿足生產(chǎn)工藝的要求15。而模糊控制理論為解決這一難題提供了一種新途徑。2.2 模糊算法模糊控制核心部分為模糊控制器。模糊控制器的控制規(guī)律由計算機的程序?qū)崿F(xiàn)，實現(xiàn)模糊控制算法的過程是這樣的：微機采樣獲取被控制量的精確值，然后將此量和給

7、定值比較得到誤差信號E和誤差變化率EC。選取誤差信號E和誤差變化率EC作為模糊控制器的輸入量，把輸入量的精確量進行模糊化變成模糊量，模糊量可用相應(yīng)的模糊語言表示。至此，得到了模糊語言集合的子集。再由模糊子集和控制規(guī)則（模糊關(guān)系）根據(jù)推理的合成規(guī)則進行模糊決策，得到模糊控制量。為了對被控對象施加精確的控制，還需要將模糊量轉(zhuǎn)換成精確量，這一步驟稱為非模糊化處理17。得到了精確的數(shù)字控制量后，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換變?yōu)榫_的模擬量送給執(zhí)行機構(gòu)，對被控對象進行控制。綜上所述，模糊控制算法可概括為下述四個步驟：（1）根據(jù)本次采樣得到的系統(tǒng)輸出值，計算所選擇的系統(tǒng)的輸入變量；（2）將輸入變量的精確值變?yōu)槟：?；?）

8、根據(jù)輸入變量（模糊量）及模糊控制規(guī)則，按模糊推理合成規(guī)則計算控制量（模糊量）；（4）由上述得到的控制量（模糊量）計算精確量。2.3 模糊控制器模糊控制器（Fuzzy Controller）在模糊自動控制系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用，它的硬件結(jié)構(gòu)由單片機最小系統(tǒng)組成，在軟件上采用模糊控制算法軟件，即使其采用模糊控制方式來實現(xiàn)控制。模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容包括以下幾項內(nèi)容：（1）確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量；（2）設(shè)計模糊控制器的控制規(guī)則；（3）確立模糊化和非模糊化的方法；（4）選擇模糊控制器的輸入變量及輸出變量的論域并確定模糊控制器的參數(shù)（如量化因子、比例因子）；（5）編制模糊控制算法的應(yīng)用程序；

9、（6）合理選擇模糊控制算法的采樣時間。本設(shè)計中采用基本的“查詢表”方式的模糊控制器，這種控制器將模糊控制規(guī)則最終轉(zhuǎn)化為一個查詢表又稱控制表，存儲在計算機中供在線控制時使用。這種形式的模糊控制器具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便的特點8。模糊控制器結(jié)構(gòu)的設(shè)計是指確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量。選擇轉(zhuǎn)速誤差E和誤差變化率EC為模糊控制器的輸入變量，選擇輸入變頻器的控制輸入量U為輸出變量。減小甚至消除交流電機輸出偏差是本設(shè)計的最終目的。仿照人控制這類問題的經(jīng)驗，根據(jù)“查詢表”方式模糊控制器的規(guī)律以及變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計情況，這種模糊控制器稱為二維模糊控制器，模糊控制器的維數(shù)越高，控制越精細。但是維數(shù)過高，模糊

10、控制規(guī)則變得過于復雜，控制算法得實現(xiàn)相當困難。二維模糊控制器是目前在模糊控制中應(yīng)用較廣泛的一種模糊控制器結(jié)構(gòu)，它在實際應(yīng)用中收到了很好的工程性能效果，也很適合本系統(tǒng)的實際要求。163 系統(tǒng)軟件設(shè)計3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計思路模糊控制在線部分的工作完全由軟件來實現(xiàn)。完成模糊查表算法，需計算轉(zhuǎn)速誤差和轉(zhuǎn)速誤差變化率，若計算轉(zhuǎn)速誤差和轉(zhuǎn)速誤差變化率就必須與轉(zhuǎn)速給定值進行比較計算，在本系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速給定值是由操作者從鍵盤輸入到微機控制系統(tǒng)中的，實現(xiàn)鍵盤輸入就需要有鍵盤輸入子程序，鍵盤輸入程序功能要有以下4個方面：1.判別鍵盤上有無鍵閉合，其方法為掃描P1.0P1.5輸出狀態(tài)，若P1.0P1.2為全“1”（鍵

11、盤上行線全高電平），則鍵盤上沒有閉合鍵，若其不全為“1”，則有鍵閉合。2.去除鍵的機械抖動，其方法為判別出鍵盤上有鍵閉合后，延遲一段時間再判別鍵盤的狀態(tài)，若仍有鍵閉合，則認為鍵盤上有一個鍵處于穩(wěn)定的閉合期，否則認為是鍵的抖動。3.判別閉合鍵的鍵號，方法為對鍵盤的列線進行掃描，從P1.3到P1.5依次輸出低電平，相應(yīng)的依次讀出P1口的狀態(tài)，若P1.3P1.5為全“1”，則列線為“0”的這一列上沒有鍵閉合，閉合鍵號等于為低電平的列號加上為低電平的行的首鍵號。4.使CPU對鍵的一次閉合僅做一次處理，采用的方法為等待閉合鍵釋放以后再處理。3.2 中斷保護程序系統(tǒng)在工作過程中如出現(xiàn)過壓、欠壓、IPM等故

12、障。是需要立即處理的。只要有故障發(fā)生，就會使SA8282內(nèi)部的故障保護動作，瞬時封鎖PWM脈沖輸出，同時向單片機發(fā)中斷。在中斷服務(wù)程序中，單片機除了要給SA8282發(fā)立即停止命令外，還要在顯示屏上顯示故障，以提示工作人員。只有在工作人員排除故障后脈沖封鎖才能由復位信號解除。3.3 軟件抗干擾技術(shù)球磨機控制系統(tǒng)的現(xiàn)場運行環(huán)境惡劣，干擾嚴重，對單片機運行的可靠性和安全性有很高的要求。除了在硬件電路上需要安排一些必要的抗干擾措施外，還需要軟件系統(tǒng)的密切配合9。當噪聲干擾竄入單片機內(nèi)部時，后果非常嚴重，可能使系統(tǒng)失控。4 仿真研究采用MATLAB軟件進行仿真，通過對響應(yīng)速度、過渡時間、超調(diào)量等性能的分

13、析，來判斷其控制品質(zhì)的優(yōu)劣5 系統(tǒng)測試分析作為制粉設(shè)備的鋼球磨煤機已廣泛應(yīng)用在國內(nèi)外電廠、大型供暖基地等廠礦中，但使用中還存在著一些亟待解決的問題，最突出的是無法實現(xiàn)自動控制，不能運行在最佳經(jīng)濟狀態(tài)，多變量耦合，多變量時滯和模型時變特性是球磨機控制的主要困難 以前的控制系統(tǒng)設(shè)計為三套常規(guī)PID定值控制系統(tǒng)，無法消除和克服回路間的相互干擾，而且出入口差壓不能真實地反映磨內(nèi)的存煤量，故調(diào)節(jié)頻繁，造成運行不穩(wěn)定，自動調(diào)節(jié)設(shè)備形同虛設(shè)?；谝?guī)則的模糊控制具有一定的智能性，是一種特殊的簡單的專家系統(tǒng)，本質(zhì)是屬于非線性控制，往往能在采用常規(guī)控制方法難以奏效的場合取得滿意的控制效果。模糊控制系統(tǒng)在磨煤機中的

14、應(yīng)用作為制粉設(shè)備的鋼球磨煤機已廣泛應(yīng)用在國內(nèi)外電廠、大型供暖基地等廠礦中，但使用中還存在著一些亟待解決的問題，最突出的是無法實現(xiàn)自動控制，不能運行在最佳經(jīng)濟狀態(tài)，多變量耦合，多變量時滯和模型時變特性是球磨機控制的主要困難 以前的控制系統(tǒng)設(shè)計為三套常規(guī)PID定值控制系統(tǒng)，無法消除和克服回路間的相互干擾，而且出入口差壓不能真實地反映磨內(nèi)的存煤量，故調(diào)節(jié)頻繁，造成運行不穩(wěn)定，自動調(diào)節(jié)設(shè)備形同虛設(shè)?；谝?guī)則的模糊控制具有一定的智能性，是一種特殊的簡單的專家系統(tǒng)，本質(zhì)是屬于非線性控制，往往能在采用常規(guī)控制方法難以奏效的場合取得滿意的控制效果。在中原油田基地電廠工程中，230MW 機組的配套設(shè)備鋼球磨煤機

15、，引進中能長城控制公司生產(chǎn)的CONTEC模糊控制系統(tǒng)，進行調(diào)節(jié)控制取得了良好的效果，下面作一簡單介紹1 磨煤機自動控制系統(tǒng)的基本原理球磨機運行調(diào)節(jié)的目的是在保證球磨機安全運行的情況下，使磨的效率達到最大，處于最佳經(jīng)濟運行工況，包括以下幾種調(diào)節(jié)。1磨再循環(huán)風調(diào)節(jié)。一般人口負壓由再循環(huán)風量調(diào)節(jié)，但再循環(huán)風量的變化直接影響鍋爐燃燒，故采用熱風量作為輔助調(diào)節(jié)。2磨出口溫度調(diào)節(jié)。出口溫度不但與乏氣量及其溫度有關(guān)，而且與磨內(nèi)存煤量多少有很大關(guān)系。3磨負荷調(diào)節(jié)。利用拾音式負荷變送器，采用磨前軸的振動能量信號和磨出人口差壓信號以及磨煤機電流信號相結(jié)合來判斷磨負荷的方法。在人口負壓和出口溫度都正常時，盡量加大給

16、煤量，尋找最佳經(jīng)濟工作點。4磨負壓調(diào)節(jié)。5異常調(diào)節(jié)。有時困設(shè)備故障或調(diào)整不當，使球磨機運行出現(xiàn)異常，如斷煤、滿煤等情況。利用模糊控制算法，可以對以上5種調(diào)節(jié)逐一實現(xiàn)。2 基本模糊控制系統(tǒng)所謂模糊控制，就是在控制方法上應(yīng)用模糊集理論、模糊語言變量及模糊邏輯推理的知識來模擬人的模糊邏輯思維方法，用計算機實現(xiàn)與操作者相同的控制 其中模糊控制系統(tǒng)框圖如圖1所示圖1 基本模糊控制系統(tǒng)框圖圖中： 系統(tǒng)設(shè)定值(精確量； 群 系統(tǒng)偏差和偏差變化(精確量J；E和 一反映系統(tǒng)偏差與偏差變化由語言變量的模糊集臺(模糊量； 模糊控制器輸出的控制作用(情確量；一系統(tǒng)轄出(精確量要設(shè)計一個模糊控制器以實現(xiàn)語言控制，必須經(jīng)

17、過以下3步：1精確量的模糊化，把語言變量的語言值化為某適當區(qū)域上的模糊子集。2模糊控制算法的設(shè)計，通過一組模糊條件語句構(gòu)成模糊控制規(guī)則，并計算模糊控制規(guī)則決定的模糊關(guān)系。3輸出信息的模糊判決，并完成由模糊量到精確量轉(zhuǎn)化。根據(jù)球磨機運行特征和要求，CONTEC模糊控制系統(tǒng)設(shè)計最基本的出發(fā)點，是確保磨人in負壓和磨出in溫度在正常范圍內(nèi)，使磨的效率達到最大。由于球磨機的多變量耦臺、多變量時滯和模型時變等特點，各個控制回路之間采用了多變量模糊解耦收稿13期：I99909-27作者簡介：崔建偉 男，1974年生。1997年畢業(yè)于華北電力大學動力工程系生產(chǎn)過程自動化專業(yè)。現(xiàn)在中原油田建筑集團公司電氣工程

18、處自動化工程隊從事自動化儀表安裝等工程技術(shù)工作。分級控制。這樣，多變量過程就可近似分解為獨立的單輸入、單輸出過程。當球磨機存煤量在正常范圍內(nèi)時，控制系統(tǒng)采用自組織分級模糊控制。由于磨人口負壓受下煤量和風量的影響波動較頻繁，因此應(yīng)首先控制負壓不能太大或太??；其次，再控制出口溫度在給定的范圍內(nèi)；最后，在負壓和溫度都正常的情況下，調(diào)節(jié)給煤量使磨內(nèi)存煤量最佳，從而達到效率最大。當球磨機運行有異常時，控制系統(tǒng)采用模糊預(yù)測，通過對載煤量、差壓和磨電流的綜合判斷，進行事故處理。在控制給煤量和熱風量的同時，還要對負壓進行控制。這樣，在系統(tǒng)稍有異常時，預(yù)測模糊控制能夠提前動作，從而提高r系統(tǒng)的抗干擾能力。3 系統(tǒng)構(gòu)成31 硬件組成球磨機模糊控制系統(tǒng)采用單臺工控機對一臺機組的所有球磨機同時進行實時控制。該系統(tǒng)硬件是以工業(yè)控制微機為核心的一套工控系統(tǒng)，如圖2所示。它具有結(jié)構(gòu)合理、性能可靠、速度高、抗干擾能力強等特點。lOI鍵盤鼠標模擬量輸入模板位反l打印機工業(yè)控制簧機模擬量輸模板l指l被控變量開關(guān)量啻和輸出模板模糊控制柜被控對象璋磨機樹粉系統(tǒng)圖2 球磨機模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3，2 軟件組成該系統(tǒng)的核心是一套完備的rCS(模糊控制系統(tǒng)軟件包，采用模塊式結(jié)構(gòu)，選用BORJANC一語言進行編程，該系統(tǒng)軟件的功能選擇采用