鋼球磨制粉系統(tǒng)建模與控制仿真研究

鋼球磨制粉系統(tǒng)建模與控制仿真研究

采用鋼圈磨煤機粉系統(tǒng)廣泛應用于我國大型發(fā)電處理廠中，也是工廠設(shè)備中的能耗大規(guī)模設(shè)備。球磨機制粉系統(tǒng)是一個典型的多變量非線性時變系統(tǒng),各控制量和被控量之間存在著相當嚴重的耦合,且具有大時滯及模型時變的特點。由于對象本身的復雜性,使得在目前國內(nèi)火電機組普遍采用的單回路PID控制系統(tǒng)中,許多系統(tǒng)無法投入運行,即使勉強投入,也難以取得令人滿意的控制效果,嚴重影響火電機組的運行經(jīng)濟性和安全性。因此,鍋爐制粉系統(tǒng)控制方法的研究及現(xiàn)有的磨煤機控制系統(tǒng)的改造,是熱工過程控制領(lǐng)域的熱點問題之一。模糊控制作為一種新型的控制方法,在一定程度上具有人的智能性。它無需知道被控對象的數(shù)學模型,具有比常規(guī)控制系統(tǒng)更好的穩(wěn)定性和更強的魯棒性,而且容易與工人操作經(jīng)驗相結(jié)合。文中針對目前國內(nèi)燃煤電站鋼球磨煤機制粉系統(tǒng)運行控制過程存在的主要問題,建立了鋼球磨制粉系統(tǒng)動態(tài)過程的數(shù)學模型,并分析了在各種輸入擾動情況下制粉系統(tǒng)輸出的動態(tài)響應和制粉系統(tǒng)動態(tài)過程的耦合特性。在此基礎(chǔ)上,提出了鋼球磨制粉系統(tǒng)的參數(shù)在線自校正模糊—PID控制。通過仿真實驗,將所提出的控制系統(tǒng)的控制效果與常規(guī)PID控制作比較,證明了所提出的控制方案的有效性。1糧食系統(tǒng)的動態(tài)特性1.1球磨機控制模型對于煤粉系統(tǒng),在建模中需要采用對磨煤機建立質(zhì)量平衡和熱量平衡的基本方法。所建立的數(shù)學模型主要是為了研究球磨機的控制問題,在模型建立過程中基于以下簡化前提或基本假設(shè):模型僅從整體上反映磨煤機特性,不涉及磨筒內(nèi)復雜的磨煤過程;將磨筒、下降干燥管、回粉管合并考慮;磨煤機出口溫度是筒體煤、風混合物溫度;不考慮制粉系統(tǒng)內(nèi)熱損失;磨筒內(nèi)鋼球視為定值;漏風集中在磨煤機入口。1磨煤機的出力bfdMmdτ=Bg?Bf3.6(1)dΜmdτ=Bg-Bf3.6(1)式中:Bg為給煤量,t/h;Mm為筒體內(nèi)存煤量,kg;Bf為磨煤機出力,t/h,按(2)式計算。Bf=BbKtmKmmKtfKcf(2)Bf=BbΚtmΚmmΚtfΚcf(2)式中:Bb為由磨煤機型號計算的出力,t/h;Ktm、Kmm、Ktf、Kcf分別指磨煤機出口溫度、磨煤機筒體內(nèi)存煤量、磨煤機內(nèi)通風量、粗粉分離器折向門開度變化對磨煤機出力影響的修正系數(shù)。2煤中水分含量qBg[xgcs+(1?xg)cc]tg/3.6+Grkcktrk+Gzxcktzx+Glfcktlf+kjkNm?T1(Bcf/3.6+Gkck)?Bxzf(rs+csqT1)/3.6=(Mjcj+Mmcf)dT1/dτ(3)Bg[xgcs+(1-xg)cc]tg/3.6+Grkcktrk+Gzxcktzx+Glfcktlf+kjkΝm-Τ1(Bcf/3.6+Gkck)-Bxzf(rs+csqΤ1)/3.6=(Μjcj+Μmcf)dΤ1/dτ(3)式中:cs、cc、ck、cf、csq分別為水、燃料干燥基、空氣、煤粉、水蒸氣的比熱,kJ/(kg·K);trk、tzx、tlf、T1分別為熱風溫度、再循環(huán)風溫度、漏風溫度、出口溫度,K;kjr為磨煤機功率轉(zhuǎn)化為熱量的系數(shù);xg為給煤中水分所占的份額;xzf為給煤在磨煤機內(nèi)被干燥后失去的水分占煤質(zhì)量的份額。3綜合阻力系數(shù)pzxPm=Pm0+ΔPm(4)Ρm=Ρm0+ΔΡm(4)式中:Pm0為磨煤機出口壓力,Pa;ΔPm為進出口壓差,Pa。Pm0=ζG2k+Pzx?P0(5)Ρm0=ζGk2+Ρzx-Ρ0(5)式中:ζ為綜合阻力系數(shù);Pzx為排粉機出口壓力,Pa;P0為排粉風機的零位壓力,Pa。ΔPm=∑ζm(1+0.8μm)Hdm?ks(6)ΔΡm=∑ζm(1+0.8μm)Ηdm?ks(6)式中:Σζm為磨煤機及其進出口管總的阻力系數(shù);Hdm為磨煤機出口氣體的動壓,Pa;μm為磨煤機出口氣體中煤粉的濃度;ks為磨筒內(nèi)空氣流通面積對ΔPm的影響。1.2多變量非線性時變系統(tǒng)模型為了進一步分析鋼球磨制粉系統(tǒng)的動態(tài)特性,分別將給煤機轉(zhuǎn)速、熱風門開度、再循環(huán)風門開度增加10%,得到的出口溫度及入口負壓的變化曲線如圖1、圖2所示。由以上的仿真可知,鋼球磨制粉系統(tǒng)是一個強耦合的多變量非線性時變系統(tǒng)。鋼球磨煤機本身是一個包含了機械能量轉(zhuǎn)換,熱交換和兩相流動的復雜過程,任何一個控制變量的改變都會造成所有被控變量的變化,而且系統(tǒng)還具有時變性,這都將為球磨機的自動控制帶來困難。建立模型的目的僅是為了更好的掌握制粉系統(tǒng)的運行特征。而在實際應用時,采用的是模糊控制技術(shù),無需知道被控過程的精確數(shù)學模型。2參數(shù)在線自校正模糊控制2.1結(jié)構(gòu)框圖的實現(xiàn)參數(shù)在線自校正方法,即根據(jù)偏差和偏差變化率對控制器的參數(shù)進行在線修正。它可以有效解決常規(guī)模糊控制器動、靜態(tài)特性之間的固有矛盾。參數(shù)在線自校正模糊控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示,實線部分為基本模糊控制器。e(t)=R?Y(t);c(t)=e(t)?e(t?1)(7)e(t)=R-Y(t);c(t)=e(t)-e(t-1)(7)1)圖中的常規(guī)模糊控制器采用連續(xù)式實現(xiàn)方式,這樣便于對其參數(shù)進行在線校正。2)圖中E(t)=Q[e(t)Ke(t)];C(t)=Q[c(t)Kc(t)],Q取整值。3)由E(t)、C(t)查模糊控制規(guī)則表得U(t+1),那么控制輸出值u(t+1)=U(t+1)Ku(t)。2.2kc和ku對超調(diào)特性的影響一般說來,各參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響是:Ke越大,系統(tǒng)上升速率就越快,愈容易產(chǎn)生振蕩;Ke越小,系統(tǒng)的過渡時間越長;Kc越大,系統(tǒng)偏差過零時的變化率就被鉗制得越小,Kc對超調(diào)的遏制作用非常明顯;Kc越小,系統(tǒng)輸出上升變化率將越大,易導致產(chǎn)生過大的超調(diào)和小幅度振蕩,尤其是反向超調(diào)增加;Ku越大,系統(tǒng)上升時間越短,但易導致振蕩;Ku越小,系統(tǒng)動態(tài)過程越長。應指出的是,在一個模糊控制系統(tǒng)中,Ke、Kc、Ku3個參數(shù)不是彼此孤立的,而是統(tǒng)一的整體,應該有良好的匹配,才會獲得良好的控制品質(zhì)。2.3不同曲線時輸出符合各變量如表1或2可把典型的二階系統(tǒng)的階躍響應曲線劃分為6個不同階段,如圖4所示。0～t1曲線OA段:控制系統(tǒng)啟動階段,為提高系統(tǒng)響應的快速性,宜適當增大Ke和Ku,減小Kc。t1～t2曲線AB段:對象輸出接近給定值,并存在偏差ε時,應降低超調(diào),增大Kc,減小Ke和Ku。t2～t3曲線BC段:對象輸出已超過給定值,且偏差呈增大趨勢,宜適當增大Ke和Ku,并減小Kc,以降低超調(diào)量,使輸出盡量回到給定值。t3～t4曲線CD段:對象輸出趨向給定值接近,并存在較大偏差時,宜適當提高系統(tǒng)響應速度,應增大Ke和Ku,減小Kc。t4～t5曲線DE段:對象輸出接近給定值,并且偏差較小,適當減小Ke和Ku,增大Kc避免回調(diào)。t5～t6曲線EF段:對象輸出已小于給定值,并且負偏差呈增大趨勢,應適當增大Ke和Ku,使輸出盡快回到給定值附近。t6～t7曲線FG段:對象基本類似AB段,負偏差呈減小趨勢,為盡快穩(wěn)定,控制不宜過強。適當增大Kc,減小Ke和Ku,否則會再次出現(xiàn)超調(diào)。2.4動態(tài)校正因子Ke(t)=Ke(t?1)+a;Kc(t)=Kc(t?1)+b;Ku(t)=Ku(t?1)+c(8)Κe(t)=Κe(t-1)+a;Κc(t)=Κc(t-1)+b;Κu(t)=Κu(t-1)+c(8)式中:Ke(t)、Ke(t-1)、Kc(t)、Kc(t-1)、Ku(t)、Ku(t-1)分別為當前時刻和上一時刻的參數(shù)值;a、b、c分別為Ke、Kc和Ku的動態(tài)校正因子。校正參數(shù)Ke、Kc、Ku的條件語句如下:如果e>0;c<0且e>ε,那么a=ΔKe,b=-ΔKc,c=ΔKu;如果e>0;c<0且e<ε,或e<0;c>0且e<ε那么a=-ΔKe,b=-ΔKc,c=ΔKu;如果e<0;c<0,或e>0;c>0,那么a=ΔKe,b=ΔKc,c=-ΔKu;如果e<0;c>0且e>ε,那么a=ΔKe,b=ΔKc,c=-ΔKu;其中:e、c分別為當前時刻的偏差和偏差變化率;ΔKe、ΔKc和ΔKu分別為Ke、Kc和Ku的增量,應根據(jù)具體情況選取。文中選ΔKe=Ke/15、ΔKc=Kc/20、ΔKu=Ku/25。3控制過渡過程出現(xiàn)偏差的時候由于模糊控制器本質(zhì)上是一種PD控制器,缺乏積分環(huán)節(jié),導致系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差,且在接近穩(wěn)態(tài)時易產(chǎn)生抖動。這是模糊控制器的主要缺點之一。模糊—PID控制器原理如圖5所示,本控制器有模糊和PID兩種模態(tài)。其中的模糊控制器采用參數(shù)在線自校正模糊控制器。圖中M是“軟件開關(guān)”,它表示兩種控制規(guī)律不是同時起作用,而是由協(xié)調(diào)器來切換的。通常,在系統(tǒng)過渡過程的初始及中期階段,控制的主要目的是盡快減小偏差使系統(tǒng)輸出接近給定值,不涉及穩(wěn)態(tài)誤差的問題。此時控制系統(tǒng)可采用模糊控制,以充分利用模糊控制在大偏差時控制性能好的長處;而在系統(tǒng)接近穩(wěn)定狀態(tài)時,控制器切換至常規(guī)PID控制器,以消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。從而最終使得這種控制器具有響應快,穩(wěn)態(tài)精度高的特點。并且,其中的模糊和PID控制器可以分開設(shè)計,若已有PID控制器,可以不用修改原程序,只需嵌入模糊控制模塊,再加一條切換判斷語句即可。在模糊—PID控制器中,協(xié)調(diào)器的作用是十分重要的。過早的切換到PID控制方式,將不能充分發(fā)揮模糊控制器的優(yōu)點,使控制效果變差。切換得過晚,將使整個控制過程的時間延長。當閉環(huán)控制系統(tǒng)由模糊控制方式向PID控制方式切換時,應保證系統(tǒng)的過渡過程已接近穩(wěn)態(tài),而并不僅僅是輸出值接近給定值。若僅依據(jù)偏差e值的大小來判斷是否該切換到PID控制方式往往會造成切換過早,影響控制效果。因此在考慮偏差e值大小基礎(chǔ)上,還應考慮偏差變化率c及持續(xù)時間等因素,以確?？刂品绞角袚Q的及時、準確。4線性模糊控制仿真分析為了檢驗參數(shù)在線自校正模糊—PID控制器的有效性,并進一步比較各種控制方案之間控制效果的差別,對所建立的鋼球磨制粉系統(tǒng)的非線性數(shù)學模型,分別用常規(guī)PID控制器、參數(shù)在線自校正模糊控制器及參數(shù)在線自校正模糊—PID控制器對其進行控制仿真。圖6是磨負荷定值階躍變化曲線及其對出口溫度的影響曲線,圖7是出口溫度定值階躍變化曲線及其對磨負荷的影響曲線。通過仿真曲線可知:1)參數(shù)在線自校正模糊控制器控制效果明顯好于常規(guī)PID控制器,能夠有效縮短整個控制過程,減少超調(diào)量;而且在一定程度上減輕了由于各控制量之間耦合所帶來的負面影響,使控制系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力。但是由于模糊控制器本身缺少積分環(huán)節(jié),致使單純的模糊控制的穩(wěn)態(tài)特性難以令人滿意,系統(tǒng)的最終狀態(tài)往往存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差。2)由于模糊—PID控制器在控制過程的初始及中期階段采用模糊控制方案,這就有效的繼承了模糊控制在大偏差時超調(diào)量小,調(diào)節(jié)時間短,具有良好的控制效果的優(yōu)點。在接近穩(wěn)態(tài)時,由于控制方法的切換,控制過程又具有了PID控制穩(wěn)態(tài)誤差小的優(yōu)點,從而克服了模糊控制存在穩(wěn)態(tài)誤差,且易產(chǎn)生抖動的缺點。通過兩種控制器之間的相互取長補短,最終使得控制效果達到令人滿意的程度。5模糊控制方案針對球磨機制粉系統(tǒng)多變量強耦合及模型時變的特點,通過建立數(shù)學模型,對其進行了較全面仿真分析。在此基礎(chǔ)