电站锅炉磨煤机模糊-PID复合控制系统仿真.pdf

2 0 0 4年 1月 第 2 7卷 第 1 期 重 庆 大 学 学 报 J o u r n a l o f C h o n g q i n g Un i v e r s i t y J a n ．2 0 0 4 V o 1 ． 2 7 N o ． 1 文章编号 1 0 0 0 5 8 2 X 2 0 0 4 0 l 一 0 1 0 7 0 5 电站锅炉磨煤机模糊一P I D复合控制系统仿真 李 刚 ，王 广 军 重庆大学 动力工程学院， 重庆 4 0 0 0 3 0 摘要 针对 目前 国内燃煤 电站钢球磨制粉 系统运行控制过程存在的主要 问题 ， 建立了钢球磨制粉 系统动态过程数 学模型。在对 系统的动态特性进行 了较为全面的仿真分析基础上， 基于模糊控制理论， 提 出参数在线 自校正模糊一P I D控制 ， 并对所提 出的控制 系统的控制效果进行 了仿真研 究。结果表 明， 所提 出的模糊一P I D复合控制方案能显著提 高燃煤电站钢球磨制粉 系统的运行控制效果和适应能力。 关键词 球磨机 ；模糊逻辑；智能控制；仿真 中图分类号 T K 3 2 3 文献标识码 A 钢球磨煤机制粉系统在我国大 中型燃煤电厂中具 有广泛的应用 ， 同时也是厂用设 备中的耗 电大户。球 磨机制粉系统是一个典型的多变量非线性时变系统 ， 各控制量和被控量之间存在着相当严重的耦合， 且具 有大时滞及模 型时变 的特点。由于对象本 身的复杂 性 ， 使得在 目前 国内火电机组普遍采用的单 回路 P I D 控制系统中， 许多系统无法投入运行 ， 即使勉强投入 ， 也难以取得令人满意的控制效果， 严重影响火电机组 的运行经济性和安全性⋯。因此， 锅炉制粉系统控制 方法的研究及现有的磨煤机控制系统 的改造 ， 是热工 过程控制领域 的热点问题之一。 模糊控制作为一种新型的控制方法， 在一定程度 上具有人的智能性 J 。它无需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和更强的鲁 棒性， 而且容易与工人操作经验相结合。文中针对 目 前国内燃煤电站钢球磨煤机制粉系统运行控制过程存 在的主要问题， 建立了钢球磨制粉系统动态过程的数 学模型， 并分析 了在各种输 入扰 动情况下制粉 系统输 出的动态响应和制粉系统动态过程的耦合特性。在此 基础上， 提出了钢球磨制粉系统的参数在线自校正模 糊_P I D控制。通过仿真实验， 将所提出的控制系统 的控制效果与常规 P I D控制作比较， 证明了所提出的 控制方案的有效性。 1 制粉系统的动态特性 1 ． 1 制粉系统的数学模型 对于煤粉系统 ， 在建模 中需 要采用对磨煤机建立 质量平衡 和热量平衡 的基本方法 】 。所建立 的数学 模型主要是为了研究球磨机的控制问题， 在模型建立 过程中基于 以下简化前提或基本假设L 4 J 模型仅从整 体上反映磨煤机特性 ， 不涉及磨筒 内复杂的磨煤过程 ； 将磨筒、 下降干燥管、 回粉管合并考虑； 磨煤机出口温 度是筒体煤、 风混合物温度； 不考虑制粉系统内热损 失 ； 磨筒 内钢球视为定值； 漏风集 中在磨煤机人 口。 1 磨煤机进 出口质量平衡方程 一t i M ． , 一必 ⋯ d ．r 3 ． 6 式中 为给煤量， t ／， h ； 』 If 为筒体内存煤量， k g ； 为 磨煤机出力 ， t ／ h， 按 2 式计算 。 B b K ,． K u 2 式中 为由磨煤机型号计算的出力， t／ h ； 、 、 、 分别指磨煤机出口温度、 磨煤机筒体内存煤量 、 磨煤机内通风量 、 粗粉分离器折向门开度变化对磨煤 机出力影响的修正系数。 2 磨煤机进出口能量平衡方程 B g [ 戈 g c 1 一 g c ] t t ／ 3 ． 6G c I t 收稿 日期 2 0 0 3 0 91 9 作者筒介 李刚 g g o一 ， 男， 吉林市人， 重庆大学硕士研究生， 主要从事热工仿真及热工自动控制的研究。 l O 8 重庆大学学报 2 0 0 4生 G c k t Gt k t k i k Nm一 B c ／ 3 ． 6G c 一B c ／ 3 ． 6 肘f c 肘 c s d r , ／ d ．『 3 式 中 c ， 、 c 。 、 c c r 、 c 田分别 为水 、 燃料 干燥基 、 空气 、 煤 粉、 水蒸气的比热 ， k J ／ k g K ； 、 t ￡ f， 、 。 分别为热 风温度 、 再循环风温度 、 漏风温 度、 出 口温度， K； 为 磨煤机功率转化为热量的系数； 为给煤中水分所占 的份额 ； 为给煤在磨煤机 内被干燥后失去的水分 占 煤质量 的份额。 3 磨煤机人 口负压 P 方程 P P 神 △ P 4 式中 P 神为磨煤机 出口压力 ， P a ； A P 为进 出口压差 ， Pa 。 P 神 P 一P 5 式中 为综合阻力系数 ； P 为排粉机出口压力， P a ； P 0 为排粉风机的零位压力， P a 。 A P ∑ 1 0 ． ‘ k 6 式中 留 为磨煤机及其进 出口管总的阻力系数； 为磨煤机 出口气体 的动压 ， P a 泓 为磨煤机 出口气体 中煤粉 的浓度 ； 蠡 为磨筒 内空气 流通 面积对 △ P 的 影响。 1 ． 2动态特性仿真 为了进一步分析钢球 磨制粉系统 的动态特性， 分 别将给煤机转速、 热 风门开度 、 再循环风 门开度增加 1 0 ％ ， 得到的出口温度及人 口负压的变化曲线如图 1 、 图 2所示。 l 3 01 601 g0 1 l2 0 1 l5 01 l a Ol t l s 1 ． 热风门开度增加1 0 ％； 2 ． 再循环风门开度增加1 0 ％； 3 ． 给 煤机转速增加 1 0 ％ 图 1 出口温度变化 曲线 由以上的仿真可知， 钢球磨制粉系统是一个强耦 合的多变量非线性时变系统。 钢球磨煤机本身是一个 包含 了机械能量转换 ， 热交换和两相流动的复杂过程 ， 任何一个控制变量的改变都会造成所有被控变量的变 化， 而且系统还具有时变性， 这都将为球磨机的自动控 制带来困难。 建立模型的目的仅是为了更好的掌握制 粉系统的运行特征。 而在实际应用时， 采用的是模糊控 1 ． 再循环门开度增加 1 0 ％ ； 2 ． 热风风 门开度增加 1 0 ％ ； 3 ． 给煤机转速增加 1 0 ％ 图 2 入 口负压变化 曲线 制技术， 无需知道被控过程的精确数学模型。 2 参数在线自校正模糊控制 2 ． 1 基本模糊控制算法 参数在线 自校正方法 ， 即根据偏差 和偏差变化率 对控制器的参数进行在线修正。 它可以有效 解决常规 模糊控制器动、 静态特性之间的固有矛盾。 参数在线 自校正模糊控 制器结构框 图如图 3所 示， 实线部分为基本模糊控制器。 e ￡ RY ￡ ； c ￡ e ￡ 一 t一1 7 图 3 参数在线 自校正模糊控制嚣结构框图 1 图中的常规模糊控制器采用连续式实现方式 ， 这样便于对其参数进行在线校正。 2 图中 ￡ Q[ e ￡ K e ￡ ] ； C t Q[ C ‘ ￡ ] ， Q取整值。 3 由E ￡ 、 C ￡ 查模糊控制规则表得 U t 1 ， 那么控制输 出值 u t1 U t1 ￡ 。 2 ． 2参数 、 、 对系统性能的影响 一 般说来， 各参数对系统性能的影响是 越大， 系统上升速率就越快， 愈容易产生振荡； K 越小， 系统 的过渡时间越长； 越大， 系统偏差过零时的变化率 就被钳制得越小， 对超调的遏制作用非常明显； 越小， 系统输出上升变化率将越大， 易导致产生过大的 超调和小幅度振荡， 尤其是反 向超调增加 ； 越大 ， 系 统上升时间越短， 但易导致振荡； 。 越小， 系统动态过 程越长 。 应指出的是， 在一个模糊控制系统中， 、 、 3 个参数不是彼此孤立的， 而是统一的整体， 应该有良 好 第2 7卷第 1 期 李 刚 等电站锅炉磨煤机模糊一P I D复合控制系统仿真 1 0 9 的匹配 ， 才会获得 良好的控制品质。 2 ． 3 典型二阶系统的阶跃响应曲线分析 可把典型的二阶系统的阶跃响应曲线划分为 6个 不 同阶段 刚， 如图4所示 。 B／ ’ ＼ s G ／ ￡ 。＼ ／ ， 一 图 4 二阶 系统的单位 阶跃 响应 曲线 0～t 。 曲线 O A段 控制系统启动阶段 ， 为提高系 统响应的快速性 ， 宜适当增大 和 ， 减小 。 t ～t 曲线 A B段 对象输 出接近给定值 ， 并存在 偏差 时 ， 应降低超调 ， 增大 ， 减小 和 。 t ～t ， 曲线 B C段 对象输出已超过给定值 ， 且偏 差呈增大趋势 ， 宜适当增大 和 ， 并减小 ， 以降低 超调量 ， 使输出尽量回到给定值。 t ，～t ． 曲线 C D段 对象输出趋向给定值接近 ， 并 存在较大偏差时 ， 宜适 当提高系统响应速度 ， 应增 大 和 K ， 减小 。 t ．～t 曲线 D E段 对象输出接近给定值 ， 并且偏 差较小 ， 适当减小 和 K ， 增大 避免 回调。 t ～t 6 曲线 E F段 对象输出已小于给定值， 并且 负偏差呈增大趋势， 应适当增大 和 。 ， 使输出尽快 回到给定值附近。 t 6～b曲线 F G段 对象基本类似A B段 ， 负偏差呈 减小趋势 ， 为尽快稳定 ， 控制不 宜过强 。 适 当增大 ， 减小 和 ， 否则会再次出现超调。 2 ． 4参数校正算法 ‘ t 一1 口 ； K o ‘ t一1 b ； ‘ t 一1 c 8 式中 ‘ 、 t一1 、 ‘ 、 t一1 、 ‘ 、 t 一 1 分别为当前时刻和上一时刻的参数值； 口 、 b 、 c 分 别为 、 和 的动态校正因子。 校正参数 、 、 的条件语句如下 如果 e0 ； c占． 那么 口 A ， b一A ， cA K 。 ； 如果 e0 ； c占， 习 么 口△ J _ | ， bA ， c一△ ； 其中 e 、 c 分别为当前时刻的偏差和偏差变化率； △ 、 △ 和 △ 分别为 、 和 的增量， 应根据具 体情况选取。 文中选 △ ／ , ／ 1 5、 A K oK o ／ 2 0、 A K K． ／ 2 5。 3 模糊 一P I D复合控制器 由于模糊控制器本质上是一种P D控制器， 缺乏积 分环节 ， 导致系统有稳态误差 ， 且在接近稳态时易产生 抖动 。 这是模糊控制器的主要缺点之一。 模糊 一P I D控制器原理如 图 5所示 ， 本控制 器有 模糊和 P I D两种模态。 其中的模糊控制器采用参数在 线 自校正模糊控制器。 图 5 模糊 一P I D控 制器结构框图 图中 M是“ 软件开关”， 它表示两种控制规律不是 同时起作用 ， 而是 由协调器来切换 的。 通常， 在系统过 渡过程的初始及中期阶段 ， 控制的主要 目的是尽快减 小偏差使系统输出接近给定值 ， 不涉及稳态误差的问 题。 此时控制系统可采用模糊控制 ， 以充分利用模糊控 制在大偏差时控制性能好的长处 ； 而在系统接近稳定 状态时 ， 控制器切换至常规 P I D控制器 ， 以消除系统的 静态误差 。 从而最终使得这种控制器具有响应快 ， 稳态 精度高的特点。 并且 ， 其中的模糊和 P I D控制器可以分 开设计， 若已有P I D控制器， 可以不用修改原程序， 只 需嵌 入 模 糊 控 制 模 块 ，再 加 一 条 切 换 判 断 语 句 即可 。 在模糊 一P I D控制器中 ， 协调器的作用是十分重 要的。 过早 的切换到 P I D控制方式 ， 将不能充分发挥模 糊控制器的优点， 使控制效果变差。 切换得过 晚， 将使 整个控制过程的时间延长。 当闭环控制系统 由模糊控 制方式向 P I D控制方式切换时， 应保证系统的过渡过 程已接近稳态， 而并不仅仅是输出值接近给定值。 若仅 依据偏差 e 值的大小来判断是否该切换到 P I D控制方 式往往会造成切换过早 ， 影响控制效果。 因此在考虑偏 差e 值大小基础上， 还应考虑偏差变化率 c 及持续时间 等因素， 以确保控制方式切换的及时、 准确。 4计算机仿真 为了检验参数在线 自校正模糊 一P I D控制器 的有 效性 ， 并进一步 比较各种控制方案 之间控制效果 的差 别 ， 对所建立的钢球磨制粉系统的非线性数学模型 ， 分 l l O 重庆大学学报 2 0 0 4生 别用常规 P I D控制器 、 参数在线 自校正模糊控制器及 参数在线 自校正模糊 一P I D控制器对其 进行控制仿 真。 图 6是磨负荷定值 阶跃变化 曲线及其对 出 口温度 的影响曲线 ， 图7是出 口温度定值阶跃 变化 曲线及其 对磨负荷的影响曲线 。 5 2 5l 5 0 鹕 嘏 寸 7 d 6 d s 6l 60 p S9 5 8 5 了 5 6 a 负荷变化 曲线 b 出口温度变化曲线 1 ． P I D控制 ； 2 ． 参数在线 自校正模糊控制 ； 3 ． 模糊 一P I D控制 图6 负荷阶跃变化时响应曲线 6T 66 6S p 卅 63 6 2 6I 6O 艟 盯 d 6 善 为 捌 d 2 1 2 0 l 4 0X b o x a D 1 lt O O lt t ／ s a 出 口温度变化曲线 b 负荷变化曲线 1 ． P I D控制； 2 ． 参数在线自校正模糊控制； 3 ． 模糊 一P I D控制 图7 出口温度阶跃变化时响应曲线 通过仿真曲线可知 1 参数在线 自校正模糊控制器控 制效果 明显好 于常规 P I D控制器 ， 能够有效缩短整个控制过程 ， 减少 超调量； 而且在一定程度上减轻了由于各控制量之间 耦合所带来的负面影响 ， 使控制系统具有 良好的抗干 扰能力。 但是 由于模糊控制器本身缺少积分环节 ， 致使 单纯的模糊控制的稳态特性难以令人满意， 系统的最 终状态往往存在一定的稳态误差 。 2 由于模糊 一P I D控制器在控制过程的初始及 中期阶段采用模糊控制方案， 这就有效 的继承了模糊 控制在大偏差时超调量小 ， 调节时间短 ， 具有 良好 的控 制效果的优点。 在接近稳态时 ， 由于控制方法的切换 ， 控制过程又具有 了 P I D控制稳态误差小 的优点， 从而 克服 了模糊控制存在稳态误差 ， 且易产生抖动的缺点。 通过两种控制器之间的相互取长补短 ， 最终使得控制 效果达到令人满意的程度 。 5 结 论 针对球磨机制粉系统多变量强耦合及模型时变的 特点， 通过建立数学模型， 对其进行了较全面仿真分 析。 在此基础上提出了参数在线 自校正模糊 一P I D控 制方案。 该方案是模拟人脑在处理 问题 时的思维过程 和决策过程 ， 然后决定作什么样的控制行为。 边判别边 修改参数 ， 通过查询模糊控制规则表 ， 控制输 出值 ， 并 根据控制过程所处的不 同阶段采用不 同的控制方式 。 该方案吸取了模糊控制和 P I D控制各 自的优点， 在继 承模糊控制的良好控制效果 的同时消 除了稳态误 差， 即使在无法获得被控制对象精确数学模型 的情况 下， 一 般也能获得良好的动、 静态控制性能。 可以有效地利 用现场现有的常规控制系统 ， 现场改造工作量小， 具有 十分良好的推广应用价值 。 参考文献 [ 1 ] 陶邦彦．电站锅炉钢球磨制粉、 燃烧系统 现状和发展 [ J ] ．中国电力 ， 2 0 0 2， 3 5 2 2 3 2 6 ． [ 2 ] 杨志， 李太福 ， 盛朝强 ， 等．基于仿人智能的复杂关联系 统控制[ J ] ．重庆大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 2 ， 2 5 7 9 1 1 ． [ 3 ] 章臣樾． 锅炉动态特性及其数学模型[ M] ． 北京 水利电 力出版社， 1 9 8 7 ． [ 4 ] 徐盛 仪， 付明地． 球磨机制粉系统动态数学模型及其 M M S 仿真[ J ] ． 重庆大学学报 ， 1 9 9 4 ， 1 7 5 1 1 5 1 2 0 ． [ 5 ] 汤兵勇， 路林吉， 王文杰． 模糊控制理论与应用技术[ M] ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 6 ] 高琴妹． 参数在线 自校正模糊控制器[ J ] ． 电气 自动化， 2 0 0 0， 2 2 6 2 5 2 6 ． [ 7 ] 郭刚， 朱建坤． 模糊和 P I D结合的控制器设计方法[ J ] ． 仪 表技术与传感器， 1 9 9 7 ， 3 4 3 4 4 ． 第2 7卷第 1期 李刚 等电站锅炉磨煤机模糊一P I D复合控制 系统仿真 l l l Th e Re s e a r c h a n d S i mu l a t i o n o f t h e Fu z z y PI D Co nt r o l S y s t e m f o r Ba l l M i l l Pu l v e r i z i n g o f Po we r Pl a n t L I G a n g，WAN G G u a n g -j u n C o ll e g e o f P o w e r E n gin e e r i n g ， C h o n g q i n g U n i v e r s i t y， C h o n g q i n g 4 0 0 0 3 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r f o c u s e s o n t h e ma i n p r o b l e ms i n t h e o p e r a tio n c o n t r o l f o r b a l l mi l l p u l v e riz i n g s y s t e m ，p rop o s e s t he d y n a mi c ma t he ma t i c a l mo d e l for t he s t e e l ba l l mi l l p ul v e r i z i n g s y s t e m ，s i mu l a t e s a n d a n a l y z e s t he d y n a mi c c h a r a c t e r o f t he s y s t e m．A Fu z z yPI D c o n t rolle r wi t h o n l i n e s e l f t un i n g p a r am e t e rs b a s e d o n f uz z y c o n t rol t e c h n o l o g y i s p r o p o sed． Th e s i mu l a ti o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e F u z z yP I D c o n t rol s y s t e r l a c a n i mp rov e t h e c o n tr o l l i n g e ff e c t a n d t h e a b i l i t y o f s u p p r e s s i n g d i s t u r ba n c e s ． Ke y wo r ds b a l l mi ll p ul v e riz i n g s y s t e m ； f u z z y l o g i c； i n t e l l i g e n t c o n t r o l ； s i mu l a t i o n I 上接第 1 0 6页 妒妒 编辑陈移峰 Ad v a n c e i n S pr a y Fo r mi n g Te c h n o l o g y a n d I t s Pr o s p e c t W A N G W e n - m in 。 P A N F u s h e n 。 L U Y u 。 Z E N G S u - m 1 ． C o l l e g e o f Ma t e ri a l s S c i e n c e and E n g i n e e ri n g ， C h o n g q i n g U n i v e rsi ty， C h o n g q i n g 4 0 0 0 3 0 ， C h i n a ； 2 ． F a c u l ty o f E n g i n e e rin g ， C h i b a U n i v e rsi ty ， C h i b a ， J a p a n； 3 ． S o u t h w e s t A l u m i n u m I n d u s t r y G rou p C o m p any ， L t d ． ， C h o n g q i n g 4 0 1 3 2 6， C h i n a Ab s t r a c t S p r a y F o r mi n g t e c h n o l o g y g e t s i n v o l v e d wit h n e w ma t e ria l s p r e p a r a t i o n t e c h n i q u e s i n mu l ti p l e d o ma i n s s u c h a S p o w d e r me t a l l u r g y ，fl u e n t me t a l a t o mi z a t i o n，r a p i d c o o l i n g a n d n o ne qu i li b r i u m s o li d i fi c a ti o n ．Hi s h p e rf o r ma n c e a l l o y and me t a l ma t r i x c o mp o s i t e w i th h i g h d e n s i ty，l o w o x y g e n c o n t e n t and mi c r o s t r u c tur e f e a turi n g r a p i d s o l i d i fi c a ti o n C an b e f abri c a t e d b y s p ray f o r mi n g ．S p r a y fun n i n g ，w h i c h i s o f s h o r t p roc e s s fl o w，l o w c o s t ，h i s h d e p o s i ti o n e ffic i e n c y， f l e x i b l e 瑚 n 血 c t I l r e s y s t e m．bec o me s a k i n d o f n e A l r s h a p e f o r mi n g an d rap i d s o li d i fi c a ti o n t e c h n o l o g y wi t h g rea t p ros pe c t ． Th e r e f o r e t he d e v e l o p i n g p r o c e s s hi s t o r y of s p ray f o r mi ng t e c h n o l o g y i s i n t r o d u c e d an d t h e c u r r e n t r e s e a r c h an d d e v e l o p me n t s t a t u s o f s p r a y f o rm i n g t e c h n o l o g y i n the fi e l d s o f a l u mi n u m all o y，s t e e l ma t e ri al，ma g n e s i u m all o y ，c o p p e r a l l o y a n d h i曲 t e m peratur e a l l 0 y and m e t a l m a t r i x c o mpos i t e i s d e s c ri b e d ．M u l til a y e r s p ra y f o rmi n g and i ns i tu r e a c ti o n a t o mi z a t l o n s p ray f o r mi n g a r e also d i s c us sed．In a d d i ti o n．e v alu a t i o n an d p ros p e c t for th e t e c hn o l o gy a r e p resen t e d． Ke y wo r d s s p ray f o r mi n g； rap i d sol i d i fi c a ti o n；e v alu a t i o n； p r o s p e c t 编辑陈移峰