基于模糊pid解耦的球磨機(jī)控制系統(tǒng)

基于模糊pid解耦的球磨機(jī)控制系統(tǒng)

由于球磨機(jī)的大時(shí)延、多變量強(qiáng)耦合、模型時(shí)變特性以及現(xiàn)有的制造方法，因此未安裝的自動控制系統(tǒng)無法投入。常用的控制系統(tǒng)是基于3套獨(dú)立的PID控制回路,它們對于各系統(tǒng)之間的耦合及大遲延特性均顯得無能為力.制粉系統(tǒng)是火電廠的重要組成部分,是電廠的耗電大戶,其運(yùn)行水平的高低對電廠的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益具有顯著影響.由制粉系統(tǒng)的耦合分析可知,在鋼球磨制粉系統(tǒng)的3個(gè)調(diào)節(jié)回路中,不管3個(gè)回路如何配對,均存在著相當(dāng)嚴(yán)重的耦合,無解耦的系統(tǒng)是不可能實(shí)現(xiàn)良好控制的,解耦設(shè)計(jì)是必須的,因此,研究制粉系統(tǒng)的自動控制和優(yōu)化運(yùn)行具有重要的實(shí)際意義和理論意義.自20世紀(jì)80年代起就有學(xué)者開始把具有強(qiáng)魯棒性的模糊控制應(yīng)用于球磨機(jī)等復(fù)雜對象的解耦系統(tǒng).通常認(rèn)為模糊解耦理論主要方法有兩大類:一是直接解耦法,對控制對象進(jìn)行解耦,然后針對解耦而成的各單變量過程進(jìn)行模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì);二是間接解耦法,通過對多變量模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊子空間的分解而實(shí)現(xiàn)解耦.由于模糊控制可以避開復(fù)雜的對象,不依賴于對象的數(shù)學(xué)模型,適用于非線性、時(shí)變、純滯后的系統(tǒng),它比常規(guī)控制系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性和更強(qiáng)的魯棒性,但常規(guī)PID控制具有簡單成熟、使用方便等優(yōu)點(diǎn).因此,本文在球磨機(jī)對象的耦合回路上加入了模糊與PID控制結(jié)合起來的架構(gòu),組成了模糊PID前饋解耦補(bǔ)償器,以實(shí)現(xiàn)對象的動態(tài)解耦補(bǔ)償,從而把兩耦合回路等效解耦成兩個(gè)單回路系統(tǒng).該解耦器具有很好的魯棒性、自適應(yīng)性和穩(wěn)定性.1研磨機(jī)粉系統(tǒng)的動態(tài)特性和控制要求1.1熱風(fēng)門開度對系統(tǒng)的影響中儲式鋼球磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)可看作是一個(gè)3輸入3輸出的多變量復(fù)雜系統(tǒng),它的3個(gè)調(diào)節(jié)量為給煤機(jī)轉(zhuǎn)速、熱風(fēng)門和再循環(huán)風(fēng)門,3個(gè)被控量為磨煤機(jī)出口溫度、入口負(fù)壓和存煤量.常規(guī)的制粉控制系統(tǒng)多以3套獨(dú)立的單回路PID控制為基礎(chǔ),通過調(diào)節(jié)熱風(fēng)量、再循環(huán)風(fēng)量、給煤機(jī)轉(zhuǎn)速分別控制磨煤機(jī)的出口溫度、入口負(fù)壓、存煤量.但是,中儲式球磨機(jī)制粉系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多變量強(qiáng)耦合、大遲延、大慣性系統(tǒng).具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面.(1)當(dāng)改變熱風(fēng)門開度以調(diào)節(jié)熱風(fēng)流量時(shí),磨煤機(jī)的出口溫度會因此發(fā)生改變,同時(shí)磨煤機(jī)的入口負(fù)壓也會相應(yīng)發(fā)生變化;同樣,當(dāng)改變再循環(huán)風(fēng)門開度調(diào)節(jié)磨煤機(jī)入口負(fù)壓時(shí),磨煤機(jī)的出口溫度也會受到較大的影響.(2)調(diào)節(jié)給煤機(jī)轉(zhuǎn)速,可改變磨煤機(jī)的存煤量,也會對磨煤機(jī)出口溫度有較大影響,同時(shí)還會影響磨煤機(jī)的入口負(fù)壓.(3)改變熱風(fēng)門開度來調(diào)節(jié)磨煤機(jī)出口溫度,這是個(gè)大慣性、大滯后的過程.(4)磨煤機(jī)出入口差壓在通風(fēng)量一定時(shí),與磨煤機(jī)存煤量有一定的關(guān)系,據(jù)此可近似代表鼓筒內(nèi)的存煤量.但是,由于系統(tǒng)運(yùn)行過程中熱、再循環(huán)風(fēng)門開度不斷改變,受通風(fēng)量改變的影響,差壓信號并不能很好地描述磨煤機(jī)內(nèi)的存煤量信號.此外,差壓信號動態(tài)響應(yīng)相對較慢,很難根據(jù)該信號使磨煤機(jī)負(fù)荷保持最佳.近年來,采用磨煤機(jī)前軸垂直振動量信號來表征鼓筒內(nèi)的存煤量,其性能更好.磨煤機(jī)干燥出力用磨煤機(jī)出口溫度間接表示,它是通過調(diào)節(jié)熱風(fēng)量實(shí)現(xiàn)控制的.調(diào)節(jié)再循環(huán)風(fēng)量使磨煤機(jī)入口負(fù)壓在一定范圍內(nèi)變化,它與熱風(fēng)一起共同保持磨煤機(jī)的最佳通風(fēng)量.1.2球磨機(jī)的主要控制要點(diǎn)從經(jīng)濟(jì)性、安全性角度出發(fā),要求控制系統(tǒng)能使磨煤機(jī)運(yùn)行在最佳工況下,對中儲式鋼球磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)的控制要求如下.(1)保證球磨機(jī)內(nèi)的存煤量接近最佳存煤量.理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,球磨機(jī)的能耗與產(chǎn)粉量的多少基本無關(guān),因此,保證球磨機(jī)內(nèi)的存煤量盡可能接近最佳存煤量,以便制成盡可能多的煤粉是提高制粉系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵.球磨機(jī)的存煤量一般是通過調(diào)整給煤量來控制的.(2)為了提高球磨機(jī)的干燥出力,應(yīng)盡量提高干燥劑的溫度,但為了防止球磨機(jī)送出的煤粉爆柵,保證球磨機(jī)出口溫度不超過規(guī)定值,需要對球磨機(jī)的出口溫度進(jìn)行控制,一般是通過調(diào)整熱風(fēng)門的開度來控制的.(3)為了保證球磨機(jī)的最佳通風(fēng)量,使磨制好的煤粉隨通風(fēng)輸送到煤粉倉,并防止煤粉泄露,需要控制球磨機(jī)入口負(fù)壓,它主要由再循環(huán)風(fēng)門的開度控制.2控制結(jié)構(gòu)和算法2.1模糊pid球磨機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)解耦方法包括前置補(bǔ)償法和現(xiàn)代頻率法.前者包括矩陣求逆解耦、不變性解耦和逆向解耦;后者包括時(shí)域方法,其核心和基礎(chǔ)是對角優(yōu)勢,奈氏穩(wěn)定判據(jù)是其理論基礎(chǔ),比較適合于線性定常MIMO系統(tǒng).在這些解耦方法中,補(bǔ)償器嚴(yán)重依賴被控對象的精確建模,在現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)中不具有適應(yīng)性,難以保證控制過程品質(zhì),甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定.目前,在電廠工程上實(shí)際應(yīng)用的解耦控制方法僅限于靜態(tài)解耦和比較簡單的動態(tài)前饋解耦,其設(shè)計(jì)原理是基于經(jīng)典控制理論的串聯(lián)解耦法和基于多變量頻域理論的逆奈奎斯特法,實(shí)際控制效果屬于近似解耦.由于獲得精確的球磨機(jī)數(shù)學(xué)模型比較困難,加之對象的時(shí)變、非線性,達(dá)到完全動態(tài)解耦是很困難的.因此,本文在球磨機(jī)控制系統(tǒng)的耦合回路上加入模糊PID控制架構(gòu)所組成的前饋補(bǔ)償以實(shí)現(xiàn)解耦補(bǔ)償,從而把兩耦合回路等效解耦成兩個(gè)單回路系統(tǒng),具有很好的魯棒性、自適應(yīng)性和穩(wěn)定性.圖1為基于模糊PID解耦的PID球磨機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),采用模糊PID進(jìn)行反饋補(bǔ)償解耦,并用PID進(jìn)行閉環(huán)控制.2.2模糊規(guī)則表的建立本文采用合成推理法建立模糊規(guī)則,即根據(jù)已有的輸入輸出數(shù)據(jù)對,通過模糊推理合成,求取被控系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則.具體步驟為:(1)采集系統(tǒng)的輸入輸出測量數(shù)據(jù)對;(2)測量數(shù)據(jù)對的模糊化;(3)分別求出每組數(shù)據(jù)對模糊化后的模糊矢量;(4)計(jì)算模糊關(guān)系;(5)閥值處理;(6)得到總的模糊關(guān)系.表1和表2分別為圖1中的Fuzzy1和Fuzzy2的模糊規(guī)則表.表中:NB,NM,NS,NO,PO,PS,PM,PB分別代表負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、負(fù)零、正零、正小、正中、正大.表1中,input1的范圍為[-3,3],input2的范圍為[-3,3],輸出范圍為[-1,1];表2中,input1的范圍為[-3,3],input2的范圍為[-3,3],輸出范圍為[-1,1].3模擬應(yīng)用鋼球磨煤機(jī)3.1兩輸入兩輸出對象的控制設(shè)計(jì)典型的球磨機(jī)被控對象可看作由給煤量V,再循環(huán)風(fēng)量W,熱風(fēng)量R3個(gè)輸入量,以及差壓信號Δp,入口負(fù)壓p,出口溫度T3個(gè)輸出量構(gòu)成.若改進(jìn)參數(shù)檢測方法,使用球磨機(jī)前軸瓦垂直振動分量Q代替差壓信號Δp表征存煤量,這樣風(fēng)量將不影響存煤量信號,而給煤量對負(fù)壓信號的影響可以忽略,對溫度信號的影響可看作可測擾動進(jìn)行前饋補(bǔ)償,于是原來的對象就分解為一個(gè)耦合的兩輸入(R,W),兩輸出(T,p)對象以及一個(gè)單輸入V單輸出Q對象.單輸入單輸出的給煤回路的控制器設(shè)計(jì)與一般單回路系統(tǒng)類似.本文僅討論耦合的兩輸入兩輸出對象的控制設(shè)計(jì).對于兩輸入兩輸出對象,按照工藝要求進(jìn)行變量配對,使用熱風(fēng)量控制溫度,再循環(huán)風(fēng)量控制負(fù)壓,即輸出信號y=[Tp]T,輸入信號u=[RW]T,兩回路(溫度回路與負(fù)壓回路)仍有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián),則被控對象可描述為y(s)=G(s)u(s)=[g11(s)g12(s)g21(s)g22(s)]u(s)(1)y(s)=G(s)u(s)=[g11(s)g12(s)g21(s)g22(s)]u(s)(1)式中:G——兩輸入兩輸出對象的傳遞函數(shù)矩陣;g11,g12,g21,g22——T對R,T對W,p對R,p對W的傳遞函數(shù);s——拉普拉斯變換算子.由于球磨機(jī)制粉系統(tǒng)具有時(shí)變性特征,當(dāng)運(yùn)行工況發(fā)生變化時(shí),其動態(tài)特性可能會發(fā)生較大變化,因此,采用多個(gè)不同模型來描述對象在不同工況下的動態(tài)特性.針對某廠320MW機(jī)組的球磨機(jī)在3種不同工況下的運(yùn)行情況進(jìn)行辨識,得到相應(yīng)的存在耦合的溫度和負(fù)壓兩回路模型分別為G1=[0.75(55s+1)2?0.25(65s+1)2?18.032s+1?19.545s+1]G2=[0.87(50s+1)2?0.31(62s+1)2?0.7230s+1?0.2640s+1]G3=[0.81(52.5s+1)2?0.28(63.5s+1)2?0.67531s+1?0.2342.5s+1](2)G1=[0.75(55s+1)2-0.25(65s+1)2-18.032s+1-19.545s+1]G2=[0.87(50s+1)2-0.31(62s+1)2-0.7230s+1-0.2640s+1]G3=[0.81(52.5s+1)2-0.28(63.5s+1)2-0.67531s+1-0.2342.5s+1](2)3.2pid控制器設(shè)計(jì)利用Matlab7.1/Simulink軟件平臺,進(jìn)行球磨機(jī)控制的仿真.仿真中,圖1中的反饋解耦部分PID參數(shù)(比例系數(shù)KP、微分系數(shù)KD、積分系數(shù)KI)的設(shè)定按反饋補(bǔ)償原理替代法,分別設(shè)定為(2.25,0.007,0.00001)、(-4.5,0.05,0.00005).由于球磨機(jī)對象工作頻率較低,4個(gè)PID控制器的參數(shù)整定時(shí)應(yīng)注意兼顧兩回路在不同工況下的性能指標(biāo),球磨機(jī)的運(yùn)行參數(shù)允許在給定范圍內(nèi)波動,PID控制器整定參數(shù)應(yīng)使調(diào)節(jié)作用稍弱,以免被控量超調(diào)過大.圖2是系統(tǒng)對象模型為G1情況下熱風(fēng)量、再循環(huán)風(fēng)量階躍擾動下系統(tǒng)的輸出曲線.由圖2可見,模糊PID解耦控制器考慮到了耦合關(guān)系,能夠在較短時(shí)間內(nèi)克服負(fù)荷擾動帶來的耦合影響,被控對象各回路耦合程度明顯降低,基本實(shí)現(xiàn)了解耦;各回路基本上能獨(dú)立運(yùn)行,大大改善了控制系統(tǒng)的動態(tài)性能,減小了超調(diào)量,同時(shí)具有良好的動態(tài)特性和一定魯棒性,且易于過程控制的實(shí)現(xiàn).圖3和圖4分別是當(dāng)系統(tǒng)對象模型為G2和G3兩種不同工況下