制粉系統(tǒng)作為燃煤電廠機(jī)組的一個(gè)必不可少的輔助系統(tǒng)，它的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行直接影響著電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。其中，鋼球磨煤機(jī)作為中儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，已廣泛應(yīng)用于火電廠中，具有運(yùn)行可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、檢修費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。但球磨機(jī)是多變量、非線性、強(qiáng)耦合、大延遲對(duì)象，加之原煤水分、煤質(zhì)（揮發(fā)分、灰分、可磨性等）的變化，及鋼球、襯板磨損等原因，使得球磨機(jī)的工況特性復(fù)雜，造成球磨機(jī)監(jiān)測(cè)控制困難。目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)球磨機(jī)控制都是由運(yùn)行人員手動(dòng)操作，長(zhǎng)期手動(dòng)運(yùn)行不僅易造成球磨機(jī)堵磨、斷煤、跑煤、超溫事件的發(fā)生，且系統(tǒng)不能長(zhǎng)期運(yùn)行在zui佳工況，如何在球磨機(jī)安全運(yùn)行前提下，降低磨煤?jiǎn)魏?，提高?jīng)濟(jì)效益和機(jī)組的自動(dòng)運(yùn)行投入率，成為電廠控制的一個(gè)關(guān)鍵。
　　
　　一、球磨機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立
　　
　　1.1測(cè)試法建模
　　
　　測(cè)試法建模即通過(guò)輸入輸出信號(hào)之間的關(guān)系來(lái)建立，例如可以通過(guò)輸入信號(hào)為階躍信號(hào)或者脈沖信號(hào)得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。目前，實(shí)際應(yīng)用中一般用磨煤機(jī)出入口差壓來(lái)表征料位。
　　
　　1.2機(jī)理法建模
　　
　　機(jī)理法建模也就是基于系統(tǒng)變化機(jī)理寫出各種平衡方程:物質(zhì)平衡方程、能量平衡方程、動(dòng)量平衡方程、相平衡方程以及反映流體流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)等基本規(guī)律的特性方程，從中獲取所需的數(shù)學(xué)模型。
　　
　　二、球磨機(jī)制粉系統(tǒng)常用控制方法
　　
　　2.1常規(guī)比例積分微分（PlD）控制
　　
　　球磨機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)三輸入三輸出的控制對(duì)象，給煤量、熱風(fēng)門開度以及再循環(huán)（冷）風(fēng)門開度作為調(diào)節(jié)變量，而球磨機(jī)料位（磨內(nèi)存煤量）、入口負(fù)壓和出口溫度作為被控量。由于球磨機(jī)系統(tǒng)具有多變量、強(qiáng)耦合、大慣性、純遲延以及模型時(shí)變的特點(diǎn)，就導(dǎo)致了傳統(tǒng)的單回路PID控制系統(tǒng)（即用給煤量控制料位、冷風(fēng)門開度控制入口負(fù)壓、熱風(fēng)門開度控制出口溫度）不能有效地實(shí)施，因?yàn)椴顗嚎刂苹芈泛腿肟谪?fù)壓控制回路、出口溫度控制回路存在嚴(yán)重耦合，磨煤機(jī)入口負(fù)壓的變化會(huì)影響冷熱風(fēng)量的變化，這就造成出口溫度的變化，同時(shí)也影響到差壓。
　　
　　因此，采用這種常用的PID單回路控制強(qiáng)行割裂了各變量之間的關(guān)系，不但得不到好的控制效果，還極容易造成鍋爐燃燒系統(tǒng)的不穩(wěn)定。另外，用給煤量來(lái)控制球磨機(jī)進(jìn)出口差壓，很難保證球磨機(jī)在優(yōu)化區(qū)運(yùn)行而不出現(xiàn)堵磨現(xiàn)象，因此常規(guī)的球磨機(jī)負(fù)荷控制策略應(yīng)用效果并不理想，系統(tǒng)難以長(zhǎng)時(shí)間投入自動(dòng)。
　　
　　2.2解耦控制
　　
　　文獻(xiàn)[1]應(yīng)用Bristol-shinskey方法對(duì)制粉系統(tǒng)球磨機(jī)的耦合進(jìn)行了理論分析，結(jié)論是:不解耦的系統(tǒng)不可能實(shí)現(xiàn)良好的控制，解耦設(shè)計(jì)是必須的。
　　
　　文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了2種補(bǔ)償方法:前饋補(bǔ)償法和三角矩陣法。文獻(xiàn)[2]以振動(dòng)信號(hào)來(lái)表征球磨機(jī)的負(fù)荷，將給煤量設(shè)計(jì)成一個(gè)單回路，對(duì)球磨機(jī)出口溫度和入口負(fù)壓回路則基于多變量頻域設(shè)計(jì)方法，分別給出了反標(biāo)架正規(guī)化（RFN）設(shè)計(jì)方法和逆奈奎斯特陣列（INA）法，其特點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，較易于工程實(shí)現(xiàn)，見圖1。
　　
　　對(duì)球磨機(jī)入口負(fù)壓和出口溫度，文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了3種解耦控制系統(tǒng)，其中工程實(shí)用的靜態(tài)解耦方法是通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定解耦補(bǔ)償函數(shù)，具有一定的實(shí)用性，見圖2。
　　
　　文獻(xiàn)[4]則對(duì)球磨機(jī)入口負(fù)壓和出口溫度控制系統(tǒng)，提出以下改進(jìn)方法:在2個(gè)單回路控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)交叉解耦環(huán)節(jié);在磨煤機(jī)出口溫度控制系統(tǒng)中，加入相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)，可有效克服溫度對(duì)象的大慣性，提高溫度控制系統(tǒng)的品質(zhì)，這一改進(jìn)在南京熱電廠得到應(yīng)用，見圖3。
　　
　　球磨機(jī)是一個(gè)非線性、慢時(shí)變的復(fù)雜工業(yè)對(duì)象，由于參數(shù)的攝動(dòng)會(huì)導(dǎo)致解耦模型的失配，因此如何構(gòu)建具有自適應(yīng)能力或者具有動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模型的解耦模型成為解耦控制的關(guān)鍵。
　　
　　2.3預(yù)測(cè)控制
　　
　　預(yù)測(cè)控制的出發(fā)點(diǎn)和傳統(tǒng)PID控制不同:PID控制是根據(jù)過(guò)程當(dāng)前和過(guò)去的輸出測(cè)量值和設(shè)定值的偏差來(lái)確定當(dāng)前的控制輸入，而預(yù)測(cè)控制不但利用當(dāng)前和過(guò)去的差值，而且還利用預(yù)測(cè)模型來(lái)預(yù)估過(guò)程未來(lái)的偏差值，以滾動(dòng)確定當(dāng)前的zui優(yōu)輸入策略。球磨機(jī)制粉系統(tǒng)是一個(gè)大慣性純遲延的工業(yè)過(guò)程，因此預(yù)測(cè)控制可以很好地解決這一控制難題。文獻(xiàn)[5]采用了模型算法控制（MAC）對(duì)球磨機(jī)進(jìn)行了控制，同時(shí)通過(guò)引入輸出反饋消除靜差，具體MAC控制是由被控系統(tǒng)的內(nèi)部模型、參考模型和控制變量的計(jì)算三大部分組成。其中參考模型用于生成參考軌跡，引導(dǎo)被控對(duì)象的輸出沿著這條期望的平滑的曲線無(wú)超調(diào)的收斂到給定值，采用預(yù)測(cè)二步控制算法求解3個(gè)回路的zui佳控制方案。
　　
　　在文獻(xiàn)[6]中，針對(duì)MAC對(duì)多變量耦合系統(tǒng)解耦時(shí)需要求解大量的線性方程的問題，提出一種新型解耦思想，其核心思想是假設(shè)Y1，Y2、Y3已被解耦是對(duì)立給出的，這樣使預(yù)測(cè)時(shí)域P1、P2、P3和控制時(shí)域M1、M2、M3在不同情況具有不同值。
　　
　　2.4模糊控制
　　
　　模糊控制是一種非線性控制，容易與具體生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相，解決末知模型系統(tǒng)的控制問題，具有良好的穩(wěn)定性和較強(qiáng)的魯棒性，因此非常適合于球磨機(jī)這一復(fù)雜控制對(duì)象。
　　
　　對(duì)于球磨機(jī)這種三輸入三輸出多變量系統(tǒng)，若采用常規(guī)單階模糊控制定會(huì)造成規(guī)則數(shù)過(guò)多:若取m=7,n=6，則規(guī)則個(gè)數(shù)為76=117649個(gè)，這對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)控制的硬件要求非常高，既達(dá)不到實(shí)時(shí)控制的目的，又不能節(jié)省改造成本。因此，可以采用模糊解耦控制，也可采用遞階模糊控制，即第1級(jí)系統(tǒng)看作3個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，計(jì)算器控制作用，第2級(jí)用作對(duì)第1級(jí)的3個(gè)輸出量作調(diào)整，這樣第1級(jí)控制規(guī)則總數(shù)為72×3=147，第2級(jí)控制規(guī)則總數(shù)為73=343，控制規(guī)則總數(shù)為490，大大減少，如圖4所示。
　　
　　模糊控制有比較大的局限性，對(duì)于不同的球磨機(jī)必須采取不同控制算法，此外因球磨機(jī)模型的時(shí)變特性，導(dǎo)致模糊控制沒有良好的魯棒性，使控制系統(tǒng)對(duì)被控對(duì)象的攝動(dòng)反應(yīng)很強(qiáng)烈。因此，模糊控制往往和其他控制算法相結(jié)合，充分利用模糊控制對(duì)系統(tǒng)大偏差時(shí)響應(yīng)迅速、動(dòng)作幅度大的優(yōu)點(diǎn)，加之其他控制算法良好的靜態(tài)性能，達(dá)到理想的控制目的。
　　
　　2.5自尋優(yōu)控制
　　
　　由于磨煤機(jī)的慢時(shí)變特性導(dǎo)致zui佳工況點(diǎn)會(huì)受到各種因素的影響而改變，因此要提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性需要控制系統(tǒng)具有跟蹤zui佳工況點(diǎn)變化而保持zui佳工況的能力。從磨煤機(jī)負(fù)荷特性曲線上可以看到zui佳料位和zui小煤耗是相對(duì)應(yīng)的，因此考慮直接以磨煤機(jī)的單耗減小的方向?yàn)檎{(diào)整目標(biāo)，從而避免考慮了球磨機(jī)內(nèi)存煤量這一難以測(cè)量的參數(shù)。這種控制方法具有良好的魯棒性，無(wú)論是風(fēng)量、煤種還是煤的水分以及鋼球填充率的改變而導(dǎo)致的zui佳料位的漂移，該控制方法都能很好地跟蹤zui佳工況的變化，從而實(shí)現(xiàn)zui小磨煤?jiǎn)魏?。可以采用預(yù)估比較的動(dòng)態(tài)步進(jìn)搜索法，給定一給煤量改變信號(hào)，然后測(cè)量由于信號(hào)改變弓起的磨煤?jiǎn)魏淖兓拇笮『头较?，再按需要的方向和大小調(diào)節(jié)給煤量，見圖5。
　　
　　對(duì)于自尋優(yōu)控制往往采用磨煤?jiǎn)魏淖鳛榭刂频膮⒖紭?biāo)準(zhǔn)，但是出粉量的測(cè)量目前尚是一個(gè)工業(yè)難題，若運(yùn)用給煤量來(lái)代替出粉量，由于系統(tǒng)的時(shí)滯以及非線性必然導(dǎo)致較大誤差，因此自尋優(yōu)并不是自尋zui優(yōu)。由球磨機(jī)運(yùn)行特性曲線可知，在zui佳料位附近前軸瓦振動(dòng)量的變化接近于零，因此可以利用前軸瓦振動(dòng)量的變化作為自尋優(yōu)的參考標(biāo)準(zhǔn)，以提高自尋優(yōu)控制的精度。由于襯瓦波浪線延伸變形，使鋼球與原煤不能升到預(yù)定的角度和高度，鋼球裝載量不足及各種直徑鋼球配比不合理使鋼球與原煤的研磨達(dá)不到理想狀態(tài)，均是造成無(wú)用功增加、出力降低的影響因素。因此，自尋優(yōu)zui優(yōu)值僅是在目前設(shè)備條件下的zui優(yōu)，但不是制粉系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的zui優(yōu)。隨著上述影響磨制出力因素的改善，此zui優(yōu)值會(huì)大大提高，因此選用質(zhì)優(yōu)耐用的襯瓦以及合理的球徑配比和補(bǔ)球策略配合自尋優(yōu)控制能取得非常理想的經(jīng)濟(jì)效益。
　　
　　2.6神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制
　　
　　由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有并行處理、分布存儲(chǔ)、高度容錯(cuò)、自學(xué)習(xí)能力、強(qiáng)魯棒性和強(qiáng)適應(yīng)性特點(diǎn)，而且能夠逼近任意非線性函數(shù)，因此越來(lái)越引起控制界的重視，越來(lái)越多地被運(yùn)用于傳統(tǒng)控制難以解決的復(fù)雜工業(yè)控制過(guò)程中。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不依賴具體數(shù)學(xué)模型，非常適合動(dòng)態(tài)特性隨運(yùn)行工況大范圍變化的對(duì)象，而球磨機(jī)就屬于這類對(duì)象。
　　
　　文獻(xiàn)[9]對(duì)溫度和負(fù)壓采用神經(jīng)元解耦控制器，神經(jīng)元采用Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則和學(xué)習(xí)規(guī)則相結(jié)合，通過(guò)關(guān)聯(lián)搜索對(duì)外界的變化做出相應(yīng)的反應(yīng)，從而達(dá)到了自學(xué)習(xí)的功能，并且具有較好的解耦性能。文獻(xiàn)提出了對(duì)球磨機(jī)系統(tǒng)控制的逆系統(tǒng)控制方案和基于分布式人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的逆系統(tǒng)控制，給出了適于分布式控制的模糊工況劃分方法，并對(duì)逆系統(tǒng)進(jìn)行魯棒PID整合。與按線性控制方法的設(shè)計(jì)結(jié)果相比，可在大范圍內(nèi)克服系統(tǒng)的非線性和強(qiáng)耦合問題，對(duì)于一直難以解決的中間儲(chǔ)倉(cāng)式制粉系統(tǒng)球磨機(jī)的自動(dòng)控制探索了新的方法，見圖6。
　　
　　三、討論
　　
　?。?）球磨機(jī)料位的測(cè)量。在球磨機(jī)控制優(yōu)化方案中，料位是一個(gè)重要的控制參數(shù)，而料位的直接在線測(cè)量一直是工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)中一個(gè)比較棘手的問題。傳統(tǒng)的測(cè)量手段采用磨出入口差壓來(lái)代替料位大小，雖然差壓的大小和料位的高低具有一定程度上的一致性，但由于料位會(huì)受到多個(gè)因素和參數(shù)的影響，因此傳統(tǒng)測(cè)量手段的誤差較大，以至于控制精度達(dá)不到理想的效果。近幾年興起利用音頻或者振動(dòng)測(cè)量法來(lái)測(cè)量球磨機(jī)料位，比傳統(tǒng)手段的精度有了很大的提高，但僅用一個(gè)相關(guān)參數(shù)去表征球磨機(jī)料位肯定是存在較大誤差的，因此可以利用多信息融合技術(shù)軟測(cè)量手段來(lái)測(cè)量球磨機(jī)料位的變化。因此，很多學(xué)者都利用反向傳播（BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)建立測(cè)量模型，即把和球磨機(jī)料位相關(guān)的各個(gè)量（風(fēng)量、壓差、出入口溫度、振動(dòng)量等）作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，球磨機(jī)料位作為輸出，建立測(cè)量模型。當(dāng)然訓(xùn)練和校驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)需要大量的樣本數(shù)據(jù)（要求樣本數(shù)據(jù)要全面而且準(zhǔn)確），這給實(shí)驗(yàn)者帶來(lái)了極大的工作量而且也會(huì)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)帶來(lái)比較大的影響。由于BP網(wǎng)絡(luò)自身收斂速度慢，且訓(xùn)練容易陷入局部zui小，導(dǎo)致模型精度差異較大。建議采用小波理論對(duì)輸入信號(hào)（如振動(dòng)信號(hào)）作相應(yīng)處理，提取特征參數(shù)后再建立模型，甚至用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代替神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)提高軟測(cè)量模型的精度。
　　
　?。?）由于球磨機(jī)制粉系統(tǒng)自身的復(fù)雜性，導(dǎo)致建模的困難，這也就增加了以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的解耦、預(yù)測(cè)等控制方法的使用。由于固定單一的控制規(guī)則或者算法很難取得滿意的控制效果，因此必須綜合考慮，多種控制方法相結(jié)合，各取所長(zhǎng)。例如，考慮到球磨機(jī)制粉系統(tǒng)多變量、強(qiáng)耦合、大慣性、純遲延以及動(dòng)態(tài)模型具有時(shí)變的特點(diǎn)，充分利用模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)非線性對(duì)象具有良好適用能力的特點(diǎn)，通過(guò)和其他控制方法相結(jié)合來(lái)達(dá)到控制和優(yōu)化球磨機(jī)制粉系統(tǒng)的目的。此外，應(yīng)當(dāng)考慮充分結(jié)合當(dāng)前的智能算法，如遺傳算法、粒子群優(yōu)化、免疫優(yōu)化等以提高控制質(zhì)量，達(dá)到既安全又經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)方式。
　　
　?。?）控制策略的制定要充分考慮到球磨機(jī)制粉系統(tǒng)的實(shí)際工況特點(diǎn)，并不是一定要選擇那些先進(jìn)的控制理論和方法，考慮到球磨機(jī)制粉系統(tǒng)作為鍋爐燃燒系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，它的擾動(dòng)會(huì)給全廠的生產(chǎn)運(yùn)行產(chǎn)生影響，因此首先要保證球磨機(jī)制粉系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行，即追求制粉單耗的zui小化和整廠的生產(chǎn)效率要統(tǒng)籌兼顧。實(shí)際運(yùn)行中，系統(tǒng)被調(diào)量允許有一定的波動(dòng)范圍，在設(shè)計(jì)控制策略時(shí)要把這一點(diǎn)考慮進(jìn)去，從而減少運(yùn)行過(guò)程中被調(diào)量的頻繁微調(diào)，既保證了生產(chǎn)的安全又減少了執(zhí)行器的動(dòng)作頻度，有益于提高整個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外，由于對(duì)球磨機(jī)制粉系統(tǒng)控制的改造是在原有電廠分散控制系統(tǒng)（DCS）基礎(chǔ)上進(jìn)行的，因此設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)必須能夠方便實(shí)施，構(gòu)造具有實(shí)用價(jià)值的運(yùn)行支援系統(tǒng)，以充分利用現(xiàn)有DCS的軟硬件資源，尤其要進(jìn)一步考慮基于DCS甚至現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）的運(yùn)行支援系統(tǒng)。
　　
　?。?）目前，各類控制系統(tǒng)的實(shí)施和改造各有不同，有的在原來(lái)基礎(chǔ)上增加工控機(jī)和板卡擴(kuò)展來(lái)實(shí)現(xiàn)，有的增加了小型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，有的借助電廠原有的常用儀器和儀表，僅僅增加其算法與功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是，由于球磨機(jī)制粉系統(tǒng)自身的復(fù)雜性，針對(duì)不同型號(hào)的球磨機(jī)改造需要進(jìn)行大量的重復(fù)工作。目前，我國(guó)發(fā)電廠正朝著大容量大機(jī)組方向發(fā)展，球磨機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行與否更是關(guān)系到全廠生產(chǎn)運(yùn)行的安全和經(jīng)濟(jì)性，因此設(shè)計(jì)一個(gè)具有普遍適應(yīng)性的球磨機(jī)制粉系統(tǒng)控制方案將具有重大意義。