火电厂钢球磨煤机制粉系统自动控制方法
专利名称：火电厂钢球磨煤机制粉系统自动控制方法
技术领域：
本发明涉及一种控制方法，特别是火力发电厂钢球磨煤机制粉系统的自动控制方法。
背景技术：
我国的燃煤火力发电厂中，钢球磨煤机制粉系统应用非常广泛，作为其中关键设备的磨煤机，绝大部分依然运行于人为判断和手工操作的原始状态，磨煤机在运行过程中，堵煤、超温、跑粉、漏风、欠煤等现象时有发生，有时甚至造成设备损坏事故，导致机组停运，给电厂带来很大的经济损失。更重要的是，磨煤机是电厂的耗电大户，其耗电量约占厂用电的20％左右，由于磨煤机目前仍采用人工控制的手段，磨煤机无法一直运行在最佳工况下，造电厂用电消耗大，经济效益差。
制粉系统的电耗主要来自磨煤机和排粉机，而磨煤机的一个重要特点是它的运行电耗与其负荷(磨煤机内存煤量)的关系不大，一般空载功率与最大功率的差值不会超过额定功率的15％，有的会更低，这是因为磨煤机功率主要消耗于转动筒体和提升钢球。用于制粉的通风电耗与出力的关系也不大，最大影响不会超过8％。因此，对制粉系统的优化，就是在一定电耗的情况下，尽量提高磨煤机的出力效率。
国外火力发电厂制粉系统的自动化程度较高，计算机控制技术也得到了普遍的使用，但是国外电厂多采用的是中速磨煤机直吹式制粉系统，与国内广泛采用的钢球磨煤机制粉系统结构不同，无法照搬。
国内也有一部分火力发电厂采用了磨煤机的自动控制装置，除硬件选择上参差不齐外，在控制策略和控制算法上也不尽相同。国内目前对于制粉系统的自动控制大部分仅以磨煤机内存煤量为控制目标来调节给煤量，我们知道，制粉系统的制粉量(即出力)的大小受磨制出力、干燥出力和通风出力三者的限制，如果仅对给煤量的自动调节只是对其磨煤出力实施了控制，而其它两个出力的还是以手动进行操作，虽然在控制算法上，国内也采用了一些先进的控制算法，但由于其是手动配合自动调节，使得从结构上就处于一种半自动的状态，而且没有对三个出力同时优化，最终导致使用效果上也不尽人意。
针对单回路存在的问题，目前对制粉系统的多回路控制的研究也有了长足的发展，所谓多回路即是以提高磨煤出力、干燥出力和通风出力为控制目标，来调节给煤量和风门的开度。相关的控制输入量是内存煤量、出口温度和入口负压，而控制输出量则为给煤量、热风门开度和再循环风门开度(或冷风门开度)。在多回路控制方面，有的采用的是经典的PID算法，该算法是根据内存煤量来控制给煤量、根据出口温度来控制热风门以及根据入口负压来控制，从结构看是将三个回路独立控制，这种模式使控制器设计简单，易于实现。但后期的参数调节，需要设定3套PID参数而且还要互相配合，这就成了一个难点。此外，由于制粉系统的一个主要特点就是其强耦合性，将三个回路独立实施控制，这种方法不仅缺少可靠的理论依据而且在实际中也无法从根本上解决耦合问题。有的采用预测控制或解耦控制算法，但这类控制需要知道控制对象的数学模型，而制粉系统为非线性的复杂系统，其精确的数学模型不易得到，因此使得这类算法不适合推广应用。神经网络不太依赖对控制对象的数学模型，但是，由于神经网络类的算法均需要一个训练集而且其训练过程比较繁琐，而制粉系统在控制的实时性上有一定要求，使得神经网络在实际推广和应用上受到了不少的限制。模糊控制也不需要控制对象的模型，而且其控制规则是建立在专业和操作员的知识和经验上，使其不论从设计还是实施上都简单可行。但是对于这种MIMO系统普通的模糊控制算法也无法直接使用，而多个模糊控制器的组合则又会造成控制算法过于复杂。同时，这类算法都是属于定值控制这一类，因此即使能够保证磨煤机的稳定运行，但却无法使磨煤机运行在最大出力点的附近，从而达不到节能的效果。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种火电厂钢球磨煤机制粉系统自动控制方法，该方法通过对给煤量、热风门开度和再循环风门开度(或冷风门开度)的调节使得制粉系统在安全稳定的前提下一直在最佳方式下运行。这样不仅为锅炉系统的优质燃烧提供了有效保证，而且能够提高火电厂的经济效益。
为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案火电厂钢球磨煤机制粉系统自动控制方法，其特征在于，该方法采用上层自寻优算法和下层多维模糊控制器相结合的双层控制结构，上层自寻优算法通过比较器和多维模糊控制器连接，由多维模糊控制器控制配料环节，从而实现给料量、热风门开度和再循环风门开度(或冷风门开度)的自动调节；上层自寻优算法找出最佳的磨煤机内存煤量值、最佳的磨煤机出口温度值和最佳的磨煤机入口负压值，待三个量达到设定值后，取一段时间作为自寻优算法的统计周期，计算目标函数值，并比较目标函数的变化，确定是否更优，并决定下一次三个设定值的改变；下层的多维模糊控制器使用多维模糊控制算法，同时对给煤量，热风门开度和再循环风门开度或者冷风门开度进行自动调节，使制粉系统一直在最佳工况下运行。
采用本发明的方法，可以使得火电厂钢球磨煤机制粉系统安全可靠的运行为锅炉系统的优质燃烧提供了有效保证，而且可以使制粉系统下一直在最佳方式下运行，从而提高了经济效益，使粉尘污染和噪声污染有所改善，可有效降低磨体震动、防止磨机满灌和断料，杜绝事故的发生，减轻工人劳动强度，减少维护量，改善工作环境，因此还具有显著的社会和生态效益。
图1是磨煤机的工作特性曲线；其中曲线1-功率特性曲线2-出力特性；图2是自寻优的多维模糊控制器；图3是自寻优算法流程图；图4是数字式多功能磨机负荷监测仪结构组成框图；图5是数字式多功能磨机负荷监测仪的组成原理图；图6是监测仪的滤波有效值转换电路原理图；图7是监测仪的电压电流输出电路原理图。
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
具体实施例方式
参见图1，磨煤机的运行规律可以通过其工作特性曲线直观地反映出来。从图中曲线2可以看出一个很重要的事实是，磨煤机的出力并不随着其内存煤量的增加而单调增大，磨煤机的功率也不是随着其内存煤量的增加而单调增大，因此磨煤机在运行过程中，出力与存煤量之间确实存在着极值特性。
火电厂钢球磨煤机制粉系统自动控制方法，采用的是一种双层控制结构，上层是自寻优算法而下层采用的是多维模糊控制算法，具体控制框图见附图2。上层自寻优算法同时改变磨煤机内存煤量、磨煤机出口温度值和磨煤机入口负压的设定值，下层根据这三个设定值进行控制，待三个量达到设定值后，取一段时间作为自寻优算法的统计周期，计算目前磨煤机出力综合评价函数。比较出力综合评价函数的变化，确定是否更优，并决定下一次三个设定值的改变，具体控制算法流程见附图3。下层使用多维模糊控制算法，以磨煤机内存煤量的偏差、磨煤机出口温度的偏差和磨煤机入口负压的偏差作为输入量而输出变量是给煤量、热风门开度和再循环风门开度(或冷风门开度)。每个变量对应的语言变量的论域均选择[-2，-1，0，1，2，]，而语言值均选择[NB，NS，ZO，PS，PB]，分别代表负大、负小、零、正小、正大。模糊规则根据专家的知识和技术人员的经验建立，因此这种多维模糊控制算法，不仅可以解决耦合严重的问题而且其鲁棒性也很强。
由于集散型控制系统(即DCS)是火电厂目前主选的控制方案，故采用DCS实现本发明的控制方法，可以将信号采集和预处理、多维模糊控制算法和自寻优算法等各种自动化功能成为一个统一的系统。此外，国内大部分电厂的制粉系统是热风送粉系统，所以具体实例就以热风送粉系统为对象，而对于乏气送粉的系统，只需用冷风门代替再循环风门作为控制输出量即可。
球磨机内存料量的检测采用申请人自行开发的数字式多功能磨机负荷监测仪。该数字式多功能磨机负荷监测仪的结构如图4所示，其电路部分包括用于提供±15V、±5V、+3.3V输出的电源模块8、用于提供+2.5V参考电压的电压基准电路15，还包括有电流信号1、声音传感器2、信号匹配器3、信号滤波器4、RMS-DC转换器5、AD转换器6、微控制器7、LCD显示电路9、通讯电路10、参数存储器11、DA转换器12、电压和电流转换器13和系统监控电路14；声音传感器2采集的两路噪音信号的输出与信号匹配电路3的输入相连，信号匹配器3的输出与信号滤波器4的输入相连，信号滤波器4的输出与RMS-DC转换器5的输入相连，RMS-DC转换器5的输出与AD转换器6的输入相连，电流信号1的输出也和AD转换6的输入相连，电压基准电路15输出的+2.5V参考电源与AD转换器6和DA转换器12的参考源输入端相连，LCD显示模块9与微控制器7相连，RS485通讯模块10与微控制器7相连，参数存储器11与微控制器7相连，DA转换器12与微控制器7相连，DA转换器12的输出与电压和电流转换器(UI转换器)13相连，系统监控电路14与微控制器7相连；电源电路8输入为+24V，输出为+15V，-15V，+5V，-5V，+3.3V。
参照图5所示，声音传感器2的信号输入包括2路声音信号，其中一路为磨机噪音，一路为背景噪音，两路声音信号分别进入信号匹配器3中的AD620同相输入端，通过电位器RG1调整放大倍数，经AD620放大和阻抗匹配后的信号输入到信号滤波器MAX267中，MAX267为集成4阶带通滤波器，可通过数字端口设定中心频率fo和品质因数Q。经过带通滤波后的有用频段信号输入到RMS-DC转换器，该转换器采用AD637实现，可将输入交流信号计算转换成有效值，以直流信号方式输出，供AD采样。磨机电流输入信号为4～20mA，经过电阻转换成0.5～2.5V电压信号后，输入到AD采样获得电流值。系统中AD转换和DA转换器的电压参考采用+2.5V，由MAX6102提供，该电压基准电路为三端器件，输入+5V，输出为+2.5V。
系统的监控电路和参数存储器采用X5043实现，其内有4kb的EEPROM，用来存储各种参数。所有参数均能够通过上位机通讯方式下装，便于仪器整定。
监控芯片X5043对系统运行及电源情况进行监控，确保仪器可靠稳定运行；在系统死机的情况下，能够迅速复位，使得仪器重新工作。它与微控制器的接口为4线制SPI接口，其中/CS为片选端，SCK为时钟端，SI为数据输入端，SO为数据输出端；X5043在上电及看门狗时间溢出时，在/RST端输出低电平复位信号，该信号与微控制器的/RESET端相连。系统的显示器采用SMS0801段式LCD实现，该LCD控制器与微控制器之间采用串行控制方式，其中CLK为时钟端，DI为数据端。系统的通讯电路采用MAX3485实现，采用半双工方式，其与微控制器UART异步通讯口相连，其中RXD为数据接收端，TXD为数据发送端，RTC为收发控制端，当RTC＝1时为发送状态，RTC＝0时为接收状态。系统的电压输出采用微控制器集成的DA转换器实现，输出信号范围为0～2.5V，经过AD620放大2倍后作为电压输出方式信号，同时该信号输入到XTR110的输入端，转换为4～20mA电流。
参照图6所示，信号VIN经过电阻R5输入到滤波芯片MAX267中的运放输入端4，MAX267中含有两个二阶带通滤波器，内部运放输出端通过电阻R6反馈到输入端4，输出同时接到第一个带通滤波器的信号输入端5，带通信号输出端2接第二个带通滤波器的输入1，输出端24通过电阻R7、电容C4反馈到运放输入端4。带通滤波器的时钟通过晶体Y1获得，晶体Y1两端分别接MAX267的11端和12端、18端。中心频率fo通过F0～F4共5个输入端调整，该5个端子与拨码开关相连；品质因数Q通过Q0～Q6共7个输入端调整，该7个端子与拨码开关相连。带通滤波器的输出信号BPB经过隔直电容后与AD637的13端相连，AD637的平均时间常数通过平均电容C7实现，该电容一端与AD637的8端连接，另一端与AD637的6端和9端相连。电阻R8，C5，R9，C10与AD637中的缓冲器构成滤波器，可有效消除输出信号中的纹波。
参照图7所示，DAC输出信号为0～2.5V，该信号与AD620的3号端相连，经过AD620放大2倍后，信号变为0～5V；其放大倍数通过电位器RG3调整。由于信号并不需要直流偏置，因此AD620的参考输入端REF接地。AD620的信号输出端6作为仪器的电压输出，同时连接到电压/电流转换模块XTR110的输入端5，该端接受0～5V信号。XTR110的3端与12端、15端相连，这样内部的10V精准电源可以为电路提供电压偏置。XTR110的14端与MOSFET的G端相连，XTR110的1端和13端短接后与MOSFET的S端相连，XTR110的D端向负载提供电流，最大负载不超过500欧姆。
为了进行参数调整方便，采用C++语言开发了参数整定软件，与负荷监测仪通过RS485通讯实现数据交换，可以方便的对负荷监测仪进行参数整定及调整。
该数字式的多功能磨机负荷监测仪在磨机启动时，首先根据空磨时的磨机电流和磨机噪音，判断磨机是否缺少钢球，一旦缺少钢球，给出缺钢球报警信息，同时根据已存储的先验数据给出当前钢球装载量和应补充钢球量的参考值。在磨机运转时，磨机噪音和背景噪音通过信号匹配器调整放大后，进入滤波及有效值转换电路，获得噪音的能量信息和分贝信息，微处理器通过采样单元接收这些信号，计算获得相关结果，并通过LCD、RS485通讯以及电压/电流方式输出。
该数字式多功能磨机负荷监测仪，将内存煤量信号转换成4～20mA的标准信号输入到DCS。而其它输入信号采用市面上比较成熟的传感器和变送器。
由工业现场来的信号难免会包含一些噪音，所以DCS针对这写信号的不同类型采用不同的滤波算法来进行预处理，以保证后面控制算法能够准确的实施。具体的滤波算法如下●磨机负荷；在模拟量采集模块设置平均值滤波(128点，根据采集速度适当调整)，DPU采集速率为500ms(如有可能尽量提高)，设置一阶惯性滤波，公式为y(k)＝αx(k)+(1-α)y(k-1)其中，y(k)为本次最终结果，y(k-1)为上次最终结果，x(k)为本次实时测量值，α为滤波系数。滤波系数设置为0.05(可修改)；●入口负压；在模拟量采集模块设置平均值滤波(128点，根据采集速度适当调整)，视信号波动量大小，在DPU中设置滑动平均滤波或一阶惯性滤波(一阶惯性滤波公式磨机负荷)；●出口温度；在模拟量采集模块设置平均值滤波(64点，根据采集速度适当调整)；
●称重信号；在模拟量采集模块设置平均值滤波(64点，根据采集速度适当调整)；●制粉系统通风量；在模拟量采集模块设置平均值滤波(64点，根据采集速度适当调整)。
DCS组态主要实现的有两部分，一个是自寻优算法和一个多维模糊控制算法。下层使用的多维模糊控制算法，以磨煤机内存煤量的偏差、磨煤机出口温度的偏差和磨煤机入口负压的偏差作为输入量，其中偏差＝设定值-测量值，当前磨机负荷的设定值为80％，出口温度的设定值为61℃，入口负压的设定值为-300Pa。而输出变量是给煤量(吨)、热风门开度(％)和再循环风门开度(％)。
记磨煤机内存煤量的偏差为fhe、磨煤机出口温度的偏差为cwe，磨煤机入口负压的偏差为rfe，给煤量为gm、热风门开度为hf，再循环风门开度为zf。以上变量所对应的语言变量分别为FHE、CWE、RFE、GM、；HF和ZF。输入变量和输出变量的值域不同，每个变量对应的语言变量的论域均选择[-2，-1，0，1，2]，具体的变化公式如下 其中，[·]为取整算子。
每个变量对应的语言变量的语言值均选择[NB，NS，ZO，PS，PB]，分别代表负大、负小、零、正小、正大。模糊规则和隶属度的选择均根据专家的知识和技术人员的经验建立。隶属度函数有连续和离散两种形式，对于DCS系统，采用离散形式的隶属度函数更易于程序上的编写。为了便于实现，可将磨煤机内存煤量的偏差、磨煤机出口温度的偏差、磨煤机入口负压的偏差、给煤量、热风门开度和再循环风门的开度均采用统一的离散型隶属度函数，如表1～6所示。
表1 FHE隶属度赋值表
表2 CWE隶属度赋值表
表3 RFE隶属度赋值表
表4 GM隶属度赋值表
表5 HF隶属度赋值表
表6 SF隶属度赋值表
普通的模糊控制规则是以表格的形式出现，而由于本发明中的模糊控制器的输入是三个变量，则其模糊规则实为一个规则立方体，根据专家的知识和运行人员的经验可得到该规则立方体，但规则立方体在表述上比较复杂，所以将该立方体转化为一系列的“If…Then…”语句，如附录1所示。然后应用最大隶属度法去模糊化，即可得到模糊控制查询表，如附录2所示。最后，将控制查询表，通过DCS的程序组态即可实现。实际控制时，输入型号经过变化后，通过查询控制查询表，立即可以得到输出量的语言等级值，再将等级值，根据以下公式
得到实际使用值，然后输出给对应的执行机构。
自寻优算法的编制根据图3表示的流程图。上层自寻优算法同时改变磨煤机内存煤量、磨煤机出口温度值和磨煤机入口负压的设定值，下层根据这三个设定值进行控制。当前磨机负荷的设定值为80％，出口温度的设定值为58℃，入口负压的设定值为-400Pa。实时测量磨机负荷、出口温度和入口负压，将这三个量的偏差进行归一化
然后，判断三个数据是否都小于阈值0.1(可修改)，如果小于，证明系统在当前设定值下已经稳定。
接着在系统稳定的情况下，累计给煤机的给煤量(吨)、出口温度(℃)和通风量(标准立方米/小时)，统计周期为5分钟(可修改)，然后取平均，用平均值表征磨煤出力、干燥出力和通风出力。再将称重平均值、出口温度平均值和通风量平均值进行归一化处理，归一化公式如下 用归一化后的数据计算磨煤机出力综合评价函数。
出力综合评价函数等于磨煤出力、干燥出力和通风出力的加权平均值，出力综合评价函数公式如下P=k1·pmm+k2·pgz+k1·ptfk1+k2+k3]]>式中P为出力综合评价函数，pmm为磨煤出力，pgz为干燥出力和ptf为通风出力，k1、k2和k3分别为磨煤出力系数、干燥出力系数和为通风出力系数。将磨煤出力系数设置为0.6、干燥出力系数设置为0.2和为通风出力系数设置为0.2(可根据实际进行微调)。
接着，比较出力综合评价函数数值的变化，如果出力综合评价数值较上一次无变化，则设定值不做修改。如果出力综合评价数值小于上一次的，则说明目前系统的运行不在最优状态，需要以固定的寻优步长修改下层控制算法的设定值。磨机负荷设定值的寻优步长为3％(可修改)，出口温度的寻优步长为0.5℃(可修改)，入口负压的寻优步长为30Pa(可修改)。
自寻优算法在每个周期起始时，增加(或减少)三个设定值，将修改后设定值发送给下层控制器，下层的多维模糊控制器则以新的设定值作为控制目标对相应变量进行调节。待系统稳定后，计算出力综合评价函数，如果数值变小，说明设定值修改的方向不妥，则在需要减少(或增加)设定值；如果出力综合评价函数数值变大，则继续增加设定值，知道寻找到最佳的设定值。
这样，DCS系统通过自寻优算法找出最佳的磨煤机内存煤量值、最佳的磨煤机出口温度值和最佳的磨煤机入口负压值，并以这三个最优值为控制设定值，通过多维模糊控制算法同时对给煤量，热风门开度和再循环风门开度(锅炉系统是热风送粉系统)或者冷风门开度(锅炉系统是乏气送粉系统)进行自动调节，使制粉系统一直在最佳工况下运行。
对于没有采用DCS方案的火电厂，可以采用PLC或者控制模块和工控机组成小型的DCS系统，在PLC或者控制模块中实现多维模糊控制算法，在工控机中应用组态软件实现自寻优算法。
附录1 模糊规则表
附录2 模糊控制查询表
权利要求
1.火电厂钢球磨煤机制粉系统自动控制方法，其特征在于，该方法采用上层自寻优算法和下层多维模糊控制器相结合的双层控制结构，上层自寻优算法通过比较器和多维模糊控制器连接，由多维模糊控制器控制配料环节，从而实现给料量、热风门开度和再循环风门开度的自动调节；上层自寻优算法找出最佳的磨煤机内存煤量值、最佳的磨煤机出口温度值和最佳的磨煤机入口负压值，待三个量达到设定值后，取一段时间作为自寻优算法的统计周期，计算目标函数值，并比较目标函数的变化，确定是否更优，并决定下一次三个设定值的改变；下层的多维模糊控制器使用多维模糊控制算法，同时对给煤量，热风门开度和再循环风门开度或者冷风门开度进行自动调节，使制粉系统一直在最佳工况下运行。
2.如权利要求1所述的火电厂钢球磨煤机制粉系统自动控制方法，其特征在于，所述的目标函数是磨煤机出力综合评价函数，出力综合评价函数等于磨煤出力、干燥出力和通风出力的加权平均值，即P=k1·pmm+k2·pgz+k1·ptfk1+k2+k3]]>式中P为出力综合评价函数，pmm为磨煤出力，pgz为干燥出力和ptf为通风出力，k1、k2和k3分别为磨煤出力系数、干燥出力系数和为通风出力系数。
全文摘要
本发明涉及是火力发电厂钢球磨煤机制粉系统的自动控制方法。该方法采用双层控制结构，上层是自寻优算法而下层采用的是多维模糊控制算法。上层自寻优算法找出最佳的磨煤机内存煤量值、最佳的磨煤机出口温度值和最佳的磨煤机入口负压值，并以这三个最优值为控制设定值，通过多维模糊控制算法同时对给煤量，热风门开度和再循环风门开度或冷风门开度进行自动调节，使得火电厂钢球磨煤机制粉系统安全可靠的运行提供了有效保证，而且可以使制粉系统下一直在最佳方式下运行，可有效降低磨煤机震动、防止磨煤机满灌和断料，杜绝事故的发生，减轻工人劳动强度，减少维护量，改善工作环境，并使粉尘污染和噪声污染有所改善，具有显著的社会和经济效益。
文档编号B02C17/00GK1836785SQ20061004271
公开日2006年9月27日 申请日期2006年4月24日 优先权日2006年4月24日
发明者张彦斌, 贾立新, 曹晖, 司刚全, 赵德生 申请人:西安交通大学, 西安桑瑞自动化有限责任公司
技术领域：
本发明涉及一种控制方法，特别是火力发电厂钢球磨煤机制粉系统的自动控制方法。
背景技术：
我国的燃煤火力发电厂中，钢球磨煤机制粉系统应用非常广泛，作为其中关键设备的磨煤机，绝大部分依然运行于人为判断和手工操作的原始状态，磨煤机在运行过程中，堵煤、超温、跑粉、漏风、欠煤等现象时有发生，有时甚至造成设备损坏事故，导致机组停运，给电厂带来很大的经济损失。更重要的是，磨煤机是电厂的耗电大户，其耗电量约占厂用电的20％左右，由于磨煤机目前仍采用人工控制的手段，磨煤机无法一直运行在最佳工况下，造电厂用电消耗大，经济效益差。
制粉系统的电耗主要来自磨煤机和排粉机，而磨煤机的一个重要特点是它的运行电耗与其负荷(磨煤机内存煤量)的关系不大，一般空载功率与最大功率的差值不会超过额定功率的15％，有的会更低，这是因为磨煤机功率主要消耗于转动筒体和提升钢球。用于制粉的通风电耗与出力的关系也不大，最大影响不会超过8％。因此，对制粉系统的优化，就是在一定电耗的情况下，尽量提高磨煤机的出力效率。
国外火力发电厂制粉系统的自动化程度较高，计算机控制技术也得到了普遍的使用，但是国外电厂多采用的是中速磨煤机直吹式制粉系统，与国内广泛采用的钢球磨煤机制粉系统结构不同，无法照搬。
国内也有一部分火力发电厂采用了磨煤机的自动控制装置，除硬件选择上参差不齐外，在控制策略和控制算法上也不尽相同。国内目前对于制粉系统的自动控制大部分仅以磨煤机内存煤量为控制目标来调节给煤量，我们知道，制粉系统的制粉量(即出力)的大小受磨制出力、干燥出力和通风出力三者的限制，如果仅对给煤量的自动调节只是对其磨煤出力实施了控制，而其它两个出力的还是以手动进行操作，虽然在控制算法上，国内也采用了一些先进的控制算法，但由于其是手动配合自动调节，使得从结构上就处于一种半自动的状态，而且没有对三个出力同时优化，最终导致使用效果上也不尽人意。
针对单回路存在的问题，目前对制粉系统的多回路控制的研究也有了长足的发展，所谓多回路即是以提高磨煤出力、干燥出力和通风出力为控制目标，来调节给煤量和风门的开度。相关的控制输入量是内存煤量、出口温度和入口负压，而控制输出量则为给煤量、热风门开度和再循环风门开度(或冷风门开度)。在多回路控制方面，有的采用的是经典的PID算法，该算法是根据内存煤量来控制给煤量、根据出口温度来控制热风门以及根据入口负压来控制，从结构看是将三个回路独立控制，这种模式使控制器设计简单，易于实现。但后期的参数调节，需要设定3套PID参数而且还要互相配合，这就成了一个难点。此外，由于制粉系统的一个主要特点就是其强耦合性，将三个回路独立实施控制，这种方法不仅缺少可靠的理论依据而且在实际中也无法从根本上解决耦合问题。有的采用预测控制或解耦控制算法，但这类控制需要知道控制对象的数学模型，而制粉系统为非线性的复杂系统，其精确的数学模型不易得到，因此使得这类算法不适合推广应用。神经网络不太依赖对控制对象的数学模型，但是，由于神经网络类的算法均需要一个训练集而且其训练过程比较繁琐，而制粉系统在控制的实时性上有一定要求，使得神经网络在实际推广和应用上受到了不少的限制。模糊控制也不需要控制对象的模型，而且其控制规则是建立在专业和操作员的知识和经验上，使其不论从设计还是实施上都简单可行。但是对于这种MIMO系统普通的模糊控制算法也无法直接使用，而多个模糊控制器的组合则又会造成控制算法过于复杂。同时，这类算法都是属于定值控制这一类，因此即使能够保证磨煤机的稳定运行，但却无法使磨煤机运行在最大出力点的附近，从而达不到节能的效果。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种火电厂钢球磨煤机制粉系统自动控制方法，该方法通过对给煤量、热风门开度和再循环风门开度(或冷风门开度)的调节使得制粉系统在安全稳定的前提下一直在最佳方式下运行。这样不仅为锅炉系统的优质燃烧提供了有效保证，而且能够提高火电厂的经济效益。
为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案火电厂钢球磨煤机制粉系统自动控制方法，其特征在于，该方法采用上层自寻优算法和下层多维模糊控制器相结合的双层控制结构，上层自寻优算法通过比较器和多维模糊控制器连接，由多维模糊控制器控制配料环节，从而实现给料量、热风门开度和再循环风门开度(或冷风门开度)的自动调节；上层自寻优算法找出最佳的磨煤机内存煤量值、最佳的磨煤机出口温度值和最佳的磨煤机入口负压值，待三个量达到设定值后，取一段时间作为自寻优算法的统计周期，计算目标函数值，并比较目标函数的变化，确定是否更优，并决定下一次三个设定值的改变；下层的多维模糊控制器使用多维模糊控制算法，同时对给煤量，热风门开度和再循环风门开度或者冷风门开度进行自动调节，使制粉系统一直在最佳工况下运行。
采用本发明的方法，可以使得火电厂钢球磨煤机制粉系统安全可靠的运行为锅炉系统的优质燃烧提供了有效保证，而且可以使制粉系统下一直在最佳方式下运行，从而提高了经济效益，使粉尘污染和噪声污染有所改善，可有效降低磨体震动、防止磨机满灌和断料，杜绝事故的发生，减轻工人劳动强度，减少维护量，改善工作环境，因此还具有显著的社会和生态效益。
图1是磨煤机的工作特性曲线；其中曲线1-功率特性曲线2-出力特性；图2是自寻优的多维模糊控制器；图3是自寻优算法流程图；图4是数字式多功能磨机负荷监测仪结构组成框图；图5是数字式多功能磨机负荷监测仪的组成原理图；图6是监测仪的滤波有效值转换电路原理图；图7是监测仪的电压电流输出电路原理图。
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
具体实施例方式
参见图1，磨煤机的运行规律可以通过其工作特性曲线直观地反映出来。从图中曲线2可以看出一个很重要的事实是，磨煤机的出力并不随着其内存煤量的增加而单调增大，磨煤机的功率也不是随着其内存煤量的增加而单调增大，因此磨煤机在运行过程中，出力与存煤量之间确实存在着极值特性。
火电厂钢球磨煤机制粉系统自动控制方法，采用的是一种双层控制结构，上层是自寻优算法而下层采用的是多维模糊控制算法，具体控制框图见附图2。上层自寻优算法同时改变磨煤机内存煤量、磨煤机出口温度值和磨煤机入口负压的设定值，下层根据这三个设定值进行控制，待三个量达到设定值后，取一段时间作为自寻优算法的统计周期，计算目前磨煤机出力综合评价函数。比较出力综合评价函数的变化，确定是否更优，并决定下一次三个设定值的改变，具体控制算法流程见附图3。下层使用多维模糊控制算法，以磨煤机内存煤量的偏差、磨煤机出口温度的偏差和磨煤机入口负压的偏差作为输入量而输出变量是给煤量、热风门开度和再循环风门开度(或冷风门开度)。每个变量对应的语言变量的论域均选择[-2，-1，0，1，2，]，而语言值均选择[NB，NS，ZO，PS，PB]，分别代表负大、负小、零、正小、正大。模糊规则根据专家的知识和技术人员的经验建立，因此这种多维模糊控制算法，不仅可以解决耦合严重的问题而且其鲁棒性也很强。
由于集散型控制系统(即DCS)是火电厂目前主选的控制方案，故采用DCS实现本发明的控制方法，可以将信号采集和预处理、多维模糊控制算法和自寻优算法等各种自动化功能成为一个统一的系统。此外，国内大部分电厂的制粉系统是热风送粉系统，所以具体实例就以热风送粉系统为对象，而对于乏气送粉的系统，只需用冷风门代替再循环风门作为控制输出量即可。
球磨机内存料量的检测采用申请人自行开发的数字式多功能磨机负荷监测仪。该数字式多功能磨机负荷监测仪的结构如图4所示，其电路部分包括用于提供±15V、±5V、+3.3V输出的电源模块8、用于提供+2.5V参考电压的电压基准电路15，还包括有电流信号1、声音传感器2、信号匹配器3、信号滤波器4、RMS-DC转换器5、AD转换器6、微控制器7、LCD显示电路9、通讯电路10、参数存储器11、DA转换器12、电压和电流转换器13和系统监控电路14；声音传感器2采集的两路噪音信号的输出与信号匹配电路3的输入相连，信号匹配器3的输出与信号滤波器4的输入相连，信号滤波器4的输出与RMS-DC转换器5的输入相连，RMS-DC转换器5的输出与AD转换器6的输入相连，电流信号1的输出也和AD转换6的输入相连，电压基准电路15输出的+2.5V参考电源与AD转换器6和DA转换器12的参考源输入端相连，LCD显示模块9与微控制器7相连，RS485通讯模块10与微控制器7相连，参数存储器11与微控制器7相连，DA转换器12与微控制器7相连，DA转换器12的输出与电压和电流转换器(UI转换器)13相连，系统监控电路14与微控制器7相连；电源电路8输入为+24V，输出为+15V，-15V，+5V，-5V，+3.3V。
参照图5所示，声音传感器2的信号输入包括2路声音信号，其中一路为磨机噪音，一路为背景噪音，两路声音信号分别进入信号匹配器3中的AD620同相输入端，通过电位器RG1调整放大倍数，经AD620放大和阻抗匹配后的信号输入到信号滤波器MAX267中，MAX267为集成4阶带通滤波器，可通过数字端口设定中心频率fo和品质因数Q。经过带通滤波后的有用频段信号输入到RMS-DC转换器，该转换器采用AD637实现，可将输入交流信号计算转换成有效值，以直流信号方式输出，供AD采样。磨机电流输入信号为4～20mA，经过电阻转换成0.5～2.5V电压信号后，输入到AD采样获得电流值。系统中AD转换和DA转换器的电压参考采用+2.5V，由MAX6102提供，该电压基准电路为三端器件，输入+5V，输出为+2.5V。
系统的监控电路和参数存储器采用X5043实现，其内有4kb的EEPROM，用来存储各种参数。所有参数均能够通过上位机通讯方式下装，便于仪器整定。
监控芯片X5043对系统运行及电源情况进行监控，确保仪器可靠稳定运行；在系统死机的情况下，能够迅速复位，使得仪器重新工作。它与微控制器的接口为4线制SPI接口，其中/CS为片选端，SCK为时钟端，SI为数据输入端，SO为数据输出端；X5043在上电及看门狗时间溢出时，在/RST端输出低电平复位信号，该信号与微控制器的/RESET端相连。系统的显示器采用SMS0801段式LCD实现，该LCD控制器与微控制器之间采用串行控制方式，其中CLK为时钟端，DI为数据端。系统的通讯电路采用MAX3485实现，采用半双工方式，其与微控制器UART异步通讯口相连，其中RXD为数据接收端，TXD为数据发送端，RTC为收发控制端，当RTC＝1时为发送状态，RTC＝0时为接收状态。系统的电压输出采用微控制器集成的DA转换器实现，输出信号范围为0～2.5V，经过AD620放大2倍后作为电压输出方式信号，同时该信号输入到XTR110的输入端，转换为4～20mA电流。
参照图6所示，信号VIN经过电阻R5输入到滤波芯片MAX267中的运放输入端4，MAX267中含有两个二阶带通滤波器，内部运放输出端通过电阻R6反馈到输入端4，输出同时接到第一个带通滤波器的信号输入端5，带通信号输出端2接第二个带通滤波器的输入1，输出端24通过电阻R7、电容C4反馈到运放输入端4。带通滤波器的时钟通过晶体Y1获得，晶体Y1两端分别接MAX267的11端和12端、18端。中心频率fo通过F0～F4共5个输入端调整，该5个端子与拨码开关相连；品质因数Q通过Q0～Q6共7个输入端调整，该7个端子与拨码开关相连。带通滤波器的输出信号BPB经过隔直电容后与AD637的13端相连，AD637的平均时间常数通过平均电容C7实现，该电容一端与AD637的8端连接，另一端与AD637的6端和9端相连。电阻R8，C5，R9，C10与AD637中的缓冲器构成滤波器，可有效消除输出信号中的纹波。
参照图7所示，DAC输出信号为0～2.5V，该信号与AD620的3号端相连，经过AD620放大2倍后，信号变为0～5V；其放大倍数通过电位器RG3调整。由于信号并不需要直流偏置，因此AD620的参考输入端REF接地。AD620的信号输出端6作为仪器的电压输出，同时连接到电压/电流转换模块XTR110的输入端5，该端接受0～5V信号。XTR110的3端与12端、15端相连，这样内部的10V精准电源可以为电路提供电压偏置。XTR110的14端与MOSFET的G端相连，XTR110的1端和13端短接后与MOSFET的S端相连，XTR110的D端向负载提供电流，最大负载不超过500欧姆。
为了进行参数调整方便，采用C++语言开发了参数整定软件，与负荷监测仪通过RS485通讯实现数据交换，可以方便的对负荷监测仪进行参数整定及调整。
该数字式的多功能磨机负荷监测仪在磨机启动时，首先根据空磨时的磨机电流和磨机噪音，判断磨机是否缺少钢球，一旦缺少钢球，给出缺钢球报警信息，同时根据已存储的先验数据给出当前钢球装载量和应补充钢球量的参考值。在磨机运转时，磨机噪音和背景噪音通过信号匹配器调整放大后，进入滤波及有效值转换电路，获得噪音的能量信息和分贝信息，微处理器通过采样单元接收这些信号，计算获得相关结果，并通过LCD、RS485通讯以及电压/电流方式输出。
该数字式多功能磨机负荷监测仪，将内存煤量信号转换成4～20mA的标准信号输入到DCS。而其它输入信号采用市面上比较成熟的传感器和变送器。
由工业现场来的信号难免会包含一些噪音，所以DCS针对这写信号的不同类型采用不同的滤波算法来进行预处理，以保证后面控制算法能够准确的实施。具体的滤波算法如下●磨机负荷；在模拟量采集模块设置平均值滤波(128点，根据采集速度适当调整)，DPU采集速率为500ms(如有可能尽量提高)，设置一阶惯性滤波，公式为y(k)＝αx(k)+(1-α)y(k-1)其中，y(k)为本次最终结果，y(k-1)为上次最终结果，x(k)为本次实时测量值，α为滤波系数。滤波系数设置为0.05(可修改)；●入口负压；在模拟量采集模块设置平均值滤波(128点，根据采集速度适当调整)，视信号波动量大小，在DPU中设置滑动平均滤波或一阶惯性滤波(一阶惯性滤波公式磨机负荷)；●出口温度；在模拟量采集模块设置平均值滤波(64点，根据采集速度适当调整)；
●称重信号；在模拟量采集模块设置平均值滤波(64点，根据采集速度适当调整)；●制粉系统通风量；在模拟量采集模块设置平均值滤波(64点，根据采集速度适当调整)。
DCS组态主要实现的有两部分，一个是自寻优算法和一个多维模糊控制算法。下层使用的多维模糊控制算法，以磨煤机内存煤量的偏差、磨煤机出口温度的偏差和磨煤机入口负压的偏差作为输入量，其中偏差＝设定值-测量值，当前磨机负荷的设定值为80％，出口温度的设定值为61℃，入口负压的设定值为-300Pa。而输出变量是给煤量(吨)、热风门开度(％)和再循环风门开度(％)。
记磨煤机内存煤量的偏差为fhe、磨煤机出口温度的偏差为cwe，磨煤机入口负压的偏差为rfe，给煤量为gm、热风门开度为hf，再循环风门开度为zf。以上变量所对应的语言变量分别为FHE、CWE、RFE、GM、；HF和ZF。输入变量和输出变量的值域不同，每个变量对应的语言变量的论域均选择[-2，-1，0，1，2]，具体的变化公式如下 其中，[·]为取整算子。
每个变量对应的语言变量的语言值均选择[NB，NS，ZO，PS，PB]，分别代表负大、负小、零、正小、正大。模糊规则和隶属度的选择均根据专家的知识和技术人员的经验建立。隶属度函数有连续和离散两种形式，对于DCS系统，采用离散形式的隶属度函数更易于程序上的编写。为了便于实现，可将磨煤机内存煤量的偏差、磨煤机出口温度的偏差、磨煤机入口负压的偏差、给煤量、热风门开度和再循环风门的开度均采用统一的离散型隶属度函数，如表1～6所示。
表1 FHE隶属度赋值表
表2 CWE隶属度赋值表
表3 RFE隶属度赋值表
表4 GM隶属度赋值表
表5 HF隶属度赋值表
表6 SF隶属度赋值表
普通的模糊控制规则是以表格的形式出现，而由于本发明中的模糊控制器的输入是三个变量，则其模糊规则实为一个规则立方体，根据专家的知识和运行人员的经验可得到该规则立方体，但规则立方体在表述上比较复杂，所以将该立方体转化为一系列的“If…Then…”语句，如附录1所示。然后应用最大隶属度法去模糊化，即可得到模糊控制查询表，如附录2所示。最后，将控制查询表，通过DCS的程序组态即可实现。实际控制时，输入型号经过变化后，通过查询控制查询表，立即可以得到输出量的语言等级值，再将等级值，根据以下公式
得到实际使用值，然后输出给对应的执行机构。
自寻优算法的编制根据图3表示的流程图。上层自寻优算法同时改变磨煤机内存煤量、磨煤机出口温度值和磨煤机入口负压的设定值，下层根据这三个设定值进行控制。当前磨机负荷的设定值为80％，出口温度的设定值为58℃，入口负压的设定值为-400Pa。实时测量磨机负荷、出口温度和入口负压，将这三个量的偏差进行归一化
然后，判断三个数据是否都小于阈值0.1(可修改)，如果小于，证明系统在当前设定值下已经稳定。
接着在系统稳定的情况下，累计给煤机的给煤量(吨)、出口温度(℃)和通风量(标准立方米/小时)，统计周期为5分钟(可修改)，然后取平均，用平均值表征磨煤出力、干燥出力和通风出力。再将称重平均值、出口温度平均值和通风量平均值进行归一化处理，归一化公式如下 用归一化后的数据计算磨煤机出力综合评价函数。
出力综合评价函数等于磨煤出力、干燥出力和通风出力的加权平均值，出力综合评价函数公式如下P=k1·pmm+k2·pgz+k1·ptfk1+k2+k3]]>式中P为出力综合评价函数，pmm为磨煤出力，pgz为干燥出力和ptf为通风出力，k1、k2和k3分别为磨煤出力系数、干燥出力系数和为通风出力系数。将磨煤出力系数设置为0.6、干燥出力系数设置为0.2和为通风出力系数设置为0.2(可根据实际进行微调)。
接着，比较出力综合评价函数数值的变化，如果出力综合评价数值较上一次无变化，则设定值不做修改。如果出力综合评价数值小于上一次的，则说明目前系统的运行不在最优状态，需要以固定的寻优步长修改下层控制算法的设定值。磨机负荷设定值的寻优步长为3％(可修改)，出口温度的寻优步长为0.5℃(可修改)，入口负压的寻优步长为30Pa(可修改)。
自寻优算法在每个周期起始时，增加(或减少)三个设定值，将修改后设定值发送给下层控制器，下层的多维模糊控制器则以新的设定值作为控制目标对相应变量进行调节。待系统稳定后，计算出力综合评价函数，如果数值变小，说明设定值修改的方向不妥，则在需要减少(或增加)设定值；如果出力综合评价函数数值变大，则继续增加设定值，知道寻找到最佳的设定值。
这样，DCS系统通过自寻优算法找出最佳的磨煤机内存煤量值、最佳的磨煤机出口温度值和最佳的磨煤机入口负压值，并以这三个最优值为控制设定值，通过多维模糊控制算法同时对给煤量，热风门开度和再循环风门开度(锅炉系统是热风送粉系统)或者冷风门开度(锅炉系统是乏气送粉系统)进行自动调节，使制粉系统一直在最佳工况下运行。
对于没有采用DCS方案的火电厂，可以采用PLC或者控制模块和工控机组成小型的DCS系统，在PLC或者控制模块中实现多维模糊控制算法，在工控机中应用组态软件实现自寻优算法。
附录1 模糊规则表
附录2 模糊控制查询表
权利要求
1.火电厂钢球磨煤机制粉系统自动控制方法，其特征在于，该方法采用上层自寻优算法和下层多维模糊控制器相结合的双层控制结构，上层自寻优算法通过比较器和多维模糊控制器连接，由多维模糊控制器控制配料环节，从而实现给料量、热风门开度和再循环风门开度的自动调节；上层自寻优算法找出最佳的磨煤机内存煤量值、最佳的磨煤机出口温度值和最佳的磨煤机入口负压值，待三个量达到设定值后，取一段时间作为自寻优算法的统计周期，计算目标函数值，并比较目标函数的变化，确定是否更优，并决定下一次三个设定值的改变；下层的多维模糊控制器使用多维模糊控制算法，同时对给煤量，热风门开度和再循环风门开度或者冷风门开度进行自动调节，使制粉系统一直在最佳工况下运行。
2.如权利要求1所述的火电厂钢球磨煤机制粉系统自动控制方法，其特征在于，所述的目标函数是磨煤机出力综合评价函数，出力综合评价函数等于磨煤出力、干燥出力和通风出力的加权平均值，即P=k1·pmm+k2·pgz+k1·ptfk1+k2+k3]]>式中P为出力综合评价函数，pmm为磨煤出力，pgz为干燥出力和ptf为通风出力，k1、k2和k3分别为磨煤出力系数、干燥出力系数和为通风出力系数。
全文摘要
本发明涉及是火力发电厂钢球磨煤机制粉系统的自动控制方法。该方法采用双层控制结构，上层是自寻优算法而下层采用的是多维模糊控制算法。上层自寻优算法找出最佳的磨煤机内存煤量值、最佳的磨煤机出口温度值和最佳的磨煤机入口负压值，并以这三个最优值为控制设定值，通过多维模糊控制算法同时对给煤量，热风门开度和再循环风门开度或冷风门开度进行自动调节，使得火电厂钢球磨煤机制粉系统安全可靠的运行提供了有效保证，而且可以使制粉系统下一直在最佳方式下运行，可有效降低磨煤机震动、防止磨煤机满灌和断料，杜绝事故的发生，减轻工人劳动强度，减少维护量，改善工作环境，并使粉尘污染和噪声污染有所改善，具有显著的社会和经济效益。
文档编号B02C17/00GK1836785SQ20061004271
公开日2006年9月27日 申请日期2006年4月24日 优先权日2006年4月24日
发明者张彦斌, 贾立新, 曹晖, 司刚全, 赵德生 申请人:西安交通大学, 西安桑瑞自动化有限责任公司
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