钢球磨煤机是火力发电厂的重要辅助设备，其作用是将一定尺寸的煤块干燥、破碎并磨制成煤粉以供给锅炉燃烧。钢球磨煤机被国内外火电厂大量采用，据资料统计，在国内发电厂中钢球磨煤机占各类磨煤机总量的60%以上^［1］。然而钢球磨煤机的缺点也是显而易见的，如运行复杂、电耗高、噪音大、耗钢多、磨损多等，特别是自动控制难以实现这个问题至今仍未得到有效地解决，绝大多数电厂现在仍以手动为主。钢球磨煤机作为电厂的重要设备其安全、经济运行与整个电厂的安全、经济运行有着紧密的联系，所以有必要对钢球磨煤机的特性以及国内现有的控制方案进行深入的分析，以找出钢球磨煤机自动投入率低的根本原因。

1　钢球磨煤机工作原理及运行特性^{［1］［5］}

　　钢球磨煤机是一个直径2～4m，长为3～10m，内壁衬有波浪型锰钢护甲的圆筒。筒内装有许多直径为30～60mm的钢球。筒体一边为原煤进口与干燥热风进口，另一边为气粉混合物的出口。筒身经电动机、减速装置传动以低速旋转，在离心力和摩擦力的作用下，护甲将钢球及原煤提升至一定的高度，然后借重力自由下落。煤主要被钢球击碎，同时还受到钢球之间、钢球与护甲之间的挤压与研磨。磨好的煤粉被热空气带入炉膛燃烧。磨煤机投入运行之后，磨煤机的功率、振动信号、出入口压差与出力之间呈如图1的关系^［1］。

图1　钢球磨煤机工作特性示意图
1—磨煤机功率；2—磨煤机的振动信号；
3—磨煤机出入口压差；4—磨煤机出力

　　当存煤量不断增加时，磨煤机的功率不断增加直至最大，但此时磨煤机的出力并没有达到最大，而是在功率最大点的右边。所以将磨煤机的工作点放在最大点的右边，会增大出力，节约能耗。随着存煤量的增加，磨煤机的出入口压差也不断增加。当存煤量增加到一定程度时，进粉大于出粉造成堵煤，此时压差急骤上升，所以出入口压差在一定程度上可以反映磨煤机的存煤量。磨煤机的存煤量少时，磨煤机的钢球之间、钢球与磨煤机之间、钢球与煤之间的撞击作用大，所以磨煤机的振动信号大。随着磨煤量的增大，振动信号减弱。
　　根据图1中各曲线特性，将图1化为a、b、c 3个区域，在b区中磨煤机的出力最大，磨煤机的耗电量最小，所以应使磨煤机的工况保持在此区域。

2　钢球磨煤机的动态特性^{［2］［3］}

　　为使磨煤机安全、经济运行，磨煤机控制系统应控制磨煤机的存煤量、入口负压、出口温度这3个被控量。设计控制系统时一般由磨煤机的出入口压差调节存煤量，再循环冷风门调节入口负压，热风门调节出口温度。
2．1　给煤量阶跃扰动磨煤机响应特性
　　如图2当给煤量发生阶跃变化，磨煤机的出入口压差、出口温度表现为无自平衡能力的对象，负压为有自平衡能力的对象。出入口差压响应的延迟和惯性较大，出口负压响应有较大的延迟，这些特性都是对控制系统不利的特性。

图2　给煤量阶跃扰动响应特性示意图
1—出入口压差；2—出口温度；3—出口负压

2．2　热风门阶跃扰动磨煤机响应特性
　　如图3当磨煤机热风门发生阶跃扰动时，磨煤机的出口温度、出入口压差、入口负压都表现为有自平衡能力的对象。出口温度为一高阶对象。

图3　风门阶跃扰动响应特性示意图
1—出口温度；2—出入口压差；3—入口负压

2．3　再循环风门阶跃扰动磨煤机响应特性

图4　再循环风门阶跃扰动响应特性示意图
1—出入口差压；2—出入口温度；3—入口负压

　　当再循环风门发生阶跃变化时，磨煤机的入口负压、出口温度和出入口压差都为有自平衡能力的对象。并且出口温度为一高阶对象，有较大的惯性。
　　由以上动态特性分析可得某典型钢球磨煤机的数学模型为：

　　　　　　　　　　（1）

　　ΔP、T、P_负分别为磨煤机的出入口差压、出口温度和入口负压；M₁、M₂、M₃分别为磨煤机的给煤量、热风门的开度和冷风门的开度。

3　钢球磨煤机的控制难度^［4］

　　由钢球磨煤机的系统分析和其数学模型可知其控制难度为
　　（1）　现有钢球磨煤机的控制方案是以存煤量为基础的，但是由于钢球磨煤机内运行环境复杂和测量手段的限制，无论是采用差压或振动信号的测量方法来测存煤量都有较大的误差，所以以存煤量为基础的控制方案都有一定的局限性。
　　（2）　钢球磨煤机实际上是三输入、三输出的多变量、强耦合、大惯性、大延迟的时变系统。如果采用常用的PID单回路调节器强行割裂各变量之间的关系，不但得不到较好的控制效果，而且还极易造成系统的不稳定。
　　（3）　钢球磨煤机的被控量除受到给煤量、热风门和冷风门开度的扰动外，还受诸如钢球载煤量、煤含水量、煤含灰量、冷、热风温度高低的影响。
　　（4）　钢球磨煤机的各被控量之间动态特性差异较大，主要表现为有自平衡能力和无自平衡能力的差异，这是不利于控制的特性。
　　基于以上几点，可以得出钢球磨煤机采用常规PID控制是不可取的，必须采用解耦和智能控制等高级控制规律来解决问题。

4　国内主要钢球磨煤机解耦控制方案

4．1　常规解耦控制方案^{［4］［5］}
　　常规解耦方法可分为静态解耦和动态解耦。静态解耦方法适用于对象模型较精确，在静态工作点附近线性度较好的环境，它具有结构简单、实现容易的特点，但钢球磨煤机是一个复杂的被控对象，工作状态极不稳定，所以静态解耦不适于应用于钢球磨煤机。
　　动态解耦是在被控对象工作的全过程进行解耦，在一定的条件下有良好的解耦效果。

图5　动态解耦系统
D（S）—解耦网络；G（S）—钢球磨煤机

　　如图5　Y（S）＝G（S）X（S）
　　　　　　X（S）＝D（S）Z（S）
得出　　　　Y（S）＝G（S）D（S）Z（S）

令　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（2）

　　由式2可计算出解耦网络D（S）的各元素。D(S)中的各元素可能具有或TS环节，为保证系统的稳定和控制器的易于实现，必须用代替，（TS＋1）代替TS并使S的二次幂以上项略去。
　　解耦后的系统可按单回路的原则来整定PID控制器的参数。
　　动态解耦也是基于可获得钢球磨煤机的精确数学模型，并且它还限于磨煤机在动态工作点附近线性度良好。对于钢球磨煤机这样一个多扰动、非线性的复杂系统，此方法还是有较大的局限性，而且为了解耦网络易于实现必须作出相应的简化，这样造成系统模型的失真，当系统出现扰动时极易造成不稳定。所以常规解耦法并不能从根本上解决磨煤机的控制问题。
4．2　基于多变量频域理论的INA法设计方法^［6］
　　INA法即逆奈氏阵列法是多变量频域理论的重要内容之一，它具有对数学模型的精确性要求不高、物理概念清晰、易于工程实现等特点而被大量应用于工程实践之中。
　　对角优势系统的逆奈氏稳定判据：
　　当ding｛f₁，f₂，f₃……f_m｝为非零常数，a：矩阵Q^∧（S）中的诸元素q^∧_ii（S）的Gershgorin带即不含原点〔Q^∧（S）有对角优势〕，也不含－f_i点｛〔Q^∧（S）＋F〕对角有优势｝；b：诸q^∧_ii（S）的Gershgorin带顺时针包围－f_i的周数与包围原点周数之差的总和为开环系统在右半平面的极点数的负数，则系统既有对角优势又有闭环稳定。〔Q^∧（S）为系统矩阵Q（S）的逆阵〕。
　　所以INA法的关键在于求出被控对象的预补偿矩阵，使对象的广义传递函数具有对角优势。

图6　INA法控制系统

　　K_C（S）为动态补偿矩阵，用来调节被控量的动态性能。K_P（S）为预补偿矩阵。G（S）为被控对象。F（S）为反馈增益矩阵，用来调节系统的静态品质，使系统稳定。
　　为实现INA法控制磨煤机，首先必须使K_P^∧（S）G^∧（S）成为对角优势阵，消除或减轻回路之间的耦合程度。如果不考虑控制器的实现难度，则K_P^∧（S）G^∧（S）总是可以化为对角优势阵或对角化矩阵，但过于复杂的K_P（S）实现起来非常困难，工程上希望K_P（S）尽可能简单，最好是常数矩阵，甚至是稀疏矩阵。可以采取初等变换、分频段补偿或伪对角化法来使得K_P（S）尽可能简单。
　　根据INA稳定判据，画出Q（S）中各元素的奈氏图与Gershorin带，初步选出F（S）。如个别回路的精度不满足要求，则画出这些回路的Ostrowski带，重新选择相应的反馈增益fi以满足要求。对每个回路按单回路的方法来设计动态补偿器K_C（S）。
　　基于INA方法设计的磨煤机控制方案不需要精确的数学模型，克服了系统易受扰动，稳定性差的毛病，使系统具有耦合小、鲁棒性、故障稳定性强的特点。但INA法设计磨煤机控制系统需相应的CACSD软件。
4．3　钢球磨煤机模糊控制方案^［7］
　　模糊控制理论告诉我们在多变量、非线性、时变的大系统中，系统的复杂性与人类要求的精确性之间存在尖锐的矛盾，对于这样一类系统模糊控制往往有意想不到的效果。
　　运用模糊控制理论控制钢球磨煤机必须解决多变量模糊控制的问题，由模糊控制理论可知，通过模糊相关方程分解可将一个多输入、多输出的模糊控制器分解为若干个单输入、单输出的模糊控制器，这样可用3个单输入、单输出的模糊控制器实现对磨煤机的控制，大大简化了系统的设计。
　　为保证磨煤机控制系统中各被控量的精度和动态品质，采用受控量和输入给定的偏差e和偏差的变化量ec作为二维模糊控制器的输入语言变量。模糊控制器的输入为精确量，必须模糊化以后才能被模糊控制器所识别，根据运行的实际情况设置各输入语言变量的论域。各回路根据其论域设置模糊控制规则库，即输出控制查询表，得到的输出模糊量通过解模糊接口转化为精确量去控制被控对象。
　　模糊控制方案最主要的地方在于模糊控制规则库的设计，输入语言变量的分档要适当，过密会造成动作频繁，过粗则造成精度不高。模糊控制规则库的设计要从系统的设计思想、运行人员的经验以及实验数据等方面综合考虑。模糊控制方案无需磨煤机精确的数学模型，这对经典的解耦方法是一个巨大的进步，国内高校如华北电力大学有成功的先例。
　　虽然磨煤机模糊控制方案具有较好的鲁棒性，但是由于其是多变量系统，要根据运行人员的经验来得到控制规则库和隶属度函数是非常困难的，这是模糊控制理论运用到磨煤机亟须解决的问题。

5　磨煤机仿人智能控制方案^［8］

　　仿人智能控制方案是依据智能控制的原理，仿照人的思维对磨煤机进行智能解耦，以保证磨煤机的安全、经济运行。其核心是由智能判断器和智能算法控制器组成。
　　智能判断器的设计依据运行人员的操作经验，根据输入量误差和其变化量制定相应的控制策略，原则为：(1)先调入口负压和出口温度，当两者均在正常范围内时，再调给煤量使出力达最大。(2)入口负压以再循环风门调节为主，出口温度以热风门调节为主，只有一回路被控量调不过来时，另一回路的风门才参与调节。(3)根据磨煤机的噪声信号、磨煤机电流、被控量参数等信号综合判断堵煤或断煤。
　　智能算法控制器根据磨煤机系统的耦合情况将控制器分为5个子回路，分别为热风门—出口温度回路，热风门—入口负压回路，再循环风门—入口负压回路，再循环风门—出口温度回路，给煤量—负荷控制回路。5个回路均采用智能算法根据其输入选择相应的PID算法，达到仿人的目的。

6　结论

　　（1）钢球磨煤机是多输入、多输出、被控参数间严重耦合的系统，必须对系统解耦。
　　（2）由于磨煤机内是气固两相流，运行工况复杂，以存煤量为基础的控制方案无论是采用差压或振动信号都不能反映磨煤机的实际负荷。
　　（3）模糊控制、神经网络等智能控制的出现为磨煤机的控制找到了新方法。因为它们都抛弃原来的思路，即精确的描述磨煤机的数学模型，并根据模型进行算法的研究，这对磨煤机这样一个复杂的系统来说更加符合实际，特别是神经网络可以以任意的精度逼近任意非线性连续函数，具有自学习的功能，更加值得研究，应用于钢球磨煤机控制系统中。
　　（4）对于磨煤机这种复杂的被控对象，可以采用成熟的功能较强而组态灵活的小型的DCS来实现其控制系统，并可根据需要扩展算法。

参考文献：

［1］容銮恩等．电站锅炉原理［M］．北京：中国电力出版社，1997．106～108．
［2］王永初．解耦控制系统［M］．成都：四川科技出版社，1986．251～272．
［3］潘　笑．滚筒式钢球磨煤机的动态特性分析［J］．湖北电力，1997，21(2)：13～15．
［4］周海平，周建新．中储式球磨系统计算机控制系统［J］．华东电力，1994(8)：6～10．
［5］于希宁，孙建平等．解耦新方法的研究及应用［J］．华北电力学院学报，1993（5）：46～51．
［6］田沛，马平等．球磨机控制系统的INA方法设计［J］．华北电力学院学报，1997(2)：13～15．
［7］李遵基，蔡军．中间储仓式制粉系统球磨机模糊控制理论与实践［J］．中国电力，1996(10)：33～37．
［8］潘维加，田军．钢球磨煤机仿人智能控制［J］．自动化与仪表，1998（2）：39～41．