火电厂钢球磨煤机负荷的灰色PID控制系统研究

　　引　言

　　灰色系统理论是由我国学者邓聚龙提出并逐步发展起来的一门学科[1],现已广泛应用于经济、农业、生态、地质、管理和控制等领域。

　　灰色预测控制是一种将控制理论和灰色系统理论相结合的新型控制方法[2]。它通过系统行为数据系列的提取寻求系统发展规律,从而按规律预测系统未来的行为,并根据系统未来的行为趋势确定相应的控制决策进行预测控制,这样可以做到防患于未然和及时控制。灰色预测需要的原始数据少、计算简单,且不需要被控系统的精确模型,目前已在工业控制中得到了广泛应用[3~7]。

　　钢球磨煤机是目前我国火电厂制粉系统中使用最多的磨煤设备,球磨机是一个具有多变量、强耦合、大时滞、大惯性和时变性的复杂控制对象,直接对其控制非常困难。为简化控制的复杂性,可把球磨机负荷对象分离出来,得到一个相对独立的单变量球磨机的负荷控制系统[8]。由于这个负荷控制对象仍具有强非线性、大滞后、慢时变等复杂特性,常规PID控制等方法难以获得满意的控制效果[9~12]。一些学者提出了很多改进控制方法,这些方法可归结为3类,即基于智能控制的PID控制方法[10]、基于Smith预估器的控制方法[11]、PID控制与内模控制或预测控制结合的方法[12],但它们均还存在一些问题,其中第1类控制方法是根据当前的误差信号来决定下一步的控制量,属于“事后控制”;第2类需要知道被控对象精确的数学模型;第3类是基于CARMA模型的控制算法,需要求解复杂的Diophan-tine方程,计算量很大。因此球磨机负荷的控制是一个比较困难的任务。本研究尝试采用在传统的PID控制中加入灰色预测的控制方法[5,9]来实现球磨机负荷控制,较好地解决了这些问题,仿真结果表明了这种负荷控制方法的有效性和可行性。

　　1　灰色预测PID控制原理

　　1.1　基于灰色预测PID的控制系统结构

　　灰色预测PID控制[5,9]将传统的PID控制和灰色理论结合起来克服系统不确定性和延时问题。它是在原有系统PID控制模型的基础上建立一个灰色预测模型GM(1,1),用于补偿模型不确定性、参数时变等原因造成的系统不确定性。通过对灰色预测模型GM(1,1)进行参数辨识,在PID控制律上加一个直接补偿控制律,形成新的控制律作用在球磨机负荷被控对象上,最终达到有效控制负荷系统不确定性和延时的目的。

　　2　球磨机负荷的灰色PID控制仿真

　　2.1　负荷控制系统的SIMULINK仿真结构

　　图2为负荷控制系统的SIMULINK仿真结构[5],其中图2(a)为灰色PID与普通PID两种控制系统的SIMULINK仿真结构,图2(b)和(c)分别为图2(a)中灰色预测器模块GM(1,1)、球磨机负荷对象函数的内部结构。图2(b)中的延时环节分别设定延时时间为1、2、3、4和5 s,从上至下6个输入作为GM(1,1)的S函数sfungm15.m的输入,最终用S函数模块形式进行封装。