1 选题背景锅炉的制粉系统是火力发电厂的重要组成部分。其任务是根据锅炉燃烧的要求，磨制出合格的煤粉，以保证锅炉安全、稳定、经济运行。球磨机运行时，其噪音很大、钢球及衬板磨损量也很大。它是一个具有非线性、大滞后、强耦合和具有多种不确定性扰动的多变量对象。另外，由于原煤水份、煤质(挥发份、灰份、可磨性指数等)的变化，以及钢球、衬板磨损等原因，球磨机不仅特性复杂，而且缓慢时变，使得对其优化和控制难度很大。磨煤、干燥、输送出力之间难以优化匹配，制粉电耗(包括磨煤电耗和通风输粉电耗)长期居高不下，以致制粉系统长期在低负荷下运行，经济性很差。　　目前，国内大部分球磨机制粉系统的控制都是由运行人员手动操作完成。长期在手动控制方式下，经常会导致球磨机满磨、轴封冒粉、出口温度超温或偏低等许多事故的发生，严重影响了制粉系统的安全、稳定、环保运行。另外，球磨机制粉系统在手动操作方式下，经常运行于煤位偏低、通风量偏大工况，致使制粉单耗长期偏高。因此，在保证球磨机制粉系统安全稳定运行的前提下，如何降低制粉单耗，提高经济效益，就成为火电厂节能降耗的一个关键所在。　　早在1963年电力部大抓火电厂自动化试点工作时，电力部就将球磨机制粉系统的自动化列为重点课题。但由于主设备不完善、堵煤严重、技术水平有限等原因，使之自动化投入率很低，投用效果也很不理想。随着国家电力体制的改革，厂网分开、竞价上网政策的出台。在保证电厂运行安全性的前提下，电厂运行的经济性日益受到重视。　　因此，球磨机制粉系统作为火电厂的耗电大户，其节能改造和优化运行就成为各发电厂的关注焦点。在中储式球磨机制粉系统中，决定球磨机出力和经济性的的主要因素有：钢球装载量，钢球的球径配比，磨筒内煤的料位，磨的通风量，磨的出口温度，煤质(煤的可磨性系数、灰份含量、煤的水份)，粗粉分离器的挡板开度， 细粉分离器的挡板开度，磨的轴封等。碳钢球

　　2 球磨机制粉系统料位软测量的现状与发展 球磨机制粉系统中各运行参数的可测量化是实现系统运行优化与控制的前提。对球磨机内存煤量的有效测量是制粉系统进行优化和控制的关键问题之一。磨煤机料位的主要测量方法有：　　2．1 差压法 到目前为止，差压法是很多厂家用来判定球磨机内料位(或存煤量)的方法。球磨机进出口差压信号在一定程度上能间接反映筒内的存煤量情况，当球磨机正常运行且在其它条件不变的情况下，磨进出口压差越大，说明筒内存煤量越多，反之磨进出口压差越小，筒内存煤量越少。但是差压信号易受其它因素，如通风量，煤质及钢球装载量等的影响，因此用它来反映存煤量，其动态响应较慢、可靠性较差，难以保证球磨机维持在最佳存煤量运行，导致自动控制系统难以长期投入运行。　　2．2 音频法 音频法的原理是通过音频传感器或传声器采集音频信号，根据不同的存煤量状态下工作时其滚筒发出的噪音不同来判断存煤量。经验运行表明当球磨机内存煤量少时，钢球间及铜球与简体的撞击机会将增大，发出的声音频率高，声强大；而当存煤量多时，金属间由于有较软的煤屑起着缓冲作用，发出的声音频率低，声强弱。利用音频信号反映料位的典型系统是陕西天安智能公司的TCS200球磨机存煤量监控系统，其工作机理提取能敏感反映煤位高低的声信号特征量(经带通滤波后音频信号的有效值)，来表征存煤量。　　浙江大学的吴志敏等经研究发现，对球磨机的声信号进行小波包分解后，随着煤位由高到低变化，相应的各频道声信号幅度大致由小到大递增，且尤以(2500～3750)Hz频道的信号变化最显著，对存煤量变化的灵敏度最高。因此，利用小波变换技术和基于小波变换的多频道分解技术，将该频道(2500～3750Hz)的小波包分解信号的能量，用于表征球磨机的存煤量。　　音频法从本质上看是振动法的演变，音频信号的起源还是设备的振动。音频法受到钢球装载量、煤质等因素的影响，从它的投用效果来看，只在部分球磨机制粉系统上获得了成功的应用。　　2．3 气动差压法 气动差压法的测量原理是：在磨的两端对称布置有传压管，连续的、压力稳定的低压空气流入传压管并在管内建立压力。当煤粉部分“淹没”传压管探头时，传压管内的压力升高，与基准传压管的压力产生压差，该压差信号即可反映磨筒内的煤位。安徽省电力公司曾成功开发出气动差压式球磨机料位测量装置，并应用于双进双出球磨机制粉系统上。　　2．4 轴承振动法 轴承振动测量法的原理是：根据球磨机主轴上轴承的振动与磨筒内存煤量之间的某种关系，提取煤位的特征值，以反映磨筒中的实际煤位。　　广东省电力试验研究所的李晓枫等开发了球磨机料位检测仪，其工作流程为：测取振动频率为0～10KHz的振动信号，对其进行放大处理；然后滤除包括球磨机的固有振动在内的低频及无效的高频振动，检测出有效频段内的振动能量；对该频段能量进行积分，将积分值作为表征球磨机存煤量的特征量，并将该特征量转换为4～20mA的标准信号送至表头进行显示。对轴承振动法进行研究的还有华北电力大学的张晓宏、苏杰、常太华等教授。珠海的亚洲仿真科技有限公司从2000年起也对此方面做了一定的研究，并在不同型号的球磨机上做过一些测试试验。　　2．5 其他测量方法 除上述几种常用的测量方法以外，还有功率电流法、称重法等。目前在国内用的较少就不作详细的介绍。

　　3 球磨机制粉系统控制的现状及其发展 球磨机制粉系统主要需进行三个参数的控制，即料位、磨出口温度和入口负压的控制。由于三个被控参数之间相互耦合严重，且料位和出口温度都是时间上的大滞后，非线性很强的被控对象。因此，传统的三个单回路PID控制难以取得理想的控制效果。近年来，全国各大院校、研究所及其他科研单位均对此进行了艰难的攻关并取得了一定的成果。现将其主要的控制策略与方法归纳如下。　　3．1 解耦控制球磨机制粉系统是一个严重的三输入三输出多变量耦合系统，在其三个调节回路中，不管三个输入和三个输出如何配对均存在严重的耦合，因此需要进行多变量解耦。　　3．2 预测控制预测控制是一种基于模型的计算机控制算法，主要应用于非线性的、时变的、严重不确定的、大纯滞后的和多变量的工业控制过程。最早由Richalet等人于1978年提出来以脉冲响应模型基础的模型预测启发式控制(MPHC)或称为模型算法控制(Model AlgorithmicControl，简称MAC)。1980年Cutler等人提出了以阶跃响应模型为基础的动态矩阵控制(Dynamic Matrix Control，简称DMC)。近来，还经常采用易于在线辨识并能描述不稳定过程的CARMA模型和CARIMA模型。　　3．3 神经网络控制人工神经网络目前对其研究正方兴未艾。现在主要有多层前向网络模型、Adalme模型、Hopfield网络模型、Kohonen自组织映照模型、细胞神经元网络模型和小脑模型等。由于其具有的强大的并行处理能力、分布式的存储方式、很强的容错和联想能力及很强的学习能力，近年来已引起控制界的极大重视。目前，基于人工神经网络而开发出的新型控制系统主要有逆动态模型控制、直接ANN控制和自适应控制。　　3．4 球磨机的其他控制方法除了上述提到的有关控制方法以外，还有模糊控制、自寻优控制和专家智能控制等。

　　4 优化算法的现状与发展优 化算法其实就是一种搜索过程或规则，它是基于某种思想和机制，通过一定的途径或规则来得到满足用户要求的问题的解。就优化机制与行为来分，目前工程上主要优化算法有：经典算法、构造算法、基于系统动态演化的算法和混合算法。

　　5 故障诊断技术的现状与发展 故障诊断就是根据设备运行状态信息查找故障源，并确定相应决策的一门科学技术。故障诊断已从以信号分析为基础的一般诊断方法发展到以知识处理为基础的智能诊断系统。但这些诊断方法都以诊断对象在工作过程中出现的外部特征为基础，还未涉及到诊断对象的动力学本质。由于系统自身的结构复杂性，机、光、电、液、气间的耦合非线性，运动非线性等，使系统故障引起的外部特征可能减弱、消失、重叠，因而现有诊断方法不能有效地解决复杂系统的故障诊断问题，对强干扰、并发故障的诊断和预测还需进一步研究。

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