一、筒體振動信號表征負荷的提出

目前大多數(shù)電廠球磨機的負荷是進口壓差信號來表征，在鋼球裝載量和通風量穩(wěn)定的情況下，壓差信號可以近似反應(yīng)球磨機負荷的變化。但是，由于球磨機壓差的影響因素很多，如系統(tǒng)通風的變化、煤種的變化、水分的變化都會影響壓差信號，在多種干擾同時存在的情況下，壓差信號就不能真實反應(yīng)筒體內(nèi)負荷的變化。同時，壓差的變化具有明顯的滯后性。因此這種單純以壓差號來進行球磨機負荷控制的方法存在很大的局限性，無法有效地適應(yīng)球磨機系統(tǒng)工況的變化，使得控制系統(tǒng)難以長時間投入運行自動化投入程度不高。

球磨機運行時，鋼球在離心力和襯板摩擦力的作用下，被轉(zhuǎn)動的滾筒帶到一定高度，然后受自身重力作用沿拋物線落下。鋼球、煤塊與滾筒之間，鋼球之間、鋼球與煤塊之間產(chǎn)生的撞擊造成球磨機的振動，而振動碰撞功率與負荷之間存在著一定的關(guān)系，因此通過測量和分析這些振動信號就可以分析球磨機負荷的變化。

對于采用振動法進行負荷軟測量而言，目前常用的方法是在球磨機的前軸承和后軸承座安裝振動傳感器來測量振動信號，但由于振動沖擊傳遞途徑長、環(huán)節(jié)多，再加上筒體本身質(zhì)量大等原因，在軸承座采集到的振動數(shù)據(jù)只能間接反映滾筒內(nèi)的鋼球撞擊情況。而筒體上的振動測點，減少了滾筒內(nèi)鋼球與煤、鋼球與鋼球及鋼球與筒壁之間碰撞振動沖擊的傳遞途徑，因此比傳統(tǒng)的安裝在球磨機前、后軸承座測點采集到的數(shù)據(jù)更能敏感地反映滾筒內(nèi)鋼球與煤塊、鋼球與鋼球及鋼球與筒壁之間的撞擊情況，因此該振動數(shù)據(jù)更能準確地反映負荷信息。

二、球磨機負荷串級控制算法

針對球磨機負荷壓差單回路控制的不足，結(jié)合以上的分析，文中提出一種新的串級控制方案，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖1所顯示。

該控制系統(tǒng)將滾筒振動信號和壓差信號結(jié)合構(gòu)成串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)。主回路是給煤量----壓差通道，副回路是給煤量----滾筒振動信號通道。筒體振動信號與壓差信號相比，時間常數(shù)小，對干擾的反應(yīng)比較靈敏，可以對壓差回路起到誤差校正作用。同時由于串級控制系統(tǒng)可以很好地克服內(nèi)擾，因此可以將球磨機系統(tǒng)運行中的一些主要干擾如風量擾動、煤質(zhì)的變化加到副回路中，由副回路控制對干擾繼續(xù)抑制；副回路中參數(shù)的變化，由副回路給予控制，從而對壓差主控對象的影響將大為減弱，從而使得整個系統(tǒng)具有抗干擾能力和一定的自適應(yīng)能力。

由于副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是要快速動作以迅速消除進入副回路的擾動，而且副參數(shù)并不要求無差，因此一般都選微比例控制器。主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是準確保持被調(diào)量符合生產(chǎn)要求，而且對控制品質(zhì)的要求很高，不允許被調(diào)量存在靜差，因此主控制器必須有積分作用，一般多采用PI控制器。

根據(jù)電廠現(xiàn)場測試實驗，得到主、副對象的傳遞函數(shù)分別為：

對串級回路，由兩步整定法，分別整定出主回路PI控制器的比例常數(shù)為 Kp1=8.5，積分常數(shù)為Ta=140；副回路比例控制器Kp2=5，同時為了便于比較，設(shè)計了壓差單回路PI控制器，由Z-N法整定的參數(shù)為，比例常數(shù)為Kp=5，積分常數(shù)為Ti=115。單回路和串級控制的輸出比較如下圖2所顯示。

由上圖2可見，采用串級控制后，系統(tǒng)輸出在上升時間、超調(diào)量等控制性能要明顯優(yōu)于單回路控制。在設(shè)定值單位階躍擾動的基礎(chǔ)上，給系統(tǒng)施加二次擾動，在內(nèi)擾作用下的不同控制器輸出比較如下圖3所顯示。

由上圖3可見，采用串級回路控制后，在內(nèi)擾作用下，系統(tǒng)輸出的最大動態(tài)偏差由單回路控制時的1.62下降到1.25，超調(diào)量顯著減小。由此可見，串級控制能夠有效地抑制二次擾動對系統(tǒng)輸出的影響，明顯改善了控制效果。

由于球磨機系統(tǒng)的時變性和對象的不確定性，常規(guī)的PI控制器難以取得良好的控制效果。為此，在球磨機負荷串級回路控制中，主控制器采用基于'混合靈敏度理論的H，魯棒控制器。