基于PLC模糊控制技术的计量给煤机控制研究

李玉杰

(沈阳工程学院自控系热自教研室，辽宁 沈阳 110136)

给煤机是火电厂燃烧系统的重要辅助设备，与磨煤机配合实现锅炉燃烧系统中给煤量的连续均匀调节和计量。

目前，300 MW及以上机组的锅炉都采用直吹式制粉系统，锅炉的给煤量完全由给煤机决定，因此其控制性能的优劣非常关键。

由于给煤机系统为非线性的时变系统且建模困难，一般的控制方法很难保证系统正常运行，而目前给煤机的给煤量主要通过人为控制，受操作经验等因素影响较大，为此引进模糊控制技术，以PLC为控制器，对给煤机控制进行研究。

模糊控制理论于1965年由美国加利福尼亚大学教授L.A.Zadeh提出［1］，旨在解决现实中一些难以建立 (或无法建立)数学模型的工程问题。经过多年的研究，模糊控制技术得到发展与完善，提升了控制系统的控制性能。现场设备运行状况复杂多变，单一的模糊控制规则很难达到理想的控制要求。根据不同的设备运行状况选择不同的控制规则，不仅能使设备运行在最佳状态，提高运行效率，而且能降低设备故障率，延长设备使用寿命，提高经济效益。

1 给煤机系统的结构和控制原理

电子称重式给煤机安装了托辊称重装置，当被输送的煤通过该称重装置时产生1个与载荷重量成正比的电压信号，该信号与滚筒上测速传感器的速度乘积为给煤率信号，给煤机根据燃烧系统的要求通过变频器控制输送皮带的速度以调节给煤率。电子称重计量给煤机结构见图1。

图1 计量给煤机结构

2 给煤机系统控制模型分析

图2为给煤机的PLC控制模型方框图。该系统为多闭环有关联控制结构，有2个闭环，内环是1个模糊－PID控制器，根据给定流量Fg控制给煤机，使给煤量Ft控制在理想的给定值Pg附近。外环根据当前的称重计量状态Px和DCS要求的给煤量Pg形成给煤率定值Fg。Px用来判断当前称重系统的称重传感器和速度传感器是否故障，以确定和修正给煤率定值Fg。

图2 给煤机的控制模型方框图

当偏差Ei较大时PLC控制器采用模糊-PID复合控制方式［2］，当偏差较小时采用PID控制方式，可解决系统误差较大、动态特性不理想、超调量较大等控制难题。

3 模糊－PID复合控制器设计

图3为模糊－PID复合控制器结构图。被控量为Fi，控制量为Ui，－PID和PID两种控制方式采用并行运行的方法，由Bang-Bang开关进行切换。

图3 模糊－PID复合控制器结构

a． Bang－Bang转换开关

Bang－Bang转换开关为PLC控制器中的软件开关，决定了采用哪种控制算法。设el表示大小偏差的分界值，其切换规律如下:

当|Ei|≤el时，Kp=“1”，Kf=“0”，采用 PID控制;

当|Ei|＞el时，Kp=“0”，Kf=“1”，采用－PID模糊控制。

b． PID控制器

PID控制器采用一般的增量式数字算法，其参数按常规整定。

理想的模拟PID控制算式见式 (1):

式中:p为调节器输出;e为调节器偏差输入信号;Kp为比例系数，且比例带P=1/Kp;Ti为积分时间;Ti越大，积分作用越弱，积分时间越长;Td为微分时间。

c． 模糊控制原理及模糊控制器的实现

模糊控制通过模糊逻辑和近似推理的方法，把人的经验形式化、模型化，变成计算机可以接受的控制模型，用PLC代替人进行有效的实时控制，利用PLC模糊控制器实现模糊控制时，必须解决以下问题:输入量、输出量的模糊量化;建立模糊控制规则或模糊控制规则表;输出信息的模糊判决。

4 PLC功能的实现

西门子S7－200系列 PLC设计紧凑［3］、具有良好的扩展性、廉价的价格、丰富的功能模块及强大的指令系统。这些功能使S7－200系列的PLC无论是在独立运行，还是在相连成网络的系统中，都能实现复杂的控制功能，从而满足小规模的控制要求。

a． PLC选型。采用西门子200系列的PLC作为控制器，PLC选用CPU224(100～230 V电源输入，14DI/10DO);模拟量输入模块选用 EM231(4输入*12位);模拟量输出模块选用EM232(2输出*12位)。

b． 控制程序框图［4］见图4。

图4 PLC控制程序框图

c． PLC程序设计。基于PLC模糊控制器的设计过程，考虑到PLC程序循环扫描方式的特点，为满足控制的实时性要求，节省在线实时计算的工作量。具体设计时，根据模糊语言变量赋值表和模糊推理规则，建立离线的模糊查询表，并按一定规律存放在PLC的保持存储区中。实时控制时，PLC只需对采样得到的精确量进行等级量化，得到相应的模糊化论域元素，再通过查表获得输出控制量的量化值，最后将其乘以比例因子即可得到最终的精确控制量。

5 结束语

计量给煤机是火电厂入炉煤计量的依据，要想达到锅炉正平衡效率，必须保证给煤机计量与控制的准确性。目前火电机组给煤机计量与控制普遍存在计量不准确、控制不稳定的问题，迫切需要研究一种新型的控制装置及采用先进的控制算法。本文采用模糊控制技术，以PLC为控制器，对给煤机控制进行研究，实践证明此方法值得推广应用。

［1］ 顾 林．PLC模糊控制器在给煤机给煤量控制系统中的应用 ［J］．硅谷，2011，10(17):151－152．

［2］ 李士勇．模糊控制和智能控制理论与应用［M］．哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1990．

［3］ 季海明．井下煤仓给煤机智能控制系统的研发与实践［J］．煤矿机电，2010，31(4):70－72．

［4］ 马玉顺．PLC在给煤机变频控制系统中的应用［J］．电气时代，2010，30(7):100－102．