一、球磨机的工作原理与动态特性
制粉系统是一个具有大惯性、纯滞后和时变性的调节对象，动态特性非常复杂，其主要特点是:
(1)系统为多输入多输出的系统，主要的变量有:入口温度、出口温度、入口负压、球磨机负荷、出入口压差、排粉机电流和球磨机电流等。
(2)系统具有强耦合性。球磨机的最佳出力需要干燥出力、磨煤出力和通风出力均达到最佳，这3个出力分别对应着3个控制回路即:1)出口温度调节回路，其调节量为给煤量;2)球磨机负荷调节回路，其调节量为给煤量;3)出入口压差调节回路，其调节量为再循环风量。调节这3个回路中的任意一个回路都会影响其它两个回路，另外两个回路又会影响该调节回路，从而引起系统不稳定。
(3)纯滞后主要表现在球磨机负荷对给煤变化的响应时间长，热风门开度扰动下球磨机出口温度的响应时间长，入口负压对再循环风门调节的响应时间长。
(4)系统的时变特性。煤质和潮湿度、钢球数量和磨损护甲等外在因素变化其运行特性都会改变，因此固定不变的控制算法无法适应球磨机系统的时变特性。
球磨机的工作特性如图1所示。曲线1是功率特性，曲线2是出力特性，曲线3是音频特性，曲线4是处理后的音频特性。从图1可见，球磨机功率起初随着存煤量增大而增大，当达到个最大值后，随着存煤量增大反而减小;球磨机的最大出力点并不是随着存煤量的增大而增大，也出现一个最大值，然后减小;球磨机负荷音频曲线随着存煤量的增大逐渐减小，为了使用方便，将该曲线作求反处理得出曲线4。在Ⅰ区中，球磨机的功率达到最大，但出力却没有达到最大，所以该区不是系统运行的最优区域。在Ⅲ区，存煤量很大，容易出现满磨，因此Ⅲ区也不是最佳运行区域。在Ⅱ区，制粉出力接近最大出力点，该区应当是系统运行的最佳区域。
二、控制策略
由球磨机的上述特性可知，欲使制粉系统运行在最佳工况，不仅要维持磨煤出力最大，还要保证最佳的通风出力和干燥出力。就球磨机而言，满足煤粉细度要求的制粉出力取决于:(1)球磨机的磨制能力，增加干燥出力可提高磨煤出力;(2)通风的携粉能力，主要由风量来决定，当磨煤和通风功率之和为最小时则为最佳通风量。基于此，提出了基本的控制策略:维持通风量和出口温度均在正常范围之内，尽量加大给煤，寻找最佳工作点。为此，需要组成以球磨机负荷、出入口压差和出口温度为被调量，对应的操作量分别为给煤量、循环风门开度和热风门开度的三输入变量、三输出变量的控制系统。送入球磨机的给煤量是由给煤机控制的，给煤机电流间接代表给煤量。此外，球磨机电流，入口负压以及排粉机电流均对球磨机负荷有影响，在进行控制时，这些因素也应考虑。
由于球磨机具有非线性、大惯性和纯滞后的特点，使用传统的PID调节控制效果无法满足要求。始于上世纪70年代的模糊控制，其本质是一种非线性控制，无需了解被控对象的数学模型，大偏差控制性能好，鲁棒性强。基于这些特点，设计了将模糊控制作为基本控制算法，以PI调节作为配合的球磨机负荷控制策略。考虑到系统的时变性，采用自寻优算法对回路设定值SP进行修正，该算法作为上层算法与下层的模糊-PI控制算法共同组成了两层结构的制粉系统控制方案，如图2所示。
图中，自寻优控制器的作用是给出一个适当的设定值SP，模糊PI控制器则保证被控对象的输出可以跟随该设定值。
2.1 模糊-PI控制器
在实际中，当偏差较大时，控制的主要矛盾是尽快减小偏差使系统输出接近给定输出，不涉及稳定性的问题，因此此时只需采用模糊控制，就可迅速将偏差缩小。当偏差较小，系统接近稳态时，使用PI调节即可以消除静差。由此提出了一种模糊控制与PI调节协同作用的控制结构，如图3所示。
模糊控制器使用球磨机负荷设定值的偏差和偏差变化率作为模糊控制器的输入语言，其输出语言为给煤机电流控制输入值mV,SP是球磨机负荷设定值，PV是球磨机负荷计算值，这3个量的取值范围均为0～1之间的小数，y是给煤机的实际电流值。实现模糊算法的步骤:
(1)对输入输出变量进行模糊化，求出模糊集合的隶属度函数;
(2)模糊控制规则的推导和形成，由条件部分满足度采用最大最小方法推断出规则对总结果作用的大小;
(3)模糊输出的去模糊判断，并用面积重心法对输出去模糊化。
控制器中有两路输出，一路是模糊控制，另一路是PI调节器，协调器根据磨煤机负荷实际偏差范围对两路控制器的输出值进行选择，如果偏差大于设定范围则输出模糊控制器的输出值，如果偏差小于设定范围则输出PI调节器的输出值。磨煤机负荷PV使用了多个变量的加权。包括入口压差、出口温度、球磨机电流、入口负压和排粉机电流等5个变量偏差值加权与磨煤机音频信号值加权，使磨煤机负荷信息更为全面。上述6个变量各自的加权值通过试验确定。为了保证系统在一段时间内相对稳定的运行，各变量均设有死区，当变量处于死区内时，该变量偏差为零。为防止磨煤机发生满磨故障，对控制器的输出要作限制。如果输出值大于磨煤机负荷上限，则输出设定的上限值。控制器的输出未超过磨煤机负荷上限但处于其死区内时，维持上次输出，不在其死区内则输出协调器选择的输出值。
2.2 自寻优算法
在制粉系统运行中，周围环境和煤质(湿度、硬度、颗粒大小)均会影响系统的运行特性。随着系统特性的变化，磨煤机负荷设定值SP也应该相应改变，为此引入了自寻优算法。自寻优算法在运行过程中不断测量，不断学习，在控制特性发生改变时，自动寻找到新的最佳设定值。简化的自寻优算法可以理解为:设定一个球磨机负荷最佳区域(△PV。)，如果检测并计算到的实际负荷低于区域下限，说明当前出力仍然小于最佳出力点，自寻优算法会适当增大设定值SP;如果检测到的实际负荷高于区域上限，说明当前出力超过了最佳出力点，自寻优算法会适当减小设定值SP。在不断寻优中，设定值逐步接近最佳出力点，从而实现节能。为保证系统有足够的时间进行稳定，负荷设定值修改不能过于频繁，因此要求自寻优算法应该选定一个合适的采样周期间隔地进行。图4给出了软件主要功能框图。
三、音频传感器的研制使用
以往测量球磨机负荷的方法常常受到系统多变量的影响而难以准确测量。根据观测发现，磨煤机音频信号随着球磨机负荷的增加逐渐减小，在球磨机负荷与音频信号之间存在着较好的线性关系，只要对音频信号作取反处理，即可得到球磨机负荷与音频信号之间近似正比例的关系(图1)。音频传感器正是利用这种关系，对球磨机音频信号进行测量采集并作处理，使音频信号能够比较准确的反映球磨机负荷。音频信号还可以有效的实现三回路的解耦，使控制变得简单。
四、系统结构
制粉系统控制系统结构如图5所示。
控制系统为3层结构:(1)监视操作层，包括作为服务器的工业控制计算机、操作员站及打印设备等。服务器安装在后台控制柜中，前面连接显示器用以作为操作员站，通过操作员站运行人员可以监视现场各个信号的变化并进行操作控制。服务器的职能是:与第二层进行通讯，控制器将采集处理后的信号传送给服务器用作显示与控制计算，服务器向控制器发送控制参数;每秒记录数据一次，为日后数据分析和记录系统故障分析提供了极大的方便;实现自寻优控制算法计算。(2)监测控制层，由两个PLC站组成，它一方面与操作员站通讯，同时与现场信号变送器连接。监视站采集用于监视(非控制用)的信号;控制站执行控制功能，实现模糊和PI控制，控制站的输出通过变频器改变给煤机转速进而改变给煤量。(3)现场信号层，现场来的信号经变送器转换成标准的(4～20)mA模拟信号供系统使用。
五、结语
系统已于2004年11月在陕西秦岭发电厂5号机组甲侧制粉系统控制中投用，经两个多月的运行，系统工作较为稳定，在各种扰动(包括周围环境变化和煤质变化)下，系统均能工作在最大出力点附近，调节过程平稳，过渡时间大大缩短。使用该控制系统后，每个班单位制粉量的制粉时间平均缩短0.8h，按每天4班计算可节能约1920kW.h，每年节能70.08万kW.h。此外系统操作方便，操作员的劳动强度大为减小。
