科讲座-电弧炉电极调节系统控制方法研究.ppt

自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 电弧炉电极调节系统 控制方法的研究 北京信息科技大学自动化学院 刘小河 2012年9月 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 学科基本概况 l 2003年控制理论与控制工程学科被批准为北京 市重点建设学科，2008年顺利通过验收，自动 进入第二轮建设周期。 l 2011年，控制理论与控制工程学科作为主要学 科方向之一，参加了学校组织的国家特殊需要 博士点建设项目申报。 l 经过多年建设，已形成“非线性控制与鲁棒控 制”“智能控制与机器人控制”“电力电子系 统的无源控制”、“复杂系统建模分析与控制 ”等具有特色的研究方向，在国内具有一定影 响。 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 学科基本概况 l 当前本学科领域的发展趋势 l 理论层面： l 目前在非线性控制、智能控制、复杂系统控制、 随机系统控制等方面有诸多研究热点，每年发表 大量学术论文。 l 但是很多具体的理论问题还有待研究，目前主要 是一些具体的控制方法、算法的成果，在理论体 系上的突破还有一定难度。 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 学科基本概况 l 当前本学科领域的发展趋势 l 应用层面： l 在工业控制及高技术中的控制应用最为广泛； l 基于网络的控制近十年是研究的热点之一； l 非线性控制、自适应应控制的方法随着嵌入式系 统的发展，开始走向应用； l 近年关注探讨智能电网、电动汽车、复杂网络等 中的控制科学与工程问题。 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 1、学科基本概况 l 本学科在国内同类学科领域所处地位 l 根据自动化教学指导委员会课题组研究结果：国内研究主 导型和工程研究应用型自动化学科专业的高校为78所，其 中90%具有控制学科的博士点，多数是985高校及211重点 高校，学术水平和学术影响力明显高于其他高校。 l 我校学科专业属于应用技术主导型自动化学科专业中水平 比较靠前的高校，学科排名大概在80-100名之间。 l 根据2006年学位办一个课题组的研究结果，我校学科被划 到B+类，和我们同属一类水平的相关高校有：北京大学、 北京工业大学、北京交通大学、北京工商大学等。我们认 为这个排名中我校学科水平可能被高估。 l 本学科属于国内一流学科的高校有：清华、北航、北理工 、上海交大、浙大、西交大、东大、哈工大、华南理工等 。 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 控制科学与工程 （一级学科 2011） 电气工程 （一级学科 2011） 控制理论与控制工程、检测技术与自动化装置 （北京市重点建设学科 2003） 工学硕士点工学硕士点 控制工程（2009） 专业学位硕士点专业学位硕士点 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 近几年学科建设、队伍建设、专业建设取得良好成绩 团队、人才项目数量 北京市创新团队 3个 北京市创新拔尖人才 5人 北京市教学创新人才 1人 北京市精品课程 2门 北京市教学名师 4人 北京信息科技大学教学名师 4人 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 项目类别 或奖项数量 国家自然科学基金重点项目（2010）1项 国家自然科学基金面上项目（2009，2010、2011、2012）5项 国家自然科学基金青年基金项目(2011 、2012)2项 国家科技进进步二等奖奖（2007） 1项项 国家发发明二等奖奖（2008） 1项项 国家教学成果一等奖奖（2009）1项项 北京市高等教育教学成果一等奖奖（2008） 2项项 科研工作结硕果：申请获得一批高水平科研项目，获得一批 高水平科技和教学成果，科研经费居全校前茅，发表论文、 三大检索收录论文位居学校二级单位前列。 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 北京市自然 科学基金 北京市拔尖 创新人才 省部级重点（ 含军工） 国家自然科 学基金 北京市教委 科技项目 其他 科研项目 项目项目 项目项目 项目项目 近3年科研项目共75项，经费约1750万 国家发明专利7项，出版专著和教材10余部，发表论文400余篇 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 学科责任教授（学科带头人） 控制科学与工程（一级学科,2011）刘小河教授 电气工程（一级学科,2011） 王久和教授 控制理论与控制工程（北京市重点建设学科、1997） 刘小河教授 检测技术与自动化装置（北京市重点建设学科、2003）李邓化教授 模式识别与智能系统（二级学科，2005） 张奇志教授 导航制导与控制（二级学科,2011）李擎教授 电机与电器 （二级学科,2011） 厉虹教授 电力电子与电力传动（二级学科,2011）王久和教授 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 电弧炉电极调节系统控制方法的研究 课题来源： 国家自然科学基金(2011-2013) 国家自然科学基金（2003-2005） 北京市自然科学基金项目（2008-2010） 教育部重点项目（2007-2009) 北京市自然科学基金重点项目（B类）（2006-2008） 北京市创新拔尖人才项目（2006-2008） 北京市教委科研基金项目（2004-2006） 陕西省自然科学基金项目（1995-1998） 机械部教育司科研基金（1998-1999） 陕西省教委专项基金项目（2001-2002） 负责人：刘小河 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 主要内容 l 立项目标 l 项目研究内容 l 项目背景 l 电弧炉电极调节系统简介 l 基于超稳定性理论的一类非线性系统分段线性化自适 应控制 l 电弧炉电极调节系统的自适应控制 l 电弧炉电极调节系统的自适应控制的其他方法研究 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 立项目标 l 建立电弧炉系统的整体数学模型，使之可同时用 于电弧炉系统的谐波分析和电弧炉引起的电网电 压波动分析； l 研究电弧炉对电网的谐波及电压波动的影响机理 ，特别是电弧炉电极调节系统的性能对电网电压 波动的影响机理； l 研究电弧炉电极调节系统的智能自适应控制策略 和方案；提出减小电弧炉对电网有害影响的对策 。为减小电弧炉对电网的有害影响提供理论依据 ； l 探索对电弧炉所代表的一类非线性系统进行分析 、控制的方法。 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 项目研究内容 1)电弧炉系统的模型及谐波分析 l 建立电弧炉系统的整体数学模型，通过仿真计算 考察电弧非线性对系统谐波的影响。 l 考虑电弧对称与不对称情形对谐波的影响，进行 系统加上电力有源滤波器对抑制谐波效果仿真。 l 对电弧炉系统所产生的谐波特点进行研究，提出 谐波分析的理论方法。 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 项目研究内容 2)电弧炉系统电网电压波动的机理及电极调节器性 能对电网的影响 l 研究电弧的非线性及电极调节器的性能参数对电 弧炉输入功率、电网电压等方面的影响，以 Matlab为仿真工具进行仿真分析。 l 从理论上定性考察电弧非线性、三相耦合、电极 调节器性能相互影响而产生电压波动的机理。 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 3)电弧炉电极调节系统的智能自适应控制研究 l 通过电弧炉电极调节器的智能自适应控制以达 到减少电弧炉所引起的电压波动、保持三相平 衡等效果。 l 提出保证系统稳定性的控制方案 l 研究可实现的具体算法。 项目研究内容 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 4)电弧炉系统的实验研究 l 进行电弧炉系统谐波分析及抑制方法的实验研 究 l 对电弧炉电极调节系统的自适应控制进行实验 研究，以检验数字仿真所得到的控制算法在线 实现的可能性。 l 研制电弧炉主电路及电极调节系统仿真实验系 统 项目研究内容 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 5)一类多电机系统的鲁棒自适应控制研究 a）一类高阶MIMO非线性耦合系统的模型分析与简化研究 l 得出具有耦合特性的多电机系统模型转化方法。 b）基于L2性能指标的一类非线性系统的鲁棒自适应控制 l 以电弧炉电极调节系统为背景，并考虑同类具有耦合特性的多电机系 统的特点，采用递推设计的方法推导基于L2性能指标的鲁棒自适应方 案,进行稳定性理论分析。 c）电弧炉电极调节系统的智能鲁棒自适应控制 l 研究电弧炉电极调节器的鲁棒自适应控制方案，根据工程实际约束条 件的要求，提出保证系统鲁棒稳定性的自适应控制算法，在此基础上 进行电弧炉电极调节系统智能鲁棒自适应控制的数字仿真研究 d）三相电弧炉电极调节系统鲁棒自适应控制的实验研究 l 以实际的伺服电机为执行驱动部件，构造三相电弧炉电机调节系统。 研制基于的DSP电弧炉电极自适应控制硬件系统及自适应控制的软件 ，为今后的工程技术创新创造条件。 项目研究内容 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 电弧炉炼钢简介 1炉底 2钢液 3渣层 4流钢嘴 5炉顶 6电极 7电极夹持器 8短网 9电炉变压器 10炉门 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 电弧炉炼钢简介 1进线隔离开关 2高压断路器 3外附电抗器 4电抗器分接开关 5电炉变压器 6电流互感器 7短网 8调节器 9电弧炉 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 l 第一座工业用电弧炉于1900年在法国建成。电极升降靠人 工手动调节。 l 1926年，德国制成了炉盖移动式电弧炉，容量6吨，从炉顶 装料。 l 1940年以前，电弧炉都被用来冶炼制造合金钢以及不锈钢 、工具钢。大于25吨容量的电弧炉全世界仅有5台。 l 二战后合金钢需求量减少，迫使许多电弧炉改炼碳素钢。 电弧炉冶炼碳素钢的产量到1977年已达到1亿吨左右。 l 70年代先后出现300吨，360吨，400吨容量的大型电弧炉。 为了进一步改善电弧炉炼钢的经济性，60年代初，美国研 制成功容量为135吨超高功率电弧炉，生产效率提高了近1 倍。 电弧炉炼钢简介 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 电弧炉具有以下一系列独特的优点： l 冶炼温度高达2000C以上，能够满足各类钢材对冶炼温 度的不同要求； l 炉内气氛能够灵活控制，从而有利于降低钢液中的非金 属夹杂物。 l 钢液的化学成分容易控制，且操作方便； l 炉子输入功率容易调节，因而易实现炉子加热过程自动 化 l 设备结构紧凑，占地面积少，基建投资省，建厂速度快 ，生产机动灵活； l 基于此，近年来电弧炉逐步开始取代传统的平炉、转炉 ，成为主要的炼钢方式之一。 电弧炉炼钢简介 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 电弧炉的整个炼钢过程分为三个时期：熔化期、氧化期 和还原期。 l 熔化时期的特点是电炉输入的电功率在急剧波动，同时 经常伴随有电流冲击。 l 当部分炉料被熔化后，产生炉料倒塌，使电极发生短路 ，从而引起电流的冲击。在熔化期，电极短路次数有几 十次甚至上百次之多。 l 由于三相的耦合作用，某相电极短路后，其它两相电极 也产生了不应有的调节过程。这样使得电极短路后的调 整过程加长，电弧电流波动的影响更加明显。 l 当电极调节系统性能较差时，常常会处于反复调节的过 程之中。这种状况不但影响电弧炉的电效率，也对电网 电压产生明显的影响，产生电压波动及闪变等问题。 电弧炉炼钢简介 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 l 熔化期的后期，炉料全部熔化，电弧电流相对比较稳定。 l 在氧化期，由于脱碳反应造成钢液的强烈沸腾，电弧的等效 弧长因此发生周期性的、拟周期的或随机性的波动，因此造 成电弧电流长时间不规则的波动。 l 常规的调节系统无法有效减少这种波动，在某些情况下反倒 有可能加剧电弧电流的波动，因此产生持续性的电压波动与 闪变问题。 l 还原期的特点是电弧较长，燃弧较稳定，输入电弧炉的功率 较稳定。这时电网的谐波问题仍比较明显。 电弧炉炼钢简介 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 电弧炉工作的基本特点 l 熔化时期频繁的电极短路及相应的调节过程，三相电 弧的相互受力及炉料温度较低时所造成的弧长随机扰 动。 l 氧化期内钢液的沸腾而造成弧长波动。 l 由于三相耦合的影响，加之电极调节系统的调节作用 ，使电弧弧长的变化呈现出更加复杂的特征。而电弧 电阻的非线性对于电弧炉主电路有着十分重要的影响 。因此，从供电网的角度看，电弧炉几乎是一个随机 负载。 l 但仔细分析则不难看出，所以这些均是由于电弧弧长 的变化而产生的。一旦电弧弧长稳定，则问题相应就 简单一些，即只有电弧电阻的非线性问题，电弧炉可 以认为是一个稳定负载。 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 项目研究背景 l 电弧炉对电网会产生谐波、三相不平衡、电压波动等危害 。 l 80年代以来，国际各国学者相继投入力量进行电弧炉模型 、电弧炉对电网的影响、谐波检测方法、抑制谐波、电网 电压波动的设备等方面的研究，取得一些有意义的成果。 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 l Dugan(1980)首次采用分段线性化的电弧模型，进行了电 弧炉系统的谐波分析研究，其结果被广泛引用。但是， 分析结果误差很大，还不能应用于工程分析。 l 上世纪九十年代，C.Gllker(1993),Juan Celad S.(1993),J.G.Mayordomo(1994), Arash Sarshat(1996) 等人分别采用电压源替代模型，频域电弧模型，统计模 型进行了电弧炉系统谐波分析。分析一般是针对单相系 统或三相对称系统进行的。 l 本世纪初，出现了一些新的谐波分析方法，如自适应遗 传算法，多频带小波变换等，给谐波的分析与治理带来 了方便，有效和可靠的技术手段。 项目研究背景谐波分析 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 l 90年代以来，许多学者从电压源替代电弧模型出发，对 电弧炉引起的电网电压波动与闪变进行了研究。 l 研究的主要方法是假定电弧电压和电弧电流有效值之间 存在一定的关系，采用一个简单的函数来逼近这种关系 ，考虑弧长的随机扰动，进行仿真研究。 l 分析一般限于单相系统且不考虑电极调节系统的影响。 l 当考虑电弧炉对电网电压波动的影响时，应该考虑电弧 炉电极调节器的调节性能及调节过程对电网的影响。 项目研究背景电压波动与闪变 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 l 1972年，Gosieuski提出了电极动态最优控制，同年 Wheeler提出了电极动态功率控制。 l 1973年，Nicholson提出了电极阻抗在线控制。 l Nadira R.(1988) Gu X.-y. Bao Y.-a(1997)等人研究 了考虑电弧炉主电路非线性作用的自适应控制方法，提 出了电极位置控制系统的构成，并讨论了计算机实现技 术。 项目研究背景电弧炉控制 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 l 90年代以来，美、意、英等西方主要国家纷纷投入大量力 量进行电弧炉炼钢过程智能控制的研究。 l 具有代表性的是美国Stanford大学的Wilian E. stalb等人 与美国North Star钢厂及Miutech.HOH公司合作研制的基于 神经网络的智能电弧炉控制系统IAF。 l IAF使用了三个神经网络，分别构成电弧炉仿真器、电极调 节仿真器及神经电极控制器。 l 据报道，IAF在提高炼钢效率、节能、提高炼钢过程的综合 自动化方面均取得了较好的效益。据在美国North star钢 厂取得的数据:电能节约3.3%，电极节约30.89%,生产率增 加4.8%. 该方法主要应用在过程自动化级，基础控制层仍 采用常规的PID控制。 项目研究背景电弧炉控制 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 l 国内1988年,顾兴源等人提出电极调节系统参数辨识的方法 l 1990年张殿华、毛志忠等人提出了电弧炉电极调节系统的辨识和自校 正控制方法，张俊杰、王顺晃等人提出了电弧炉炼钢过程自适应预报 及专家系统。 l 杨拥民、杨文华等人在电弧炉电极调节自适应控制、电极参数自整定 PID控制等方面进行了研究，但上述控制方案在实际应用中遇到困难 。 l 刘小河采用分段线性化自适应控制的方法进行电极调节控制系统的研 究，并取得一定的进展。 l 此外还有人提出交流变频调速式电极自动调节器，具有前馈环节的电 弧炉电极升降自适应控制器，在线通过累计实际输入炉内的能量值来 间接地估算电弧放大系数,从而校正控制器参数。微机控制电弧炉电 极调节自适应系统。 l 这些方法在节能、提高炼钢效率方面取得较好的效果，但是从控制角 度来说，控制方式仍是传统PID控制，对弧长的扰动抑制效果不好， 电极调节系统的控制效果也并没有明显改善，而且在系统稳定性方面 还有待于进一步考证。 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 项目研究背景 l 国内外大部分研究都是针对某一单一质量问题研究数 学模型、检测方法和抑制措施。 l 当考虑电弧炉对电网电压波动的影响时，应该考虑电 弧炉电极调节器的调节性能及调节过程对电网的影响 。 l 90年代以来，美、意、英等西方主要国家纷纷投入大 量力量进行电弧炉智能控制的研究。 l 在电弧炉自适应控制方面，已有研究将电弧炉主电路 视为一个线性的系统进行辩识或控制，采用了线性系 统的自适应控制方法，这与实际对象还存在很大差距 。 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 项目背景 尽管电弧炉模型及控制的研究近年来取得了许多进展，但 仍然存在许多问题： l 首先，电弧炉的模型研究有一定局限性。应研究能综合 反映对谐波和电网电压波动的电弧炉系统的整体模型。 l 其次，应考虑一般的非对称三相电弧炉系统的分析。 l 第三，电弧炉电极调节系统的性能与电弧炉对电网的影 响程度有很大关联关系。 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 l 电弧炉系统的模型 l 电弧炉系统的谐波分析及抑制研究 l 电弧炉非线性对供电网影响的研究 l 电弧炉系统自适应控制方法的研究 l 电弧炉主电路及供电网仿真实验系统的研究 主要研究结果 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 交流电弧 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 l 电弧炉系统的模型 交流电弧的数学模型 主要研究结果 电弧电阻为电弧弧长、电弧电流瞬时值、电弧电流有效值 的函数。 这样就将电弧炉谐波分析、电网电压波动研究统一在一个 电弧模型之下。 在电弧模型基础上可以得出电弧炉电气系统的模型。 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 主要研究结果 电弧炉系统的谐波分析及抑制研究 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 主要研究结果 电弧炉系统的谐波分析及抑制研究 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 电弧炉系统的谐波分析及抑制研究 主要研究结果 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 主要研究结果 电弧炉非线性对供电网影响的研究 =0.90, ） =0.90, ） 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 主要研究结果 l 电弧炉非线性对供电网影响的研究 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 l 电弧炉非线性对供电网影响的研究 主要研究结果 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 l 电弧炉系统自适应控制方法的研究 电弧炉电极调节系统是一个非常复杂的非线性系统，它具 有 l 非线性（电弧电阻） l 随机性（弧长扰动） l 时变性（炉底电阻） l 三相耦合等多种特征。 主要研究结果 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 电弧炉电极调节系统简介 比 较 器 功率放大 器 电机 减速机 速度反馈 调节器 给定 + - 电弧炉电极调节系统示意图 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 电弧炉电极调节系统简介 l 控制系统由电弧电流和电压的测量回路、调节器、功 率放大环节、电动机和传动机械组成。为使系统稳定 运行，通常引入速度反馈环节。 l 电弧的电压和电流信号经过它们的测量回路，分别转 换成直流电压信号与给定输入进行比较。 l 它们的差值信号通过调节器进入触发回路来控制晶闸 管整流电压，由这个电压控制的直流或交流电动机来 带动机械传动机构，使电极上下移动来调节电弧长度 ，维持电弧电流和电压在某一个设定值上。 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 电弧炉电极调节系统简介 l 电极调节系统执行机构分为机电式电极升降装置和液压式 电极升降装置。机电式电极升降装置一般用于中小容量的 电弧炉，而液压式电极升降装置一般用于大型电弧炉。 l 电极调节系统具有如下特点：阶数高，即使用比较简化 的数学模型描述，系统阶数也可以达二十多阶。强非线 性，交流电弧电阻具有很强的非线性。扰动复杂，大范 围的扰动及随机性并存，并且这种扰动是存在于系统内部 的，是非加和性的。强耦合性，三相电弧炉主电路具有 很强的耦合性，使得任意相弧长的变化可以同时引起三相 电弧电流有效值的变化。调节过程的快速性，某一相电 极短路时，电极调节器必须及时将电极调至合适的位置， 这一过程通常为数秒至十余秒。 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 电弧炉电极调节系统简介 电弧狐长与电流的静态非线性关系 电弧炉的主电路实质上是一个将弧长映射为电弧电流的非线 性环节，正是这一非线性环节，对电极调节过程的动态与稳 态过程产生着重要影响。 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 电弧炉电极调节系统简介 从 一 般 的 意 义 上 说 ， 电 弧 炉 电 极 调 节 系 统 可 以 用 一 个 非 线 性 的 传 递 算 子 来 描 述 其 动 态 特 性 。 其 中 ， 电 极 调 节 器 可 以 用 线 性 传 递 函 数 来 描 述 ， 电 弧 炉 主 电 路 可 由 一 组 非 线 性 状 态 方 程 来 描 述 其 特 性 。 从一般的意义上说，电弧炉电极调节系统可以用一个非线性 的传递算子来描述其动态特性。其中，电极调节器可以用线性 传递函数来描述，电弧炉主电路可由一组非线性状态方程来描 述其特性。 电弧炉调节器结构图 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 不同的PID参数下弧长调节过程的比较 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 l 不同的PID参数下A相电压幅值包络线比较 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 有低频弧长干扰时 不同PID参数下A相电流有效值的控制情况比较 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 有低频弧长干扰时 不同的PID参数下A相波动电压比较 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 自适应控制简介 l 在实际的控制工程中,控制对象往往存在不定性主要可 以分为以下几类: l （1）数学模型的不定性.这是由于对象的数学模型本身 是由实际对象机理的近似,或我们对受控对象机理本身 的了解不完全所造成的. l （2）参数变化的不定性.因为环境、工况的影响,被控 对象的参数可能在较大范围内发生变化. l （3）环境干扰的不定性. 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 自适应控制简介 l 一个自适应控制系统必须具有以下特征: l 过程信息的在线积累.其目的是在线进行系统参数的辨 识或进行系统性能指标的度量,以了解和掌握当前系统 的运行状态,减少系统的不定性。 l 按一定的规则确定当前的控制策略,即根据对象的变化 或系统性能指标的测量,掌握系统实际性能与规定性能 之间的偏差信息,及时修正控制器参数或对可调系统的 输入信号进行调整。 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 自适应控制简介 l 自适应控制可分为两大类：模型参考自适应控制，自校 正控制。 模型参考自适应控制框图 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 自适应控制简介 设参考模型的状态空间描述为 （1） 可调系统的描述为 （2） 定义 由（1）、（2）得 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 自适应控制简介 自适应控制系统的设计要求是： （1）设计自适应律使广义误差渐近地趋于0,即 （2）可调系统的参数收敛,即 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 自适应控制简介 l 模型参考自适应控制的主要方法 基于Liyapnov稳定性理论方法 基于超稳定性理论的方法 Landau提出了一套以超稳定性为基础的自适应系统 的设计方法，并证明了满足一定条件下系统的全局稳定 性。 不过，该方法只适用于线性系统的自适应控制，对于 非线性系统，Landau的方法无法直接应用。 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 基于超稳定性理论的一类非线性系统分段线性化自适应控制 一、非线性系统的描述 非线性环节串联于线性传递函数之后的非线性系统 考察一类非线性系统，它的前向通道由一个线性传递函数 算子和一个静态非线性环节f（）串接而组成，反馈通道 由线性传递函数算子组成，如图所示。其中，G(s)、F(s) 分别为线性传函数算子，f（）是一个单输入-单输出的 非线性静态函数 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 现将静态非线性环节f（）分段线性化，采用N条斜率与 截距不同的直线段来逼近原非线性函数，即有 f(x)=Kix+i i=1,2, , 经过分段线性化后的非线性系统如图所示 分段线性化后的非线性系统 基于超稳定性理论的一类非线性系统分段线性化自适应控制 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 基于超稳定性理论的一类非线性系统分段线性化自适应控制 二、用超稳定性理论设计自适应系统思路简介 基于超稳定性理论的模型参考自适应方法在自适应控制系 统设计中应用广泛，现在简要地介绍一下该设计方法。 1、将自适应控制系统化为一个等价反馈系统，如图所示，其 中前向通道为线性定常系统，反馈通道为一个非线性时变 系统 等价反馈系统 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 基于超稳定性理论的一类非线性系统分段线性化自适应控制 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 基于超稳定性理论的一类非线性系统分段线性化自适应控制 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 2、设计自适应律使反馈通道的非线性时变系统满足 Popov不等式。即 其中0为任意实数。则自适应控制系统就是全局渐近 稳定的。 基于超稳定性理论的一类非线性系统分段线性化自适应控制 3、设计自适应线性补偿环节使前向通道为严格正实的传 递函数。 4、返回到原来的自适应系统。 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 基于超稳定性理论的一类非线性系统分段线性化自适应控制 三、非线性系统自适应控制系统的设计 1、参考模型和可调系统的描述 参考模型： 设参考模型与可调系统具有相同的结构，其非线 性环节与对象完全相同， 经过分段线性化后，假设其处于第k段分区内，令 G(s)=Gp(S)/Gq(S),F(S) =Fp(S)/Fq(S),其中，Gp(S)、 Gq(S)、Fp(S)、Fq(S)是s的多项式，则输出的拉氏变 换可以写为 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 基于超稳定性理论的一类非线性系统分段线性化自适应控制 k=1,2 ,N 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 基于超稳定性理论的一类非线性系统分段线性化自适应控制 l 写成微分方程的形式，故参考模型处于第k段分区时 的微分方程可表示为 k=1,2 ,N 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 基于超稳定性理论的一类非线性系统分段线性化自适应控制 l 可调对象： 设可调对象处于第 i 段分区，其微分方程为 i,= 1,2, ,N 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 l 其中 l 表示参考模型处于第k分区时，yM的j 阶导数的系数。 l aj(i) 表示可调对象处于第i分区时，y的j 阶导 数的系数。 l 为由自适应律所调整的变化。 l v 为广义状态误差 e = yM y 经过线性补 偿器后的输出。线性补偿器是为了保证前向通 路为正性系统而设计的。 基于超稳定性理论的一类非线性系统分段线性化自适应控制 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 基于超稳定性理论的一类非线性系统分段线性化自适应控制 l 两式相减，然后整理可得 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 若ki=0 ，则有 基于超稳定性理论的一类非线性系统分段线性化自适应控制 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 基于超稳定性理论的一类非线性系统分段线性化自适应控制 l 由超稳定性理论，只要取 就可以保证自适应系统的全局渐近稳定性 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 基于超稳定性理论的一类非线性系统分段线性化自适应控制 事实上，只要 时的控制系统是稳定的， 那么整个系统就是稳定的。 不过，以 为前提而组成的控制系统 和实际控制系统在动态特性上有所差别。但是 可以大大减少系统的复杂性。 以下分析电弧炉电极调节系统的自适应控制时 ，就是以 为前提的。 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 电弧炉电极调节系统的自适应控制 一、研究思路 l 基本假设： 电弧炉主电路可以用一个静态非线性环节近似表示。 持续性的弧长扰动范围在一个弧长分段区间内； 突发性的大范围弧长扰动之间的时间间隔足够长。 l 研究思路： 将电弧炉主电路系统分段线性化，对于每一个分段， 都可以得到一个线性的传递函数。这样就可以用若干 个传递函数的序列来逼近非线性的传递算子。 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 电弧炉电极调节系统的自适应控制 二、电极调节系统的模型自适应系统设计 为晶闸管主电路的放大系数， 为交流电动机的机电时间常数， 为交流力矩电动机 的放大系数，其中忽略了电动机的电磁时间常数。 为机械传动装置的比例系数， 为测速发电机放大系数。 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 电弧炉电极调节系统的自适应控制 l 设弧长可分为N段，对第m个分段，其分段线性函数可 近似表示为： m=0,1,N (4) 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 电弧炉电极调节系统的自适应控制 l 根据对电弧炉电极调节系统的分析，可以得到分段线性 化后可调系统的响应象函数为 将Im0视为系统的扰动，只要保证Im0=0，Ir0时的系统是稳 定的，且可以跟踪参考模型，则整个电弧炉电极调节自适应 控制系统就是稳定的，只是在动态特性上有些差别。 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 电弧炉电极调节系统的自适应控制 l 因此，可以将第m分段区电极调节器的传递函数表示为 ： 为常数； 在不同L分段区随 取值不同而 变化。 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 ： 电弧炉电极调节系统的自适应控制 三、自适应系统设计 l 对上式进行离散化，采用加零阶保持器的脉冲响应不变法 ，Ts为采样周期，则 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 电弧炉电极调节系统的自适应控制 l 同理,若选用参考模型为典型二阶系统，则 l 式中 是被控对象的输出， 是参考模型的输出 ， 是被控对象的输入， l 是自适应机构的反馈信号， 是输入序列，K 是采样数， 及 是被控对象的参数， 及 是参考模型的参数。 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 广义输出误差定义为： = （1） 其中： （2） 线性补偿器： = + （3） 式（1）、（2）和（3）构成了等价反馈系统，其中（1） 与（3）构成一个线性定常正向方框，（2）确定了一个非线 性时变反馈方框。 电弧炉电极调节系统的自适应控制 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 电弧炉电极调节系统的自适应控制 l 取自适应律为： 就可以保证反馈通道满足波波夫积分不等式。其中 为 常系数， 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 前馈方框传递函数 应严格正实，得： -1, -1d11 电弧炉电极调节系统的自适应控制 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 电弧炉电极调节系统的自适应控制 四、仿真实例 根据西安某钢厂电弧炉现场提供的实际数据，通过计算可 得出单相调节系统各环节的传递函数，具体的整流滤波 环节、可控硅放大环节、交流电动机、机械传动装置和 测速发电机传递函数参考被控系统框图 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 带电极调节系统的交流电弧炉仿真模型 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 电弧炉电极调节系统模型参考自适应控制框图 电弧炉电极调节系统的自适应控制 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 被控对象系统框图 电弧炉电极调节系统的自适应控制 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 (a)阶跃响应 b)弧长加入白噪声时电弧电流响应 仿真结果 电弧炉电极调节系统的自适应控制 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 五、结论 l 采用分段线性化对电弧炉主电路进行近似，得出分段 线性化的电极调节系统模型，将一个非线性系统的传 递算子用一个传递函数序列近似表示。 l 基于超稳定性理论，推出模型参考自适应控制律 l 用仿真实例验证了这种方法的有效性。模型参考自适 应控制对阶跃响应具有良好的跟踪特性和很小的超调 ，由弧长加入白噪声时电弧电流响应来看，模型参考 自适应控制能够很好地抑制电弧电流的抖动。 l 由于采用了离散时间模型参考自适应控制，更便于硬 件电路的实现，为电极控制系统的研制提出了新的方 法。 电弧炉电极调节系统的自适应控制 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 电弧炉电极调节系统的自适应控制的其他方法研究 l 用李亚普诺夫理论证明了电弧炉电极分段线性化自适应 控制系统的稳定性，使电弧炉自适应控制的分段线性化 方法有了牢固的理论基础。 l 该方面研究的结果已写成相关论文“基于Lyapunov理 论的电弧炉自适应电极调节系统的设计” 在“控制理 论及应用”刊物发表。 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 电弧炉电极调节系统的自适应控制的其他方法研究 l 探索了变结构方法在电弧炉电极调节系统控制中的应用 l 在“电弧炉电极调节系统的一种变结构控制”一文中， 针对电弧炉系统，提出了一种变结构电极调节系统设计 方法。 l 在电极调节系统的模型的基础上，推导出了离散时间模 型参考自适应律。针对系统对频繁的干扰存在抖动的情 况，设计了一种变结构调节系统，利用模糊控制系统抑 制抖动，仿真表明这种结构既能够保证良好的跟踪特性 ，又能够有效地抑止抖动 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 电弧炉电极调节系统的自适应控制的其他方法研究 l 探索了遗传算法进行参数寻优的方法 l 提出了分段线性化的模型参考自适应控制算法，设计出 全数字化的模型参考自适应控制仿真系统，并用遗传算 法搜索到最优的控制参数，然后用Matlab对该控制系 统进行仿真。 l 和传统的PID控制相比较，结果表明自适应控制系统优 于PID控制系统，为开发新一代电弧炉数字控制系统提 供了直接的理论和现实依据。 l 发表“采用遗传算法进行参数寻优的电弧炉电极调节系 统离散化模型参考自适应控制”论文（“系统仿真学报 ”） 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 模型参考自适应控制与PID控制的仿真框图 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 （a）规定Tm，寻得最小超调输出 （b）规定min 寻得最快响应速度输出 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 电弧炉电极调节系统的自适应控制的其他方法研究 l 探索了基于牛顿迭代算法在一类非线性系统的自适 应模型跟随控制中的应用 l 在“基于牛顿迭代算法一类非线性系统的自适应模型 跟随控制”一文中（国际会议），讨论了一类非线性 系统的自适应模型跟随控制问题。 l 给出了系统的一般描述，然后研究了该系统模型跟 随控制的存在条件，最后讨论了如何设计前馈控制 和基于牛顿法的反馈控制矩阵的迭代调节律，使得 系统输出能快速地稳定地跟随参考模型输出。 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 (b) 激励为方波时的参考模型输出、实际系统输出、系统误差 仿真结果 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 (d) 激励为正弦信号，弧长发生白噪声扰动时的参考模型输出、实际系统输出、系统误差 仿真结果 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 三相电极调节系统的鲁棒自适应控制 l 由于电弧炉主电路三相耦合的影响，使得电弧炉主电路弧长和电弧电 流的映射关系具有不确定性，单相系统研究的成果还不能简单推广到 三相系统。 l 近年来不确定非线性系统的鲁棒控制研究已经取得了很大进展，给出 了许多有效的鲁棒系统分析和设计方法。我们在此基础上进一步展开 研究，用鲁棒控制方法对三相电极调节系统进行控制。 l 其主要思路是：将三相耦合的影响看作是单相电极调节系统非线性映 射关系的摄动，如果我们找到了摄动的上下界，就可以设计鲁棒自适 应控制器，使得当其他相弧长发生扰动而造成本相非线性映射关系发 生扰动时，系统是可以镇定的； l 而本相弧长发生扰动而造成系统等效参数发生变化时，仍采用自适应 控制使系统保持良好的性能。根据上述思路，我们设计了模性参考鲁 棒自适应控制器，并对电弧炉系统进行仿真研究。 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 l 鲁棒模型参考自适应控制系统框图 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 电弧弧长与电流的非线性摄动关系 (a)鲁棒自适应控制 (b)自适应控制 (a)鲁棒自适应控制 (b)自适应控制 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 (a)鲁棒自适应控制 (b)模型参考自适应控制 (a)鲁棒自适应控制 (b)模型参考自适应控制 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 基于反馈线性化的电弧炉系统鲁棒自适应控制 单相电弧炉系统经过适当简化可以化为 可以写为 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 l 当系统的相对阶与系统的阶数相同时，即 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 l 则系统变换为 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 l 取控制为 基于反馈线性化的电弧炉系统鲁棒自适应控制 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 基于反馈线性化的电弧炉系统鲁棒自适应控制 实际的电弧炉电极调节系统存在模型摄动时可表示为 摄动的上界可以确定时，可以设计鲁棒控制器。 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 反馈线性化鲁棒控制模块图 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 存在白噪声(强度为0.00006)干扰时两种控制方法的对比 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 方波跟踪仿真结果 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 部分发表论文 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 研究生在学术会议上宣读论文 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 参加国内学术会议 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 实验研究相关照片 电弧炉电气系统仿真实验箱 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 实验研究相关照片 电弧炉电气系统仿真实验系统 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 实验研究相关照片 电弧炉电气系统电弧电压、电流波形 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 实验研究相关照片 电弧炉电气系统高压侧电网电压波形 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 实验研究相关照片 三相全数字电机系统 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 实验研究相关照片 基于DSP的自适应控制器 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 实验研究相关照片 基于DSP的自适应控制器部分实验结果 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 研究成果 刘小河,非线性系统分析与控制引论（专著，43万字），清华大学出版社，2008.4 刘小河，非线性电路理论（研究生规划教材，53万字），机械工业出版社，2009.7 刘小河，非线性电路与系统导论（专著，约30万字），陕西科学技术出版社， 1999.5 刘小河，赵刚，于娟娟，电弧炉非线性特性对供电网影响的仿真研究，中国电机工程学报， 24,（6）,30-34，2004.06(EI收录，论文他引18次) 刘小河，杨秀媛，电弧炉电气系统谐波分析的频域方法研究，中国电机工程学报，26（2），p29- 35，2006.01(EI收录，论文他引12次) 吕晓东，刘小河，电弧炉电极调节器对电网电压波动影响的仿真研究，中国电机工程学报，26（7 ），p95-101,2006.04(EI收录，论文他引5次) 刘小河，殷杰，张奇志，基于Lyapunov方法的一类非线性系统分段线性化自适应控制，控制理论 与应用，22（5），p829-833，2005.10(EI收录，论文他引5次) 刘小河，王永社，数字模型参考自适应控制算法的电弧炉电极控制的仿真，系统仿真学报，17（3 ）， p85-687，692，2006.03(EI收录，论文他引8次) 刘小河，张道成，电弧炉电极调节系统的离散时间自适应控制研究，系统仿真学报， 16（4） p634-636,2004.04(EI收录，论文他引5次) 刘小河 张军英 一类非线性系统模型参考自适应控制的分段线性化方法，西安电子科技大学学 报，Vol,25,No.4，p500-505，1998.8（EI收录，论文他引3次 ) 刘小河，程少庚，苏文成 电弧炉电气系统的谐波分析研究， 电工技术学报，1994(1),p 21- 26,1994.03（论文他引14次） 刘小河，电弧炉电气系统的模型、谐波分析及电极调节系统自适应控制的研究，西安理工大学博 士论文，2000（论文他引11次） 李萍，刘小河，并联有源电力滤波器的仿真研究，北京机械工业学院学报，Vol.20,No.2,p5- 9,2005.02（论文他引5次） 自动化学院学科前沿讲座自动化学院学科前沿讲座 刘小河，李婕，李芳，罗作民 基于神经网络的自适应控制研究进展，西安理工大学学报， Vol.17,No.4,p351-355,2001.12（论文他引次） 刘小河，刘康平，张成乾 电弧炉电极调节系统自适应控制的仿真研究，电工技术学报， Vol.14,No.1, p 17-22,1999.02（论文他引3次） 刘小河 ，崔杜武 非线性系统的模型参考自适应控制，西北大学学报，Vol.29,No.2,1999.4， p 99-104。（论文他引6次） 张香芝、刘小河，电弧炉电极调节系统的鲁棒模型参考自适应控制，自动化与仪表，2005