（控制理论与控制工程专业论文）电弧炉电极调节系统控制方法的研究.pdf

_ | | | l f l l i i i l f i 1 1 l i f l l i i l at h e s i sf o r t h ed e g r e e 。f m a s t e r i nc 。n t r o l t h e 。r ya n dc 二n 治8 4 2 4 0 9 1 e n g l n e e n n g r e s e a r c ho nc o n t r o lm e t h o df o re l e c t r o d e r e g u l a t i n gs y s t e m o fe l e c t r i ca r cf u r n a c e b yz h a n g l i n s u p e r v i s o r ： p r o f e s s o rm a o z h i z h o n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚 的谢意。 学位论文作者签名：弓钬淋 签字日期：2 口皤耳碉 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名：张琳导师签名： 签字 日期 ：? 嘲 签字日期： ； 一 詹 一 i 习 东北大学硕士学位论文摘要 电弧炉电极调节系统控制方法的研究 摘要 在短流程的炼钢过程中，电弧炉是关键的炼钢设备。电弧炉电极调节系统对提高电 弧炉输入功率、降低能耗、缩短冶炼时间具有重要的作用，因此电极的升降控制方法成 为电弧炉控制系统中的主要研究对象。然而长久以来，为了简化电极控制器的设计，人 们一般基于线性电弧阻抗模型来设计控制器，其实际控制效果并不理想。为此，本文在 交流电弧模型的基础上，对电极调节系统的控制策略和控制器设计进行了深入研究。 通过对电弧炉电极控制系统各个部分工作机理的分析，建立了交流电弧、三相供电 系统和液压系统的数学模型。为方便利用极点配置法设计电极p i d 控制器，对所建立的 非线性模型进行了近似线性化处理。并且利用该非线性模型对电极控制策略进行仿真， 其结果验证了恒阻抗控制策略能够削弱三相之间的耦合，并总结了两种不同表达式的恒 阻抗控制策略的异同点。 根据现代电弧炉冶炼工艺特点，整个冶炼周期可分为熔化期和氧化期两个阶段，在 熔化期阶段，由于塌料等影响，要求电极控制器具有较高的快速响应的特性，模糊控制 器优于p l d 控制器。在氧化期，由于电弧比较稳定，控制精度要求较高，p i d 控制优于模 糊控制。因此，为了能同时满足炼钢过程中各个冶炼时期对电极调节器的要求，本文采 用模糊与p i d 复合控制方式，弥补了p i d 控制器不能同时兼顾无超调和快速性这两个控制 指标的不足，有效地解决了电弧炉冶炼过程中不同阶段对快速响应和控制精度有不同要 求的难题，其计算机仿真和现场应用的结果表明，该控制方法可以使电极调节系统达到 较为理想的控制效果。 关键词：电弧炉；电极调节系统；建模：恒阻抗控制；模糊控制 一i i 一 i 心 东北大学硕士学位论文 摘要 r e s e a r c ho nc o n t r o im e t h o df o re l e c t r o d e e l e c t r i ca r cf u m a c e a b s t r a c t r e g u l a t i n gs y s t e mo f t l l ee a f ( e l e c t r i ca r cf u m a c e ) i sac r u c i a le q u i p m e n ti nt h es t e e l m a l 【i n gp 赋e s s n e e l e c t r o d er e g u l a t i n gs y s t e mp l a y s 觚i m p o r t a i l tr o l ei ni m p r o v i n ge l e c t r i cp o w e ri n p u t t e dt 0 t h ef u m a c e ；r e d u c i n gt h ec o s to fp o w e rc o n s u m p t i o na n ds h o n i n gt h ed u r a t i o no 仆e a t i n g s o t h ec o n t r o lm e t h o d so fe l e c t r o d ep o s i t i o nb e c o m et h ep r i m a r yr e s e a r c ho b j e c to fe a fc o n t r o l s y s t e m h o w e v e rt h ee l e c t r o d er e g u l a t o rh a sb e e ng e n e r a l l yd e s i g n e db a s e do nt h el i n e a ra r c r e s i s t a n c em o d e lf o rl o n 吕0 fw h i c ht h ec o n t r o le 伍e c ti sa c t u a l l yn o tp e r f e c t t 1 l e r e f o r e ，t h e c o n 仃0 ls t r a t e g ya i l dc o n t r o l l e rd e s i 伊i n go fe l e c t l 硼er c g i l l a t i n gs y s t e ma r er e s e a r c h e dd e e p l y b a s e do nt h ea ca r cr e s i s t a n c cm o d e li nt h et h e s i s t h em o d e l so ft h ea ca r c ；t h r e e - p h a s ep o w c rs u p p l ys y s t e m 柚dh y d r a u l j cs y s t e ma r c f i r s t l ye s t a b l i s h e da c c d r d i n gt 0a l l a l y s e so ft h em e c h a n i s mo fe a fe l e c t r o d ec o n t r o ls y s t e m a n dt h e s en o n l i n e a rm o d e l sa r ea p p r o x i m a t e l yl i n e a r i z e dt om a k ei tc o n v e n i e n tt od e s i g nt h e p i dc o n t r o l l e r0 fe l e c t 州e s n e nt h ec o n t f o ls t r a t e 酉e so fe l e c t r o d e sa r cs i m u l a t e d 锄d 柚a 1 ) r z e db yt h en o n l i n e 缸m o d e l t h er e s u l t sm a l 【eo u tt h a tt h ec o n t r o ls t r a t e g y0 fc 0 n s t 觚t i m p e d a n c ec a nw e a k e nt h et h f e e - p h 弱ec o u p l i n ga c t i o n 锄ds h o wu st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e 铆oe x p f e s s i o n so fc o n s t 锄ti l l l p e d 柚c ec o n t m l b 勰e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c s0 ft h em o d e mb fs m e l t i n gc r a f t ，t h ew h o l es m e l t i n gc y c l e i sd i v i d e dt o 呐os t a g e s ，w h i c ha r em e l t i n gs t a g e 柚do x y g e n a t i n gs t a g e w i t h i nt h em e l t i n g s t a g ee l e c t r o d ec o n t r o l l e ri sd e s i r c dt 0p o s s e s st h ec h a r a c t e r i s t i co fh i g h - r a p i dr e s p o n s ed u et 0 i m p a c t0 fs c r a ps t e e lc o l l a p s i n g 柚ds 0 ，i nw l l i c hf u z z yc o n t m l l e ri sb e t t e rt h a np i d c o n t r o i l e r w i t h i nt h eo x y g e n a t i n gs t a g et l l ca f ci sm o r cs t e a d y 柚dl l i g i lc o n t r o lp r e c i s i o ni s d e m 柚d e d ，s 0p i dc o n t r o l l e ri sb e t t e ft h 锄f u z z yc o n t r o l l e r f i n a l l yt h em i xc o n t r o l l e r0 fp i d 柚df u z z yc o n t r o l i sp r o p o s e dt 0m a k eu pt h ed i s a d v 柚t a g et h a tp i dc 0 n t r o l l e rd o e sn o tc o p e w i t hl h ec o n t r o lr e q u i r e m e n t s0 fr e g u l a t i o nt i m e 锄do v e r s h 0 0 ta tt h es a m et i m e 1 1 1t h em i x c o n t r o l l e r0 fp i d 柚df u z z yc o n t r o l t h e 印p r o p r i a t ec o n t r o l l e ri ss e l e c t e dt oe a c hs m e l t i n g s t a g et og e tb e t t e rc o n t t d le 虢c tf o re l e c t r o d er e g u l a t i i 培s y s t e m ni ss e t t l e de f f e c t i v e l yt h a ti l l b 虹s m e l t i n gp r o c e s sd i 骶r e n td e s i r e so fh i g l l r a p i dr e s p o n s e 锄dc o n t r o lp r e c i s i o na r c d e m a n d e dt od i 骶r e n ts t a g e s t h er e s u l t so fc o m p u t e rs i m u l a t i o n 卸da p p l i c a t i o ni n d i c a t et h a t t h ec o n t r o le f ! f ；e c to ft h ec o n t r o lm e t h o di ss a t i s f y i n g 1 沁y w o r d s ：e a f ；e l e c t r o d er c g u l a t i n gs y s t e m ；m o d e l i n g ；c o n s t 觚ti m p c d 柚c ec 0 n t r o l ；f u z z y c o n t r o l i i i v 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i l a b s l l ra c t i i i 第一章绪论1 1 1 电弧炉炼钢简介1 1 1 1 电弧炉的机械设备一1 1 1 2 电弧炉的电气设备3 1 1 3 炼钢工艺简述4 1 1 4 电弧炉炼钢工艺对电极调节器的要求一4 1 2 国内外电弧炉炼钢控制技术及其发展趋势5 1 2 1 电弧炉控制方法5 1 2 2 国内外电弧炉控制技术的发展6 1 3 本文的主要工作8 第二章电极调节系统的建模与仿真9 2 1 交流电弧模型与仿真9 2 1 1 高电流电弧的物理特性9 2 1 2 电弧的半径模型1 0 2 1 3 电弧的阻抗模型1 1 2 1 4 电弧阻抗模型的仿真1 2 2 2 供电系统模型与仿真1 5 2 2 1 供电系统模型的状态方程1 6 2 2 2 仿真结果1 7 2 3 液压系统模型与仿真2 1 2 3 1 液压系统简介2 1 2 3 2 液压系统状态方程2 3 2 3 3 仿真结果2 4 2 4 电气与液压系统结合仿真2 8 2 5 近似线性化模型3 l 2 6 ，j 、l ! i ：；3 第三章控制策略的分析与比较3 5 3 1 电极控制策略概述3 5 一一 东北大学硕士学位论文目录 3 1 1 恒电流控制策略3 5 3 1 2 恒阻抗控制策略3 5 3 1 3 恒功率控制策略3 6 3 2 电极控制策略的选择3 7 3 3 恒阻抗控制策略的分析与比较3 8 3 3 1 恒阻抗控制削弱三相之间的耦合3 8 3 3 2 两种恒阻抗控制的比较3 9 3 4d 、结4 1 第四章控制器设计一4 3 4 1p i d 控制器的设计4 3 4 2 经典p i d 恒阻抗控制器存在的问题。5 0 4 3 模糊控制器的设计5 1 4 3 1 模糊控制概述5 1 4 3 2 模糊控制器的设计5 3 4 3 3 模糊控制器的优化5 4 4 4 模糊与p i d 复合控制6 0 4 5d 、结6 4 第五章结论6 5 参考文献6 7 致 射7 1 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀t 匕 一直以来，炼钢都是一种高消耗的粗犷型工业。但是，目前全世界炼钢市场的激烈 竞争迫使炼钢生产必须具有绝对的低成本效益，否则就会被市场无情地淘汰。因此，当 今能源管理，冶金、生产控制和生产管理的自动化方案及过程控制等核心已逐渐向“三 高两低 即高生产率、高生产速率、高利用系数和低成本、低消耗方向发展。 国内外电炉炼钢的发展在推动我国电炉炼钢技术的进步和变革的同时，也对国内电 炉炼钢企业提出了更高的要求。进一步降低成本、节能降耗，将成为电炉炼钢企业增强 竞争力的主要手段之一。近年来，国内电炉炼钢企业在电极调节器、导电电极臂、优化 供电、直流电弧炉等方面取得了不同程度的进展，还陆续从国外引进各种炉型的电弧炉。 但是，虽然引进电炉的设备达到了国际先进水平，但操作和生产运行还远未达到相应水 平，对引进的设备还存在合理使用的问题。因此，对电弧炉电极调节系统进行合理控制 研究，不仅具有实用价值，还具有广泛的指导意义，将有助于迅速提高我国炼钢技术水 平。 1 1 电弧炉炼钢简介 电弧炉诞生至今已有百余年历史，是一种以电弧为主要热源来熔炼金属的电炉。电 弧炉按其工作原理可以分为直接加热电弧炉、间接加热电弧炉和电阻电弧炉三大类。现 代化的炼钢电弧炉均为直接加热、炉底不导电式电弧炉。电弧在每个电极与金属炉料之 间产生，其热量是熔炼的主要热源，移动电极可改变相应的电弧长度，从而改变相关的 输入炉内功率，因供电方式采用三角形接法，单根电极与金属炉料不能产生电流和电弧。 炼钢电弧炉的主要原料是废钢、废铁和铸造铁等，特别适合用来冶炼熔点高、产量大的 金属，因此在工业中主要用电弧炉冶炼各种不同规格的特种钢以及各种合金n 1 。 1 1 1 电弧炉的机械设备 电弧炉的构造主要是由炼钢工艺决定的，同时与电炉的容量大小、装料方式、传动 方式等有关。电弧炉的基本结构如图1 1 所示。 电弧炉的主要机械设备由炉体金属构件、电极夹持器、电极升降装置、炉体倾动装 置、炉盖提升、旋转装置和炉顶装料系统等以及液压系统、水冷系统、气动系统等辅助 系统组成。 炉体：是电弧炉的主要装置，用来熔化炉料和进行各种冶金反应。电弧炉的炉体由 金属构件和耐火材料砌筑成的炉衬两部分组成。电弧炉的金属构件包括炉壳、炉门、出 钢槽、炉盖圈和电极密封圈。炉壳由钢板焊成，上部有加固圈。炉门可以用来观测炉内 情况及进行扒渣等操作，炉盖的上方有三个呈正三角形布置的电极孔，在孔与电极之间 设有电极密封圈。炉壳的上部、炉盖和电极密封圈都通水冷却，炉壳内部、炉盖及出钢 槽内部都是用耐火砖砌成的。 一1 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 电极夹持器及电极升降装置：电极夹持器可以用来夹紧和放松电极，还可以把电流 传送到电极上。在熔炼过程中，由于炉料不断熔化，不同的熔炼阶段要求给出不同的电 能。同时，电极自身的长度也会存在自消耗。因此，需要随时升降电极以调整电弧的长 度。电极通过电极夹持器固定在电极升降装置上。电极升降装置由导电横臂、立柱和传 动装置组成。导电横臂由铜钢复合板制成，作为支持用的机械结果部分，用来固定电极 夹头。立柱和导电横臂连接成“r 形支架，一起在固定的框架内升降，框架固定在炉 体的摇架上，框架内装有滚轮，立柱沿滚轮升降。电极夹头、导电横臂都是内部通水冷 却。传动方式为液压传动。电极升降机构包括电极升降液压缸、电极升降立柱、电极喷 淋环、夹头喷吹等部分。 图1 1 炼钢电弧炉不意图 f 蟾1 1s k e t c hm a p o fe l e c t r i ca 亿f u m a f o rs t e e l m a k i n g 1 一倾炉用液压缸；2 一倾炉摇架；3 一炉门；4 一熔池；5 一炉盖；6 一电极； 7 一电极夹持器；8 一炉体；9 一电弧；1 0 一出钢槽 炉体倾动装置：为底倾机构，传动形式为液压传动。炉子装在专门的摇架上，摇架 两侧的扇形板支撑在底座上，倾动时摇架的扇形板沿底座摆动，出钢槽末端的运动轨迹 为摆线。倾动时工作液进入液压缸，使液压活塞杆推动摇架，摇架沿水平底座滚动，带 动炉体倾动，为防止摇架和水平底座发生相对滑动，在它们的整个接触面上，分别加工 上导钉孔和导钉。倾炉机构包括倾动摇架、倾动轨道、倾动液压缸、水平支撑机构与炉 盖旋转轴承和旋转锁定等。倾动摇架下部为弧形结构，在轨道平面上进行滚动，定位准 确、可靠。两个活塞式倾动炉液压缸下支座固定在水泥基础上。上支座固定在摇架平台 的底部。倾动油路上安装有液压锁，以保证炉子在任何倾动位置失压时，停止不动。水 平支撑状态，不得向出渣侧倾动。 一2 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 炉盖提升及旋转装置：该机构包括炉盖旋转架、炉盖提升缸、提升连杆机构、炉盖 旋转机构及锁定机构等。旋转架通过旋转轴承连接在倾动摇架平台上。当固定在平台上 的液压缸活塞杆伸出时，可使炉盖旋开。液压缸活塞杆缩回时，炉盖即可复位。旋转架 伸出臂下通水冷却，以防止高温变形。 液压系统：液压系统包括液压源、控制阀门、蓄液箱、蓄能器等。液压源有三台恒 压变量泵并配备一定数量的蓄能器。以保证事故状态的应急操作。电极升降采用比例阀， 以保证在穿井塌料时电极能快速提升，防止电极碰断和提高灵敏度。炉体倾动采用比例 阀，使倾动速度在0 3 。s 之间随意控制，以满足出钢和快速回倾的要求。炉盖旋转采用 比例阀控制，以保证在旋转过程平稳、快速。 水冷系统：为了延长电弧炉的使用寿命以及改善炉前操作条件，电弧炉的许多部位 通水冷却，如前所述的炉盖、炉壳等，水冷系统主要包括三部分：水冷炉壁、水冷炉盖 和水冷导电横臂、炉体为双层结构，中间为水冷夹层，炉壁上有入水口和出水口，冷却 水不断从夹层中流过，使炉壁冷却。冷却水的进口压力要求一般在1 4 5 个大气压以上。 电炉主体的水冷系统供给水冷炉壁、水冷炉盖、炉门、炉门框、导电横臂电极夹头、电 极喷淋水冷电缆和铜管等。 气动系统：气动装置为电极夹头清灰，为加料斗气缸、炉门气缸等供气，系统由主 阀架气动三大件、气阀等组成，系统压力o 3 m p a 1 】。 1 1 2 电弧炉的电气设备 电弧炉的电气设备主要分为主电路和电极升降自动调节系统。主电路的任务是将高 压电转变为低压大电流输往电弧炉，并以电弧的形式将电能转变为热能。电弧炉的主电 路主要由高压断路器、电抗器、电炉变压器及低压短网等组成。 电弧炉采用三相交流电供电，电气设备主要包括以下几个部分：高压供电系统、二 次回路、电炉变压器、电抗器、短网、低压供电系统和控制系统。 高压系统：一股由3 5 k v 电，经高压隔离开关、高压真空断路器、电抗器送至电弧 炉变压器，在高压供电系统中设有氧化锌避雷器、阻容吸收器，作为电压吸收装置，吸 收操作过电压和浪涌过电压，以保证变压器正常运行。高压测二次计量回路设有高压侧 电压、高压侧电流、功率因数、有功功率、有功电度及无功电度的计量，二次保护回路 设有过电流保护、欠压保护、缺相保护、变压器温度保护、变压器瓦斯保护及冷却器保 护等完善的保护回路。电炉变压器采用高阻抗电弧炉专用变压器，变压器采用有载电动 调压，低压二次侧采用铜管侧出线、内封口，采用强油循环水冷却器进行冷却。变压器 配套强油循环冷却器及其电气控制台。 电抗器：电抗器为外附电抗器，无载调节可连续过载2 0 ，配有隔离开关，接地开 关。 短网：也称大电流线路，是指从电弧炉变压器低压出线到电极( 包括电极) 之间的 各种形式导体的总和。电流经短网送入炉内，产生电流，将电能变成热能，把炉料熔化。 一3 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 低压动力及控制电源：由系统动力柜接收车i 白】馈电，进线电压3 8 0 2 2 0 v ，三相四线 制。主要是给液压站、高压泵、加热器、闸整流电源、电炉变压器调压控制器、油水冷 却器、仪表电源、控制电源、稳压电源等供电口1 。 1 1 3 炼钢工艺简述 电弧炉炼钢的工艺方法归纳起来有三种，即氧化法、不氧化法和返回吹氧法。氧化 法是电弧炉炼钢工艺的最基本的方法，不氧化法和返回吹氧法都是在氧化法的基础上发 展起来的。 氧化法冶炼工艺由补炉、装料、熔化期、氧化期和出钢五个阶段组成。其特点是在 氧化期，用加矿石或吹氧进行脱磷和脱碳，使熔池沸腾，以降低钢中的气体和杂质。用 这种方法冶炼，可以得到含磷量及气体、夹杂物含量都很低的钢，还可以利用廉价废钢 为原料，因此一般钢种大多采用氧化法冶炼。其缺点是如果炉料中有合金返回料，则其 中的某些合金元素会被氧化而损失于炉渣中。 补炉：补炉是指当上炉出钢完后，需要迅速将炉体损坏的部位进行维修，以保证下 一炉钢的正常冶炼。 装料：装料是指将固体炉料装入炉膛内。目前多数电弧炉采用炉盖上升，炉体开出， 或者炉盖升起旋开，用吊车吊起料罐将炉料一次加入炉膛内。 熔化期：从通电开始到炉料全部熔清的阶段称为熔化期。熔化期的主要任务是迅速 熔化全部炉料，去除部分的磷。为了加速炉料的熔化和节省用电量，在熔化期一般采用 吹氧助熔。 氧化期：当炉料全部熔清后取样分析进入氧化期。这段阶段的任务：最大限度地降 低钢液中的磷含量；去除钢中的气体( 氮、氢) 及夹杂物；将钢液温度加热到稍高于出 钢温度。为完成上述任务，必须向炉内加入石灰、矿石，进行吹氧、流渣等项操作。当 氧化期结束时，要将炉渣扒掉。 出钢：出钢是指将经过冶炼符合要求的钢液，从出钢口处倾入盛钢桶，然后进行浇 铸。出钢时要求炉渣覆盖在钢流面上，随钢流一齐倾入盛钢桶幢1 。 1 1 4 电弧炉炼钢工艺对电极调节器的要求 电极调节器的调节条件和调节任务颇为复杂。在起弧熔化冷料时，长度为数毫米的 电弧在不甚大的范围内，就能产生数千千瓦的功率，此时电弧温度高达数千度，被熔料 在电极下面迅速而激烈的熔化、飞溅，时有短路和断弧现象发生，因此弧长、输入功率 不断变化。当电弧电流小于额定值时，输入到炉内的电能减少，熔化时间拖长，电能及 电极消耗均有增加；而当电流非常大时，虽仅数秒钟，就能使线路损耗大大增加，导致 输入电弧炉内的电能减少，降低设备的各项指标，此时电弧长度非常短，特别是当电极 同炽热或液态熔液接触时，会使熔液遭受增碳的危险，严重时可折断电极。可见，电弧 炉电极调节器的调节任务非常关键，即在保证稳定调节的条件下，要求电极调节器灵敏 一4 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 度高，快速性好，超调小。 具体的说，4 0 吨电弧炉对自动调节器的要求如下： ( 1 ) 高灵敏度。对电弧电流变化的反应要灵敏，可以用非灵敏区来衡量。非灵敏区 指当电极调节被控量偏差发生变化时，电极仍保持静止的整个区间。通常用不感系数来 代表调节器非灵敏区的大小。执行机构在开始向两个方向动作时的被调量之差与其算术 平均值之比的百分数称为不感系数。 ( 2 ) 电极调节快速性好。电极提升速度要快，否则容易造成短路而使高压断路器自 动跳闸；下降要慢，以免电极碰撞炉料而折断或插入熔液中。电极速度由零升至最大速 度的9 0 所需时间不得大于0 3 s ，电极速度由最大速度降到1 0 所需时间不得大于o 1 5 s 。 ( 3 ) 保证电弧电流能在额定值的3 0 1 2 5 的范围内平滑的整定。 ( 4 ) 电极同炉料短路时，在保证电弧稳定的情况下，使电极以最大速度上升。 ( 5 ) 保证电极升降控制能迅速的从自动切换为手动，或由手动切换为自动。 ( 6 ) 电弧炉通电时，电极调节器应能保证自动燃弧。 ( 7 ) 调节器应能保证调节工作高度可靠，操作简单。 上面的各项要求，最重要的是快速性、灵敏度和系统的超调量小。调节器的快速作用能 够提高电弧功率平均值、功率因数c o s 巾和电效率t 1 ，改善电气设备的工作条件，同时有 利于减少电极对熔液增碳。足够高的灵敏度不但能以高准确度来维持每相电弧功率相 等，而且能改善各项性能指标。如电弧功率平均值、功率因数c o s 巾和电效率q ，除此以 外，还能消除每个电弧周围的耐火砖受热不均匀的可能性。高灵敏度、快速性和整个系 统的超调量控制之间的正确配合是设计性能优越调节器的决定性条件口1 。 1 2 国内外电弧炉炼钢控制技术及其发展趋势 善 1 2 1 电弧炉控制方法 电弧炉是以电能为主要热源的冶炼设备，在电弧炉炼钢过程中，由于电极与炉料的 接触性短路、炉料的坍塌、炉料成分的气化以及金属溶液沸腾等原因，经常会造成电弧 电流的剧烈波动。此时就需要通过快速调节电极的位置，使电弧电流稳定在一定范围内。 因此电极调节系统是电弧炉炼钢过程不可缺少的基本装备，我们所说的电弧炉控制通常 就是指对电弧炉电极的控制。研究表明，采用先进的电弧炉电极调节装置可有效地减少 电极消耗和功率消耗，增加平均输入功率，降低冶炼过程中的电压“闪变 ，缩短出钢 时间。 按照调节器种类的不同，电弧炉调节器可分为： ( 1 ) 模拟电路构成的调节器：此类调节器早期使用较多，其主要特点是造价比较低， 控制简单，但控制性能不好。 ( 2 ) 可编程逻辑控制器( p l c ) 构成的调节器：这是目前国内电弧炉系统常用的一种 控制器。具有较高的可靠性，缺点是调节较慢，难以实现复杂的控制算法如神经网络控 一5 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 制等。 ( 3 ) 工业控制计算机构成的调节器：采用计算机控制的电弧炉系统具有高速运算能力， 且工业计算机也具有较高的可靠性和稳定性，可以实现优化控制。近几年在国外的电弧 炉控制系统中得到广泛应用，国内也正在向这个方向发展。 按照控制策略不同，可分为三种：恒电流法、恒阻抗法和恒功率法。这三种方法的 原理和优缺点会在以后章节具体介绍h 1 。 1 2 2 国内外电弧炉控制技术的发展 随着电弧炉熔炼工艺不断发展，电弧炉过程自动化技术也随着整个工业自动化技术 的不断进步而发展。电弧炉过程自动化技术的发展始终和计算机技术和控制理论的发展 密不可分，大致经历了基础自动化、两级计算机控制系统、分布式计算机控制系统( d c s ) 等几个阶段，目前正朝计算机集成自动化c i m s 方向发展。 6 0 、7 0 年代国外一些学者在电弧炉过程控制理论研究方面作了大量而集中的研究， 从不同的角度对电弧炉控制难点作了深入的分析。1 9 7 2 年b i l l i n g s 和n i c h i l s o n 提出了 电弧炉电极调节温度加权自适应控制算法，该算法以电弧炉中熔池温度能连续检测为前 提，以炉温为时变参数的可测辅助变量，其基本思想是认为电弧特性参数的时变性主要 是由冶炼过程中炉温变化造成的，其结果导致电极调节系统的开环增益在冶炼过程中的 不同时刻有一定的差异。如果对此问题加以考虑，则必然使电极调节系统的调节特性不 断地在过阻尼和不稳定状态两个极端之间变化，为了消除这种现象，b i l l i n g s 等人在文 中假设炉温可测的条件下，事先确定了一个以炉温为自变量的权函数，在系统实际运行 时用此权函数与取得的控制作用相乘，再作用于被控对象。这样由于炉温不同，相应求 得的权函数值也不同，从而使系统的调节特性在整个冶炼过程中保持不变。这种方法的 问题所在是要决定加权函数，由于不能连续直接测试炉温，就需要有可靠性高的状态观 测器，目前还无法满足这一要求。1 9 7 9 年，b i l l i n g s 提出了采用弧流阻抗控制的双模型 控制方案，即通过检测电流，当电流值达到短路电流值时采用电流控制策略，否则就采 用阻抗控制策略。这两种控制方法相结合的优点在于：电流控制策略能够保证短路时对 电极进行快速调节，阻抗控制策略则能保持三相互不干扰，自动调节的特点。h n i c h o l s o n 等人提出了电弧炉阻抗在线最优控制方案，该控制方案通过对液压式电极调 节器进行分析研究后，首先给出了系统1 1 阶非线性模型，经过线性化及降阶处理后得 到了6 阶的线性模型，并用通常的向量微分方程表示为：x ( t ) = 触( t ) + b u ( t ) ，然后利用 基于二次型的性能指标，求出其最优控制u ( t ) 。实施在线控制的结果表明，在瞬态特性 方面在线最优控制方案要优于模拟控制方案，也优于p i d 控制，只是在求解r i c c a l i 方 程时，加权阵q 、r 初值的选择尤为重要。8 0 年代末，国外一些学者借助于智能控制原 理对电弧炉过程控制方法和技术进行了系统的研究。这方面工作具有代表性的应首推美 国s t a i l d f b r d 大学的w e s t a i b 等人，他们于1 9 9 0 年，成功地将人工神经网络学习技术 应用到电弧炉炼钢过程控制中，开发出了“智能电弧炉( l 虹) ”。这是一项创造性的工 一6 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 作，该项专利产品己经在世界上几十座不同吨位的交流电弧炉上得到了实际应用。 国内对电弧炉炼钢过程控制理论方面的研究虽然起步较晚，但发展很快。在8 0 年代 初，顾兴源、毛志忠等人提出了电弧炉电极调节自校正控制方案与辨识方法，文中从提 高电极调节快速性这一观点出发，提出了在偏差信号和电压环之间加一个调节器，调节 算法采用自校正控制算法，来提高电极调节器的反应速度，达到节约电能的目的。1 9 8 5 年张殿华等人提出具有可变遗传因子的电弧炉电极调节自校正控制方案，该控制方案以 获得一种控制算法简单、对时变系统具有补偿作用且全局收敛性比较好的自校正控制器 为目的，提出了一种具有可变遗传因子的自校正控制算法，并且证明了当被控系统满足 确定性、时不变和最小相等条件时，该控制算法具有全局收敛性。 1 9 9 6 年毛志忠、李健提出一种具有前馈环节的电弧炉电极升降自适应控制方案，针 对炼钢电弧炉电极调节系统的参数时变及三相间相互影响等特点，设计出一种简单且有 效的电极调节控制方案，该控制方案通过引入前馈控制环节来减小三相电极间的相互影 响，并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。该电弧炉电极调节方案己在某厂3 0 t 电弧炉上投入运行，运行结果表明，这个 方案合理可行，吨钢电耗比原来降低8 。 。 国外电弧炉过程自动化技术发展比较快，特别像美国、德国、日本等一些工业发达 的国家，这些国家不仅注重电弧炉设备的技术改造投资，而且不惜重金研究和开发新的 电弧炉过程控制设备及技术。在电弧炉过程控制技术研究及使用方面，美国一直处于领 先地位，从首先将计算机引入电弧炉过程控制中到现在开发的智能电弧炉( ) ，均代 表着每一历史时期的最高水平。德国不仅是最早使用电弧炉的国家之一，而且在电弧炉 过程控制方面也具有较高的水平。日本虽然在电弧炉过程控制技术研究上是起步较晚的 国家，但其发展速度是惊人的。 针对具体的电弧炉熔炼过程及存在的实际控制技术问题，国内自动控制领域的科技 工作者开发研制了不少适合我国国情的新技术，其中具有代表性的有：上海交通大学自 控系李静如、张钟俊等人为上海钢铁公司研制开发的“具有不同控制策略和专家知识的 炼钢过程计算机控制系统”，北京科技大学王顺幌等人研制开发的“电弧炉炼钢过程数 学模型及终点自适应预报系统”，北京科技大学王顺幌等人研制开发的“电弧炉炼钢过 程自适应预测控制操作指导系统”在实际使用中取得了令人满意的效果。 但是以上先进的控制方法主要应用于大型交、直流电弧炉系统。而结合我国具体国 情，一些小型的交流电弧炉在一些铸造厂，冶炼厂中广泛应用。而这些电弧炉的电极调 节系统，多系6 0 7 0 年代p i d 调节器，调节特性较差，自动化较低，不可避免的造成能量 及时问的过分消耗，造成炼钢成本的提高。因此，用高新技术低成本地改造这类电极调 节系统，对降低能耗，提高产品质量，都具有非常重要的意义n 1 。 一7 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 本文的主要工作 本文所要解决的主要问题是在电弧炉炼钢过程中，平稳、快速、灵敏地调节电极升 降位置，使得电弧炉达到始终以最大功率炼钢的冶炼效果。为了更好地解决这个问题， 。 本文所做的主要工作包括： ( 1 ) 在查阅大量国内外文献的基础上，综述了电弧炉控制技术的发展历史、研究 现状及发展趋势，着重阐述了电极调节系统的作用及其发展。 一 ( 2 ) 针对电弧炉冶炼的工艺特点，从交流电弧的物理机理出发，建立了交流电弧 的阻抗模型。该模型能够体现电弧的微观特性，这使得所建立的电极调节系统与实际情 _ 况更为相符。 ( 3 ) 为了使电极调节系统的仿真更具有实际价值，对系统中每一部分的建模结果 都做了详细的仿真验证，这样以此为依据设计的电极控制器也更符合实际工程中的要 求。 ( 4 ) 将所建立的被控对象的非线性模型进行近似线性化，以便在设计电极p l d 控制 器时能够利用现代控制理论的方法推导出p i d 控制器中的参数。 ( 5 ) 详细分析了电极调节系统的三种控制策略的优缺点，验证了其中的恒阻抗控 制策略能够削弱三相耦合作用的特点，并且比较了恒阻抗控制策略的两种表达形式下控 制效果的相同点和不同点。 ( 6 ) 利用极点配置方法设计电极p l d 控制器，在分析了p i d 控制器控制效果和电弧 炉炼钢熔化期的特点之后，提出采用模糊控制器来弥补p i d 控制器的不足。在设计模糊 控制器时，选择优化隶属度函数的方法来改善其控制效果。最后，为了使电弧炉炼钢的 东北大学硕士学位论文 第二章电极调节系统的建模与仿真 第二章电极调节系统的建模与仿真 本章主要介绍三相交流电弧炉电极调节系统数学模型的建立。整个电极调节系统结 构( 如图2 1 ) 分为四个主要部分，包括供电系统、液压执行机构、电弧和控制器。控制 器的设计和实现在以后的章节详细介绍。本章通过理论分析和数学推导建立了电极调节 系统中的电弧、供电系统和液压系统的微分方程组模型，然后通过m a t l a b 仿真验证了所 建立模型的实用性，并且为了方便以后对控制器的设计，把非线性的数学模型进行线性 化，得到允许误差范围内的近似线性化模型。 abc 图2 1 电极调节系统结构图 f i g2 1s t n l c t 眦o fe l e c 缸d d er e g l l l a t i n gs y s t e m 2 1 交流电弧模型与仿真 2 1 1 高电流电弧的物理特性 电弧是两个电极( 阴极和阳极) 之间由电压源产生的放电气体。电弧炉电极的主要 成分是石墨。在直接加热式电弧炉中，废钢和其他原料熔化作为另一个电极，与电能的 输入端石墨电极之间产生放电电弧。电弧也是一个等离子区，它由带负电荷的电子和带 正电荷的气体离子组成。图2 2 为电弧炉炼钢过程中电弧放电的示意图晦1 。 在电弧炉炼钢过程中，电弧主要显示为非线性的特性。因为在三相交流电弧炉中供 电信号是有过零点的交流电，电弧必须在交流供电信号的每一个半周波内点燃，一旦灭 弧，电极上的电压必须增大到重新燃弧的最小电压值才能燃弧。石墨电极相对于金属炉 料的极性也是影响电弧稳定性的重要因素，同时它也增加了电弧的非线性，如图2 2 所示。 当石墨电极是阴极时，电弧放电气体呈圆柱形，由于阴极底部有更高电流密集形成的气 体流，所以放电气体比较稳定。而当石墨电极是阳极时，稳定的气体流消失，电弧变得 一9 一 东北大学硕士学位论文 第二章电极调节系统的建模与仿真 不稳定放电。 + b ) - 图2 2 电弧炉炼钢过程中电弧放电的不恿图 f i g2 2a r cd i s c h a r g es k e t c hm a p o fe a f s t e c l m a k i n g 唧鲻 2 1 2 电弧的半径模型 目前理论上可以用很多方法建立三相电弧模型嵋6 m 疆1 ，其中文献 6 给出了用于电 弧炉供电系统谐波分析的电弧模型，该动态电弧模型是从能量的角度分析建立起来的微 分方程，其电弧的能量平衡方程是 只+ 只；只 ( 2 1 ) j 。 式中，e 是以热能的形式散发到周围环境的能量；只是电弧吸收的能量；只是电 弧产生的总能量。 式( 2 1 ) 中各个能量的具体表达式为 e 一毛，4 ( 2 2 ) 最“：，鲁 ( 2 3 ) 只一订=