（控制理论与控制工程专业论文）精炼炉加料系统的建模与控制.pdf

一，if ? f ，olk at h e s i si nc o n t r o l t h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g m o d e l i n g a n dc o n t r o lo fl f f e e d i n gs y s t e m b yl iy u 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 u n e2 0 0 8 了 气， ， 、i 衲 j 独创性l 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己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：舌云 日期：朋3 6 - d 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。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：鸯云 签字日期：如啊一6 一o 导师签名： 签字日期： 朋岔- 7 一萝 0 0 椭 j | ， 、 东北大学硕士学位论文 摘要 精炼炉加料系统的建模与控制 摘要 加料是精炼炉生产过程的重要组成部分，它影响着产品的质量甚至决定着产品的性 质，这一点已越来越引起人们的重视。但大多数加料系统的自动化程度都较低，浪费了 很多的人力和物力，造成不必要的损失。所以研究简单、高效、可靠的动态加料系统势 在必行。 本文在查阅了大量国内外相关文献的基础上，介绍了精炼炉炼钢的工艺过程、设备 组成；综述了精炼炉加料系统的研究现状。并以1 2 0 吨精炼炉为实际背景设计了自动加 料系统。 针对动态定量加料的控制要求，从加料系统的总体结构出发，对加料系统的异步电 动机的矢量控制及振动给料两大主要环节进行了分析；对两部分分别进行了数学模型的 建立，同时对异步电动机矢量控制模型进行了仿真验证。并在加料系统的总体方案设计 的基础上，得出加料系统的动态模型。 针对系统存在非线性、时变及大惯性等问题，采用迭代自学习控制方法，实现了对 精炼炉加料过程快速准确的控制。使该系统不但能适应当前大多数加料系统的要求，而 且还为以后的推广应用奠定了良好的基础。最后在总结全文研究工作的基础上，指出了 精炼炉加料系统今后的发展方向。 关键词：精炼炉；加料系统；建模：称量；迭代学习控制 一i i 一 - 0 一 l i m o d e l i n ga n dc o n t r o lo fl f f e e d i n gs y s t e m a b s t r a c t f e e d i n gs y s t e m1 sa ni m p o r t a n tp a r to fl fp r o d u c t i o np r o c e s s i th a ss i g n i f i c a n ti n f l u e n c e o np r o d u c tq u a l i t y ，e v e nd e t e r m i n e st h ec h a r a c t e ro f t h ep r o d u c t s ，a n di sp a i dm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n - b u tt h el e v e lo fa u t o m a t i o no fm o s tf e e d i n gs y s t e mi sl o w , s oal o to f h n a l la n d m a t e r i a lr e s o u r c e sa r ew a s t e d ，u n n e c e s s a r yl o s s e s a r e c a u s e d t h e r e f o r ei t s i m p e r a t i v et o m a k er e s e a r c h e so nd y n a m i c f e e d i n gs y s t e mw i t hh i g hc r e d i b i l i t y ，h i g he f f i c i e n c ya n ds i m p l e a r c h i t e c h t u r e i nt h i st h e s i s ，t h ep r o c e s so fl fc r a f ta n dt h ec o m p o n e n to f e q u i p m e n ta r ei n t r o d u c e db v c o n s u l t i n gag r e a td e a lo fl i t e r a t u r e sa th o m ea n da b r o a d ，t h ep r e s e n tr e s e a r c hd e v e l o p m e n to f l ff e e d i n gs y s t e mi s s u m m a r i z e d ，a n dt h e nt h ea u t o m a t i cf e e d i n gs y s t e mo f12 0t o n sl fi s d e s i g n e d f r o mt h ew h o l es t r u c t u r eo f f e e d i n gs y s t e m ，v e c t o rc o n t r o lo fa s y n c h r o n o f l sm o t o ra n d v i b r a t i o n f e e d i n gw h i c ha r et w om a j o rs e c t i o n so ff e e d i n g s y s t e m a r es t u d i e d ：t h e i r m a t h e m a t i c a lm o d e l sa r ee s t a b l i s h e df o r d y n a m i cf e e d i n gc o n t r o ln e e d ，a l s om o d e io f a s y n c h r o n o u sm o t o rv e c t o rc o n t r o li sv a l i d a t e db ys i m u l a t i o n s t h e nt h e d y n a m i cm o d e lo f f e e d i n gs y s t e mb a s e do nt h ew h o l ed e s i g no ft h ef e e d i n gs y s t e mi so b t a i n e d am e t h o db a s e do ni t e r a t i v el e a r n i n gc o n t r o l ( i l c ) i su s e df o r n o n l i n e a r ，t i m e 。v a r y i n g s y s t e mw i t hh i g hi n e r t i a t h ef e e d i n gp r o c e s sc a nb ec o n t r o l l e dr a p i d l ya n da c c u r a t e l vb v u s i n gt h em e t h o d t h es y s t e mi sm a d en o to n l ya d a p t i n gt h ed e m a n d so f m o s to ft h ef e e d i n g s y s t e m ，b u ta l s ol a y i n gag o o df o u n d a t i o nf o rs u b s e q u e n ta p p l i c a t i o n i nt h ee n d ，o nt h eb a s i s o fs u m m a r i z i n gt h ew h o l er e s e a r c hw o r k ，t h et r e n df o rt h ef u t u r ed e v e l o p m e n to fl ff e e d i n g s y s t e mi sp o i n t e do u t k e yw o r d s ：l f ；f e e d i n gs y s t e m ；m o d e l i n g ；w e i g h i n g ；i t e r a t i v el e a r n i n gc o n t r o l ( i l c ) _ i i i - i 脯 一 “ 0 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明：i 中文摘要：i i a b s t r a c t j i i i 第1 章绪论1 1 1 精炼炉生产与发展概况1 1 2 精炼炉炼钢工艺与设备2 1 3 精炼炉加料控制系统概述5 1 4 动态定量加料的关键问题6 1 5 国内外相关领域研究状况8 1 6 本文的主要研究工作10 第2 章精炼炉加料系统的建模1 1 2 1 异步电动机矢量控制的建模1 1 2 1 1 异步电动机在三相坐标系下的数学模型l l 2 1 2 矢量变换控制原理1 5 2 1 3 坐标变换方法1 7 2 1 4 异步电动机在两相坐标系上的数学模型2 0 2 1 5 异步电动机矢量变换控制的仿真研究2 5 2 2 惯性振动给料机的建模2 8 2 2 1 振动给料机的结构_ 2 9 2 2 2 惯性振动给料机的动力学分析2 9 2 2 3 惯性振动给料机的数学模型3 0 2 3 称重计量环节的传递函数3 3 2 4 精炼炉加料系统的模型j 3 3 2 5 本章小结3 3 第3 章精炼炉加料系统的控制3 5 3 1 弓i 言3 5 一i v 东北大学硕士学位论文目录 3 2 智能控制和学习控制概述3 5 3 3 迭代学习控制概述3 8 3 4 加料系统的迭代自学习控制方法= 4 1 3 5 系统的仿真研究4 5 3 5 1 系统仿真组态图，4 5 3 5 2 系统仿真结果与分析4 6 3 6 本章小结5 0， 第4 章精炼炉加料控制系统的实现5 1 4 1 精炼炉控制系统结构5 1 4 1 1 监控系统5 1 ， 4 1 2 硬件配置5 3 4 2 加料称量系统功能实现：5 3 4 2 1s i w a r e xu 称重模块5 4 4 2 2s i w a r e xu 与传感器接线图5 5 4 2 3s i w a r e xu 的标定，5 6 4 3 加料系统软件设计5 8 4 3 1 称量控制程序5 8 4 3 2 投料控制程序6 0 4 4 本章小结6 0 第5 章结束语6 l 参考文献6 3 致谢一6 7 附录a 监控画面6 9 附录b 自动加料称量程序7 3 一v 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 近年来，随着我国钢产量的提高，用户对钢材质量提出了越来越高的要求，导致了 愈来愈窄的成分范围，而连铸为保证好的铸坯质量及稳定的工艺过程，又对钢水温度提 出了更为苛刻的要求。而l f 炉始终以温度及成分控制为主线，现在国内许多中小转炉 厂都配备了l f 炉【l j 。 l f 炉可以有效的改善钢的内在质量、精确控制钢水成分与温度，在转炉和连铸之 间起到了良好的缓冲调节作用，可以减少因转炉事故造成钢水供给不上而使连铸停机、 因连铸事故造成钢水镇静时间过长、温度过低而被迫回炉等事故，可使停机及回炉等事 故大大减少，稳定了生产并提高了生产效率。在l f 处理过程中，还可以有效的脱硫、 脱氧、脱气并去除夹杂，均匀钢水温度和成分。因此，l f 炉越来越受到冶金工作者的 重视【2 1 0 l f 钢包精炼作为钢铁生产中主要的炉外精炼设备，配以埋弧加热、吹氩搅拌、合 金成分微调、喂丝等手段，可对钢水进行温度控制、成分微调、脱氧、脱硫、夹杂物控 制及温度均匀化处理，并能协调转炉和连铸机的生产节奏等，目前已被越来越多的钢厂 广泛应用。而其中向钢水中投入可控量的铁合金及造渣料，以精确的控制钢水的成分， 对钢种的质量有着至关重要的作用。 1 1 精炼炉生产与发展概况 l f 炉( l a d l ef u r n a c e ) 即钢包精炼炉，是近年来发展起来的一种主要的炉外精炼设 备。l f 炉主要由钢包移送系统、吹氩搅拌系统、电极加热系统、合金添加系统、测温 取样系统、喂丝机等组成。电极加热系统通过石墨电极与钢渣之间产生的高温电弧来加 热钢水，使钢水温度达到后续工序的要求；合金添加系统用于调节钢水的成分。 钢水到达l f 炉接收位先进行吹氩搅拌，然后到处理位加热造渣，以形成泡沫渣为 埋弧加热作准备。造渣结束后，再次吹氩搅拌使钢水均匀，然后进行电弧加热升温。在 升温过程中，依次进行测温取样、合金添加和喂丝。最后，出钢到真空系统进行进一步 处理或到连铸机进行连铸。 近年来，随着我国钢产量的提高与钢材市场由原来的卖方市场向买方市场的转变， 用户对钢材质量提出了越来越高的要求。各钢厂为提高市场占有率，纷纷采用新技术、 新工艺来提高产品的竞争力，以目前国际上公认的现代炼钢工艺路线( 高炉一铁水预 处理一转炉一炉外精炼一连铸，废钢预热一超高功率电弧炉一炉外精炼一连铸) 为主 线，钢铁冶金新技术、新工艺得到了长足的发展。炉外精炼技术作为其中重要的一环， 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 对提高钢的内在质量、改善钢材的化学和力学性能及在转炉和连铸之间起到的缓冲调节 作用，越来越引起人们的重视，其中l f 炉其设备投资少，精炼效果明显而发展很快【3 j 。 l f 炉钢包精炼炉系1 9 7 1 年日本大同钢铁公司大森钢厂所开发，其主要功能有电弧 加热、氩气搅拌。其布置分受包、加热两个工位，由钢包车在受包工位受包，然后开到 加热工位调温，合金微调，经处理后的钢液，大大降低了 h 、 o 】、时】、 s 】含量，降 低了钢中的非金属夹杂物含量，提高并稳定了钢水的质量。 近年来，l f 炉在我国炼钢行业得到了广泛应用。l f 炉精炼技术发展很快，过去主 要应用于电炉炼钢车间，现在转炉车间也相继采用【4 】。我国于1 9 7 5 年从瑞典引进两台 a s e a s k f 型钢包精炼炉，1 9 7 9 年开始设计我国第一台4 0 tl f 型钢包精炼炉，随后 各钢厂纷纷采用该技术，但是大容量的钢包炉仍然不断从国外引进。1 9 9 6 年，上海浦钢 公司投产了二台三相三臂式1 0 0 t l f n d 钢包精炼炉，显示我国已具备了设计制造大型钢 包精炼炉的能力，一年后上海五钢公司建成了一台三相电缆吊挂式l f v d 炉，这是没 有横臂的新型导电结构方式的炉子。1 9 9 9 年武钢公司一炼厂建成了一台三相单臂式 1 0 0 t l f v d 炉。至今我国已经拥有大小近1 0 0 多台钢包精炼炉。实践表明，l f 炉可以 有效的改善钢的内在质量和控制钢水温度，在转炉和连铸之间起到了良好的缓冲调节作 用，稳定了生产，提高了生产效率【5 】。 1 2 精炼炉炼钢工艺与设备 l f 炉精炼基本工艺流程如下： 转炉出钢l f 炉座包工位一测温、吹氩、取样一加热工位一加热一测温、取样、 成分微调一座包工位一连铸。 l f 精炼过程的主要任务为脱硫、脱氧、去夹杂以及调整温度和化学成分。这些任 务的完成主要取决于脱氧制度、精炼渣的组成及吹氩搅拌制度等三个方面及其间的相互 组合 6 7 】。 l f 炉精炼作用如下： ( 1 ) 电弧炉一炉外精炼一连铸( e a f l f c c ) 短流程的推广应用，大大提高了 电炉生产率，发挥了电炉的超高功率作用来完成熔氧任务，还原期的冶炼任务转移到 l f 炉中，l f 炉还可以与转炉( l d ) 配合生产优质合金钢，形成了l d r h l f c c 新的生产优质钢的联合生产线； ( 2 ) 改善钢水质量，增加钢材品种。通过造还原性渣和高碱度渣，即所谓的白渣 精炼手段，在低氧下( 氧含量5 左右) 脱氧脱硫效果显著( 可降至约10 p p m ) ；通过底吹 氩气搅拌或电磁搅拌，加速了钢渣之间的化学反应，还可以均匀温度、均匀成分，并有 - - 2 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 利于杂质上浮，夹杂物可按a s t m 评级为肚0 1 级； ( 3 ) 在l f 中进行成分微调，合金收得率高，控制精度高，成分波动范围小，有助 于降低成本； ( 4 ) 在泡沫状熔渣下埋弧加热，升温效果好，可以补偿各种温度损失，所以可在 初炼炉和连铸设备之间充当缓冲器的作用，可以机动灵活地调整现场生产节奏，满足以 连铸为中心组织生产的要求，有助于浇铸的顺行和实现多炉连浇。 l f 炉精炼优点：功能比较全面，具备了脱硫、合金成分的精确控制，提高收得率、 钢水温度的调节能力，为提高纯净钢的生产率创造了条件；升温速度的控制精度强于化 学加热方法，保证了钢水温度能够较容易调节；能够对夹杂物进行稳定的控制，且由于 l f 炉采用电弧加热，与化学加热精炼方法相比对钢水无污染；适应性强，对钢种的处 理范围广泛，有利于市场竞争。在上述l f 炉的作用和优点当中，需要强调指出l f 的 调节作用。因为在精炼车间，所有工作是以连铸为中一e l , 来组织生产的，要确保浇铸顺利 进行和实现多炉连铸，必须依靠l f 炉的调节作用，而影响调节作用的主要因素有：l f 的加热能力、成分调整能力等等。 l f 炉四个独特的精炼功能如下： ( 1 ) 炉内还原气氛。l f 炉本身一般不具备真空系统。在精炼时，即在不抽真空的 大气压下进行精炼时，靠钢桶上的水冷法兰盘、水冷炉盖与密封橡皮圈可以起到隔离空 气的密封作用。再加上还原性渣以及加热时石墨电极与渣中的f e o ，m n o ，c r 2 0 3 等氧 化物作用生成c o 气体，增强了炉气的还原性。除此之外，石墨电极能与桶中的氧气作 用生成碳氧化物，从而可使l f 炉内气氛中的氧含量减为o 5 。因此阻止了炉气中的氧 向钢液传递，保证了精炼时炉内的还原气氛。钢液在还原条件下精炼可以进一步的脱氧、 脱硫及去除非金属夹杂物，有利于钢质量的提高。 ( 2 ) 氩气搅拌。良好的氩气搅拌是l f 炉精炼的又一特点。氢气搅拌有利于钢渣之 间的化学反应，它可以加速钢渣之间的物质传递。有利于钢液的脱氧、脱硫反应的进行。 吹氩搅拌还可以去除非金属夹杂物，特别是对a 1 2 0 3 类型的夹杂物上浮去除更为有利。 吹氩1 5 分钟后，可使钢中大于2 1 p r o 的a 1 2 0 3 夹杂全部去除，残留钢中的只是小颗粒的 a 1 2 0 3 夹杂。 吹氩搅拌的另一作用是可以加速钢液中的温度与成分均匀，这对优质钢又是必不可 少的要求。此外吹氩搅拌可加速渣中氧化物还原，对回收铬、钼、钨等有价值的合金元 素有利。 ( 3 ) 埋弧加热。l f 精炼炉是采用三根石墨电极进行加热的。加热时电极插入渣层 一3 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 中采用埋弧加热法，这种方法的辐射热小，对炉衬有保护作用，与此同时加热的热效率 也比较高，热利用率好。合金元素的回收率都较电炉单独冶炼有了较大程度的提高。石 墨电极与氧化物作用的另一结果是生成c o 气体，c o 的生成使l f 炉内气氛具有还原性， 钢液在还原性气氛下精炼，阻止了炉气中的氧向液态金属传递，这样钢水可进一步脱氧、 脱硫及去除非金属夹杂物，有利于提高钢水的内在质量。同时，埋弧加热能精确控制钢 水温度，一般偏差不超过5 。c ，因此能挽救相当一部分因温度偏低可能回炉的钢水，在 转炉与连铸之间起到缓冲器的作用。提高泡沫渣埋弧加热可以提高钢包炉的加热效率。 ( 4 ) 白渣精炼。白渣具有很强的还原性，这是炉内良好的还原性气氛和搅拌相互 作用的结果。l f 炉内渣量一般为金属量的1 2 ，通过白渣精炼可以降低氧、硫及夹 杂物含量，故在l f 中可以不加脱氧剂，靠白渣对氧化物的吸附而达到脱氧的目的。 以上介绍的是l f 炉四大精炼功能。它们是互相影响，互相依存与互相促进的。l f 炉通过炉底吹氩、喂丝和电弧加热等手段，可以均匀钢水成分和温度，减少钢中气体和 夹杂，净化钢液瞵j 。 l f 炉精炼设备如下： l f 炉设备结构简单，投资小，精炼效果显著，所处理的钢种几乎涉及从特钢到普 钢的所有钢种，生产中可视质量控制的需要，采用不同的工艺操作制度。在各种二次精 炼设备中，l f 炉的综合性 图1 1 所示。 图1 1l f 炉基本结构示意图 f i g 1 1t h es k e t c ho fl a d l ef u r n a c e 1 电极；2 合金料斗；3 还原气氛：4 炉渣； 5 钢液；6 透气砖；7 滑动水口 l f 炉由钢包、炉盖、电极加热系统等组成。钢包为普通的运行钢包，在钢包底部 有透气砖，通过它吹入氩气进行搅拌，钢包底部有滑动水口以进行浇注；炉盖一般为水 冷式，在炉盖升降装置的作用下，炉盖可以封闭精炼室，保证炉内还原气氛；电加热系 - 4 - - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 统由三相石墨电极与专用的l f 变压器等电气装置组成。 1 3 精炼炉加料控制系统概述 本文以某厂1 2 0 吨精炼炉控制系统为实际背景，在查阅了大量国内外相关文献的基 础上，对精炼炉加料系统迸行了细致的研究。下面对该1 2 0 吨精炼炉合金自动加料系统 进行简单介绍。 合金加料系统主要由以下设备组成： ( 1 ) 1 6 个储料高位料仓，每一个高位料仓都设有高、低料位检测，惯性振动给料 机。振动给料机是由两个带变频器的异步电动机驱动，通过异步电动机的矢量变频控制 惯性振动给料机进行加料【9 1 。 ( 2 ) 4 个称重料斗，每个称重料斗都有一个振料器和称重计量系统，称重计量系统 是精炼炉加料系统的重要组成部分。随着科学技术的迅速发展，称重计量系统的发展经 历了传统的杠杆机械秤、机电结合式电子秤和传感器式电子秤等。 电子秤是装有电子装置的一种衡器，它由承重、传力复位系统、称重传感器以及称 重仪表等组成【1 0 11 1 。 本系统没有采用传统的称量计量系统，采用的是先进的称重模块，其加料精度和快 速性能都高，在加料的过程中，由于物料黏度、湿度的不同，物料可能会不同程度挂在 称量斗内壁上，而该模块会准确的测量皮重，并对其进行皮重补偿，避免了皮重所带来 的误差，其具体的优点与功能实现将在第四章具体介绍。 ( 3 ) 可逆皮带机，每套皮带机有一个5 5 k w 的电机，运转速度是1 3 r n s ，1 撑可逆 皮带机可以正转向l f 炉送料，也可以反转把把废料送到废料斗里。2 可逆皮带机正转 向l f 炉中间料斗送料，当下料出错时，还可以反转把料送到事故接收料斗里。 ( 4 ) 中间料斗，要求：按照人工设定的配方或计算机给出的配方向l f 炉加入合金 料，测料精度：静态称重o 1 ，动态称重1 。加料系统的工艺流程如图1 2 所示。 精炼炉合金加料系统的控制组成如下： 所有现场设备信号送入p l c 中心控制系统，完成精炼炉加料系统的上料、加料、 排料的全自动化工艺过程。中一t l , 控制系统是精炼炉加料系统的核一t l , 。 系统采用二级计算机系统和基础自动化系统相结合的综合管理控制系统。二级计算 机系统完成浇铸计划、模型计算、物流跟踪等过程控制功能，基础自动化系统完成现场 数据采集、过程回路控制、参数设定、设备顺序控制、设备运转操作监视及报警等基本 控制功能，两极协调配和来实现l f 炉合金自动加料系统，能够适时掌控所添加物料的 品种和数量，有效地解决动态加料误差。 一 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 图1 2 合金加料工艺设备图 f i g 1 2c i v i le q u i p m e n to fa l l o y 控制系统采用德国西门子公司的s 7 4 0 0 ，c p u 板为c p u 4 1 6 2 d p ，采用以太网通讯， 二级计算机通过服务器与基础自动化通讯。系统编程软件采用s t e p 7 ，上位机监控软件 采用西门子的w i n c c ，画面图形编制、数据读写、通讯组态、趋势记录、报警记录等 都极为方便。整个系统布局合理，网络运行稳定、通讯畅通。整个l f 炉加料系统的示 意图如图1 3 所示。 加料重量 加料重量 图1 3 精炼炉加料系统的示意图 f i g 1 3s k e t c hc h a r to fe a ff e e d i n gs y s t e m 1 4 动态定量加料的关键问题 动态定量加料对加料系统的控制要求：首先是准确，第二个是快速【1 2 - 1 3 】。但实际加 料过程中，快速和准确是一对矛盾。一般动态定量加料过程的生产率都有规定，在给定 的生产率前提下，即称量加料时间周期一定的情况下，同时要使加料精度达到要求。 整个加料过程有以下特点： ( 1 ) 控制对象的被控流向是不可逆的。放下的物料不能收回，所以输出的结果不 一6 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 能通过超调量来立即加以调节； ( 2 ) 被控过程具有时变、随机特性。这是由物料的流动性能及料流量的不稳定所 决定： ( 3 ) 被控对象中异步电动机采取矢量变频方式调速，因此可以通过调整减速曲线 来调整物料量。 造成称量加料误差的原因是多方面的，其中主要有如下因素： ( 1 ) 加料装置的动作滞后，实际上振动低于某个速度就不下料； ( 2 ) 物料下落的冲击力，物料流的不稳定，物料密度、形状、大小及粒度分布、 物料的内摩擦系数、物料聚集力、物料的内部阻尼及料层厚度的变化均会造成误差； ( 3 ) 环境因素所导致的物料湿度、黏度的不同影响加料误差； ( 4 ) 当加料系统发出关闭信号后，物料的过冲量导致加料误差； ( 5 ) 皮重问题造成计量误差。 为了解决加料系统中的快速和准确这一对矛盾，许多自动加料设备都把加料过程分 为粗加和精加两个阶段。在粗加阶段采用全速加料，缩短加料时间，当加料量达到要求 量的8 0 9 0 时，开始精加，在精加阶段小量加料以提高加料精度，如图1 4 所示。 图1 4 分段给料过程示意图 f i g 1 4s u b s e c t i o ng i v ew e i g h tp r o c e s ss c h e m a t i cd i a g r a m 另外，也有的自动加料设备不分粗加和精加两个阶段，而只用一个加料门，当加料 到一定程度的时候，提前关闭加料门，然后根据称斗上的实际物料重量进行点动补偿加 料。补偿加料时，加料门一开一关，门开的时间事先设定。这样，可使实际物料重量逐 渐接近设定值。 但是，采用点动的办法实现动态加料有以下缺点： ( 1 ) 点动影响生产率。多次点动使得称量加料时间延长，导致加料生产率低； ( 2 ) 频繁点动易使机械设备损坏。如气缸、电磁气阀等。 还有的加料系统采用两级给料方式，放料机构采用两个大小不同口径的螺旋进料器 一7 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 给料，交流电机不加调速控制，放料机构的输入是开关信号，整个加料过程分两级速度 控制，即高速和低速，特点是无法通过中间过程的控制来调节输出物料量。而精炼炉的 加料系统是对合金微调，要求的精度比较高，而已存在的方法精度不是很高，针对这个 缺点设计加料控制策略，使得能对整个控制过程进行自动调整。 1 5 国内外相关领域研究状况 随着科学技术的进步，将智能控制、最优化等技术应用于动态加料系统，解决加料 精度和加料速度的协调问题，已逐渐引起了人们的关注。 ( 1 ) 国外研究情况 1 9 9 1 年，日本大阪，小野敏郎在其论文中叙述了一种微处理机辅助的动态称量法的 理论基础，并给出了适于微处理机的补偿计算方法的推导，说明了硬件的配置以及所制 造的作为试验性的估计装置的软件，并在发展一种实用的动态称量装置的同时，由动态 称量试验中给出一些结果f 】4 】。 1 9 9 5 1 9 9 6 年，h a l i m i c ，m 等学者连续撰文，针对块状产品( m a s sp r o d u c t i o n ) ， 测力传感器( 1 0 a dc e l l ) 下的动态称量过程，分别引入了线性高斯法( l q g ) 、卡尔曼 滤波( k a l m a nf i l t e r ) 、模糊逻辑估计( f u z z yl o g i ce s t i m a t o r ) ，分别分析研究了基于上 述三种方法的数据滤波问题。并得出确定性结论：即将这些先进的方法构成新型滤波器， 有助于提高动态称量的速度，改善称量精度1 5 - 1 6 1 。 1 9 9 9 年，a l m o d a r r e s i ，s 等学者撰文，提出在动态称量过程中，引入特征提取( f e a t u r e e x t r a c t o r ) ，和两层人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ) ，借以实现振动噪声下的 称量信号正确估计。并通过系统仿真和实时测量验证了方法的可行性【1 7 】。 19 9 4 年，b a l a c h a n d r a n ，w 等学者撰文研究基于模糊控制器( f u z z yc o n t r o l l e r ) 、 称量传感器( w e i g h i n gc e l l ) 下的块状产品动态重量分选器( d y n a m i cc h e c k - w e i g h e r ) 。 需要说明的是，由于产品分选过程属于开环控制，文中的模糊控制器主要是起数字滤波 作用【1 8 1 9 1 。 1 9 9 9 年，d a n a c i 等学者撰文，研究了非线性回( n l r ) 在动态称量过程中的应用， 数字仿真结果表明：该方法对称量速度和称量精度的协调有一定的作用【2 0 1 。 1 9 9 8 年，l a u b e r 等学者撰文，研究了称量信息的数据集成和基于数字技术的智能变 送器【2 1 】。 美国g r a v i m e r i k 公司的解决方案是采用逆平衡传感器测量物料的重量，并反馈 重量的信号至变频调速器，控制电机，进一步控制传送带的运动。 意大利某公司的解决方案。应变传感器感受物料重量，并反馈重量的信号至控制器， r 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 控制器控制阀门的开启。为了同时照顾精度和速度，采用了两个阀门，一个大和一个小， 开始下料时，两个阀门同时打开，加快下料速度，快接近额定值时，关闭大阀门，只打 开小阀门，达到额定值时，关闭小阀门【2 2 1 。 ( 2 ) 国内研究情况 1 9 9 6 年，杨青等学者撰文，针对粉状物料配料系统引入自适应估计方法，并在8 0 3 1 单片机实现和验证【2 3 1 。 1 9 9 9 年，石永坤等学者撰文，研究了模糊控制应用于动态称量的可行性，并进行了 方法性探讨 2 4 1 。 2 0 0 0 年，白瑞林等在其发表的论文中以传送带、料门给料的称量过程为研究对象， 提出了一种新动态定量称量控制方法，在其研究中是基于多元复合技术的原则，在控制 策略上，经典控制( p ) 与智能控制( n n ) 优势互补；在执行机构上，变频器与步进电 机协调控制传送带和料门。同时，根据具体的动态过程，选用合适的传感器，并相应配 套设计投料机械装型2 5 1 。 2 0 0 1 年，张海清等在其论文中提出了一个模糊控制器来提高改善动态称量系统性 能、提高其测量精度，给出了模糊控制器的校正算法，相应的称量样机，并给出了实际 的称量结果【2 6 j 。 2 0 0 1 年，肖绚在其硕士论文中在动态称量器软硬件实现中，对数据处理采用了一个 较为新的方法，其是在通过经典控制理论来求得系统的传递函数，利用现代控制理论， 由经典控制理论中的传递函数来求得系统的状态空间方程，然后进行离散化，求出离散 方程的解，利用离散状态方程求解系统的称量值。但是其在进行系统参数识别时没有考 虑到系统参数是随物料的增加而变化的，故算出的称量值会使误差较大 2 7 】。 2 0 0 1 年9 月，季利伟在其硕士论文中在混凝土搅拌系统的加料问题的研究中，首先 对被控对象进行机理建模，该加料系统是利用关门时刻来控制加料，因此采用迭代学习 的方式对关门值进行修正，并且通过仿真来研究学习权值对学习速率的影响，说明采用 迭代自学习方法的系统由相当的适应能力例。 2 0 0 4 年5 月，杜寿兵在其硕士论文中在水泥熟料配料控制系统中的应用中，首先根 据配料工艺建立数学模型，针对被控对象中某些参数受环境因素等影响难以确定的特 点，采用迭代自学习的方式对关门提前量进行修正，虽然它的学习规律极为简单，可实 现训练间隙的离线计算，不但具有较好的实时性，而且对干扰和系统的模型的变化具有 一定的鲁棒性【2 9 1 。 2 0 0 3 年，聂冰在其硕士论文中在吸附剂下料系统中，首先对螺旋给料机进行机理建 一9 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 模，然后设计了自学习模糊算法进行控制，利取得是批次之间离线利用自学习算法修改 模糊规则，采用v c + + y t ：发软件对该算法进行了实现【3 叭。 2 0 0 5 年4 月，赵柏亭在其硕士论文全自动小料自动配料和称量系统中，首先对该系 统建立了基于物料下料速度的模型，按下料速度进行给料，系统的参数通过工程经验以 及经验公式给出，并设计了自适应模糊p i d 控制器对该系统进行控制，通过仿真研究表 明，运用模糊推理，可实现对p i d 参数的最佳调整，有效解决了参数调节复杂的问题【3 。 殳伟群和张海清在重量信号处理做了很大的工作，他们认为动态称量时，动态的过 渡过程包含有被称对象重量的信息，利用这些信息建立参数模型进行重量估计，真正达 到动态时就把“重量”称出来1 3 引。 另外，还有许多的工程技术学者在传统动态加料方法的改进上作了大量的有实用价 值的工作。 1 6 本文的主要研究工作 本文主要工作是实现精炼炉加料系统的控制。精炼炉加料系统的建模是研究的基础 和关键。首先，按照一定物理定律建立一个加料系统模型，进而再根据所建立的机理模 型设计出符合其自身特点的控制器。总的来说，定量加料控制器目前已经有很好的发展， 但随着控制理论的不断发展以及用户要求的不断提高，需要寻求一个适合被控对象的简 单、高效和可靠的控制算法。 结合国内外精炼炉加料控制系统的设计经验，本论文主要做了以下几个方面的研究 工作： ( 1 ) 综述了动态定量加料系统的概况，同时指明了快速性和准确性之间的矛盾是 目前加料控制系统存在的主要问题。 ( 2 ) 分析了精炼炉加料系统加料过程的物理机理，在此基础上建立了精炼炉加料 系统的数学模型，进行了计算机仿真试验研究，并作了定性的分析。 ( 3 ) 控制算法的研究。分析了迭代自学习控制方法的优点。根据以上建立的加料 系统的数学模型，对精炼炉加料系统进行控制。仿真结果表明，应用迭代自学习控制方 法可取得满意的控制效果。 ( 4 ) 针对某厂1 2 0 吨精炼炉设计了精炼炉加料控制系统，给出了相应的计算机控 制系统的硬件配置和基于西门子称重模块s i w a r e xu 的加料称量系统的组成。在此基 础上，开发了加料系统自动称量程序和自动投料程序。实际运行表明，称量精度可以达 到l k g 以内，完全能达到精炼炉加料系统的控制精度要求。 一1 0 东北大学硕士学位论文 第2 章精炼炉加料系统的建模 第2 章精炼炉加料系统的建模 由于现场的干扰及机械的惯性等原因往往使加料的误差很大，所以在理论上应先对 加料系统建立模型，通过控制算法仿真以检验此方法的可行性和精确性。上一章对精炼 炉加料系统进行了概述，在精炼炉加料系统的模型中，异步电动机的矢量控制及惯性振 动给料机两部分模型是其中的难点和关键问题。因此，本章重点讨论这两部分的模型问 题，并在此基础上，总结出精炼炉加料系统的模型。 2 1 异步电动机矢量控制的建模 一般来说，交流变速传动系统，特别是变频传动系统的控制是比较复杂的，要设计 研制一个品质优良的系统，要确定最佳的控制方式，都必须对系统的静态和动态特性进 行充分的研究。交流电机是交流变速传动系统中的一个主要环节，其静态和动态特性以 及控制技术远比直流电机复杂，而建立一个适当的异步电机数学模型则是研究交流变速 传动系统静态和动态特性及其控制技术的理论基础【3 3 】。 2 1 1 异步电动机在三相坐标系下的数学模型 异步电动机是一个高阶、非线性和强耦合的多变量系统【3 们6 1 。这是因为首先异步电 动机在进行变频调速时，电压和频率之间必须进行协调控制，故输入变量有电压和频率。 而在输出变量中，除转速以外，由于在调速过程中必须保持磁通为恒定，所以磁通也是 一个控制量，而且是一个独立的输出量。再考虑异步电动机是三相的，所以异步电动机 的动态数学模型是一个多输入、多输出( 多变量) 的系统；而电压( 电流) 、频率、磁 通、转速之间又相互影响，所以它是一个强耦合的多变量系统。其次，异步电动机的电 磁转矩是磁通和电流相互作用产生的，旋转感应电动势是转速和磁通相互作用产生的， 因此，在数学模型中会含有两个变量的乘积项，再考虑磁饱和的因素，所以异步电动机 的数学模型是一个非线性的系统。最后，由于异步电动机定、转子三相绕组中的电流产 生的磁通存在电磁惯性，转速的变化存在机械惯性等因素，所以异步电动机的数学模型 是一个高阶系统。在研究异步电动机的多变量数学模型时，常做如下假设3 7 1 ： ( 1 ) 电动机磁路是线形的，不计磁饱和的影响； ( 2 ) 电机定、转子三相绕组在结构上完全对称，不计边缘效应； ( 3 ) 忽略磁能影响，气隙磁动势在空间中正弦分布； ( 4 ) 不计铁心损耗。 无论电机转子是绕线还是鼠笼式，都将它等效成绕线转子，并折算到定子侧，折算 后的每相绕组匝数都相等。这样，实际电机绕组就被等效为图2 1 所示的三相异步电机 一1 1 东北大学硕士学位论文第2 章精炼炉加料系统的建模 的物理模型。图中，定子三相绕组轴线a ，b ，c 在空间是固定的，以a 轴为参考坐标 轴，转子绕组轴线a 、b 、c 随转子旋转；转子轴a 与定子a 轴间的电角度曰为空间角位 移变量，并规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合右手螺旋定则。这时，异步电动 机的数学模型由下述的电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成。 图2 1 三相异步电动机模型 f i g 2 1m o d e lo ft h r e e p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o r ( 1 ) 电压方程 三相定子绕