（控制理论与控制工程专业论文）大功率电弧炉温度及电流平衡智能集成控制系统.pdf

摘要 本文针对电弧炉冶炼生产过程多变量耦合、时变非线 性、大时延和强干扰等特点，引入控制理论和技术构成三级控 制模式进程级、单元级和驱动级：由温度控制外环和电流平衡 控制内环的双环路结构来具体实现电弧炉温度和电流平衡的智能 集成控制；采用模糊专家、自适应神经网络、优化决策等多项智能 控制理论和技术，建立满足生产工艺要求的温度进程和电流进程： 由专家模糊解耦智能控制器来实现三个电极电流平衡控制；控制系 统有效保证了电弧炉三相电流的平衡和生产工艺对温度的需求。 系统以工控机为中心，配以高性能的模块化外设组成 一体化的计算机控制系统作为系统的硬件基础；采用硬件 和软件的抗干扰措施，确保系统的稳定性和高可靠性；而 基于w e b 管理的系统可以实现系统的远程监控和管理。 系统实现了对整个生产过程的智能集成自动控制，摆脱 了对操作工人经验的依赖，提高了冶炼生产的自动化程度 并保证了冶炼生产工艺的稳定性。 关键词：电弧炉智能集成模糊控制专家控制神经网络优化决策 基于w 曲的管理 a b s t r a c t a i i n e da t 也ec ha r ：叫甜so f l a 曜e - p o w e re a f ss m e l tp r o c e d u r c ，瞳【e p a p 盯p r e s e n t s 证t e l l i g e n c ei i l t e 黜dc o n 仃0 1s y 咖m ，i n 舡o d u c e sc o n 扛0 l m e o r y 锄dt e c h n o l o 斟a n da d o p t st i l r e es t e p sc o n 仃o l m o d e ：p r o c e e d i i 培 s t a g e ，c o n n d ls t a g e ，d r i v e rs t a g e t h ec o n n d ls y s t e mi sm a d eo f d o u b l e c l o s e d l o 叩s ：t h e i n 盯伽蜘tj o o p a n d t h e o m c r t e n 翠r a n 肫1 0 0 p ，a n d s a t i s f i e st h ee a f st e m p e r a t l 】r en e e da n dt h r e ep h a s ec u h e n tb a l a n c e t b m p e r a 帆l o o pa d o p t si n t c n i g e n c ec o 曲r o lt c c l l n o i o 影，s u c ha s 矗l z z y c o 咖l ，n e u r a ln e 咖咄e x p c r tc o n 扛d l ；a n dc l 】饿i n tl o o pi 蛐血c e s e x p e nc o u p l i n gc o n 舡o la n df 也z yc o n 行o lo f t h r e ep h a s ec 婀铷t t h s s y g t e ma s s u r c st h r e ep h a s ec u r r e mb a l a n c ea n dt e m p e r 栅e 曲l b i l i z a l i o n n es y s t e d l ，砌c hi sm a d e 印o fh i 曲二q 砌姆p e r i p h e r ym o d 山e s ， f o c l l s e so ni n d i l s t r yc o n 订0 lc o m p u t e r ，t a l ( e sa n t i d i s t u r bm e a s l 伪o f h a r d w a r c 孤ds o f h a r e ，锄da s s u r e st h es y s t e m ss t a b i l i t y 如ds c c l i r i 吼 t h es y s t e mw e b - b a s e dr e a l i z e sl o n g - d i s t a n c ec o i l n 州a 1 1 d m a n a g 锄e n t k 毋w o r d s ：e f a i n t c l l i g c n c ei n t e g r a t e d 血珂c o n 仰le x p c nc o n 哟l n e u r a ln e m o r k o p t i m l 】ld e c i s i o n - m 描n g w e b - b a s e d m a i l a g c m e n t 中南丈学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 大功率电弧炉控制系统的现状 在冶金行业中，电弧炉通常是由一台特种变压器的三相交流电供电，三相交 流电流通过三相上下移动的电极直接加热炉内金属，每个电极和金属炉料之间产 生电弧。冶炼金属是一个复杂的物理化学反应过程，冶炼过程干变万化，在电 弧炉冶炼过程中，三相交流电弧炉的电力负载是不稳定、不对称的【2 】。由于电弧 燃烧不稳定，常常发生断弧、短路及料块移动现象，因而造成负载严重不对称：在 电炉运行时，电极调节器调整不当或其它人为的原因也会造成电弧炉三相电流不 对称，因此电弧炉三相电流平衡和温度的稳定很难控制【3 】。目前，电弧炉三相电极 的电控装置大都是模拟手动控制装置，其控制手段落后，冶炼过程完全依靠工人 手动调节，电极控制不稳，劳动强度大，并且由于工人的经验不同，冶炼的效果分 散性很大：模拟调节器的参数设定后，在冶炼中不易修改，在冶炼的不同阶段，控 制效果很难一致，系统容易振荡，增加电极的消耗，不能保证三相电流的平衡输 入，产品质量不稳定：冶炼过程的信息不能及时准确地记录，从而难以优化冶炼工 艺和提高管理水平。 1 2 项目的目的和意义【4 】 大功率电弧炉已经成为冶金行业中广泛应用的大型设各之一，更是有色金属 冶炼生产中必不可少的关键装置，它具有热利用率高、烟气量小、容量大和温升 高等优点。本项目已经成功应用于韶关冶炼厂的铅锌冶炼生产线，该厂具备每年 2 0 万吨的铅锌生产能力，大功率电弧炉即铅锌冶炼电热前床的主要作用是：( 1 ) 作为铅渣熔融物的分离器，促进渣、铅良好分离，减低炉渣的含铅量；( 2 ) 保证 送往烟化炉的炉渣有足够的过热温度和良好的流动性；( 3 ) 作为烟化炉所需熔融 炉渣的储存器，解决烟化炉周期性作业与鼓风炉间隔放馇之间的矛盾。因此对大 中南大学硕士论文第一章绪论 功率电弧炉即铅锌冶炼电热前床进行合理的温度控制对冶炼生产具有十分重要 的意义。 大功率电弧炉既是冶炼生产过程中的关键装置，又是消耗大量电能的主要设 备，本项目施控的大功率电弧炉工作容量可达1 6 0 0 千伏安以上，最大工作电流 为5 2 0 0 安培，如此大的用电量直接影响着冶炼成本的高低，同时一旦三相电流 的不平衡会增加变压器功率损耗，直接危害变压器的运行安全和寿命。因此必须 对电弧炉电流控制系统进行技术改造，采用先进技术实现电流平衡控制和降低能 耗。综合以上两个方面表明本项目大功率电弧炉温度及电流平衡智能集成控制系 统具有极大的开发研究潜力。 本项目大功率电弧炉温度及电极电流平衡智能集成控制系统投入之前，韶关 冶炼厂的大功率电弧炉即铅锌冶炼电热前床采用人工操作的手段，具体方法是现 场工人根据工作经验对生产状况进行判断，随电弧炉炉内温度的变化以及目测到 的电弧炉电极位置的变化，及时操作电机拖动电极，调节电极插入炉渣的深度， 从而改变电极的通电电流，使炉内温度趋于满足工艺要求。但人工操作有以下难 以克服的缺陷：( 1 ) 工人必须守在现场不断根据渣型、实际炉温、电弧炉电极位 置以及电极电流的变化等情况及时操作电机来调整电极电流，工人的劳动强度很 大，现场的恶劣环境对工人的身心健康危害很大；( 2 ) 冶炼过程完全依靠工人手 动调节，电极控制不稳，并且由于工人的经验不同，不能保证三相电流的平衡输 入，冶炼的效果分散性很大：控制效果很难一致，产品质量不稳定：( 3 ) 由于三 相电弧炉电极独立调节，人为因素难以保证交流电弧炉三相电极电流的平衡，导 致变压器的供电效率低下，额外电能损耗增加，同时增加电极的消耗，缩短了变 压器的使用寿命：( 4 ) 炉温起伏很大难以满足工艺对温度要求，当炉温较高时， 铅液沸腾造成铅的散失增加，炉渣的铅含量增加，导致铅渣分离效果不好；若炉 温过高时甚至会引燃电弧炉内的粉尘，炉温飙升对电弧炉炉体结构的安全造成危 害：升高炉温时电能损耗也相应增加；温度过低时会使炉内结壳，影响渣铅的分 离或减小炉膛的有效容量甚至结死铅虹吸管，同时铅液和炉渣的粘滞度增加，不 利于下一道工序的正常运行；( 5 ) 冶炼过程的信息不能及时准确地记录，从而难 以优化冶炼工艺和提高管理水平。 电弧炉即电热前床的进渣是由密闭鼓风炉放出的渣和铅液熔融物构成，随着 2 中南大学硕士论文 第一章绪论 物料和生产工艺的不同，炉渣的成分、酸碱度、粘度、熔点和比重等指标会发生 变化，其温度也在1 2 5 0 1 3 5 0 之间变化，以上情况给电热前床的温度和电极 电流平衡控制带来了极不稳定的干扰因素，常规的单一自动控制方法很难满足工 程要求并适应现场生产的变化，因此有必要提出本项目大功率电弧炉温度及电极 电流平衡智能集成控制系统，以便对现场情况的变化进行分析、综合并采用多技 术集成控制手段提高生产的自动化程度，减小工人的劳动强度，节能降耗并提高 产品质量和产量，促进企业的现代化步伐，提高企业的市场竞争能力。 1 3 任务来源 大功率电弧炉温度及电流平衡智能集成控制系统是国家高技术产业化计划 岭南铅锌集团铅锌生产过程综合自动化集成技术产业化示范工程( 计投资 2 0 0 0 2 4 9 8 号) 的项目。 1 4 国内、外研究状况及发展趋势 电弧炉冶炼是一个复杂的物理化学过程，随机干扰因素的影响严重，冶炼状 况干变万化，冶炼工艺和性能要求不尽相同，因此对温度和电极控制一直是困扰 冶炼生产的难题。根据掌握的文献资料和湖南省科学技术信息研究所提供的查新 报告，目前国内外研究及应用的进展如下： 炉温是具有典型大时延特征的控制对象，国内外学者已经对其控制理论展开 了大量的研究工作“1 。”瑚3 ，从简单的通断控制到简单的p i d 控制，从现代控制理 论出发的s m i t h 预估控制器到方兴未艾的智能控制方法，尤其是近来提出的把 专家控制、模糊控制、神经网络控制等智能控制理论相结合而形成了一系列的集 成控制方法。但是在实际的工程应用设计方面仍较为落后，大大影响了控制效果， 目前在国内的电弧炉冶金行业中，对整个冶炼过程的温度控制仍处空白，温度仅 仅作为冶炼过程的参考对象，通常通过变压器三相平衡电流的额定值的设定，来 人为的干预温度的变化，很难保证生产工艺对温度的需求，严重制约着生产工艺 和产品质量的提高：在国外德国、英国、日本虽然对温度控制有所研究，但冶炼 是一个复杂的过程，与原矿、生产工艺、技术整体水平等有着很大的关系，不可 能照本宣科3 ：国内外学者对电弧炉各个时期生产工艺对温度的需求“，以及温 3 中南大学硕土论文 第一章绪论 度对三相电极电流的依赖关系等方面的有关研究工作尚未达到工程实用化阶段。 国内外学者对电极的升降自动控制曾做了大量的工作，以期望实现低能耗和 高功率因数的目标口”】l ”】。1 9 7 0 年g o s i e w s k i 等人提出一种电极动态最优控制， 1 9 7 2 年w h e e l e r 等人提出电极动态功率控制，1 9 7 3 年n i c h o l s o n 提出电极阻抗 在线控制，1 9 8 8 年颓兴源等人提出电极调节系统参数辨识的方法，1 9 9 0 年张殿 华等人提出电极调节系统参数辨识和自校正控制等。上述控制方案要采用复杂的 数学模型；电弧炉电极控制是多变量系统，各被控量之间往往存在某种程度的关 联，它将妨碍各变量的单独控制作用，通常可以采用解耦方法进行控制，不少学 者已提出许多解耦算法如：状态反馈解耦，动态前置补偿解耦等。这些传统的解 耦方法往往也需要建立精确的数学模型，因而在实际应用中将遇到困难。而基于 神经网络的解耦方法，当变量数增加时，为了有效解耦，其神经网络输入输出节 点及隐含节点数将大大增加，训练神经网络将变得十分困难，因此该方法很难用 于实时控制，另一种基于模糊理论的控制方法，进行单变量温度控制时，采用复 合模糊控制算法，能有效地克服纯滞后和参数变化对系统的影响，取得了较好的 控制效果，而将模糊控制方法用于多变量控制时，需要采用分层多规则控制，最 终得出的查询表较粗糙，因此控制效果不够理想。 对于电弧炉三相电极控制，国内电控装置大都是模拟手动控制装置或者简单 的单片机、可编程逻辑控制器组成，受到控制器速度及内存的限制，很难应用复 杂的控制算法及保证控制的实时性。 为此，引入先进的控制理论和技术，应用模糊专家、自适应神经网络、优化 决策等多项智能控制理论和技术“7 2 2 儿2 ，建立满足生产工艺要求的温度进程和电 流进程：由智能控制器来实现三个电极电流平衡控制；由温度控制外环和电流平 衡控制内环的双环路结构来具体实现电弧炉温度和电流平衡的自动控制，成为电 弧炉系统的发展趋势。 4 中南大学硕上论文第二章智能集成控制系统理论 第二章智能集成控制系统理论 2 1 系统的理论基础 自动控制理论发展至今已有1 0 0 多年的历史。随着各个阶段的工业和现代科 学技术飞速发展，各个领域中自动控制系统对控制精度、响应速度、系统稳定性 与适应能力的要求越来越高，应用范围也更加广泛。控制理论发展史，经历三个 阶段：经典控制理论阶段；现代控制理论阶段；智能控制理论阶段“2 “2 + 2 。 本系统采用智能集成控制策略。下面介绍智能集成控制的有关问题。 2 2 智能控制简介 2 2 1 智能控制的定义 智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标的过程。或者说，智能控制是一 类无需人的干预就能够独立地驱动智能机器实现其目标的自动控制。 2 2 2 传统控制理论在应用中面临的难题 随着科学研究的不断深入，研究的对象越来越复杂，高维数变量、非线形 分布和时变甚至非结构变量系统的研究与控制越来越难建立，对系统的控制精度 要求越来越高，这样就使复杂性与精确性形成了一对十分尖锐的矛盾。常规的控 制方法一般都要求建立精确的数学模型，但有些对象难以用一般的物理化学方面 的规律描述，有些影响因素很多，而且相互之间又有交叉耦合，使其模型很难建 立以至于没有实用价值。因此，在这种情况下，传统的基于精确数学模型的控制 系统受到了严峻的挑战。传统控制理论在应用中面临的难题幽m ”2 ”： 1 传统控制系统的设计与分析是建立在已知系统精确数学模型的基础上， 而实际系统由于存在复杂性、非线性、时变性、不确定性和不完全性等，一般无 中南丈学硕士论文 第二章智能集成控制系统理论 法获得精确的数学模型； 2 研究这类系统时，必须提出并遵循一些比较苛刻的假设，而这些假设在 应用中往往与实际不吻合； 3 对于某些复杂的和包含不确定性的对象，根本无法以传统数学模型来表 示，即无法解决建模问题； 4 为了提高性能，传统控制系统可能变得很复杂，从而增加了初始投资和 维修费用，降低系统的可靠性。 2 2 3 智能控制面临挑战的控制领域叫。” 1 多变量鲁棒控制； 2 自适应控制和容错控制； 3 高度非线性控制和多因素或分散随机控制； 4 时空分布参数系统的控制； 5 含有离散变量和离散事件动态系统的控制； 6 信号处理和通信技术： 7 分布信息处理及决策结构的综合设计方法； 8 控制系统的集成设计及实验环境和实现等。 2 2 4 智能控制的特点 1 同时具有以知识表示的非数学广义模型和以数学模型表示的混合控制 过程，也往往是那些含有复杂性、不完全性、模糊性或不确定性以及不存在已知 算法的非数字过程，并以知识进行推理，以启发来引导求解过程。 2 智能控制的核心在高层控制，即组织级。高层控制的任务在于对实际环 境或过程进行组织，即决策和规划，实现广义问题求解。 3 智能控制是一门边缘交叉学科。 4 智能控制是一个新兴的研究领域。 中南大学硕上论文第二章智能集成控制系统理论 2 2 5 智能控制器的一般结构 智能控制器的设计具有下列特点”“： 1 具有以微积分表示和以技术应用语言表示的混合系统方法； 2 采用不精确的和不完全的装置分层( 级) 模型； 3 含有由多传感器递送的分级和不完全的外系统知识，并在学习过程中不 断加以辨识、整理和更新； 4 ，把任务协商作为控制系统以及控制过程的一部分来考虑。 在上述讨论的基础上，我们能够给出智能控制器的一般结构，如图2 一l 所示。 吲 。黼 1 7 科1 l 任务描述 l 与环键模l + + i 知识表示i 17 上 1r i 信号优化i i 规赶i 与推理 信号预处理 _ - 卜 决集与协调 + 信号旃调 + 传统控制 3 i 燃il 驹器i 2 li 蠼与环境 w 图2 1 智能控制器的一般结构 1 一一智能控制系统2 一一多层控制器3 一一多传感系统 2 2 6 智能控制系统的类型旺” 1 多级递阶智能控制： 2 基于知识的专家控制 中南大学硕 论文第二章智能集成控制系统理论 3 ，基于模糊逻辑的智能控制一模糊控制； 4 基于神经网络的智能控制一神经控制； 5 基于规则的仿人智能控制； 6 基于模式识别的智能控制； 7 多模变结构智能控制： 8 学习控制和自学习控制； 9 基于可拓逻辑的智能控制一一可拓控制； i o 基于混沌理论的智能控制一混沌控制。 2 3 模糊控制 模糊控制是智能控制的又一活跃研究领域，模糊控制得以广泛发展并在现 实中得以成功应用，其根源在于模糊逻辑本身提供了由专家构造语言信息并将其 转化为控制策略的一种系统的推理方法，因而能够解决许多复杂而无法建立精确 的数学模型系统的控制问题，是处理推理系统和控制系统中不精确和不确定性的 一种有效方法“1 。模糊控制的特点： 1 它是一种非线性控制方法，工作范围宽，适用范围广，特别适合于非线 性系统的控制。 2 它不依赖于对象的数学模型，对无法建模或很难建模的复杂对象，也能 利用人的经验知识来设计模糊控制器，完成控制任务。而传统的控制方法都要已 知被控对象的数学模型，才能设计控制器。 3 它具有内在的并行处理机制，表现出极强的鲁棒性，对被控对象的特性 变化不敏感，模糊控制器的设计参数容易选择调整。 4 算法简单，执行快，容易实现。 5 不需要很多的控制理论知识，容易普及推广。 目前，在国内外，模糊控制除了在工业窑炉生产过程中获得应用外，还用 于机床控制、液压伺服系统、温度控制过程等方面。模糊控制器作为模糊控制系 统中最重要的组成部分，对提高系统品质起了十分重要的作用。 中南大学硕十论文 第二章智能集成控制系统理论 2 4 神经网络 神经网络系统是由大量的、同时也是很简单的处理单元( 或称神经元) 广泛 地互相连接而形成的复杂网络系统。它反映了人脑功能的许多基本特性，但它并 不是人脑神经网络系统的真实写照，而只是对其作某种简化、抽象和模拟，这也 是现实情况( 当前对脑神经和其智能机理的研究水平) 所能做到的，是目前神经 网络研究的基本出发点。一般认为，神经网络系统是一个高度复杂的非线性动力 学系统，虽然每个神经元的结构和功能十分简单，但由大量神经元构成的神经网 络的行为却是丰富多彩和十分复杂的。如何把这些神经元构成一个复杂的具有多 方面功能的系统式神经网络理论要研究的问题。3 。 神经网络系统具有一般非线性系统的共性，更主要的是它还具有自己的特 点，比如高维性、神经元之间的广泛互联性以及自适应性或自组织性等。在神经 网络中发生的动力学过程有两类：一类称之为快过程；另一类称之为慢过程。所 谓快过程，即是神经网络的计算过程，它是神经网络的活跃状态的模式转变过程。 神经网络在输入的影响下进入一定的状态，由于神经元之间相互联系以及神经元 本身的动力学性质，这种外界刺激的兴奋模式会迅速地演变而进入平衡状态。这 样，具有特定结构的神经网络就可以定义一类模式变换，而计算过程就是通过这 类模式变换而实现的。神经网络只有通过学习才能逐步具有上述的模式变换的能 力，神经网络的学习过程即为慢过程。 图2 2 表示了一个简单的神经网络，其中每个小圆圈表示一个神经元，各个 ? 一一一一i 输 图2 2 神经网络的一般结构 出 神经元之间通过相互连接形成一个网络拓扑，这个网络拓扑的形式称为神经网络 9 中南大学硕士论文第二章智能集成控制系统理论 的互连模式。不同的神经网络模型对神经网络的结果和互连模式都有一定的要求 和限制，不如允许它们是多层次的、是全互连的等等。神经网络以外的部分( 即 虚线方框以外的部分) 可统称为神经网络的环境。神经网络从其所处的环境中接 收信息，对信息进行加工处理之后又返回( 或作用) 到其所处的环境中去。 各个神经元之间的连接并不只是一个单纯的传送信号的通道，而是在每对神 经元之间的连接上有一个加权系数，这个加权系数可以加强或减弱上一个神经元 的输出对下一个神经元的刺激，这个加权系数通常成为权值。 在神经网络中，修改权值的规则称为学习算法，这也就是说权值并非固定不 变的。相反地，这些权值可以根据经验或学习来改变。这样，系统就可产生所谓 的“进化”。同样的，处理单元表示什么也是可以变化的，因而也就可以用任何 合适的物质来实现。 一个神经网络系统中有许多处理单元，每个处理单元的具体操作都是从与其 相邻的其它单元中接受输入，然后产生输出送到与其相邻的单元中去。神经网络 的处理单元可以分为三种类型：输入单元、输出单元和隐含单元。输入单元是从 外界环境接收信息，输出单元则给出神经网络系统对外界环境的作用。这两种处 理单元与外界都有直接的联系。隐含单元则处于神经网络之中，它不与外界环境 产生直接的联系。它从网络内部接受输入信息，所产生地输出则只作用于神经网 络系统的其它处理单元。隐含单元在神经网络中起着极为重要的作用。 神经网络中由许多处理单元互连而形成的互连模式反映了神经网络的结构， 它决定着这个网络的能力。在通常情况下，所有来自其它邻近单元的输出乘上相 应的权值，再相加起来而得到所有输入的组合再送入处理单元中。正的权值表示 激励输入，而负的权值表示抑制输入。因而用权矩阵可以表达神经网络的互连结 构。 2 4 1 多层前向网络 目前多层前向神经网络在复杂的工业过程控制得到了实际的应用“，这得益 于前向网络具有很好的函数逼近能力，因而通过对训练样本的学习，能很好地反 映出对象的输入与输出之间复杂的非线性关系，其学习算法为b p 算法”3 。 a n n 模型为前向多层网络，分别为输入层，隐含层和输出层，设该网络共有 上+ l 层，第1 层为输入层，第三层为输出层，= 2 ，a ，上层为隐含层。第，层的 中南大学硕士论文 第二章智能集成控制系统理论 神经元个数为，送入网络的训练样本总个数为m ，训练样本号用p 表示。第 ，层第，个神经元的输出变量为o g 。表示，由第，层的第j 个神经元到第，+ l 层的 第f 个神经元的权系数用孵”表示，则各神经元的输入输出关系为： d j - 工厂j 1 7 ( 2 一1 ) ， ”= 嘭”- o 诊一研“” j = 1 式中，：1 ，2 ，a ，上；对输入层，d 即为输入变量z ，；对输出层，o 爹“1 即为 输出变量y ，；啡“为第，+ 1 层第f 个神经元阚值。若令 一只“= 嚷。，o 蹴+ 。= l ( 2 2 ) 则式( 1 ) 可表示为： d = 工，瑙“， u ，= 皑- 嘴 ( 2 3 ) 上式中，一_ ，为网络节点函数： 正2 而彘，d 。 4 ) 这是一个s 型函数。 2 4 2b p 算法 b p 算法的学习过程由正向传播和反向传播组成，正向传播过程输入样本从输 入层经隐含层处理后传向输出层，每一层神经元的状态只影响下一层神经元的状 态。如果在输出层不能得到期望输出d 。，则转入反向传播，将误差信号沿原连 接通路返回，通过修正各神经元的权系数，使得误差信号最小。定义误差函数e 。 为期望输出d 。与实际输出y 。，之间误差的平方和： 驴丢黔2 = 寒c 如砩，2 s ， 中南大学硕士论文第二二章智能集成控制系统理论 我们希望改变网络的各个权系数吖“，使得，尽可能减小，从而使实际输 出值尽量逼近期望输出值。这实际上是求误差函数的极小值问题，可采用最陡下 降算法，使权系数沿着误差函数的负梯度方向改变。权系数暇”的调整量可按下 式计算： 坩斋， 式中口为掌习步幅，随学习过程而焚化。 8 e p a e p8 i a 啄。部a 喇。 由式( 2 3 ) 易得： 器卅 令 一南 叫： 将式( 2 7 ) ( 2 9 ) 代入式( 2 6 ) 得： p 呀。= 耐口“d 箸 哦) = 哦- 1 1 + ，喇。 嘉可表示为下列复合鼢 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 一l o a ) o 已在正同传播过程中计算得到，现进一步求取”。再一次采用复合微 分式由式( 2 9 ) 可得： 牡一每筹 防 由式( 2 4 ) 易得上式中第二项为： 禁：堕竺箜尘 ( 2 1 2 ) 甜厶 引2 _ 1 l 肿樾舻项南蝴炳椭球轨 对于输出层，= 上，d ”= y 由式( 2 5 ) 可得： 1 2 工批批邕m k k 户 中南大学硕士论文 第二章智能集成控制系统理论 象- ( 铲蹦一 将式( 2 1 2 ) 和式( 2 一1 3 ) 代入式( 2 1 1 ) 得： = 坠掣= 掣 对于其它中间隐含层( ，= 1 ，2 ，a ，三一1 ) ，有： 害知：兰害怎昙桨：艺c 一m 1 ) ) 吃“一， a d ”台a ，譬2 a o 窘” 台、。肚 7 ”“ ( 2 1 3 ) ( 2 一1 4 ) ( 2 1 5 ) 将式( 2 1 2 ) 和( 2 一1 5 ) 代入式( 2 1 1 ) 得： ：( 芝( _ c 赠+ ”) 垡兰1 二盟 ( 2 - 1 6 ) i = l 0 可见，计算本层占。o 必需用到前一层的占。因此，误差函数的求解是一 个始于输出层的反向传播递归过程，即通过误差函数反向传播来修正权系数。经 过多个样本的反复训练，并朝减小误差方向修正权系数，最后得到满意的结果。 2 5 专家控制 专家系统实际上是一个能在某特定领域内，以人类专家水平去解决该领域中 困难问题的计算机程序。专家系统利用专家推理方法的计算机模型来解决现实中 需要由专家分析和判断复杂的问题。由于专家系统的功能主要依赖于大量的知 识，这些知识均存在知识库中，通过推理机按照一定的推理策略去解决问题，所 以它也被称为知识集系统口们。 一个完整的专家系统一般由六个部分组成：人机接口、知识获取、数据库、 解释部分、推理机和知识库。其中人机接口、数据库、推理机和知识库是必不可 少的。解释部分和知识获取只是期望部分。专家系统示意图2 3 如下： 知识库是领域知识的存储器。它存储专家经验、专门知识和常识性知识，是专家 系统的核心部分。知识库可以由事实性知识和推理性知识组成。知识是决定一个 专家系统性能的重要因素。一个知识库必须具备良好的可用性、确定性和完 中南大学硕士论文 第二章智能集成控制系统理论 善性。要建立一个知识库，首先要从领域专家那里获取知识，然后将获得的知识 图2 3 专家系统示意图 编排成数据结构存储在计算机中，以供系统推理判断之用。 数据库用于存储领域内的初始数据和推理过程中得到的信息。数据库中存储 的内容是该系统当前要处理对象的一些事实。 推理机是用来控制、协调整个系统的。它根据当前输入的数据即数据库中的 信息，利用知识库中的知识，按一定的推理策略，去解决当前问题，并把结果送 到用户接口。在专家系统中有三种推理方式：正向推理、反向推理和混合推理。 在这三种推理中又有精确推理和与不精确推理之分。因为专家系统是模拟人类专 家进行工作，所以推理机的推理过程应尽可能与专家的推理过程相一致。 人机接口是专家系统与用户通信的部分。它既可以接受来自用户的信息，将其翻 译成系统可以接受的内部形式，又能把推理机推理出来的有用信息返还给用户。 解释部分能对推理给出合理的解释，便于用户了解推理过程，为系统学习和系统 维护提供了方便。 知识获取部分为修改、扩充知识库中的知识提供了途径。它对于一个专家系 统的不断完善、提高起着重要的作用。通常，它应具备能删除知识库中不再需要 的知识及把需要的知识添加到知识库中的功能。最好还具有能根据实践结果，发 现知识库中不合适的知识和总结出新的识的功能。知识获取过程实质上是一种自 学习过程。 专家系统的一个重要特征是知识库与推理机相分离，系统允许在运行中不断 1 4 中南大学硕士论文 第二章智能集成控制系统理论 地修改知识、增加新知识，使系统性能不断完善。一个专家系统不仅能提供专家 水平的建议与意见，而且当用户需要时，能对系统本事行为进行解释，同时还有 知识获取功能。专家系统的工作特点是运用知识进行推理，因此知识获取、知识 表示和知识运用是建造专家系统的三个核心部分。另外专家系统强调符号处理， 并希望有一个理想的人机接口，做到专家或用户能以一种接近自然语言的语言甚 至口语形式同系统进行信息交流。 建立专家系统一般包括三个步骤：知识获取、知识表达方式的选择和专家系 统的建立。知识获取就是把解决问题所需要的专门知识转换为计算机程序。知识 表达方式的选中可不仅要考虑表达知识的能力，而且要求该方式能简单和方便地 描述、修改和解释系统中的知识，此外还要在以计算机表达知识的方便性和结构 的复杂性之间加以平衡。专家系统的建立首先要进行知识库的初步设计，规定目 标、约束、知识来源、参加者以及它们的作用，将问题分解成功能单一的子问题， 为各子问题的各个组成部分选择表达方式。然后选择一个知识的原型子集，这个 子集必须包括有代表性的知识样本，这些知识样本对整个模型来说应该是具有典 型意义的，同时又必须只涉及对试验室足够简单的子任务和推理过程。一旦原型 产生了一个可以接受的推理，这个原型就可以扩展到包括它必须解释的各种更为 详细的问题从而实现知识集的建立。 2 6 集成控制实现方法 针对大功率电弧炉控制对象，生产过程为多变量耦合系统，各被控量之间往 往存在某种程度的关联，它将妨碍各变量的单独控制作用，通常可以采用解耦方 法进行控制。不少学者已提出许多解耦算法如：状态反馈解耦，动态前置补偿解 耦等。这些传统的解耦方法往往需要建立精确的数学模型，因而在实际应用中将 遇到困难。而基于神经网络的解耦方法，当变量数增加时，为了有效解耦，其神 经网络输入输出节点及隐含节点数将大大增加，训练神经网络将变得十分困难， 因此该方法很难用于实时控制。 基于模糊理论的控制方法，进行单变量温度控制时，采用复合模糊控制算法， 能有效地克服纯滞后和参数变化对系统的影响，取得了较好的控制效果，而将模 中南大学硕士论文 第二章智能集成控制系统理论 糊控制方法用于多变量控制时，需要采用分层多规则控制，最终得出的查询表较 粗糙，因此控制效果不够理想。 专家控制是一种基于知识和推理的智能控制方法，根据该系统的特点及专家 的专门知识和经验，建立其控制规则集，根据输出变量检测值进行正向推理执行 控制规则，近十多年来的研究和应用表明，基于知识的专家控制系统能仿效专家 的智能，进行非单调的推理，能有效地控制带耦合的多量系统及任意的随时间变 化的非线性过程。 智能集成控制能综合符号推理和数值计算，能综合不同控制策略，易于由用 户对知识库进行修改，可方便的实现生产过程的全面自动化。 电弧炉系统不宜建立准确的数学模型，并面临着非线性、大延时、时变和强 耦合等因素的困扰，采用单一的常规控制方式不可能完成对冶炼生产的有效控 制。为了兼顾工艺进程、节电、测量手段和设备条件等方面的制约，本项目采用 智能集成控制方式来实现对铅锌冶炼电弧炉温度及电流平衡的自动控制，系统采 用的关键技术如下： 1 ) 开发渣型、炉温和电流之间的专家系统控制表，即利用以往冶炼生产的 大量的先验知识，建立电极位移、电流与渣面高度之间，渣型与铅渣分 离最优炉温目标值之间，渣型与放渣保温最优炉温目标值之间，渣型、 炉温和保持该温度恒定所需要的电流值之间的各种关系表。 2 ) 设计开发模糊专家集成控制系统完成对冶炼电流进程的自动控制，专家 系统根据渣型不同给出合理的电流目标值，再由二维模糊规则根据炉温 和炉温变化速度求出电流进程与电流目标值的偏移量，综合以上两个变 量构成电流进程信号。 3 ) 设计开发模糊专家集成控制系统完成对冶炼温度进程的自动控制，温度 进程以铅锌冶炼生产工艺要求为约束条件，其系数受模糊规则调节的公 式导出。 4 ) 利用人工神经网络通过在线学习完成对电弧炉温度一电流模型的自适应 辨识，将温度进程信息转化为电流辅助进程信息。 5 ) 设计开发电流优化决策系统对电流进程和电流辅助进程加权处理，弥补 1 6 中南大学硕士论文第二章智能集成控制系统理论 模糊专家控制系统和人工神经网络控制方法的差异和不足，突破以上两 种方法仅考虑电流与温度相互关系的局限性，融合冶炼工艺和节能要求 对指令电流的制约。 6 ) 利用专家系统实现三相电极电流控制的弱化解耦，即根据三相电流的实 际偏差，用专家经验总结出三相电流和三个电极的位置升降关系，从而 弱化三相电流的耦合关系。 7 ) 采用模糊控制技术实现三相电流平衡控制。即在每一控制周期内，由计 算机查询“模糊控制表”得到模糊输出量，然后经过模糊的清晰化，得到 精确作用于电机的控制时间。 中南大学硕士论文 第三章系统三级控制体系 第三章系统三级控制体系 3 1 系统简介 大功率电弧炉冶炼生产是一个复杂的物理化学过程，不宜建立准确的数学模 型，电弧炉温度和电流平衡控制系统既面临着非线性、大延时、时变和干扰强等 因素的困扰，又必须考虑工艺进程、节电、测量手段和设备条件等方面的制约， 因此仅采用单一的常规控制方式不可能完成对铅锌冶炼生产的有效控制，本项目 在综合考虑上述各方面因素影响的基础上，采用智能集成控制方式实现了对铅锌 冶炼电弧炉温度及电流平衡的自动控制。 电弧炉即铅锌冶炼电热前床的整个生产过程可以划分为进渣调温阶段、恒温 铅渣分离阶段和放渣保温阶段，随着不同冶炼阶段的炉况特点的不断变化，智能 集成控制必须根据生产工艺采取对应的进程控制策略。 进渣调温阶段从密闭鼓风炉排出渣和铅液熔融物进入电弧炉时刻开始，此刻 炉内炉渣高度迅速升高，由于上道工序中物料和工艺的不同，炉渣的成分、酸碱 度、粘度、熔点和比重等指标会发生变化，其温度也在1 2 5 0 1 3 5 0 之间变化。 此阶段主要控制任务是尽快调整炉温达到铅渣分离的最优温度，此阶段中电流不 平衡现象突出，控制过程应考虑变压器供电能力对电流的制约和尽量避免炉温的 振荡剧烈的现象。 恒温铅渣分离阶段从炉温达到铅渣分离最优温度的时刻开始，此阶段的主要 控制任务是有效保证炉温稳定在铅渣分离的最优温度，根据工艺要求设置合理的 恒温分离时间，在恒温铅渣分离的最后阶段为了避免炉渣和铅液的沸腾，提高分 离效果以降低废渣的含铅量，同时为了节约耗电量应控制适当减小电流甚至停止 供电，但必须保证炉温不得低于某一温度下限。 放渣保温阶段电弧炉中的铅液从虹吸管中吸出，炉渣从放渣口和冰铜口( 出 黄渣口) 放出，放铅放渣后炉渣高度迅速下降，此阶段主要控制任务是按照工艺 要求使炉温保持在某一温度下限以上，以免炉内的黄渣等物质结壳，导致炉膛的 有效容量减小甚至结死铅虹吸管。 大功率电弧炉温度及电极电流平衡智能集成控制系统，首先采用多传感器融 中南大学硕士论文 第三章系统三级控制体系 合技术对冶炼现场炉况的变化进行准确测量，并运用多技术集成控制手段进行综 合、分析和判断从而提出合理的控制策略，保证了电弧炉在工艺要求条件下的自 动化运行，降低了生产能耗，提高了冶炼的质量和产量，减小了操作工人的劳动 强度，增强了企业的市场竞争能力，因此本项目具有良好的推广应用前景。 3 2 系统三级控制体系 由于大功率电弧炉即铅锌冶炼电热前床系统的生产过程具有大时延、非线 性、时变和干扰强等特点，并且不宜建立准确的数学模型，因此本项目结合铅锌 冶炼电热前床即大功率电弧炉特殊的生产工艺特点和要求，以降低生产能耗为目 标，以减小现场工人人工干预和劳动强度为宗旨，提出了大功率电弧炉温度及电 极电流平衡的三级控制的方案，实现了电弧炉铅渣分离工序的全过程自动化生 产，大大提高了铅渣分离的质量和产量。系统的三级控制体系结构如图3 一l 所示。 模糊专家控制系统卜一计时d l 电流f 温度i 操作 j r 进程i r 进程1 l 指示 电极电流厂声n 集成优化 l 提示进程级 i 嚣r 嚣 三相电流平衡 集成控制单元级 j 手动操r f 、 ，n 驱动缴 电极驱动装置 图3 - l 大功率电弧炉温度及电流平衡智能集成控制 系统的三级控制体系结构框图 大功率电弧炉温度及电极电流平衡集成控制系统主要分为进程级、单元级和 j 9 中南大学硕上论文 第三章系统三级控制体系 驱动级进行三级控制，三级控制系统覆盖了铅锌冶炼电热前床的整个生产过程， 它们之间的相互关系说明如下：首先进程级产生符合生产工艺过程要求的电流进 程信号、温度进程信号和相应的操作指示，并进一步为单元级的电极三相电流平 衡集成控制提供优化的指令电流信息；单元级接受指令电流并根据三相电流的反 馈信息，采用集成控制方式给驱动级提供开关控制信号；驱动级接受单元级的开 关控制信号，由三部电机分别拖动电弧炉三相电极，改变它们在炉渣中的相对位 置，实现电极电流大小的调节，使三相电流平衡并一致趋向指令电流，从而形成 符合生产工艺要求的炉温。 3 2 1 集成控制系统进程级 正常情况下的生产过程可以划分为进渣调温阶段、恒温铅渣分离阶段和放渣 保温阶段“1 ，本项目选择电极位置、电极电流和炉温的反馈信息以及渣型的设定 信息等作为进程级输入信息，根据生产工艺过程不同阶段的特征和具体要求，采 用多技术集成控制手段，产生合理的电流进程信号、温度进程信号以及相应的操 作指示。 进渣阶段由于炉温受密闭鼓风炉放出的铅渣熔融物温度的影响而发生变化， 必须随之相应地改变电极电流的大小，调整炉温直至满足生产工艺的要求，但是 不同的渣型、炉内渣面的高度以及炉温和电极电流之间的大时延、时变和非线性 的关系都会干扰电极电流进程和温度进程的确定。本项目依据专家知识先由渣型 推导出熔融炉渣阶段所须的最佳目标温度以及保持该温度恒定时对应的电极电 流，再考虑实际炉温和炉渣多少得到合理的温度进程和电流进程信息，再送到电 极电流集成优化模块进一步得到合理的电极电流指令信号。 当炉温达到熔融炉渣分离所须的最佳目标温度后，进程级控制进入恒温铅渣 分离阶段，电极电流指令信息由电流进程集成优化模块提供以保证炉温恒定，此 过程中指令电流收敛到某恒定范围内；同时启动恒温计时器，计时的长短根据冶 炼工艺要求由渣型和实际炉温信息来确定，恒温计时器到时后进入节能状态，即 指令电流减小甚至停止，以避免因铅液沸腾造成铅渣分离效果的削弱，1 0 分钟 后给出用声光形式的操作指示信号要求放渣，若超时仍没有得到放渣响应会自动 记录工人的操作失误一次，若炉温降低到设定的温度下限，导致铅液和炉渣的粘 中南大学硕士论文 第三章系统三级控制体系 滞度增加使下一道工序的不能正常运行，系统会自动重新进入恒温阶段。 放铅放渣后炉渣高度迅速下降，与进渣判断的原理一样可以由模糊规则推导 得出放渣开始信号，保温阶段工艺要求炉温保持在某一温度下限以上，以免炉内 的黄渣等物质结壳，导致炉膛的有效容量减小甚至结死铅虹吸管。 3 2 2 集成控制系统单元级 单元级主要任务是调节电弧炉变压器三相电流平衡，减小变压器三相不平衡 带来的功率损耗，减少电极的消耗，延长了电极、变压器的使用寿命；满足生产 工艺对实际炉温曲线要求。电弧炉三相电流本身具有非线性、多变量、强耦合的 复合特点，冶炼金属是一个复杂的物理化学反应过程，冶炼过程千变万化，三相 交流电弧炉的电力负载是极不稳定、极不对称的，由于电弧燃烧不稳定，常常发生 断弧、短路及料块移动现象，因而造成负载严重不对称，如不及时调整三相电流 达到平衡，电弧炉供电变压器会处在不平衡工作，额外的电流损耗大大增加，变 压器使用寿命会受到影响：由于三相电流的不平衡，会造成电弧炉局部过热，对 炉体构成严重的威胁；同时温度很难满足生产工艺的要求，产品的质量受到影响。 针对电弧炉电流负载端存在非线性、多变量、强耦合等特点，难以建立精确 的数学模型。按照简单传统的控制方法，一次扰动要经过若干次调节才能使三相 电流恢复到平衡点，这样调节过程加长，超调增大，电极升降传动机构频繁动作， 缩短了传动机构的维修周期和使用寿命，而理想的调节效果是：通过解耦措旎， 在只检测三相线电流而不增加任何其它检测量的前提下，当三相电流超过允许偏 差时，控制器一次并行地给出三相电极的调节量，使其一次调节到位，避开繁琐 的系统建模过程且力求系统简单可靠，又不增加观测数据，为此电流内环采用专 家模糊解耦智能控制器。 专家模糊解耦智能控制是将专家系统技术和模糊控制技术相结合，把专家系 统技术引入到模糊控制之中，目的是迸一步提高模糊控制器的智能水平。专家模 糊解祸控制是对熟练工人操作经验的总结，在综合工艺过程和现场环境等条件 下，利用大量的定性先验知识，建立模糊的、推理的、逻辑的规则库和推理方式 进行控制，利用专家经验进行弱化耦合，由模糊控制器对专家优化后的结果进行 模糊控制，得到三个电机的调节时间，进而改变三个电极的位置。实际运行结果 2 1 中南大学硕士论文 第三章系统三级控制体系 表明，该控制策略可以对三相电弧炉这一类强耦合非线形多变量对象实现有效控 制。 3 2 3 集成控制系统驱动级 系统驱动级主要任务是接受单元级的控制信号，控制三部电机分别拖动电弧 炉三个电极，改变它们在炉渣中的相对位置，实现电极电流大小的调节，使三相 电流平衡并一致趋向指令电流，从而形成符合生产工艺要求的炉温。 国内电极调节大多采用传统的继电器控制，继电器不适合频繁的动作，这里 采用大功率双向可控硅无触点电机控制装置。整个装置包括：控制信号放大驱动 模