（控制理论与控制工程专业论文）电弧炉控制策略的研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 摘要 本文以襄樊长材钢厂3 0 吨电弧炉控制系统为研究背景，在查阅了大量的 国内外相关文献的基础上，对电弧炉炼钢工艺过程、国内外炼钢过程控制发 展状况进行了简单的介绍，并讨论了电弧炉控制技术的发展历程、研究现状 及今后的发展趋势。 针对电弧炉炼钢工艺对电极调节控制系统的要求，着重对电极调节系统 控制策略的选择和电极调节控制器的设计进行了深入讨论。在分析了控制系 统工作机理的基础上，首先建立了被控系统的数学模型，并利用所建立的数 学模型，对电极调节器的各种控制策略进行了理论上的分析和计算机仿真， 根据仿真结果比较，得出了电极调节系统合理的控制策略。 针对电弧炉系统的非线性和时变性，本文设计了自适应p i d 电极调节控制 器，并在实际的应用中取得了良好的控制效果。为了进一步提高电极控制系统 的性能，本文对电极调节控制器进行了改进，提出了模型参考自适应电极调节 控制器，、并进行了计算机仿真研究。仿真结果表明模型参考自适应电极调节控 制器能更有效的减小三相电极之间的耦合作用并抑止系统干扰。 关键词：电弧炉电极调节系统控制策略p i d 控制器模型参考自适鹿 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sb a s e do nt h e3 0 - t o ne l e c t r i ca r cf u r n a c e ( e a f ) c o m p u t e r s y s t e m o f x i a n g f a ns t e e lc o l t d 。t h et h e s i si st h eh i s t o r i cc o u r s e ，t h ea c t u a lr e s e a r c h a n dt h e t e n d e n c y o fe a fs t e e l m a k i n gc o n t r o lm e t h o d ，w h i c hb a s e do nt h e e x t e n s i v ek n o w l e d g eo ft h ec r a f t w o r ko fe a fa n dt h ed e v e l o p m e n to f s t e e l m a k i n g p r o c e s sc o n t r o la th o m ea n do na b o a r d ，w h i c ha l lt h r o u g hs t u d yo i lag r e a td e a lo f d o c u m e n t sa b o u te o n t r o lm e t h o do ft h ee a f 。 a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o ld e m a n d so ne l e c t r o d ea d j u s tc o n t r o ls y s t e mo ft h e e a fc r a f l w o r k ，e l e c t r o d ea d j u s tc o n t r o lm e t h o d sa n dc o n t r o l l e r sa r es t u d i e di n d e t a i l ，t h r o u g ha n a l y z et h ep r i n c i p l e so f t h ec o n t r o l s y s t e m ，f i r s ts e tu pt h em a t h m o d e l ，u s i n gt h em a t hm o d e la n a l y z et h e c o n t r o lm e t h o d so ft h ee a fe l e c t r o d e a d j u s tc o n t r o l l e ri nt h e o r e t i ca n ds i m u l a t i o ni nc o m p u t e r 。b a s e d t h ec o n c l u s i o nc a n g e tt h em o r er e a s o n a b l ec o n t r o lm e t h o do ft h ee l e c t r o d ea d j u s tc o n t r o ls y s t e m 。 a i ma tt h en o n l i n e a ra n dt i m e v a r i a t i o no ft h ee a f s y s t e m sc h a r a c t e r i s t i c ， d e s i g naa d a p t i v ep i d c o n t r o l l e rw i t hf e e d f o r w a r dt os o l v et h ep r o b l e m 。i tc a n g e t w e l lc o n t r o la f f e c t i o ni na c t u a la p p l y i n g 。i no r d e rt oi m p r o v et h ec a p a b i l i t yo ft h e c o n t r o l s y s t e m ，r e f o r m t h e a d j u s t c o n t r o l l e r ，m o d e lr e f e r e n c e s e l f - a d a p t i v e c o n t r o l l e ri s p r o v i d e d 。i tt o o kc o n c l u s i o nf r o ms i m u l a t i o nt h a tt h en e w o n ec a n m i n i s ht h e c o u p l i n ga m o n g t h et h r e ee l e c t r o d e sa n dr e s t r a i nt h e s y s t e m d i s t u r b a n c e s 。 k e y w o r d s ： e l e c t r i ca r cf u r n a c ee l e c t r o d ea d j u s ts y s t e m c o n t r o lm e t h o dp i dc o n t r o l l e r m o d e lr e f e r e n c es e l f - a d a p t i v e i i i 东北大学硕士学位论文声明 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。论文中取得舱研究 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它学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人签名：淋 日期：幽0 4 0 东北大学硕士学位论文 第一章概论 1 1 电弧炉炼钢概述 第一章概论弟一早僦下匕 电炉炼钢法是以电能作为热源，而电弧炉炼钢是应用得最为普遍的电炉炼 钢方法。我们通常所说的电炉炼钢，主要指电弧炉炼钢，因为其他类型的电炉 如感应电炉、电渣炉等所炼的钢数量较少。 交流电孤炉炼钢是采用三相电极和待冶炼炉料( 废钢铁) 间放电产生的电弧， 使电能在弧光中转变为热能，并借助辐射和电弧的直接作用加热并熔化废钢铁、 金属和炉渣，冶炼出各种成分的钢和合金的一种炼钢方法。控制电极升降实现 控制电极与炉料的电弧距离，就控制了电弧产生电流的大小，达到控制冶炼功 率的目的。 1 1 1 电弧炉炼钢的发展史 自1 8 0 0 年世界上第一座坩埚炉炼出钢水以来，多种炼钢方法相继出现，但 是这些炼钢方法都有其各自的发生、发展乃至消失的客观规律和条件。随着时 代的发展，电炉炼钢已经成了现阶段钢铁工业中的主要的发展趋势。早期的电 炉用于生产合金钢。随着电力工业的发展，与其它能源相比，电能在价格上逐 渐具有更大的优势，从而电炉炼钢的品种迅速扩大到生产普通碳索钢。正是因 为电炉炼钢的广泛应用，电炉的样式也由单相电弧炉发展到三相电弧炉，并已 经成为炼钢电炉的主要型式。 1 1 2 电弧炉炼钢发展的现状和趋势 大功率交直流电弧炉的大量选用，使钢铁生产工艺流程缩短，投资相对减 少而显效快，因而它们近十年来在国外得到迅猛地发展，同时近期在国内许多 钢铁企业也积极筹措资金拟建上百吨以上的交流型或直流型的电弧炉。随着电 力电子技术的发展，大功率电力电子元器件可靠性的提高，使直流型电弧炉在 各工业大国钢铁业的迅速发展中尤为受到青睐，它具有冶炼性能好，电耗低、 东北大学硕士学位论文 第一章概论 电极消耗低、噪音小、经济效益好等诸多优于交流电弧炉的特点。而同前在我 国小功率电弧炉为数不少，而达到规模型的大功率交直流电弧炉还为数不害。 目前在我国交流电弧炉正在朝着大容量发展。n 外n i e 在逐步用直流电弧炉取 代交流电弧炉。世界上第台直流电弧炉投入工业性生产是于1 9 8 2 年在德国， 其容量较小仅为1 2 吨，而法国在1 9 8 5 年投产了一台8 2 5 吨的直流电弧炉，而 后在1 9 8 9 年日本东京建造一台1 3 0 吨的直流电弧炉以取代两台6 5 吨的交流电 弧炉。由于交流电弧炉在控制上较为简单，应用上在中国也较为普遍，因而在 国内，诸多生产厂还喜爱采用大功率的交流电弧炉。但随着直流电弧炉技术的 成熟发展，它的许多优越性是交流电炉所不可比拟的。 1 1 3 电炉炼钢的优缺点 目前，电弧炉炼钢是世界各国生产特殊钢的主要方法，它具有一系列的优 点： ( 1 )电炉炼钢的设备比较简单，投资少、基建速度以及资金回收快。 尤其是廉价的水发电的普及与核能发电的发展使其更得到了迅速 的发展。 ( 2 )因电炉炼钢的热源来自于电弧，温度高达4 0 0 0 6 0 0 0 。c ，并直接 作用于炉料，所以热效率较高，一般在6 5 以上。此外。在冶炼 过程中，提高钢液温度灵活，容易冶炼含有难熔元素w 、m o 等高 合金钢。 ( 3 )电炉炼钢不仅可去除钢中的有害气体与夹杂物，还可脱氧、去硫、 合金化等，故能冶炼出高质量的特殊钢。此外，电弧炉的成分易 于调整和控制，还能熔炼成分复杂的钢种。 ( 4 )电炉炼钢可采用冷装或热装，不受炉料的限制，并可用较次的炉 料熔炼出比较好的高级优质钢或合金钢。 ( 5 1适应性强，可连续生产，也可间断生产，就是经过长期停产后恢 复也快。 目前，由于炼钢电炉的大型化、超高功率化及冶炼工艺的强化，并与不断 发展完善的二次精练和连铸连轧技术相配套，已形成了自动化、机械化水平高、 能耗低的专业生产体系，使得它在钢的生产中更具有竞争能力。 但是，电炉炼钢电有其不可避免的缺陷，如电弧是点热源，炉内的温度分 东北大学硕士学位论文 第一章概论 布的不均匀，各部分的温差比较大；炉气或水分，在电弧的作用f ，能电解出 大量的h 、n ，从而使钢中的气体含量增高。 1 2 电弧炉炼钢计算机控制发展概况 随着计算机技术、微电子技术和检测技术的飞速发展，以计算机为核心的 自动化技术已成为电炉钢厂的重要生产工具，其应用程度从只能完成比较简单 的熔炼控制和电极升降控制，到对整个炼钢厂的控制和管理。应用计算机控制 的目的是为了提高生产率，改善劳动条件，降低冶炼电耗和操作成本，提高钢 的质量，实现电炉生产的综合自动化和生产过程的最优化。在发达国家的电炉 生产中，计算机的应用g * i l - n 普及，并己研制出系列化的硬、软件系统，如d a n i e l i 公司的p r o c e s sc o n t r o ls y s t e m ，a b b 公司的m a s t e r m e l t e rs y s t e m ，k r u p p 公司的 g e i s w e i dm o d e l ，m a n n e s m a n nd e m a g 公司的p r o c e s s c o n t r o ls y s t e m ，p r o c e s 公司 的p r o d u c t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m 等。我国炼钢用计算机控制起步不久，工作尚 薄弱，但已取得一定的效果。 由于炼钢技术上的复杂性，首先工艺上对计算机控制系统有一严格的时序 要求。真次是它的整个生产工艺一t 过程计算机管理，使物料的走向趋于合理， 各种配比要求达到经济、合理，全过程控制要达到它的鲁棒性、最优化、同时 要在系统控制中采用人工智能、专家系统、模糊控制等多种现代化的控制手段。 1 3 电弧炉炼钢的设备概括 1 3 1 电弧炉的机械设备 电弧炉的构造主要由炼钢工艺决定，同时与电弧炉的容量大小、装料方式、 传动方式等有关。电弧炉的基本结构如图1 1 。 3 一 东北大学硕士学位论丈 第一章概论 图1 1 炼钢电孤炉示意图 f i g 1 1s t e e l m a k i n gd e c t n c a r c f i d l i l a c es k e t c hm a p 1 一倾炉用液压缸；2 一倾炉摇架；3 一炉门；4 熔池；5 一炉盖； 6 一电极；7 电极夹持器；& 炉体；9 一电弧：l o 一出钢槽 电弧炉的主要机械设备由炉体、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 角形不知的电极孔，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。 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b 电极升降装最由导电横臂、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，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 4 东北大学硕士学位论文 第一章概论 压传动。电极升降机构包括电极升降液压缸、电极升降立柱、电极喷林环、夹 头喷吹等部分。 炉体倾动装嚣：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， 在它们的整个接触而上，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。 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o 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 匕有入水口和出水口，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、电极喷林水冷电缆和铜管等。 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0 3 m p a 。 东北大学硕士学位论文 第一章概论 1 3 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。电弧炉的主电路如图1 2 ，主要由高压断电器、电抗器、电 炉变压器及低压短网等组成。 图12电弧炉主电路简图 f i g 1 2e l e c t r i ca r cf u r n a c e m a i n c i r c u i t r ys k e t c h 1 一高压电缆；2 一隔离开关；3 一高压断路器；4 一电抗器； 5 一电抗器短炉开关；6 一电炉变压器； 7 一电极；8 一电弧；卜金属 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 6 东北大学硕士学位论文第一章概论 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 二次计量吲路设有高压侧电压、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， 按地开关。 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。 低压动力及控制电源：由系统动力柜接收车问馈电，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。 1 4 电弧炉炼钢工艺 1 4 1 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。 传统的氧化法冶炼工艺由补炉、装料、熔化期、氧化期、还原期和出钢六 个阶段组成。在炉内即要完成熔化、脱磷、脱碳、升温，又要进行脱氧、脱硫、 去气、去除夹杂物、合金化以及温度成分的调整，因而冶炼周期很长。这即难 保证对钢材越来越严格的质量要求，又限制了电弧炉生产率的提高。工艺上的 改进大大提高了电弧炉设备能力，使其能够以尽可能大的功率进行熔化、升温 操作，而把那些只需要较低功率的操作转移到钢包精练炉内进行。并且越来越 完善的电弧技术能进一步满足钢液纯度和严格的成分、温度控制的要求。同时， 在现代电弧炉炼钢工艺中，在熔化初期就对炉内进行吹氧，因此熔化期和氧化 期已无明显的区分，所以现代电弧炉炼钢工艺包括补炉、装料、熔氧期和出钢 一7 东北大学硕士学位论文 第一章概论 四个阶段。 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， 以保证下一炉铜的正常冶炼。 装料：装料是指将固体炉料装入炉膛内。蜀前多数电弧炉采用炉盖上升， 炉体开出，或者炉盖升起旋开，用吊车吊起炉料一次加入炉膛内。 熔氧期：从通电开始到出钢阶段称为熔氧期。熔氧期的主要任务是迅速熔 化全部炉料，去除钢液中的磷、气体和夹杂物，将钢液温度加热到高于出钢温 度1 0 2 0 。为了加速熔化和节约电能，在熔氧期一般采用吹氧助熔，有条件 的也可以采用煤氧助熔。 出钢：钢液脱碳、脱磷良好，化学成分符合要求，温度达到出钢要求，炉 渣合乎出钢要求，即可出钢。 1 4 2 电弧炉工艺对控制系统的要求 由于炼钢工艺在电弧炉炼钢上采用了多种提高冶炼效果，缩短炼钢时间， 节能降耗的技术，从而使电弧炉的控制系统更为复杂。例如在电弧炉上采用吹 氧技术之后，对计算机控制系统的要求是：在炼钢过程中如何达到最佳的脱碳 效果，同时要控制化学反应中产生的一氧化碳在炉内进行充分二次燃烧。控制 吹氧的效果，确保浮渣的厚度足以去覆盖电弧，从而保证电能效率得以最大限 度地发挥，提高钢水的搅拌效果，迅速把热能传递给需熔化的废钢，扩大氧和 钢水之间反应的有效区域，允许电弧炉进行长弧操作。综合各种因素的控制， 达到最大功率的冶炼效果。 1 4 3 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，氏度为 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 达数于度，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，此时电弧欧度非常短，特别使当电极固炽热或液态熔液接触 8 东北大学硕士学位论文第一章概论 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度高， 快速性好，超调小。 具体的说，3 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 静止的整个区问。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指 之比的百分数称为不感系数。 f 2 1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 o 3 s ，电极速度由最大速度降到l o g 所需的时间不得大于o 1 5 s 。 f 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，应使电极以最大 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。 f 6 1电弧炉通电时，电极调节器应能保证自动燃弧。 f 7 1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 和电效率卵，改善电气设 备的丁作条件，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 驴和电效率叼。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。 1 5 本文的主要工作 由于电弧炉的炉容越来越大，电炉的耗电对电网的影响越来越明显。而电 东北大学硕士学位论文 第一章概论 极控带0 的好坏显得尤为重要，因为它直接影响到生产率和电网的质量。在选择 升降装置时要考虑其灵敏度要适中。正是考虑到以上的诸多问题，提出了对电 弧炉电极控制策略选择的问题。 本文以襄樊长材钢厂3 0 吨电弧炉控制系统为研究对象，主要做了以f 几个 方面的工作： 1 、 在深入了解电弧炉炼钢的工艺过程，以及国内外发展状况的基础 上，讨论了在未来的电弧炉发展中计算机控制将起到的决定性作 用。 2 、在分析了控制系统工作机理的基础上，对电弧炉炼钢的电极调节 系统进行系统的分析，包括电气部分的建模和控制部分的建模。 3 、针对电弧炉炼钢工艺对电极调节控制系统的要求，简单的介绍了 电弧炉电极调节系统的各种控制策略，即恒电流原则、恒阻抗原 则和恒功率原则。 4 、利用所得到的被控系统的数学模型，对电极调节系统的采用的控 制策略进行仿真和比较。 5 、为电极调节系统设计了自适应p i d 电极调节控制器，得到了良好 的控制效果，同时为了进一步的提高控制系统的各项性能指标， 提出了模型参考自适应电极调节控制器，并进行计算机仿真。 。1 0 东北大学硕士学位论文第二章电弧炉电机调节系统 第二章电弧炉电极调节系统 2 1 电弧炉电极控制方法的简介 在电弧炉炼钢的整个过程中，电极调节系统是主要环节之一。有资料报 道采用先进的电极调节装置可使功率消耗减少5 ，闪变减少1 0 ，电极破损 减少9 0 ，电极消耗减少8 5 ，出钢时间减少1 8 5 ，平均功率输入增加8 5 。 所以氏时间以来如何提高电极调节系统的控制性能，怎样解决在炼钢过程中 电弧放大系数的问题，如何解决三相间的相互影响以缩短调节时间等，就成 了人们关心的问题。 2 1 1 电弧炉电极控制方法的发展 早期的电弧炉自动控制系统，其控制都是基于古典的自动调节理论。从 7 0 年代起，国外一些学者就对电极控制进行了大量研究，提出了一些控制算 法，但多数都限于理论分折和仿真研究，在实际过程中得到应用的几乎没有。 传统控制方法都将三相电弧炉的电极电流看作是三个相互独立的单相系统来 模型化，这是传统的电弧炉调节系统不理想的主要原因。现代的电弧炉工作 者都认识到三相不平衡是客观存在的，且由变压器上取出的电流、电压信号 由于：i 次同路的存在而不可能得到准确的弧电压、弧电流，亦造成偏离工作 点。 本文就以襄钢3 0 吨电弧炉控制系统为基础，而其采用的调节系统是目前 在电弧炉炼钢中应用最为广泛的就是电液比例阀一液压式电极调节系统，分 别建立该系统的控制部分和电气部分的数学模型，通过所建立的数学模型对 恒电流原则、恒阻抗原则以及恒功率原则等控制策略做一下理论上的分析。 2 2 液压式电极调节系统的结构和工作原理 2 2 1 液压式电极调节系统的结构 电弧炉是一个复杂的受控对象，受多利- 因素的影响，且变化速度极快。 一1 l 一 东北大学硕士学位论文第二章电孤炉电机调节系统 同时电弧炉的生产过程也很难用数学模型来描述，不能较好地解决调节过于 频繁和高精度控制这对矛盾。电炉的控制主要是控制电流，而电流的调节是 通过电极升降米实现的。 近代大型的电弧炉上配用的电气一液压式调节器大都采用比例阀系统。 其结构原理图如图2 1 所示。 图2 1 电极调节液压比例系统模拟装置原理图 f i 9 2 1e l e c t r o d es d j u s ts y s t e me l e m e n ts k e t c h 1 信号发生器2 p l c 和计算机 3 比例阀4 压力表5 单相表6 油泵 7 过滤器8 溢流阀9 电极 1 0 电极升降柱塞油缸 根据以上功能的液压系统的基本原理图可以简单的勾画出整个系统简单 而典型的结构图如图2 2 所示。 1 2 东北大学硕士学位论文 第二章电弧炉电机调节系统 图2 2 交流电弧炉电极比例控制原理图 f i 9 2 2a l t e r n a t i n gc u r r e n te a f e l e m e n ts k e t c h 2 2 2 液压式电极调节系统的调节原理 电弧炉电极调节器也叫电极位置控制器，它从供电系统取得电流、电压 反馈信号，选取相应的控制策略进行控制计算，通过得出的控制结果来调节 电极位置。调节性能好的电极调节器对随机扰动反应快、平稳调节，可以缩 短熔炼时间，提高电弧炉生产效率。 由液压系统的控制原理图图2 2 可以清晰的看出电弧炉炼钢过程中的各 个部分的基本动作，取自电流互感器的电弧电流信号和取自电极与炉底之间 底电弧电压信号送到p l c 中，经过计算机对信号进行处理后，信号进入到电 极调节器中进行电极调节，后控制变量信号送入电液比例阀的电磁线圈。在 额定状态下工作时，差值为零，比例阀不动作；当弧长偏离给定值时，比例 阀中的电气信号使阀杆运动，从而使电极升降。当电弧长度小于给定值时， 此时电弧电流大于给定值，则送入比例阀电磁线圈的电气信号使阀杆向上运 动，从而液压油流入电极升降液压缸，电极上升，而电极上升的速度取决于 比例阀阀i l 开口的大小。当电流重新达到设定值时，实际电流值与设定值的 差为零，电气信号消失，电极停止动作；相反，若弧长大于给定值时，即炉 1 3 东北大学硕士学位论文第二章电弧炉电机调节系统 内电弧电流小于给定值时，阀杆向下移动，液压缸内的液体便在电极升降装 置白重的作用下，流同储液槽，电极下降直至重新达到给定弧眨。上升和下 降的速度取决于比例阀阀门的开度，即电气信号的大小。 交流电弧炉的电极调节一般采用都是一种闭环调节方式，可实现炼钢全 程的电极自动调节。 电液比例阀一液压传动式调节系统有以下特点： ( 1 )由于比例阀其载能液体可以为水、油或乳化液，他们的惯量都 很小，因此调节系统的动态特性很好，可以实现快速、高精度 的调节，电极最快一l 升速度可达到8 9 m m i n ；过滤过程时间短， 只有o 1 5 s ；灵敏度高，非灵敏区约为6 。 f 2 1由于比例阀采取异性开口结构调节系统的静态特性呈非线性， 因而能保证理想的调节特性。冶炼过程的各个阶段的燃弧行为 是不同的，为了达到最佳运行状态，调节器在各个冶炼阶段要 解决的问题有所侧重。在起弧熔化阶段，电弧变化急剧，而且 经常发生断弧和短路现象。在此期间，当出现大的扰动时，电 极应快速动作，迅速消除大扰动。当电极位置接近给定值时， 电极能迅速停止运动，以避免因惯性造成的超调，保证系统稳 定运行。熔化阶段的特点是电弧燃烧稳定，扰动量小，为了避 免电极插入熔池，造成增碳，此阶段的关键是要求调节器灵敏 度高，并且调节精度高。比例阀的开口结构保证了各冶炼阶段 的调节要求。 综上所述，电液比例阀一液压式调节器具有灵敏度高，非灵敏区小，升 降速度快，输出功率大等特点，其调节特性较为理想，能实现快速、高精度 调节，满足了电弧炉电极调节器的技术要求。 2 3 电极调节器的特点 2 3 1 电极调节器的特点 在电弧炉的生产过程中，由于钢水的沸腾，钢水表面起伏不定，必然导 致电弧k 度忽短忽长，时刻变化。因此调节器的首要任务就是根据炉内的情 况及时调节电极棒的位置，进而达到调节电弧长度的目的，使电弧功率保持 1 4 东北大学硕士学位论文第二章电弧炉电机调节系统 在一定数值。但是由于炼钢过程中炉内复杂多变的炉况和时变的电弧增益， 要达到此目的并不容易，这就对电极调节器的功能提出了更高的要求。 首先，要选择一个比较好的控制原则，一个好的控制原则是电极调节器 控制性能的基本保证，控制原则的选择将在后面讨论。 其次，炉内钢水的沸腾对电弧长度产生干扰，且这种干扰是无确定的规 律可循的，是一随机过程。若使电极调节器具有良好的调节功能，它必须具 备一定的消除随机噪声干扰的能力。 还有电极调节器的快速性也是非常重要的，当电弧长度发生改变后，它 应尽快予以纠正，动作迟缓将不能达到理想的控制效果。甚至当调节过分不 灵敏时，会有断弧和短路发生。 最后，电弧的增益随着温度发生变化也是电极调节器所要考虑的一个问 题，所以它要具有抗参数时变的能力，即鲁棒性好。另外，由于炉内废钢的 放置不是均匀的，因而三相电极之间是不平衡的。同时，三相电极之问也存 在相互间的影响。这些都是设计电极调节器时需要考虑的。 综上所述一个良好的电弧炉炼钢电极调节器应具有以下的特点： 保证电极在一定控制原则下点弧工作； 抗干扰性好： 调节灵敏、迅速； 良好的三相问的平衡性以及相互间的尽可能小的影响。 1 5 东北大学硕士学位论文第三章电弧炉电极调节系统的建模 第三章电弧炉电极调节系统的建模 3 1 电极调节系统被控系统的建模 3 1 1 电极调节系统控制部分的建模 电弧炉炼钢过程中，电极与炉料之间的相对位置必须进行控制，才能使 电弧的睦度始终保持稳定。然而电弧压降梯度却随不同的冶炼阶段而异，因 此必然会导致电极调节液压比例系统的前馈增益变化；同时，为节省能耗， 油源压力一般设置较低，且由于电极调节液压系统的结构特点致使电极在升、 降时的特性不对称。这些都将造成系统的动态特性变坏，引起频繁的短路和 断弧，不仅倍耗能量，而且影响正常生产，严重时甚至折断电极或使电极插 入熔池酿成更大的事故。因此，寻求一种简便有效的方法使电极调节液压系 统能在冶炼的各个阶段和电极升、降过程中都有较好的动态特性，是液压电 弧炼钢炉急待解决的实际问题。 根据图2 1 电极调节液压比例阀系统模拟装置原理图可以得到系统的结 构框图如图3 1 。 图3 1 电极调节液压比例阀系统框图 f i 9 3 1e l e c l r o d ea d j u s th y d r a u l i cp r e s s u r es y s l e m s k e t c h 得到系统等效的前向传递函数为： 1 6 东北大学硕士学位论文 第三章电弧炉电极调节系统的建模 郦，2 畿2 禹g r b ， t 2 9 0 k 旷 女 示中： k 。一一与电弧压降梯度有关的增益 k 。比例放大器的增益 k ，比例阀的流量增益 a p 一一电极升降柱塞缸的有效面积 嗥一一液压系统固有频率 0 。一一系统的阻尼系数 k 一一一系统的前馈增益 k ，= k bk 。kg ，p 在襄樊长材钢厂3 0 吨电弧炉控制系统的实际应用中，根据各个环节的特 性，各参数值定为：k ，= 1 0 ，文= o 2 4 ，嗥= 1 8 5 所以其系统的传递函数为： g 2 矛百 得出上面控制部分的模型以方便下面实现系统仿真。 3 2 电极调节系统电气部分的建模 3 2 1 单相电极的建模 ( 3 2 ) 对于所要研究的控制对象，其模型的建立很大意义上制约着控制效果的 优劣。控制对象的模型，要符合实际应用的需要。建立数学模型通常采| j 测 1 7 东北大学硕士学位论丈 第三章电弧炉电极调节系统的建模 试法和机理法两类。测试法主要是利用工业过程中的实测数据，运用经典辨 识和现代辨识的方法建立数学模型；而机理法是根据生产过程中实际发生的 变化机理，写出各种有关的平衡方程式( 能量、动量平衡) 以及各种符合基本规 律的运动方程( 流体、化学、传热等) ，从而获得对象的数学模型。近2 0 年来 机理法得到了广泛的应用和迅速的发展。 电极调节系统由电气部分和液压传动两部分构成，相对于液压传动系统， 电气部分的时间常数相对较小，所以采用静态的数学模型加以表示。 首先选取单相电极为研究对象，建立单相电极的数学模型，再以单相电 极为基础建立三相电极间的数学模型。 单相电极的等效电路图如图3 2 。 l ， 图3 2 单相电极等效电路 f i 酪2s i n g l ee l e c t r o d ee q u i v a l e n tc i r c u i t 则一相电极的等效电路为 u 2 = ( u + 吨) 2 + ( ，) 2 漫当小扰动时，u = c ( 常数) ， u h = u + u 1 8 ( 3 3 ) ( 3 4 ) 东北大学硕士学位论文第三章电孤炉电极调节系统的建模 代入( 3 4 ) 式进行运算并忽略幅值很小的二阶数值，有 ( 3 5 ) a u ( u + r ) + ， ( u r + ， ，2 + ， 工2 ) = 0( 3 6 ) 根据b i l l i n g s 理论推导的弧压的表达式 u = a + 卢。z ( 3 7 ) 示中：a 一一阴极和阳极间的电压降，当电极材料、气体压力和周围介质一定 时，通常认为a 为常数( v ) ； 启一一弧柱梯度，它是温度丁的函数( v m m ) ； “一一额定弧长。 所以弧长变化对电弧电流影响为 肾卢赫 示中：，。电弧电流变化量 ，。一一额定电流； u 。一一额定弧压； ( 3 8 ) p 一一电弧等效电阻。 若把电弧炉看成是调节系统中的一个环节，且把弧长视为输入量，把测 量环节的电流看作输出量，则电弧电流放大系数为： k i = 一舢。爷焉 b ， 若把电弧电压看作是输出量，则电弧电流放大系数为： k u = d u ，以= 卢 ( 3 1 0 ) 若测量参数为电弧电流和电压值，则对象放大系数相当于电极移动l m m 这些量的变化之和： 1 9 东北大学硕士学位论文 第三章电弧炉电极调节系统的建模 2 等三+ 警每俐k 1 i t + k v u ，b 3 2 2 三相电极的建模 上面推导的是单相电极的数学模型没有考虑各相电源间的影响，而是把 每个电极都作为一一个单独的被控对象，这就会产生很大的误差，使控制效果 极差。为了解决这一问题，又进行了下面的建模研究。 交流电弧炉是采用三相电极加热的装置，由于三相电的耦合作用，进行 控制比较困难。首先建立三相电弧弧长变化和偏差输入的关系，假定测量出 的电压为每相电压分别都是从电路的变压器端到炉底。其三相电极的等效电 路图如图3 3 。 图3 3 电弧炉主电路 f i 9 3 3e a f m a i nc i r c u i t 东北大学硕士学位论文 第三章电弧炉电极调节系统的建模 可以将其简化为简单的分析图如图3 4 。 图3 4 三相电极等效电路图( 以一相为例) f i 9 3 4e l e c t r o d ee q u i v a l e n tc i r c u i td i a g r a m ( o n e f o re x a m p l e ) 根据上面的电极等效电路图，可以得到电极的电压为 u ，：瓶再丽，( 3 1 2 ) 同理得到另外两相的电压为 u 。= ( r 。+ r 2 ) 2 + x ；，2( 3 1 3 ) u 。：、厄了丽。( 3 1 4 ) 示中：r ，一一电路等效电阻，i = 1 ，2 ，3 ； x 一一电路等效电感，i = i ，2 ，3 ： r 一一弧电阻，i = 1 ，2 ，3 ； 所以当第一相电炉的电弧发生扰动时，即弧电阻发生变化，它的电流，： 电发生变化，从而使u ，跟着改变，u ，的变化量为： 等吐( r 1 + ，1 ) ( 即+ x ? 一； ( 3 1 5 ) 一2 1 东北大学硕士学位论文第三章电弧炉电极调节系统的建模 ( 3 1 6 ) 啦= 等 等弛( 3 1 7 ) = z , - 1 ( + r i ) ( 卢l 1 + r 1 a 1 ) 十工；，1 ， 以此类推，当第二三相弧电阻有扰动时，它们电压的改变量为： 毗= 等即等峨 ( 3 1 8 ) ：z ( 魄+ 如1 ( 阻。十r 。x ，：) 十x ；x l r 。 峨= 等蚶等乜 ( 3 1 9 ) = z f ( ，3 + 尺。) x ( 卢l 。+ 月3x ，3 ) + x ；，。 血于三相电路的特性，当其中一相电压或电流发生扰动时，其它两相电 路的电压、电流也必受到其影响。下面分别计算其影响程度a 当第一相电路有扰动而产生a u ，时，此扰动对另两相电路电压的影响为： 删犷等心圹z z 心z ， 埘s ，2 等心。，- z 。咄。 同理，当第二相有扰动时，另两相电压的变化为 崛z 2 警喵z - z 1 斌，z u 3 z = 等叫。z - z 3 心a z 当第三相有扰动时，另两相电压的变化为 姒a 2 警一z ，心，。 ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) ( 3 2 2 ) ( 3 2 3 ) ( 3 2 4 ) 羔十 - + r = 坠帆 东北大学硕士学位论文 第三章电弧炉电极调节系统的建模 峨。= 警_ z 2 咀。 ( 3 2 5 ) 以上是电压的变化情况，下面讨论电流的变化，其结构图如图3 5 。 z l 图3 5 三相电极的电路分析图 。 f i 9 3 5e l e c t r o d ec i r c u i ta n a l y z ed i a g r a m z ，z 。，z 。分别为三相电路的总阻抗。因为该电路为三相不平衡电路 所以要采用回路电压法和节点电流法，列出方程组为： 由式f 3 2 6 ) 解得 ，1 + ，2 十，3 = 0 1 1 z 1 一1 2 x z 2 = e 1 1 2 z 2 一，3 z 3 一e 2 心型量：塾型 z 1 2 3 2 3 ( 3 2 6 ) ( 3 2 7 ) ( 3 2 8 ) 乙一 + 一 乏一 一 手i + 一 ，一2 一 h x 一 。函 一 = 东北大学硕士学