（热能工程专业论文）交流电弧炉电极智能控制系统的研究.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 、 本学位论文属于不保密彤 学位论文作者签名： 如，年6 月尸日 指导教师签名： 沙l ，年 2 0 11 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 电弧炉炼钢是现代炼钢法的重要技术手段之一。电弧炉炼钢是以废钢为主要 原料，以各种微量合金和造渣材料为辅料，依靠电极和炉料间的气体放电产生的 电弧使电能在弧光中转化为热能，并通过对流和辐射换热的方式加热并熔化金属 和炉渣，是冶炼出各种成分的钢和合金的一种冶炼方法。 论文以某钢厂电弧炉电极控制系统的改造为背景，在查阅了大量国内外相关 文献的基础上，综述了电弧炉炼钢工艺及设备、控制技术的发展历史、研究现状 和今后的发展趋势，分析了当前电弧炉电极控制系统存在的问题。针对交流电弧 炉调节系统的非线性、强耦合、随机干扰强和时变性等问题，为实现三相功率的 平衡，对电弧炉电极调节系统做以下研究。 建立了电弧炉系统模型，作为设计和验证控制器及控制算法的仿真试验平 台。首先，根据交流电弧的物理机理和实际经验知识，建立了电弧的电路模型。 然后，在此基础上推导出电弧炉电气的主电路模型，并通过仿真结验证了该模型 的有效性。最后，根据电弧炉现场电极控制系统设备建立了电弧炉电极控制系统 模型。 探讨了适用于交流电弧炉电极控制系统的控制算法。电弧炉三相耦合作用使 得电极调节系统对三相负载的不平衡非常敏感，因此具有解耦能力的平衡电弧炉 三相负载算法的研究，对提高电极调节系统控制品质和电网电能质量至关重要。 由三相耦合引起的负载扰动是频繁且可测的，可以采用带有前馈补偿解耦的恒阻 抗电极控制策略来消除扰动。仿真结果表明，前馈解耦控制器能e 很z 好的消除由三 相耦合引起的相互扰动。 电极调节系统是时变的，电弧电位梯度随冶炼过程变化且难以直接测量或间 接确定，固定参数控制器难以满足电极控制品质要求。对于这类问题，采用具有 自学习自适应功能的神经网络控制算法在线调整控制器参数，使控制器工作在最 佳状态。控制器由经典p i d 、b p 网络调节p i d 参数机构和d r n n 网络辨识器三 部分构成。仿真结果表明，该控制算法能有效地解决电弧电位梯度的变化问题。 关键词：交流电弧炉，电极调节系统，解耦控制，神经网络控制，建模，仿真 交流电弧炉电极智能控制系统的研究 i i 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee l e c t r i ca r cf u r n a c es t e e l - m a k i n gi sa ni m p o r t a n tt e c h n o l o g yo fm o d e m s t e e l - m a k i n g t h es c r a ps t e e li su s e da st h ep r i m a r ym a t e r i a l ，a n dt h em i n i ma l l o ya n d s l a g g i n gm a t e r i a l sa r cu s e da sa d j u v a n tm a t e r i a l s h e a ti sp r o d u c e dt ot h es c r a ps t e e l f r o me l e c t r i ca r c sd r a w nb e t w e e nt h et i p so ft h ee l e c t r o d e sa n dt h em e t a l l i cc h a r g e ， a n dt r a n s f e r r e db yc o n v e c t i o na n dr a d i c a l i z a t i o n i ti st h ee s s e n t i a lw a yt os m e l t v a r i o u ss t e e la n da l l o y t h et h e s i si sb a s e do nt h ei m p r o v e m e n to fa ne l e c t r o d ep o s i t i o n i n gc o n t r o l s y s t e m t h es u m m a r i e so ft h ep r o c e s s ，t h ee q u i p m e n t s ，d e v e l o p m e n th i s t o r y , p r e s e n t r e s e a r c hs t a t u sa n df u t u r e 住e n do fc o n t r o lt e c h n i q u e so fe l e c t r i ca r cf u r n a c ea r eb a s e d o nc o n s u l t i n gag r e a td e a lo fi n t e r n a la n de x t e m a lr e f e r e n c e s t h ec u r r e n te x i s t i n g p r o b l e m so f e l e c t r o d ep o s i t i o n i n gc o n t r o ls y s t e ma r ea n a l y z e dd u r i n gt h es t e e lm a k i n g p r o c e s s t h ec o n t r o ls y s t e m i sac o m p l e xo n ew i t hn o n l i n e a r , t i m e - v a r i a t i o n a l ， s t o c h a s t i ca n ds t r o n gc o u p l i n gf e a t u r e s t h ee l e c t r o d ep o s i t i o n i n gr e g u l a t e ds y s t e m m u s th a v et h ec a p a b i l i t yo fr a p i dr e s p o n s e ，a n t i - j a m m i n g ，a d a p t i o no fv a r i e t yo f p a r a m e t e r sa n dd e c o u p l i n g ，f o rr e d u c i n gt h r e ep h a s eu n b a l a n c e t h ea r cf u r n a c em o d e li se s t a b l i s h e d ，a n du s e df o rt r a i lp l a t f o r mf o re v a l u a t i n g t h ec o n t r o li m p r o v e m e n ts c e n a r i o s f i r s t l yt h ea r cm o d e li se s t a b l i s h e dw h i c hi sb a s e d o nt h ep h y s i c a lm e c h a n i s mo fa r ca n di d e n t i f i c a t i o n t h e nt h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e m m o d e li sd e v e l o p e dw h i c hi sb a s e do nt h ea r cm o d e la n dc k c u i tt h e o r y , a n dv a l i d a t e d b ys i m u l a t i o nt r i a l s f i n a l l yt h ee l e c t r o d ep o s i t i o n i n gr e g u l a t e ds y s t e mm o d e li s e s t a b l i s h e do nt h er e a le 陋d e v i c e s t h ee l e c t r o d ep o s i t i o n i n gc o n t r o la l g o r i t h mi si n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r b e c a u s e e l e c t r o d er e g u l a t o rs y s t e mi ss e n s i t i v ei nt h et h r e ep h a s eu n b a l a n c eb yt h ec o u p l i n go f t h et h r e ep h a s e ，s ot h ec o n t r o la l g o r i t h mf o rb a l a n c i n gt h ep h a s ei si m p o r t a n tf o r e n h a n c i n g t h ec o n t r o lo fe l e c t r o d er e g u l a t o rs y s t e ma n dp o w e rq u a l i t y t h e d i s t u r b a n c ei sf a t h o m a b l ew h i c hi sc a u s e db yt h r e ep h a s e sc o u p l i n g ，s oi tc a nb e r e d u c e db yt h ec o n t r o l s t r a t e g yo fc o n s t a n ti m p e d a n c ew i t ht h e f e e d - f o r w a r d c o m p e n s a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed e c o u p l i n gc o n t r o l l e rw i t ht h e f e e d - f o r w a r dc o m p e n s a t i o nc a nr e d u c et h ei n t e r a c t i o n sb e t t e r t h ee l e c t r o d ep o s i t i o n i n gs y s t e mi st i m e - v a r i a t i o n a l , f o re x a m p l e ，t h ea r cv o l t a g e g r a d i e n tv a r i e sw i t hs m e l t i n gp r o c e s s i ti sm e a s u r e da n de s t i m a t e dh a r d l y , s ot h a t i l l 交流电弧炉电极智能控制系统的研究 f i x e dp a r a m e t e r sc o n t r o l l e rc a ns a t i s f i e sw i t ht h ec o n t r o ld e m a n do ft h es y s t e m t h e o n - l i n ea d j u s t a b l ec o n t r o l l e rw i t hn nc o n t r o l a l g o r i t h mi sp r o p o s e dw h i c hh a s l e a r n i n ga n da d a p t i n gc a p a b i l i t y t h ec o n t r o l l e rc o n s i s t so fc o n v e n t i o n a lp i d c o n t r o l l e r , b pn e u r a ln e tw i t ha d j u s t i n gp i dp a r a m e t e r sa n dd r n nf o ri d e n t i f i c a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h eo n l i n ea d j u s t a b l ec o n t r o l l e rc a n a d j u s ti t s e l ft o t h ev a r i e t yo f t h ea r cv o l t a g eg r a d i e n t k e yw o r d s ：a ce a f , e l e c t r o d e p o s i t i o n i n gr e g u l a t e ds y s t e m , d e c o u p l i n g i v c o n t r o l l e r , n n c ，m o d e l i n g ，s i m u l a t i o n 2 3 电弧炉主体机械结构1 6 2 3 电弧炉电能输送系统1 7 2 4 电极升降自动调节系统1 9 2 5 本章小结2 0 第三章交流电弧炉电气系统的模型研究2 1 3 1 电弧炉电弧模型2 1 3 1 1 电弧的物理过程一：2 1 3 1 2 电弧的静态电气特性2 2 3 1 3 交流电弧的动态模型2 4 3 2 电能输送系统模型2 7 3 2 1 单相电能输送系统静态模型2 8 3 2 2 三相电能输送系统动态模型3 0 3 3 电极调节系统模型3 0 3 4 模型仿真3 2 3 4 1 交流电弧的模型验证3 2 3 4 2 电极调节系统p i d 控制仿真研究3 4 3 5 本章小结3 6 第四章交流电弧炉电极调节系统控制策略。3 7 4 1 前馈解耦p i d 电极控制算法3 7 v 交流电弧炉电极智能控制系统的研究 4 2 神经网络概述4 0 4 2 1 单神经元模型4 l 4 2 2 神经网络的拓扑结构4 2 4 2 3 神经网络学习规则4 3 4 3 电弧炉智能电极控制器的硬件平台4 4 4 - 3 1 智能电极控制器以及数据采集系统的硬件平台一4 4 4 3 2 智能电极控制器的实现过程4 5 4 4 基于神经网络的智能电极控制算法4 6 4 4 1 基于b p 网络的自适应整定p i d 电极控制算法4 7 4 4 2 电弧炉电极调节系统辨识5 0 4 4 神经网络自适应p i d 电极控制系统仿真研究5 3 4 4 1 神经网络p i d 算法的实现5 3 4 4 2 仿真结果分析5 4 4 6 本章小结5 7 第五章结论与展望5 8 5 1 全文总结5 8 5 2 展望一5 8 参考文献6 0 致谢6 3 攻读硕士学位期间发表的学术论文 攻读硕士学位期间的科研项目6 4 v l 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 现代钢铁生产流程主要是以铁矿石为主要原料的高炉转炉长流程和以废钢 为主要原料的电炉短流程炼钢。电炉炼钢与转炉炼钢根本的差别在于，电炉炼钢 法是以电能作为热源。在电炉炼钢方法中电弧炉炼钢是应用得最为普遍的，其他 类型的电炉如电感应炉、电渣炉等所炼钢数量较少，我们通常所说的电炉炼钢主 要是指电弧炉炼钢【l 】。电弧炉炼钢的主要特点是初期投资费用少，运行成本低。 近年来，随着国民经济的发展对钢铁材料需求巨大，世界钢铁产量飞速增长， 电炉钢产量也逐年增加，占钢总产量的三分之一左右。表1 1 列出了1 9 6 0 一2 0 0 8 年来世界钢产量、电弧炉钢产量和电炉钢比例。表1 2 列出了2 0 0 1 2 0 0 8 年间 主要产钢国的产量和比例情况 2 3 1 。 表1 1 近年来世界电炉钢产量 t a b l e 1 1t o t a lp r o d u c t i o no fc r u d es t e e li ne l e c t r i cf u r n a c ei nr e c e n ty e a r s 年份钢总产量万t电弧炉钢总产量万t电弧炉钢比例惕 1 9 6 03 4 9 0 93 4 5 69 9 1 9 7 05 9 9 9 38 5 1 91 4 2 1 9 8 07 1 6 0 0 1 5 7 5 2 2 2 o 1 9 9 07 6 9 2 42 1 1 5 42 7 5 2 0 0 08 4 8 9 32 8 7 3 93 3 9 2 0 0 l8 5 1 0 72 8 5 1 13 3 5 2 0 0 29 0 4 1 73 0 4 8 93 3 7 2 0 0 3 9 6 9 9 2 3 2 4 4 4 3 3 5 2 0 0 41 0 7 1 5 13 5 3 0 73 3 o 2 0 0 51 1 4 4 1 43 6 5 1 43 1 9 2 0 0 61 2 4 7 2 6 3 9 5 3 63 1 6 2 0 0 71 3 4 6 2 14 1 6 6 03 0 8 2 0 0 81 3 2 9 1 24 0 7 0 23 0 7 交流电弧炉电极智能控制系统的研究 表1 2 近年来世界各国钢生产情况 t a b l e 1 2t h ev a r i o u sc o u n t r i e sp r o d u c t i o no fc r u d es t e e li nr e c e n ty e a r s 年份 2 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 8 钢产量亿t 8 5 1 l9 0 4 29 6 7 01 0 7 1 51 1 4 4 1 1 2 4 7 3 1 3 4 6 21 3 2 9 1 世 电炉钢比例脱 3 3 53 3 73 3 53 3 03 1 93 1 63 0 83 0 7 界 钢产量的增产 速度 6 2 46 9 51 0 86 7 89 0 27 9 31 2 7 钢产量亿t 0 9 0 10 9 1 60 9 3 70 9 9 70 9 4 90 9 8 60 9 8 10 9 1 4 美 电炉钢比例慌 4 7 45 0 45 1 05 2 15 5 0 5 6 9 5 8 15 8 1 国 钢产量的增产 速度 1 6 62 2 96 4 04 8 13 9 0 0 5 16 8 3 钢产量亿t 0 4 4 80 4 5 00 4 4 80 4 6 40 4 4 50 4 7 20 4 8 60 4 5 8 德 电炉钢比例脱 2 9 32 9 33 0 o3 0 73 0 73 1 13 0 93 1 9 国 钢产量的增产 速度 o 4 50 4 43 5 74 0 9 6 0 7 2 9 75 7 6 钢产量亿t1 0 2 91 0 7 71 1 0 51 1 2 71 1 2 51 1 6 21 2 0 21 1 8 7 日 电炉钢比例 2 7 62 7 12 6 42 6 42 5 62 6 o2 5 82 4 8 本 钢产量的增产 速度 4 6 62 6 01 9 91 7 83 2 9 3 4 4 1 2 5 钢产量亿t 1 5 1 6 1 8 2 32 2 2 3 2 8 2 9 3 5 3 24 1 9 14 8 9 35 0 0 3 中 电炉钢比例肱1 5 91 6 71 7 6 1 4 91 1 7 1 0 59 19 1 国 钢产量的增产 速度 2 0 2 52 1 9 42 7 2 62 4 81 8 6 61 6 7 52 2 5 从表1 2 中可以看出世界主要产钢国的钢铁生产情况和分布不一样，一些发 达国家如美国、韩国、德国和一些发展中国家电炉钢比例逐年增长或保持在一个 较高的水平上。这是由于在工业发达的国家里，随着钢铁积蓄量的增加，所提供 的废钢有年年增长的趋势，作为电炉炼钢原材料的废钢价格趋向低而稳定，短流 程的电弧炉炼钢省去了高炉而且经营更有成效，和需大量投资的钢铁联合企业相 比，电炉炼钢法在成本上有相对优势 4 】。我国是钢产量最大的国家，而电炉钢比 例低且逐年减少，从而影响世界电炉钢比例有所下降，这是由于我国电力资源不 充裕，成本相对较高所决定的。长此以往，不利用于我国钢铁工业的循环经济和 可持续发展【2 】。 从表1 1 和表1 2 中可以看出，现代转炉炼钢和电炉炼钢在不同时期、不同 2 江苏大学硕士学位论文 地区，比例有所不同，但不会向平炉被淘汰那样互相淘汰对方。这是由于两种炼 钢方法各自的优势所决定的，并且随着两者技术的发展，吸收对方的长处，在功 能演变、原料结构、冶炼周期、终点控制、经济性评价及对生产钢种的适应性方 面表现出共同特征。所以，两种炼钢方法将在很长一段时间里处于共存局面。 表1 3 转炉和电炉两种流程的比较 t a b l e 1 3t h ec o m p a r i s o no fb o fa n de a f p r o c e s s e s 类别 高炉一转炉流程 电炉流程 投资美融钢 1 0 0 0 1 5 0 05 0 0 8 0 0 劳动生产率t 钢( a p ) 6 0 0 8 0 010 0 0 一3 0 0 0 建设周期年 4 l 1 5 从原料到钢水的能耗( 标煤) k g t 钢 7 0 32 1 3 7 3 从原料到成品的运输力需求从钢 1 5 8 9 5 二氧化碳k g t 钢 2 0 0 0 3 0 0 08 0 0 近年来人们对地球环境问题的认识提高，更加要求促进资源的可持续利用和 减少对环境的污染，而利用废钢原料的电炉炼钢具有铁资源循环最有利的条件。 表1 3 中列出了两种钢生产流程综合指标的对比，电炉流程的二氧化碳排放量约 为转炉流程的3 0 ，而各项经济性指标均优于转炉流程 2 】。从长远考虑，随着我 国社会经济的发展，废钢累积增加，生铁的价格优越性不再显著，此时转炉炼钢 并不具备成本上的优势，而且无法实现铁资源循环利用，所以应加快发展电炉炼 钢【5 1 。 在我国目前废钢及电力资源紧缺的情况下，电炉炼钢应采用新技术、新工艺、 新装备，开发并生产新产品，使之形成了最佳钢铁生产方式，实现高效、高品质、 低耗、智能化、清洁化生产。在电炉炼钢过程中，电炉自动化是整个系统高效运 转、智能化发展的核心环节之一，随着控制理论和计算机技术的发展，电炉自动 化的发展趋势已成必然。在电炉自动化中，电极控制技术又是其中重要的环节， 因此，电弧模型和电极控制策略及方法的研究就显得尤为重要。 1 2 国内外研究与发展现状 电弧炉炼钢技术发展至今已有1 0 0 多年的历史。1 8 7 9 年，威廉姆斯利用两 水冷金属电极炼出了钢，并获得电弧炉专利，但由于电耗大电费昂贵而未能推广。 3 交流电弧炉电极智能控制系统的研究 随着同步发电机和变压器的推广应用，赫劳特于1 9 8 9 年研制成功三相交流电弧 炉，用三根碳电极将三相交流电输入到炉内，利用碳电极和金属炉料间的电弧熔 化金属炉料。在之后几年，赫劳特在拉巴斯成功应用该炉熔炼出铁合金，该炉成 为现代炼钢电弧炉的雏形。以后电弧炉的发展就向着高效率、高品质、低消耗的 方向发展，如： ( 1 ) 高功率操作； ( 2 ) 水冷炉盖、炉壁； ( 3 ) 富氧操作，喷炭粉技术； ( 4 ) 炉外精炼技术； ( 5 ) 废钢预热； ( 6 ) 热装铁水； ( 7 ) 氧燃料嘴等。 8 0 年代后期，从传统电弧炉系统及流程本身和环保等方面综合考虑，开发 出了一些新型的电弧炉，以提高电弧炉对原料的适应性，降低污染，优化供能。 如倾斜电极直流电弧炉、转炉型电弧炉和c o n t i a r c 电弧炉等6 1 。此时，电弧炉炉 型结构已发生根本性的变化。 在电弧炉结构和工艺不断改进和发展的同时，电弧炉自动化技术也在不断的 进步和发展，如何发挥自动化在冶炼过程中的作用，在炼钢设备和工艺环境一定 的条件下，实现炼钢的高品质、高效率和低消耗，这是国内外广大科技工作者一 直在努力追求的目标。 1 2 1 电弧炉炼钢过程自动化技术理论研究 1 电弧炉模型的研究 要实现电弧炉自动化，首先必须对炼钢设备和过程的认识，即电弧炉模型的 研究。从上个世纪七十年代以来，国内外专家和学者相继投入力量对电弧炉系统 的模型方面进行了研究，并在理论和实际应用方面取得了较大的成果。但由于电 弧炉所涉及的物理化学现象的复杂性，目前所提出的电弧炉模型，均只能适用于 特定的研究对象，如用于电弧炉智能控制，或用于谐波分析，或用于电网电压波 动预测等7 1 。因此，建立反映电弧特性通用性较强的电弧炉模型是进一步研究的 目标。 4 江苏大学硕士学位论文 一般数学模型有数学物理模型和黑箱模型两种。数学物理模型是从微观物理 化学过程出发，分析电弧电气特性和冶炼过程特性，可以作为深入了解炉内的物 理现象、改善和优化冶炼过程的参考依据。 对于电弧炉生产过程模型而言，是个气、固、液和电弧等离子体多相并存， 动量、质量和热量传递耦合发生的复杂的高温物理化学过程 8 1 。并且设备规模大， 运行费用高，再加上实验操作影响实际生产和安全等因素，难以通过常规的实验 和实测方法来取得研究过程所必需的数据，边界条件等也难以确定。 虽然，高速电子计算机和计算流体力学等技术的飞速发展使得模型方程的求 解得到了较好的解决。但是电弧炉控制器的运算水平有限，计算时间长，不能满 足控制系统实时性的要求，难以将数学物理模型应用于电极控制系统。所以，对 于电弧炉控制系统模型而言，人们对于模型的研究主要致力于研究电弧炉过程的 外部特性和经验公式，避开对电弧内部微观物理过程和炼钢过程复杂的物理化学 反应动态过程的研究。 对于电弧模型，广泛应用在电弧炉电极控制中是由捷尔内提出的交流电弧模 型：强力交流电弧中的电弧电压与电弧电流的大小无关，其电压只取决于电极阴 极区及阳极区的电压、电弧长度及弧柱中的电位梯度的影响 9 】。即 u = 伐+ p l 式中： 口阴极和阳极压降和，与电极材料有关，具体取值参考文献 1 0 】； 卢弧柱电位梯度( v r a m ) ，与冶炼过程有关，氧化期和还原期变化不 大，而熔化期变化范围大，可用公式修正。 刘小河根据瞬态能量平衡方程和欧姆定律推导出电弧电阻方程，能反映弧柱 的热惯性、温度的变化、电弧电流的零休和电流变化对电弧电阻的影响，仿真验 证该模型的伏安特性与相关文献给出的结果基本一致【9 1 。 s a b i l l i n g s 等根据电弧理论和电路原理建立电弧炉主电路系统模型，采集 实验数据用递推增广最t b - - 乘法对电机伺服系统辨识，并与由机理推导出的非线 性高价状态方程伺服系统模型比较，阶跃响应测试表明两种模型基本一致【1 1 1 2 】。 a n n as o f f i ah a u k s d o t t i r 等针对实际工业背景，考虑到电极重力对电极上下移动的 影响，通过辨识建立多输入多输出自回归模型，用于实现解耦控制【1 3 1 4 1 。w i l l i a m e s t a i b 为改善电弧炉的电极控制，针对电弧炉内部复杂多变的特性，建立具有 5 交流电弧炉电极智能控制系统的研究 学习和预测能力的神经网络模型。该网络由b p 网络构成，采用反向传播算法训 练网络，不断采集炉况数据训练网络，该模型不仅能学习和预测炉况的一般变化 特性，还能快速辨识和自适应炉子的特殊变化特性( 如炉料变化和电极长度的变 化) 15 1 。f j a n a b i - s h a r i f i 采用a n f i s 方法建立电弧炉模型，使建模更为简单，训 练速度更快，能有效适应炉况的变化 1 6 】。 j o h a n n e sg e r h a r d tb e k k e r 等因测试基于炉气分析的控制策略的需要，建立多 变量非线性状态空间过程模型，主要包括固体废钢熔化速率模型、钢液变化速率 模型、碳熔解模型，硅熔解模型、固体钢渣变化速率模型、液体铡渣变化速率模 型、钢渣氧化铁质量变化模型、钢渣二氧化硅质量变化速率模型、尾气中一氧化 碳、二氧化碳和氮气模型，废钢、钢液、固态钢渣的温度模型、炉内气氛压力模 型和能量模型等，能反应整个冶炼过程的物质和能量交换动态过程，可优化动态 炼钢过程和实现动态预报 17 1 。 2 控制方法的研究 国外一些学者在电弧炉过程控制理论研究方面做了大量的工作，提出了一些 控制算法，以不同角度和方法解决电极控制的难点问题。 s a b i l l i n g s 等人提出电弧炉电极调节系统温度加权自适应控制算法 18 1 。假 设炉内熔池温度可连续测量，以炉温为自变量的权函数与实际运行取得的控制量 相乘，再作用于被控制对象，这样可使系统整个冶炼过程中，系统调节特性不受 温度影响。后来又提出弧流弧阻双模型控制方法，当电流值达到短路电流值时 采用电流控制策略，能实现电极短路时的快速调节。否则采用阻抗控制策略，能 有效降低三根电极间的干扰 1 9 】。 n i c h o l s o n 等人应用阻抗在线最优控制方法对电弧炉液压伺服系统进行研 究，用机理法建立电极液压伺服l l 阶模型，通过降价、线性化处理得到6 阶模 型，然后基于二次型最优控制法设计出控制器。实验结果表明，在线最优控制方 法在动态特性方面优于常规控制方法如p i d 等【2 0 】。p a t r i c kb u s o r o 等人将模型 算法控制m a c 应用于电弧炉电极控制中，仿真结果表明，m a c 算法在动态响 应、回复时间、过调、累积误差和对炉子参数敏感性等方面优于常规控制方法【2 1 1 。 w i l l i a me s t a i b 等人首先将神经网络技术应用到电弧炉电极控制中，开发出智能 电弧炉。利用神经网络的学习和非线性映射能力，不断采集大量炉况信息来训练 神经网络系统，得到适应炉况变化的控制输出 1 5 】。 6 江苏大学硕士学位论文 国内对电弧炉炼钢过程控制理论方法的研究起步比较晚。8 0 年代初，顾兴 源、毛志忠、张殿华等人提出电弧炉电极调节自校正控制与辨识方法【2 2 j 。9 0 年 代后，张俊杰、王顺晃等人提出了炼钢过程终点自适应预报及专家指导系统和电 极升降智能复合控制，该方法根据冶炼过程不同时期炉况不同，对电极升降系统 要求也不同，调节电极升降。仿真结果表明，该方法提高了系统的控制精度和跟 踪能力1 0 2 3 1 。 近年来，刘小河提出电极调节系统模型参考自适应控制方法，用分段线性化 方法解决电弧炉的复杂非线性问题，仿真结果表明，该系统对电极短路，液面低 频波动、弧长高频扰动等方面具有很好的抑制作用，其控制效果优于p i d 控制 系引9 1 。罗安等人将模糊专家控制、神经网络控制和递阶智能控制等智能控制技 术应用于电弧炉过程控制系统中，实现电弧炉三相电流和温度双闭环控制。该系 统在实际应用中表现出良好的控制效果和经济效益【2 4 1 。 1 2 2 电弧炉炼钢过程自动化技术工程应用 国外电弧炉过程自动化技术工程应用发展比较快，如美国、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到现在开发的 智能电弧炉( i a f ) ，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起步较晚的国家，但其发展速度惊人，目前日本的电弧 炉炼钢产量和电弧炉出口数量在世界名列前茅 2 5 1 。 下面分别介绍计算机技术、智能控制技术和动态过程控制技术在电弧炉自动 化中的应用。 1 计算机技术的应用 电弧炉炼钢过程自动化技术的发展依赖于计算机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经成为电弧炉炼钢的主要生产工具。目前冶 金企业将生产管理和过程控制相结合，形成分级计算机控制系统，该系统从上到 下分企业资源计划e r p ，制造执行系统m e s 和生产过程控制系统p c s 。其中， 与生产设备自动相关的内容都可归纳到p c s 层，主要由过程控制级，基础自动 7 交流电弧炉电极智能控制系统的研究 化级、检测和执行级组成。 以宝钢直流电炉、圆( 方) 坯连铸工程为例，主体工艺设备及三电系统分别 由法国c l e c i m 和意大利d a n i e l i 公司引进，其装备水平属当今世界上较先进 水平。三电系统由基础自动化( l 1 ) 、过程控制级( l 2 ) 、生产控制和管理级( l 3 ) 等构成三级计算机控制系统。l 3 的主要功能是生产计划编制和控制、工厂物流 跟踪和工序协调、质量控制的判定、铁水重量和温度的估算和资源、技术数据库、 设备维护的管理等。l 2 的主要功能是配料、电能、渣料、焦炭等的计算、预测 终点、过程监控等。l l 直接与过程或电气、仪表设备相连，主要功能是数据采 集、逻辑控制及工艺过程控制和调节、监视、操作等。其中包括对电极运动的控 制 2 6 1 。 2 智能控制技术的应用 一般认为带有模糊控制规则和带有知识控制规则所构成的自动控制系统为 智能控制系统。智能控制系统具有以下功能特点：( 1 ) 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，它适用于含有复杂性、不完全性、 模糊性、不确定和不存在已知算法的生产过程。( 2 ) 具有分层信息处理和决策机 构，对环境或过程进行组织、决策和规划，实现广义求解。( 3 ) 具有非线性，能 够处理非线性动态过程问题。( 4 ) 具有变结构特点，根据控制过程需要以阶跃方 式改变控制器结构，能处理各种突发事件等。( 5 ) 具有总体自寻优特点，在整个 控制过程在线获取信息和实时处理，通过不断优化参数和寻找控制器最佳结构形 式，实现整体最优控制性能。智能控制主要有模糊控制、神经网络控制、专家控 制、遗传算法等几个重要的分支。 近年来，日本、美国等已将专家系统和模糊控制技术用于轧钢炉窑的燃烧控 制和炉温控制，德国西门子也将神经网络技术应用于三相交流电弧炉的控制，并 开发了i a f 、s m a r t a r c 和s i m e l tn e c 智能控制系统 2 6 1 。以美国s t a n f o r d 大学与 n o r t hs t a r 钢铁公司、m i l lt e c hh o h 公司合作开发智能电弧炉i a f 为例，该控制 系统利用神经网络控制技术实现在线调节电极位置升降系统。该控制系统有三个 神经网络模型：( 1 ) 辨识调节器神经网络模型，训练该神经网络使其与传统调节 器具有相同的特性，用于神经网络控制器未训练好的冶炼初期。( 2 ) 辨识炉子神 经网络模型，根据前面时间段的炉况状态和调节器的输出的数据训练网络使其能 模拟电弧炉炉子的动态过程，可预测下个时间段的炉况状态值。( 3 ) 神经网络控 8 江苏大学硕士学位论文 制器，与模型( 2 ) 组合，实现电弧炉的最优控制，使炉子保持在最佳工作点上。 该控制器运行表明，平均电耗降低8 、电极消耗降低2 5 、生产率提高1 2 ， 每台炉子每年可节省1 0 0 万美元以上【l 5 1 。 3 动态过程优化控制 对于电弧炉炼钢过程自动化工程应用的研究，除了计算机技术和智能控制技 术等的大量应用外，人们也关注电弧炉炼钢过程的认识和研究，开发电弧炉动态 过程数学模型，以实现动态过程优化控制。这方面表现突出的有d a n i e l i 公司的 p c s 系统、a b b 公司的熔化过程控制系统、k r u p p 公司的“g e i s w e i d 模型”、s t a n t e c g l o b a lt e c h n o l o g i e s 公司的g o o d f e u o we f s o p r 专家炉子系统、m a n n e r s m a n n d e m a g 公司的过程控制系统等2 7 1 。这些模型中都包含了电能分配控制、输入能 量模型、冶金模型等，还有终点预测、炉况判断等动态模型。 以d a n i e l i 公司的d a n e x p e r t 电弧炉专家系统为例，该控制系统能实现动态 过程控制，以适应冶炼过程参数不断变化，如主原料结构配比( 废钢、d r i 、h b i 生铁或铁水) 的变化，碳粉、燃料等替代能源的加入等。该系统主要由三个模块 构成：( 1 ) 过程优化模型，由一组在线模块组成，根据设定的出钢量、冶炼周期、 出钢温度、成分等目标生成过程设定点，实现动态控制冶炼过程。该模型以静态 和动态质量能量平衡模型为基础，主要过程动态参数通过现场仪表测量和记录。 ( 2 ) 控制模块，考虑到设备、工艺条件的限制因素，根据上一模块生成的设定 曲线控制能量输入、氧气流量以及原料添加速度等。( 3 ) 过程分析模块，根据现 场仪表记录的电弧炉炼钢过程信息，进行模型性能评估和模型参数优化处理，以 提高模型的准确和精度。生产实践表明，该系统能降低成本1 0 左右，有效提高 产能 2 引。 上述三种技术不是独立分开地存在于电弧炉控制系统中的，相反它们之间的 技术融合将是未来电弧炉炼钢过程自动化的发展方向。 1 3 研究目的和存在的问题 电极调节系统在电弧炉自动化中占据重要地位，要想提高电弧炉、车间生产、 甚至整个钢厂生产管理效率和水平，必须要有满意的电极升降控制效果。本文主 要目的是设计出优良的电极升降控制系统，该控制系统要有以下几个特点： ( 1 ) 在保证电弧稳定的情况下，能使电弧快速达到给定状态，并有一定的 9 交流电弧炉电极智能控制系统的研究 抵抗外界干扰的能力。 ( 2 ) 三相间功率平衡和优化。一、平衡三相功率，消除炉内热点，使炉内 钢液温度均匀，减小电极和耐火材料损耗；二、优化功率( 优化供电制度) ，在 不同的冶炼阶段根据其能量需求输入相应的能量，实现输入炉内能量的有效利 用。 ( 3 ) 具有自适应能力，要求在整个炼钢过程中对电极调节系统都有较好的 控制性能。 但要达到这一目的并非易事，交流电弧炉电极调节系统在炼钢过程中存在很 多问题。 首先，交流电弧炉本身存在着一系列的问题。如电弧非线性特性、稳定性差、 功率因数低、无功功率频繁波动、瞬间短路和断弧等等，对电网的干扰和冲击大； 参数时变性，如电位梯度随冶炼过程变化，固定参数控制器己无法满足调节性能 要求；三相电弧弧长的变化在时间上不一致，导致三相负荷不对称，同时在炉内 造成由于热负荷不均匀形成的热点，使钢液温度不均、炉衬耐火材料侵蚀严重等； 三相之间没有中线，三相电流的耦合使电极调节系统反复调节，导致恶性循环。 随着所配置变压器额定功率的提高( 先进电弧炉的单位功率已达7 0 0 一1 0 0 0 k v a 台) ，上述固有矛盾更为突出。 其次，目前国内钢厂电弧炉自动化程度低。许多钢厂还在使用电极手动给定 控制方式，整体技术水平较低，能量输入等参数的设定由操作人员根据经验确定。 由于炼钢过程的复杂性，炼钢过程变量检测不准，炉况变化随机干扰多，工人经 验水平有限等因素，造成调节系统实时性差，调节往往滞后于电弧炉实际状态的 变化，