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东北大学硕士学位论文 摘要 模糊自组织控制在电渣炉实际应用中的开发 摘要 本课题针对原有电渣炉控制系统改造，结合电渣钢质量要求的提高，对于原 有控制系统在实际应用中存在的问题，在工艺参数数据库专家系统的基础上，开 发了一套以p i d 参数模糊自组织为基础的先进的计算机控制和管理系统。该控制 系统改造后，优化了控制过程，结合工艺模型，保证了电渣重熔过程的稳定性， 实现更好的经济技术指标。 本次控制系统的改造的主要目的不但在于控制系统换代，而且着眼于利用控 制算法和替代算法来弥补单纯依赖硬件精度而难于在实际中推广的问题。与以往 的电渣炉控制系统相比，本文的主要工作在于： 其一在于电渣重熔工艺参数系统的设计。基于我厂和研究部门多年电渣重熔 工艺参数制定的经验公式和现场实际生产经验，根据电渣炉实际设备状况以及产 品规格和质量要求，确定了产生合理的电渣重熔工艺参数的知识系统。 其二在于控制算法的改变。以往的电渣重熔控制系统多采用传统p i d 调节方 式进行控制。传统的p i d 控制在调节大滞后、时变、非线性的对象时，控制性能 往往不够理想。电渣炉是一个多变量、非线性、强耦合、时变及随机干扰较强的 系统。采用传统的p i d 控制，动态调节时间长，超调量大，而且p i d 的参数难以 在线整定，这会影响到熔铸过程的控制效果，并进而影响熔铸产品的冶金质量。 模糊控制是一种近年来发展起来的新型控制，其优点是控制灵活而适应性强。对 于电渣炉这样的具有较大的滞后性、非线形、时变性的控制对象，单纯采用p i d 控制和模糊控制都不会取得较好的控制效果。采用f u z z y p i d 参数自整定控制策略 则不失为一种比较好的解决办法。它能发挥模糊控制鲁棒性强、动态响应好、上 升时间快、超调小的特点，又具有p i d 控制器的动态跟踪品质和稳态精度。有鉴 于此，本文设计了一种参数自组织模糊p i d 控制器，将其应用于电渣重熔过程中 电流和电压参数的调节，在现场调试生产中获得了比较理想的控制效果。 其三在于借鉴我厂和东大的电渣重熔工艺控制模型的基础上设计了一套二级 过程计算机控制系统取代了原老控制系统。上位机可对现场数据进行实时的采集、 显示和存储，并且提供工艺参数的实时跟踪曲线图。下位机p l c 主要负责整个电 渣重熔过程的自动控制，以及模糊控制器模块的运算。利用回路中的电流、电压 等的反馈信号控制电极的升降、变压器输出电压等功能，从而完成整个过程的自 1 东北大学硕士学位论天摘要 动化控制。 从现场的实际控制效果来看，该控制系统调节器由于采用了f u z z y - p i d 参数自 组织控制策略，系统跟踪性能好，稳态精度高。在稳定熔炼期的电流波动和电压 波动程度均明显缩小，控制精度比照原p i d 系统提高2 倍以上，其它指标均有不 同程度的改善。熔炼过程控制平稳，工作可靠性高，抗干扰性强。 关键词：电渣重熔炉参数自组织模糊控制数字p i d 电渣炉计算机控制系统 查! ! 垄芏堡圭堂堡笙查 些! ! 坠! ! p r a c tic a lit yd e v el o p m e n to f f u z z y s e l f o r g a n i z i n gc o n t r o ls y s t e mf o r e l e c t r o s l a gf u r n a c e a b s t r a c t t h i st h e s i sa i m sa tt h er e f o r mo fi n h e r ec o n t r o ls y s t e mi ne s c o n s i d e r i n gt h e d e m a n d so fr a p i dd e v e l o p m e n tf o re l e c t r o s l a gs t e e l w ea n a l y z e dt h ep r o b l e m st h a t o c c u r r e di np r a c t i c a la p p l i c a t i o no fc o n t r o ls y s t e mf o re l e c t r o s l a gr e m e l t i n gf u r n a c e ，o n t h eb a s i so fd a t a b a s e s p e c i a l i s ts y s t e ma b o u tp r o c e s s i n gp a r a m e t e r o fe s r w e d e v e l o p e da s e to fa d v a n c e dc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e ma n dm a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do n t h ef u z z y - s e l f - o r g a n i z i n g p i dc o n t r o l l e r t h ec o n t r o lp r o c e s sc a nb eo p t i m i z e da f t e r t h i sc o n t r o ls y s t e mi s a d o p t e d t h es t a b i l i t y o fr e m e l t i n gp r o c e s sa n de c o n o m i c i n d i c a t o rw e r ei m p r o v e dw i t ht h es u i t a b l ep r o c e s sm o d u l e t h em a i na i mf o rt h i sr e f o r m a t i o ni sn o to n l yt h ep r o m o t i o no fc o n t r o lm o d eb u t a l s oe m p h a s i z eh o wt os o l v e dt h ep r a c t i c a lp r o m b l e mw i t ho p t i m i z e da r i t h m e t i c i ti s h a r d l yt os p r e a di f i td i d n td e p e n do nt h ep r e c i s i o no f h a r d w a r ei nt h ep a s t t h ec o n t r o ls y s t e mf o re l e c t r o s l a gr e m e l t i n gi sc o m p a r e dw i t hp r e v i o u so n e t h e m a i nw o r ki nt h i sd i s s e r t a t i o na sf o l l o w ： 1 d e s i g nt h em a k i n gs y s t e mo fp r o c e s sp a r a m e t e r s w eb u i l tas e to fp a r a m e t e r s o f m a k i n gs y s t e mf o re s r o nt h eb a s i so f e x p e r i e n t i a lf o r m u l aa n dr e m e l t i n ge x p e r i e n c e h a db e e nu s e dm a n yy e a r si no u rf a c t o r ya n dr e l a t i v ei n s t i t u t e w eb u i l ts u c ha k n o w l e d g es y s t e ma l s oa c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o no fe s re q u i p m e n ta n dt h es i z e o f p r o d u c t i o na sw e l la sr e q u i r e m e n to fq u a l i t y 2 t h em o s td i f f e r e n c el i e si nt h ec h a n g eo fc o n t r o la r i t h m e t i c m o s to fp r e v i o u s c o n t r o ls y s t e m sf o re l e c t r o s l a gr e m e l t i n gw e r ea d j u s t e db yp i dc o n t r o lm o d e t h e c o n t r o lp e r f o r m a n c eo ft r a d i t i o n a lp i dc o n t r o lm o d ei sn o tp e r f e c te n o u g h ，w h e ni ti s a p p l i e di nc o n t r o l e do b j e c tw h i c hh a v et h ef e a t u r e so f a d j u s t i n gg r e a tl a g ，t i m e v a r i a t i o n a n dn o n l i n e a r e l e c t r o s l a gf u r n a c ei sak i n do fs y s t e mw i t hm u l t i v a r i a b l e ，n o n l i n e a r , c l o s ec o u p l i n g ，t i m e v a r i a t i o na n ds t r o n gr a n d o md i s t u r b a n c e t r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l h a v et h ef e a t u r e so fl o n gd y n a m i cr e g u l a t i o nt i m ea n dh i g ho v e r s h o t ，m o r e o v e ri t sp i d i 丌 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t p a r a m e t e r sc a r lb eh a r d l ys e to nl i n e a n da 1 1t h i sw i l le f f e c tc o n t r o le f f e e t i v e n e s so f c a s t i n g ，a n df u r t h e re f f e c tt h eq u a l i t yo fc a s t i n gp r o d u c t f u z z yc o n t r o l l e ri sas o r to f l a t em o d e lc o n t r o l l e rd e v e l o p e di nl a s ts e v e r a ly e a r s ，t h ea d v a n t a g e ：c o n t r o li sf l e x b l e a n da d a p t a b i l i t yi sh i g h i ti sd i f f i c u l tg e te x c e l l e n tr e s u l ti fw ea d a p ts i n g l ep i dc o n t r o l o rs i n g l ef u z z yc o n t r o lt oo b j e c tl i k ee l e c t r o s l a gf u r n a c ew i t hm u l t i v a r i a b l e ，n o n l i n e a r , c l o s ec o u p l i n g ，t i m e v a r i a t i o na n ds t r o n gr a n d o md i s t u r b a n c e t h em e t h o dt h a tb a n d s f u z z yc o n t r o la n dp i dc o n t r o lt o g e t h e ri sb e t t e rs o l u t i o n i tn o to n l yh a st h em e r i to f f l e x i b l ea n ds t r o n ga d a p t a b l ef u z z yc o n t r o l ，b u ta l s oh a st h ef e a t u r eo fh i g hp r e c i s i o n p 1 dc o n t r 0 1 b e i n gt h i sf a c t ，ak i n do ff u z z yc o n t r o l l e ro fs e l f - o r g a n i z i n gp a r a m e t e rw a s d e s i g n e d h i g h e rc o n t r o le f f e c tw a sg o ti nl o c a la f t e rt h i sc o n t r o l l e rw a sb e i n gu s e di n a d j u s t m e n to f c u r r e n ta n dv o l t a g eo f e l e c t r o s l a gr e m e l t i n gp r o c e s s 3 w ed e s i g n e das e to ft w o - l e v e l sp r o c e d u r a lc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mr e p l a c e o r i g i n a ls y s t e ma c c o r d i n gt ot h eb a s i so fp r o c e d u r em o d e ls t u d i e db yo u rc o m p a n ya n d n o r t h e a s tu n i v e r s i t y l o c a lr e a l - t i m ed a t e sc a nb eg a t h e r e d ，d i s p l a y e da n ds t o r e d ，a n d r e a l t i m et r a c ec a r v ef i g u r eo fp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sc o u l db ep r o v i d e di ns u p e r i o r c o m p u t e r t h ei n f e r i o rc o m p u t e rc h a r g e da u t o m a t i cc o n t r o lo ft h ew h o l er e m e l t i n g c o u r s ea n do p e r a t i o no ff u z z yc o n t r o l l e r u s i n gf e e d b a c ks i g n a lo fe l e c t r i cc u r r e n ta n d v o l t a g ei nt u n e dc i r c u i t ，t h ei n f e r i o rc o m p u t e rc o u l dc o n t r o lp o l eo ft i f f ，o u t p u tv o l t a g e o f t r a n s f o r m e ra n de t c ，a n dt h e ni m p l e m e n t e da u t o m a t i cc o n t r o lo f t h ew h o l ec o u r s e c o n s i d e r i n gl o c a lr e a lc o n t r o le f f e c t i v e n e s s ，d u et oa d o p t i n gc o n t r o ls t r a t e g yo f p a r a m e t e rs e l f - o r g a n i z i n gb a s e do nf u z z y - p i d ，t h ec o n t r o ls y s t e mh a st h ef e a t u r e so f b e t t e rt r a c ep e r f o r m a n c e ，h i g hs t e a d ya c c u r a c ym a dl e s so v e r s h o o t e s rf u r n a c eh a s h i g hw o r k i n gr e l i a b i l i t y , s t a b l em e l t i n gc o n t r o lp r o c e s s r e m e l t i n gc u r r e n tf l u c t u a t ea n d v o y a g ef l u c t u a t eb o t hc a nb ed e c r e a s e do b v i o u s l y , c o m p a r i n go l dp i dc o n t r o ls y s t e m ， p r e c i s i o no fc o n t r o lh a db e e ni m p o v e dt w i c et i m e sa n dm o r e ，o t h e r st a r g e t sc a nb e i m p r o v e di nd i f f e r e n td e g r e e s i ti ss t e a d yc o n t r o lw a yf o rw h o l ep r o c e s sa n dh i 曲 r e l i a b l i t ya n da n t i - j a m m i n g k e yw o r d s ：e l e c t r o s l a gf u f n a c e f u z z y - c o n t r o lo f s e l f - o r g a n i z i n gp a r a m e t e r d i g i t a lp i d c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mo f e s r i v - 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，不包含其他人己经发表或 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：任f 斋 日期：j o s 8 2 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。 学位论文作者签名：忙1 南 日期：) 口口f 8 上z 另外，如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为 同意。 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪 论 第一章绪论 由于现代工业的发展，对各种优质合金钢和特种合金数量要求r 渐增多，带 动了相关冶炼技术和设备的发明，作为提高重熔冶炼质量的一项重大方向，电渣 重熔技术应运而生。电渣重熔的目的是在初炼的基础上进一步提纯钢、合金和改 善钢锭的结晶组织，从而获得高质量的金属产品。因此，电渣重熔主要用于高质 量钢锭的熔炼。 电渣重熔技术( 简称e s r ) 作为上世纪三十年代发展起来了一种新兴的熔炼 技术，在短短的几十年间获得了快速的发展，这其中在电渣炉自动控制系统的设 计、特种电渣炉的研制以及电渣熔铸技术开发等方面所取得的成绩有目共睹，电 渣重熔技术目前已进入了一个全新的发展阶段。 众所周知，电渣重熔工艺参数制定的好坏直接关系到冶金质量、冶炼效果以 及各项经济技术指标，然而现场控制系统对重熔工艺参数的跟踪控制效果对上述 各个方面的影响则更为显著，因此电渣炉的控制效果成为了决定电渣重熔过程的 重要指标“1 。经典p i d 控制由于具有结构简单、易于实现且有较好的鲁棒性等特点， 在电渣炉电极升降的调节系统中经常采用，用来调节重熔电流。但是对于时变对 象而言，经典p i d 控制往往难以保证控制的稳定性和控制精度。电渣炉是一个多 变量、非线性、强耦合、时变及随机干扰较强的系统，且无法确定其精确的数学 模型，参考国内外相类似控制对象的成功控制模式，决定采用模糊p i d 参数自组 织控制方式对电极升降以及加以调节。所以本文将以电渣重熔的工艺控制模型确 定和电渣炉的f u z z y - p i d 控制系统设计作为重点研究内容。 1 1 电渣重熔技术的原理n 。3 1 电渣重熔技术( 简称e s r ) 是上世纪三十年代发展起来的一种新兴的熔炼技 术，在短短的几十年问发展迅速。其目的是在初炼的基础上进一步提纯钢、合金 和改善钢锭的结晶组织，从而获得高质量的金属产品。因此，电渣重熔主要用于 高质量钢锭的熔炼。电渣重熔基本原理如图1 1 所示。 重熔过程中，由于在电极熔化、金属液滴形成及滴落过程中金属熔池内的金 属和炉渣之间要发生一系列的物理化学反应，从而可去除金属中有害杂质元素和 非金属夹杂物。钢锭由下而上逐渐凝固，金属熔池和渣池就不断向上移动，上升 的渣池使结晶器内壁和钢锭之间形成一层渣壳，它不仅使钢锭表面平滑光洁，而 且降低了径向导热，有利于自下而上的顺序结晶，改善了钢锭内部的结晶组织。 东北大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 一白耗电极；2 一水冷结品器；3 一渣池；4 金属熔池：5 一渣壳 6 一钢锭；7 一底水箱；8 熔滴；城压器：1 0 一短网导线 图1 1 电渣重熔原理图 f i 9 1 1t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f e t e e t r o s l a gr e m e l t i n g 1 2 电渣重熔技术的发展概况 1 2 1 电渣重熔技术的起源和发展 电渣冶金始于1 9 3 5 年的美国r k h o p k i n s 进行的渣中自耗电极熔化实验”1 ， 并首先于1 9 4 0 年获得电渣熔炼专利。早年k e l l o g 公司将其用于生产高速钢及高温 合金( f e l 6 c r 2 5 n i 6 m o ) ，直到1 9 5 9 年f i r t hs t e r l i n g 公司建立3 台3 6 t 电渣炉进 行电渣重熔，美国的电渣技术才基本定型0 3 。到1 9 6 5 年f i r t hs t e r l i n g 公司宣布破 产并被v a s c o 公司及a l l v a s 公司兼并，这一技术才逐渐公之于众”1 。 乌克兰巴顿电焊研究所是现代电渣冶金技术的发源地。前苏联是根据电渣焊 方法的原理引出电渣重熔法的。始于2 0 世纪5 0 年代，通常认为是乌克兰巴顿电 焊研究所焊接工偶然发现的，当过多的渣液用于埋弧焊时电弧熄灭，导致操作平 稳，从而发明了电渣焊。其最大成就是利用电流通过熔融渣池放出的大量热量作 为热源。前苏联对这项技术进行了广泛深入的研究，并于1 9 5 8 年5 月在第聂伯特 殊钢厂建成了第一台p 9 0 9 型工业电渣炉，并于第二年又投产了两个各有三个结晶 器的机组构成的三相电渣炉，这个事件标志着电渣重熔技术工业化的开始。 5 0 年代由于钛合金需求一度增长，美国真空电渣重熔能力在1 9 5 5 年时达1 5 3 万吨年。但到6 0 代，由于钛合金市场逐渐萧条，相当一部分真空电渣重熔炉转 查! ! 垄兰堑主兰堡垒查 箜二主 竺堡 为生产超级合金及优质合金钢。 表11电渣重熔同真空电弧重熔比较( 英国w a d u c kw o r t h 资料) t a b l e l 1c o m p a r i s o n b e t w e e n e s ra n d v a r ( a c c o r d i n g t od a t a o f w a d u c k w o r t h ) 含氧：普通钢 沸腾钢 含氯：溶解氮 化合氮 含氢：普通钢 沸腾钢 含硫 降低 降低 降低 实际不变 降低 降低 很少变化 非金属夹杂物氧化物去除，硫化物不变 化学均匀性凶元素在真空挥发不均均 异相性 热塑性 铸锭表面 合格率 设备特性 生产费用 降低 高 需要加工 直流电源，真空系统 运行可靠性差 比电渣高2 , - 4 倍 降低少些 同样降低 同样降低 实际小变 降低少些 矧样降低 用含c a o 基渣可大量降低，对易 切削钢可保持不变 町去除氧化物、硫化物 匀性提高 同样降低 更高 不需加丁 9 5 - 一1 0 0 交流电源，设备简单， 运转可靠 直到1 9 6 5 年美国冶金工作者在对电渣重熔与真空电弧重熔作出了全面系统的 研究后，认为电渣重熔具有设备简单，生产费用低廉，操作方便，铸锭表面光洁， 热塑性好，成材率高等优点。电渣重熔在纯净度方面不亚于真空电弧重熔。且在 去硫，去除非金属夹杂物方面均超过真空电弧重熔，仅去气( n 、h 、o ) 不及真 空电弧重熔，而在铸锭结晶方面还优于真空电弧重熔，铸锭组织的致密性、化学 成分均匀性也超过真空电弧重熔，而且没有低倍缺陷，成品率高。见表1 1 “1 。 3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 由于电渣重熔技术的优点得到进一步明确，因而在这期间美国、西欧电渣技 术发展极为迅速，表现在如下方面： ( 1 ) 产量呈抛物线增长，见表1 2 表1 21 9 6 0 年到1 9 7 5 年电渣产品生产状况 t a b l e l 2t h es t a t u so f e s rp r o d u c tf r o m1 9 6 0t o1 9 7 5 ( 2 ) 锭重呈几何级数增长，见表1 3 表1 31 9 5 9 年到1 9 7 5 年的电渣产品锭重变化状况 t a b l e l 3t h es t a t u sa tw e i g h tc h a n g eo f e s ri n g o tf r o m1 9 5 9t o1 9 7 5 ( 3 ) 电渣重熔产品范围扩大。 到1 9 7 5 年，用电渣重熔方法生产的优质钢及超级合金达到近3 0 0 个牌号，并 开始用于生产有色金属( a l 、c u 、t i 合金) 及贵金属( a g 合金) 产品。 ( 4 ) 打破了专业及行业的界限。 1 9 6 9 1 9 7 0 年苏联e 0 j 1atoh 电焊研究所提出了电渣熔铸异形铸件e s c 和 双极串联电渣焊e s w b 两项新技术，中国、日本、美国、西德、加拿大相继在电渣 熔铸上有突破。电渣技术从焊接技术扩大到冶金领域，再扩大到铸造行业。 在1 9 7 5 - 1 9 8 5 年期间，电渣钢产量继续增长，到1 9 8 5 年世界电渣钢产量达1 2 0 万吨，前苏联约4 0 4 5 万吨，东欧国家约扯5 万吨。 西方工业电渣炉达2 0 4 台， 其中1 9 7 5 之后新建的有3 8 台。这一阶段随着重熔锭型的扩大，电渣熔铸管件及 异形铸件的出现，对金属质量要求日益严格，研究电渣重熔过程的理论模型应运 而生。 a m i t t e h e l l 和e s s u a r c z 等人成功地把热传递模型与现代凝固理论结合起来， 用热传递模型求得温度场，预测铸锭显微结构。此外计算机也开始应用于电渣重 熔，从早期的电流控制到实现熔速、渣池电阻和电压波动的闭环控制，控制技术 的研究侧重于控制电极插入深度，电极熔化速度和降低电耗，提高产品质量方面。 控制水平的提高不但可以提高生产效率，降低工人的劳动强度，还可以提高产品 质量的再现性生产过程受人为影响的因素减小。 东北大学硕士学位论文第一章 绪论 由于计算机控制技术的飞速发展，在电渣熔炼控制方面的应用也得到进一步 深化，人们开始研究将整个电渣重熔的过程完全实现自动控制。事先将炉子参数、 锭型以及需要熔炼的钢种以及选择的熔炼工艺等参数存入计算机中，当卡好电极 后，给予启动命令，之后的化渣、重熔、补缩等全过程均在计算机的控制下自动 完成。计算机执行的情况可全部在屏幕上显示，当出现意外情况时控制系统自动 给予报警。操作工人只需要在必要的时候给以干预。在网络技术普及的今天，人 们开始将整个车间的所有生产炉运用网络连接起来，在控制中心的统一控制下， 稳定有序地生产，这就是集散型控制系统在电渣炉的进一步发展【3 】。 欧美及日本发展电渣冶金均引进前苏联技术，世界上独立发展电渣冶金技术 的国家仅有中国与英国。我国冶金工作者在电渣焊的基础上开发出电渣重熔技术， 我国电渣冶金从此诞生“3 。4 0 年来我国电渣冶金规模不断扩大，技术不断创新。 目前我国所有特殊钢厂都有电渣重熔车间，小型电渣炉遍及全国，我国电渣冶金 产量在世界上名列前茅。生产的超级合金及优质合金钢种达2 4 3 个牌号，技术上 处于领先地位”3 。1 9 9 0 年8 月在潍坊召开了第6 届全国电渣冶金交流会，大会总 结了3 0 年来的成果，强调了电渣冶金应走出结晶器与冶金流程相结合发展，即要 发展中间包电渣加热，电渣热封顶，电渣浇注，电渣离心浇注，电渣精密铸造， 电渣转注等。 1 2 2 电渣重熔技术的发展状况 1 2 2 1 电渣炉计算机控制研究“” 电渣炉自动控制在7 0 年代以前侧重于研究电极浸人深度、控制电流和最终填 充等方面。8 0 年代后由于计算机的采用，熔速控制、渣阻控制等逐步被开发，但 受控于实用技术水平和精度，当时主要使用计算机控制电流，使电耗降低，产品 质量提高，产品再现性好，同时还提高了生产率，降低了工作人员的劳动强度。 现在研究用一台计算机实现电渣重熔的全过程控制。计算机可把炉子的参数、需 要熔炼的钢种、锭型以及实际操作参数全部存贮到计算机中去，当卡好电极之后， 给予启动命令，起弧、造渣、重熔、填充都可以在计算机控制下完成，计算机执 行的情况全部在操作屏上显示，必要时可实现人的干预，熔炼完成后，计算机存 贮熔炼参数，以便日后调阅、修改，并打印好熔炼报表，整个熔炼过程几乎实现 无人化操作，且致力利用易于检测的参数和替代算法实现冶炼的高级目标控制。 1 2 3 2 电渣熔铸“”1 电渣熔炼各种材质的钢锭从工艺上讲都已不存在问题，目前主要是着重于电 渣熔铸产品方面的开发。现在已经研究成功了各种模块、冲头、锤头、高强度阀 体、轧辊、旧轧辊再生、水电站导叶、叶片、不锈钢及其它钢种管坯、曲轴等。 东北大学硕士学位论丈 第一章绪 论 由于计算机控制技术的。e 速发展，在电渣熔炼控制方面的应用也得到进一步 深化，人们开始研究将整个电渣重熔的过程完全实现自动控制。事先将炉子参数、 锭型以及需要熔炼的钢种以及选择的熔炼工艺等参数存入计算机中，当卡好电极 后，给予启动命令，之后的化渣、重熔、补缩等全过程均在计算机的控制下自动 完成。计算机执行的情况可全部在屏幕上显示，当出现意外情况时控制系统自动 给予报警。操作1 ：人只需要在必要的时候给以干预。在网络技术普及的今天，人 们开始将整个车间的所有生产炉运用网络连接起来，在控制中心的统一控制f ， 稳定有序地生产，这就是集散型控制系统在电渣炉的进一步发展p l 。 欧美及f 本发展电渣冶金均引进前苏联技术，世界上独立发展电渣冶金技术 的圄家仅有中国与英国。我国冶金工作者在电渣焊的基础上开发出电渣重熔技术， 我国电渣冶金从此诞生“1 。4 0 年来我国电渣冶金规模不断扩大，技术不断创新。 目前我国所有特殊钢厂都有电渣重熔车间，小型电渣炉遍及全国，我国电渣冶金 产量在世界上名列前茅。生产的超级合金及优质台金钢种达2 4 3 个牌号，技术上 处于领先地位”1 。1 9 9 0 年8 月在潍坊召开了第6 届全目电渣冶金交流会，大会总 结了3 0 年来的成果，强调了电渣冶金应走出结晶器与冶金流程相结台发展，即要 发展中间包电渣加热，电渣热封顶，电渣浇注，电渣离心浇注，电渣精密铸造， 电渣转注等。 1 2 2 电渣重熔技术的发展状况 i 2 2 1 电渣炉计算机控制研究“” 电渣炉自动控制在7 0 年代以前侧重于研究电极浸人深度、控制电流和虽终填 充等方面。8 0 年代后由于计算机的采用，熔速控制、渣阻控制等逐步被丌发，但 受控于实用技术水甲和精度，当时主要使用计算机控制电流，使电耗降低，产品 质量提高，产品再现性好，同时还提高了生产率，降低了工作人员的劳动强度。 现在研究用台计算机实现电渣重熔的全过程控制。计算机可把炉子的参数、需 要熔炼的钢种、锭型以及实际操作参数全部存贮到计算机中去，当卡好电极之后， 给弘启动命令，起弧、造渣、重熔、填充都可以在计算机控制下完成，计算机执 行的情况全部在操作屏上显示，必要时可实现人的干预，熔炼完成后，计算机存 贮熔炼参数，以便日厉调阅、修改，并打印好熔炼报表，整个熔炼过程几乎实现 无人化操作，且致力利用易于检测的参数和替代算法实现冶炼的高级目标控制。 1 , 2 3 2 电渣熔铸”6 ”1 电渣熔炼各种材质的钢锭从工艺上讲都已不存在问题，目前主要是着重于电 渣熔铸产品方面的开发。现在已经研究成功了各种模块、冲头、锤头、高强度阀 体、轧辊、旧轧辊再生、水电站导叶、叶片、不锈钢段其它钢种管坯、f | 轴等。 体、轧辊、旧轧辊再生、水电站导叶、叶片、不锈钢及其它钢种管坯、曲轴等。 东北大学硕士学位论文第一章绪 论 今后应着重开发异型件、厚薄壁管、复合材质件等以及新材料的开发研究。 1 2 2 3 新型电渣炉研制“ 真空白耗炉优于电渣炉之一是能去除n 、h 、0 、p b 、s n 、s b 等，并且能熔炼 高a 1 、t i 钢种。采用真空电渣炉就可以弥补这两方面的不足，而且能消除真空自 耗炉重熔锭表面不好，易产生白点缺陷等，真空电渣重熔综合了电渣炉和真空白 耗炉的优点。d e h l m a r n 和c h o u d h u r y 等人采用真空电渣重熔各种合金试验，发现 可使合金中气体含量达到最小值，例如氢可达到i p p m 。由于真空，所以，不必对 渣脱氧，真空电渣炉重熔含铝为1 0 0 p p m 的台金时可不用加铝，因为电极中夹杂物 通过渣池已去除，使钢更洁净。采用真空电渣重熔铁基合金，可避免从大气中吸 氮。2 0 世纪9 0 年代，德国l e y b o l d 公司综合了v a r 与电渣重熔的优点，开发出 真空电渣重熔v a ce s r ”。 高压电渣重熔p e s r 。奥地利k a p f e n b e r gb s h l e r 钢厂有一台1 6 吨高压电渣 炉，工作压力为1 6 1 0 6 p a 。主要用于奥氏体钢和铁素体钢重熔。氮是一种合金， 具有镍对钢的某些相似性能，氮可提高钢的强度和某些抗腐蚀性能，并可提高奥 氏体低温性能和蠕变强度，对奥氏体钢中溶解的氮可形成过饱和固熔体，能提高 钢的屈服强度。对铁素体钢加氮目的是形成细小弥散的氮化物。现在的关键是如 何把氮加到钢中，在钢凝固时不析出。高压电渣炉就很容易做到这一点。在重熔 过程中通过加料系统连续加人含氮材料，使钢水增氮。 s t a i n 和m e n z e l 采用高压电渣炉生产含氮奥氏体钢发电机扣环，e r n s t 和 r a s h e v a 正在研究高压电渣炉生产含氮轴承钢和含氮高速钢。1 9 8 0 年，德国建成 了世界上第一台高压电渣重熔炉。这台电渣重熔炉能生产直径l m ，重达1 4 5 吨的 钢锭，熔炼室氮气压力高达4 2 m p a 。，在此条件下，可以生产氮含量超过1 的 大尺寸奥氏体不锈钢钢锭。1 9 9 6 年德国又扩建了两台高压电渣炉用于生产含氮轴 承不锈钢和含氮高速钢”。“3 可控气氛电渣炉。在常规电渣炉结晶器上方安装一个密封罩，按照充氢、充 氮等不同气氛，可实现可控气氛下电渣重熔，渣可以不加脱氧剂，渣脱硫功能仍 保留。b s h l e r 研究表明，采用可控气氛电渣炉生产的钢中氧含量降低，钢洁净度 提高。 1 2 _ 3 电渣炉控制方式的发展 目前国内电渣炉的控制方式相对比较落后，电极升降调节有不少仍在采用直 流放大机进行控制，电极升降调节为开环调节，电极以一给定速度下降，当冶炼 电压、电流波动较大时，需要人工及时的进行干预。因此，一方面造成电渣炉冶 炼时熔速不均匀，影响电渣锭质量，另一方面工人的劳动强度也较大。 一6 - 查! ! 垄芏堡主兰堡垒查 苎二主鲨 堡 常用的电极调节器有电机放大器式、可控硅一直流电机式、可控硅一交流力 矩电机式、可控硅一电磁转差离合器式、电流随动式等，近年来又研制成功交流 调速式和微机控制的程序调节器等新型调节器。 电渣炉电极升降调节技术从交直流放大机到如今已经发展了几十年，旧有的 调节方式已不能满足生产的需要，电渣炉控制技术的更新势在必行。在这几十年 里控制理论的发展日新月异，工业控制计算机、可编程控制器、变频调速器正在 迅速推广应用到电渣重熔炉的电极调节系统中，电渣炉的控制方式发生了巨大的 变化。电极升降调节系统的控制方式主要有以下几类：经典p i d 控制，参数自整 定控制，模糊控制，自校正控制，模型参考自适应控制。目前电渣炉电极调节器 主要应用经典p i d 控制。经典p i d 控制结构简单、易于实现且具有较好的鲁棒性， 但对于时变对象，p i d 控制的稳定性及控制精度往往得不到保证。其他的几种控制 方式目前还大多处于仿真研究的阶段”3 “。 1 3 模糊自组织控制概述 1 3 1 模糊控制的产生 美国控制论专家l a z a d e h 于1 9 6 5 年刨立了模糊集理论，为描述、研究和处 理模糊性现象提供了有力的数学工具。1 9 7 4 年，英国e h m a m d a n i 把模糊语苦逻 辑用于工业过程控制并获成功。”，标志着模糊控制的诞生。 在短短的3 0 多年里，模糊数学得到了极大的发展，在理论和实际应用中都取 得了令人瞩目的成就。模糊数学在自动化技术中的应用是急其活跃而又不断取得 成果的一个分支领域，利用它解决了不少传统的控制方法无法很好解决的问题。 如非线性、大时延、强耦合、时边变参数等复杂工业对象的控制问题。近年来的 实践表明，上述难以实现自动控制的复杂的生产过程，如果采用模糊控制理论与 计算机来实现自动控制，效果较好；若能采用基于过程状态模式识别的自组织控 制策略或基于模糊模型的自校正控制方法，效果更佳。 1 3 2 模糊控制的特点 所谓模糊控制，是以人的控制经验作为控制的知识模型，以模糊集合、模糊 语言变量以及模糊逻辑推理作为控制算法的数学工具，用计算机实现的一种智能 控制。其基本思想是利用计算枫来实现人的控制经验。 人的控制经验一般是由语言表达的，由语言表达的控制规则带有相当的模糊 性，控制规则的形式采用模糊条件语句的形式用模糊数学的方法来描述过程变 量和控制作用的这些模糊概念及它们之间的关系，然后根据这种模糊关系及其某 7 东北大学硕士学位论文第一章 绪论 时刻过程变量的检测值( 化成模糊量) 用模糊逻辑推理的方法得出此时刻的控制 量，这是模糊控制的基本思路。 由于从广义上讲，模糊控制指的是应用模糊理论集合，统筹考虑控制的一种 控制方式，它具有如下主要特点”： ( 1 ) 在设计系统时不需要建立被控对象的数学模型，只要求掌握现场操作人 员或者有关专家的经验、知识或者数据； ( 2 ) 系统的鲁棒性强，尤其适用于具有非线性、时变、滞后环节的系统控制； ( 3 ) 由工业过程的定性认识出发，较容易建立语言变量控制规则； ( 4 ) 由不同的观点出发，可以设计几个不同的指标函数。但对一个给定的系 统而言，其语言控制规则是分别独立的，且通过整个系统的协调，可取得总体的 协调控制。 采用经典控制理论和现代控制理论去设计一个自动控制系统，都需要先建立 被控对象的数学模型，要知道模型的结构、阶次、参数等等。但实际中的许多被 控对象由于其过程复杂，机理有不明之处，或缺乏必要的检测手段、或检测装置 而不能进入被测试区等原因，致使无法建立被控过程的数学模型。因此用经典控 制理论和现代控制理论无法解决这类问题，鉴于模糊控制所具有的特点，可用模 糊控制解决生产实际中的许多问题。 1 3 3 模糊控制系统组成 模糊控制系统的框图如图1 2 所示”。 模糊控制系统由五个部分组成：模糊控制器、输入输出接口、执行机构、被 控对象和测量装置。 图1 2 模糊控制系统框图 f i g 1 2b l o c k d i a g r a mo f f u z z y c o n t r o ls y s t e m 可见，模糊控制系统的结构与一般的计算机数字控制系统基本类似，只是它 的控制器为模糊控制器。控制器也由计算机实现，需要a d ，d a 转换接口，以实 现计算机与模拟环节的连接。它也是一个闭环反馈控制系统，被控制量要反馈到 控制器，与设定值相比较，根据误差信号进行控制。 查! ! 垄兰翌主兰堡堕墨 1 3 4 模糊控制发展的方向 第一章 绪论 目前，模糊控制方法方面的研究方法已取得了不少成果和进展。早期的经典 模糊控制器与p