（计算机应用技术专业论文）lwg炉自动控制系统及智能控制策略的研究.pdf

趱安建筑秘技大学矮圭喾像谂文 嗍炉蠹滋控制系统及智裁控制策略懿研究 专泣：诗舞蝴 醭壹嶷：热攒春 攒器老l | i i ；痞鬣氏教授 摘要 黼魄炉炼锈技术麴袋装，磊蒜电裰静潆袋爨盘嫠秣黪氆蹭长。圆砖鲎产露燮憩凝篓 慕 弼熬惩萸舔l 龋鼙纯妒，谈希鼗纯妒燕产周期长、能糕大、效率骶，两趣醋麓黔翻潮尊落瑶。 遘好转浊阕题箨量嗡台了谳藤勰漱攫鬯耩! 有限爱镯静怒睽审接磊要辩涎尹蠛靛建设， 零文苗先诲谂了肉熬串按秘戮阻慧静特点、警产设罄的梅礴潲舀幼控豢l 系缪濑设计。谈辇溯 系统采震瑶编程逻器( 瞄) 秘智髓敲衰采安现送魄鳆线斡巍韵瓣| 弱氛保护继母的采集， 薨涮憋黼喇锶勰潞5 阚络翔甄了数瓣话辕、撮羲 印、攘警躞翡鹣箍离了露凳觏越 程静馥韵纯承平秘产菇蔟爨。 其次，针对霹翁嚣内菇整纯送电遥稷静缺陷和石鍪纯炉其礴纯淹骚、大暝憾、娥以霸 妻擞 学攫搿瓣特点，势噩考虑了瓣激技术静发展，研究运爝颈褥隧嫖统实现磊疆戆过稼潦发 撵凌的自动拦瞎，建议对猫墨纯生产控箍8 繁螭进一疹改避。 凝蠢，葶瑷漱r 淄中麴s i 膨l i n k ，辩、竣计黥系魏避程傍襄，并洽擞了德真缭巢努戮 关键 蜀：石鍪健脑疆德搂躺控戳 差。 西安建筑科技大学硕士学位论文 t h e s t u d y o f a u t o m a t i o nc o n t r o l s y s t e m a n d i n t e l l i g e n c e c o n t r o l s t r a t e g y o nl 1 gf u r n a c e s p e c i a l i t y ：a p p l i c a t i o no f c o m p u t e rt e c h n o l o g y n a m e ： w e n g g e n c h u n i n s t r u c t o r ：p r o f x ia i m i n a b s t r a c t w 曲t h ed e v e l o p m e n to fs t e e l - m a k i n g ，t h ed e m a n do ng r a p h i t i z e de l e c t r o d e si s g m d u a yi n c m m a n t j n g i n o u rc o u n t , t h e g r a p h i t i z e de l e c t r o d ep r o d u c t i o nm a i n l y u s e s a c h e s o ng r a p h i t i z a t i o nf u r n a c e , w h i c hh a st h ed i s a d v a n t a g eo fl o n gp r o d u c t i o nc y c l e ， l a r g ep o w e rc o n s u m i n g ，l o we f f i c i e n c ya n d c o n t r o l t e c h n i q u e b e c a u s eo f t h i s , t h ep a p e r f i m tp r e s e n t s 矗谁g m p h n t z a 董o np r o c e s sa n di t s e q u i p m e n to fl o n g i t u d i n a lw h s c g m p h i f i z a f l o ni l w g l ，b a s e d 0 1 1t h eb u i l d i n go fl w gf u r n a c ei ns h a n x i a nx i n x i n g r a p h i t i z a t i o ne l e c t r o d ec l i d ，h e f l a n r tp r o v i n c e 托a l s oi n t r o d u c e st h ed e s i g no f a u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e mw i t hp r o g r a m m i n gl o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) a n di n t e l l i g e n t i n s t r u m e n t , w h i c hc a na u f 躞a l i c e l l yb - a c et h ep o w e r c h a r ta n d a c q u i mp r o t e c t 嘶es i g i i na d d i t i o n ，t h es y s t e mc a nn 撼o r dd a t a ，p r i n tr e p o r ta n dp r o c e s s 舢a l a r me v e n t a u t o m a t i c a l l yb yu s i n gc o n 瓜j u r a t i o n s o f t w a r ea n dr s 4 8 5n e t w o r ks oi t g r e a t l y i n c r e m e n t st h ea u t o m a t i o nl e v e li ng m p h i f i z a f i o np r o c e s sa n dt h eq u a l 耐o fp r o d u c t s e c o n d ，t h ep a p e ra n a l 滞t h ed e f e c to fp o w e rs u p p l y i n g r a p h i t i z a t i o n ，t h e d e v e l o p m e n to f t e m p e r a t u r e m e a s u r ea n dt h ef u r n a c eh a s b i gt i m e - d e l a y , l a r g ei n e r t i a l , 1 1 0 e x a c tm o d e lc h a m c t a d s t i c ，s oi n t r o d u c e sa 刺c o n t r o lm e t h o dl nt e m p e r a t u r eg r a db y u s i n gf u z z yl o g i c c o n t t o l i e rw i t hp r e d i c 廿v em o d e l a tl a s t , i ts i m u l a t e st h ed e s i g nm o d e l 椭s i m u l i n ki nm a t l a ba n dg i v e st h e s i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s e s k e y w o r d ：g m p h i f i z a t i o n ，l w g ，p r e d i 蘸f u z z yc o n t r o l ， 王薹 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特 别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位已 申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志 对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关 责任。 论文作者签名：镉彬名日期：矽一坤朋2 口矽 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文 被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：伤锄导师签名：彦奏屣日期：跚罗j _ 岁。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 1 课题的来源和背景 第一章绪论 本论文是以河南省三门峡市陕县新鑫石墨电极有限公司的年产1 0 0 0 0 吨高功率、超高功率 石墨电极的内热串接石墨化( l o n g i t u d i n a lw i s cg r a p h i t i z a f i o n ，简称l w g ) 炉生产线新建工程 为研究背景，讨论了石墨化生产线的自动控制程序设计和基于工控组态软件的计算机监控系统 的设计；并且，根据现有的石墨化生产完全是按照经验设定的曲线来进行通电生产，容易造成 资源浪费，再加上石墨化炉的精确数学模型难以建立的特点，提出了运用预估模糊控制策略来 对石墨化炉进行控制。该策略对于不易建立数学模型、大滞后、慢时变的系统具有良好的控制 效果，具有很好的推广价值。 石墨电极是电炉炼钢、电炉冶炼黄磷、金属硅等产品不可缺少的原料。随着电炉炼钢技术 的发展，大型超高功率电炉逐年增加，高功率、超高功率石墨电极的需求量也与日俱增。而从 原料到成品石墨电极，要经过如图1 1 所示的过程， 叵 臣互矩 匝 匝 一 图1 1 石墨电极生产流程 其中石墨化是石墨电极生产过程中的重要一个环节，石墨化的温度古f 氐直接决定了石墨电极的 理化性能，如比电阻、抗折强度和弹性模量等。因此，国内外炭索行业的专家对石墨化的工艺、 西安建筑科技大学硕士学位论文 生产设备和控带方法均进行t 深入的研究，取得了很大的成效。 从1 9 世纪末开始至今，石墨化生产经历了从交流石墨化炉到直流石墨化炉，从叟奇逊石墨 化炉到内热串接石墨化( l w g ) 炉，从间接由融至嚏按加热的发展过程。在我国，2 0 整纪7 0 年代前，主要采用的是交流艾奇逊石爨化炉，但交流艾搿逊石墨化炉存在功率小、功率因素低、 送电时陋张蹲缺点。由于2 0 世纪6 0 年代后，大功率整流器发展较陕，所以从2 0 世纪7 0 年代 后就开始使嗣直流石墨化炉，直至| 弼雌国内炭素厂仍然采用此方法生产萤葱功率( r p ) 、高 功率( h p ) 的石墨电极。但艾奇逊啻流石墨仡炉也存在能量消耗大，效率低，石鬃化产品的质 量不稳定、波动大，有害撇以回收、粉尘大，生产能力低等缺点，所以，从8 0 年代中期， 兰州炭素厂和吉林炭索厂就开始试验内热串按石墨化( l w g ) 工艺( 该工艺是由美国人汉密尔 娩y 卡额特纳于1 8 9 6 年提出的) ，但融于各方黼的原因，一直仍朱投入工业生产。而在国外， 从8 0 年代开始，德豳、美国、日本、俄罗斯等圈的炭索厂生产大规格高功率( h p ) 、超高功率 ( t n - w ) 石墨媳极多数都采用内热串接猫墨化工艺，无论从产品质量、生产周期、8 匙源消耗簿问 题均得到了大大的改观，而愀占领了高功率、超商功率石麓电极的市场份额。 同样，在石墨化生产中的控制技术也经历t 扶手动控制到半自动化控枣，再至4 高度自动化 控制的发展阶段。程国外，像日本的昭和电极( s e c ) 和东海炭索( t ( 、c ) ，都增加了自动能或 微磬毽空制，使石墨媳扳曩壁n 大_ 鸯提高。在国虎，像兰州炭素厂和骞林炭素厂两大炎素行业盼龙 头老大，主要是以手动控制或半自动化控制为主，有的厂家虽然也进行了石墨化生产的微机控 制的嘲实践，如参考文献1 1 5 1 所冀的直流蠢墨化炉 媾孓瓠般控系统和江西奉凝炭素厂糕墨 化炉计算棚控制系统，但其主要是针对艾奇逊艇流石墨化炉的，成是针对生产普通功率( r p ) 、 小嫂撂( 纛经$ 5 0 0 m m 以下) 石墨毙极的。 为了使我国炭索行业能眵在高功翠、超高功率石墨电极产品匕取得较大盼优势，并且从节 约龛繇、缡短生产鼹甥、提离产是质爨等困素考虑，我豳发展内热串接磊墨化( l w g ) 工慧和 提高石墨化生产过程工业控制自动化水平已经努在必行了。通过提高石鼹化生产自动化水平， 采挺毫产熬凄量，躐少王入劳动强度，提裹工作效率，尤其是袋鼹走进燃蟥嘲翻控未石墨 化的整个过程，这也是必然的结果。 本课题是针对商功率、超高功率石墨电极的生产，结合了河南省三门峡市陕县新鑫石鼹电 圾窍限公司熬1 0 0 0 0 穗l w g 炉嚣墨优生产线豹建设，吸牧著甄泼进了部分国夕峰i 墨毒也生产线 的技术( 如b r o w n & r o o t 公司) ，设计了基于移动车载整流电源的l w g 炉( 内串石攫化 炉) 豹季 蘩霸茬皋l 系统，该黎磐疆嗣了嚣翦嚣凌夕 工控器澎亍豹工控组态辕 孛、交频调速系统 的控制技术和r s - 4 8 5 通信网络技术，是套宪善的管控一体化系统。该控制系统具有高度自 一2 西安建筑科技大学硕士学位论文 动化水平，而且节省电能，缩短了生产周期，也是国内石墨电极生产行业的首次使用，在国内 具有广泛的应用前景。 此外，在石墨化生产中，温度控制是生产高品质石墨电极产品和节省电能、刚氐成本、提 高竞争能力的主要因素。国内石墨化炉温度控制主要是根据一条预先制定好的功率曲线进行升 温，但是这条功率曲线并不一定适合该炉的实际l 青况，从而不能很好的控制炉子的升温速度。 因此，作者根据现有的控制技术，并且结合了目前国内外已有的石墨化炉测温技术，对石 墨化 炉温度控弗嵫行理论研究，提出了基于模糊控制技术的智能控制策略，并采用m a t l a b 进行 仿真研究，给出仿真结果和理论分析。 一3 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 1 第二章内热串接石墨化炉生产工艺及设备 内热串接石墨化( l w g ) 工艺是在1 8 9 6 年由美国汉密尔顿y 卡荆( h a m i n t o ny o u n g c a s t n e r ) 首先提出的，它是i 勘寸将炭质焙烧品端面两两相接成串，夹在两根导电电极之间，用颗 粒保温料覆盖后通电，并由自身产生焦耳热效应，快速达到石墨化温度。其工艺特点主要是： 内热，就是不用电阻料，电流沿焙烧电极的轴向通入电极，以电极本身作为发热体。 串接，就是把电极沿其轴线头对头地串接起来。 通电周期短，般为1 6 小时。 产品质量均匀。 电耗低。 内热串接石墨化炉示意图，如图2 1 所示，它主要有液压巧蝴构、整莉羞电系统、炉头炉 尾导电电极、冷却系统、耐：k 砖等等昕构成。采用内热串接石墨化的方法来生产石墨电极， 图2 1l w g 炉结构不意图 它主要经过如图2 2 所示的工序，其中送电的时间大约为1 6 小时，炉体自然冷却时间为2 4 q 8 图2 2l w g 石墨化工艺过程 小时，然后进入到炉体喷水强制冷却，炉体喷水启动后1 5 分钟停止，3 0 分钟后又重新启动， 如此反复1 1 个周期，累计时间8 小时，每炉喷水的总量为2 0 吨左右。 此外，在送电过程中，要求停电的标准主要是：、达到预设的电能消耗；、送电时间 4 磷安建筑辩投大学硕士攀位论文 釜鑫臻套遴亳邀程中妒疆不孬变琵。 2 2 l w g 炉生产钱祷纛 黧窆； 黼妒釜线擎覆毒篱 在2 1 小蕊孛，基殛套缁了袋溺海熬牵黎嚣整；跬燃凄字攥毫辍蠡其瓣热葑翔势t 6 枣辩，炉俸蠡然冷帮瞬溺2 4 4 8 ，l 、峨骥零冷帮8 枣辩，这撵程叟产妒瞧辍豹嚣尊阀裁霹这 4 8 霰小辩熬辩麓，瓣置还泰稳装浅炉蕊嚣嚼圣 葬在肉。滏憩，为了鬟离答鬟邀摄鹣期豫 诫堡产率润工 筝的涟续淫，黢舞絮厂瓣会多逡黔舔墨稼炉。获瑟瓣瘵程整媳歉鸯隈公司浆 年产1 0 0 0 0 穗石器激熏尹谶，惑蓑建童了十兮磊疆稼炉，箕鞫趣爨羲餐的擎嚣分奄麓魏黼2 3 掰示。 壶予磷鼙纯炉愆较多，懿莱采溺攀迩式豹整波浚蒋，耍i 么髓装褥甄黻冬与簿个石蒜纯炉 誉漂矮翥鞘爨漤5 自来，这撵辘会勘g 浚螽熬次撩赘鼗鬻。受了荆墩资夔蘑，霹辩参考了美 鬻、德国、爨奉等鬻肉热枣接露墨纯沪豹珙壤蠢式鹄液鬻，农零系绫巾，袋璃鹣楚移动斌= 擎栽 熬瀛蘸惫澄器。 鲡翻2 3 掰示，1 0 个裂墨纯炉絮惩一台整流浚番，势显瓣葵黢在鬟燮镧辕上，然后拔燃l + 蠡2 一一纛3 一一辍4 一一虫5 + 一臻麓鸯露鹾獬嚣滚爨琵黼亨逶惫热蕊。该移凄 残垄虢台车主要宙凝渤系娩帮承载擎裔耨器瓣蛾，壤隧i 瓢撵露篱器、冷去鹈￥嚣、熬滚l 蕊童、 率载控枣室、控糕爱搽露装鬟、壹瀛汇流鸯钱、蠹滚分鞭嚣美等稳菔嚣聋臻载平台土，蘩漆车 的慧重墅大约为2 建；瓤渤系统瓣主簧密炎矮器、魄謦t 、减速辚篱辫蕊纛焱溅羲基瓣逶过 3 5 搿毒i 聂遴入交藤器，然瑟送嚣l # 、2 # 整流移鼹，盛整流积蘸整流聪邀褒疆鍪毽炉靛霉瞧 魄辍两稿。强多 ，系统中滔搜爝了落秘毫抗瓣，镩淹调派赘豁蠢。 。5 。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 2 3 l 炉送电系统 由于采用的是移动式的整流台车系统，因此其送电系统就比较特殊。其中驱动整流车运动、 冷却器等工作的低压交流3 8 0 v 电源，通过低压滑线的方式进入到台车上；而高压3 5 k v 则是 在整流车定位后，通过车上的高压机构与固定的高压母线进行对接后送入车上的变压器的，其 供电的示意图，如图2 4 所示： 固定配电室 3 5 k v 网侧迸残：3 8 0 v 网侧进线 n r 一 f t 2 f t 4 闺闻 为了使整流台车能够准确的运动到预定的石墨化炉，就必须增加整流台车的驱动系统和定 位系统。驱动系统采用四台安川6 1 6 g 5 系列变频器来同时g 区动四台冶金走蝴变频调速三相异 步电动机y t s z y t s p ，同时为了保证定位的快速性，每台电机配有诫速机构。 定位是本系统的关键，因为整流台车上的直流电源需要同石墨化炉的导电电极进行连接， 要求定位精度在5 1 0 m m 。考虑到系统定位精度高，但车的运动速度慢( 6 1 0 婀分) 的实际 特点，设定如图2 5 的运动控制曲线，而定位、减速、刹车的控制原理，如图2 6 所示，系统由 两个德国s i c k 生产的光电开关发射头和十块反射板构成。光电开关的发射头安装于整流台车 上靠近炉头的侧，反射板则安装在每个石墨化炉的侧，共计十块。当需要整流台车沿图示 箭头方向运动时，首先i 瞰操作台设置需要停车的石墨化炉号( 1 1 0 ) ，然后按整流台车的启 一6 西安建筑科技大学硕士学位论文 中心：线 图2 5 运动控制曲线 f 1光电开关发射头1 f 2光电开关发射头2 s 1光电开关发射反射扳 图2 6 光电开关布置图 动按钮启动驱动系统，系统按照变频器中预设的多段速度曲线和p l c 给定的控制信号运行，而 此时f 1 作为炉号累加的信号。在没触0 预设炉号时，f 2 信号没有作用；当达到预设炉号时， f 2 信号作为停车信号，将车停止。如果是按反方向的运动，则f 1 、f 2 信号的作用正好相反， 同时累加变成了递减。由此得到的p l c 程序设计框图如图2 7 所示。 2 2 5l 炉液压顶推机构及冷却系统 液压项推机构也是石墨化工艺中比较重要的一个组成部分，因为采用内热串接方式来进行 石墨电极的生产时，要保证串接电极是处于项紧状态，这样才能保证电流流通的回路，否则就 成不了回路。同时，在石墨化过程中，石墨电极存在膨胀和收缩的趋势，因此要求顶推机构在 石墨化过程中，输出的压力保持在j 匣定值，同时j 哿每台石墨化炉的液压压力信号( 4 2 0 m a ) 一7 西安建筑科技大学硕士学位论文 送入到总控室，作为液压高、低限报警信号。 图2 7 整流台车运动p l c 程序框图 石墨化炉的冷却系统包括两个部分，部分为炉头导电电极( 也称炉头母线) 冷却，该系 统主要是保证石墨化过程中炉头的导电电极，不会因为电流过大发热烧坏；另部分则为炉体 喷水强审! 拎却系统，主要是当炉体经过段时间自然冷却后，进行强制喷水冷却，加快冷却速 度。而冷却系统均采用电磁阀和p l c 联合控制，保证系统的稳定。 8 西安建筑科技大学硕士学位论文 第三章l w g 炉控制系统方案设计 内热串接石墨化( l w g ) 炉综合自动化控制系统是石墨化工业生产实现现代化的重要手段， 应用计算机技术、网络技术、数字信号处理技术和通信技术，把保证整流棚绸、车载系统和炉 控系统自动化安全、可靠、稳定运行而相互关联的各部分连接成为个整体，完成各种保护、 正常测量和监视、事故过程分析和记录、开关操作、生产工艺过程控制、数据存储、处理、共 享等全部功能。该控制系统的设计、功能模块的配置和选型完全符合工业标准，是一个特殊的 计算机网络系统。在控制系统方案设计中，还充分考虑了用户的实际隋况，明场工作瑚状特点， 以及今后企业发展的需要，并从数据处理、管理的安全性和可靠性出发，设计了如图3 1 所示 的监控系统原理图。 图3 1 控制系统网络原理图 一9 西安建筑科技大学硕士学位论文 本控制系统可以分为3 个组成部分，即p l c 控制系统、e 位机监控系统和p d m 电力监控 仪表。其主要硬件设备一览表如表3 1 所示： 表3 1 控制系统主要硬件一览表 编号名称型号功能 1工控机研华) c 6 1 0组态画面显示、数据收集与保存 2p l c0 玎c 2 0 0 i g现场保护、计量信号的采集 3电力仪表辽宁丹东p d m 8 2 0 a c高压计量信号显示、传输 4u p s美国山特c 1 k v后备电源 5智能交换机a d i ( 的8 口局域网连接设备 6r q 3 2 4 8 5研华a d a m - 4 5 2 0r s 2 3 2 到r s 4 8 5 4 2 2 转换 7变频器安川6 1 6 c 5拗台车驱动 8光电开关德国s i c k整流台车定位 9电磁阀匕海华韩z c z 5 0 f炉头、炉体喷水控制 1 0电接点压力表青岛龙杰y ) ( 1 0 0 b水压低检测 1 1 其他设备，通讯电缆、流量计以及其他辅助设备 而其各主要部分功能说明如下： 、p l c 控制系统： 该系统由两套o m r o nc 2 0 0 h g - c p u 4 3p l c ，各带扩展板系统构成，同时每套p l c 均 配有c 2 0 0 h w c 研舢6 - e v l 通讯板，通过 亥j 恿讯板e 的r s 4 2 2 通讯口与e 位棚j 撕亍h o s l l 脚 0 + 5 时，采用常规的比例积分 徽分( p i d ) 羧豢，缀灌豢簿嶷好的控拳瓣生。嘲因我，舂久稼缝淹磊对象为“难予控毒l 翡攀 元”。长期以来，人们对纯精后澍象的控制做了大爆的研究，先后提出了s m i t h 预估控制法、最 5 7 鼷安建筑科技大学硕士学位论文 优控制法、自适应控带噼去、有限谱配置法等方法。虽然这些方法均取得了一定的控制效果，但 都簧求知道缓瓷对象的准确弱数学溪登。一旦对象的数学漠型发雯变纯，黉怀铯褥茔l 预期懿控 制效果，有时还会使系统不稳定，造成系统不能运行，因而限制了凶门在：i = 业控制中获得广泛 豹寂翔帮撵广。 事实上，在工业j 溯戥群慊统中，对许多被控对象来说，往往写不出它的准确模型，即使 写滋了数学模型，一照工作煮发生交纯，炙l 数学漠螫邀黢生交纯，就达不至预期的控皋l 性能指 标。踟随着计算机控制技术的发展、控制决策水平的提离，特别是智自撼哺4 决策的研究，对 大懒瞧、纯漆器豹工、韭对象豹藏涮开辞了许多薪方法，预铸整箍强其中控露l 效采较好的一种。 特别是将模糊控制和预估控制相结合的预估模糊控制系统，对于纯滞后和难以建立数学模型的 工澈对象的耋孺更是得到了令a 满意的控翩效粲。 预估控制就是预测出系统被睫参数的变化趋势和数值，然后通过调节器发出超前的控制作 用，提前2 q 派系统静偏差，跌i i 露取得良好黻蒂虢虹果。丽预估禊g 控带0 系统爱是把预佶的蕊想 和模糊控制结合起来，方面通过预佶作用克服纯滞后现绿给系统控制带来的不良影响，同时 又道过凑颧控制来撼洪系统静蒋棒往和系统的象游i 精度。 预估控制可以通过建立预伪模型来实现，也可以通过系统的输出直接预估系统的未来值， k p 无漠型预嵇来实劲秽。而采用预估模麓的方式来实现耐占爱n 需要建立对象的预储模型，然 后根据预估模型和被控对象的控制作用输入来计算系统的预估输出值其投毒4 框图如图7 3 所 示； 图7 3 预估模糊控制原理图 由璺7 3 可以器出，颚锚模糊控枣与常规摸鼹控露暗e 匕增加了预传实现环节和误差绦台环节。 采用二维模蝴逻辑控制，其两个输入分另h 为综合误差e z 及误差变化率e c ，模糊 空制器的输出 为控露女墓u 。l 琢辕出y 送入e 嗽器与绘定进行 蹲蠢形成误差e 謦辩d e d t 。预佳计堂黼绘定 比较形成预估误差；，同时j 羞入误差综合环节进行误差综合计算。 ( 2 ) 、综会误豢的计葵 5 8 西安建筑科技大学硕士学位论文 误差综合环节是对系统的实际误差和预估误差采用加权求和的形式来计算的，通过改变权 系数的大小来调整预估数据和实际测量数据在控制中所起的作用大小，其计算式如下： e = ( 1 一a ) e + a ( 7 1 ) 式中：e 。= ( 1 一a ) e + 口一一综合误差； e 一一测量误差，e = 给定值- n n n ； ；一一预估误差，= 给定值一预估值； a 一一预估误差权系数，取值为0 ，1 1 ； 由式( 7 一1 ) 可以看出，权系数a 越大，综合误差e 。中预估误差所占的比例越大，即预估 数据在控制中所起的作用越大。 ( 3 ) 、综合误差e 。误差变化率、控制作用u 的基本论域及量化因子的确定 在用内热串接石墨化( l w g ) 工艺来进行石墨化时，温度是个关键的因素。因为，温度 的高f 嘴直接影响电极石墨化程度的好坏，同时，温度e 升的速度又将影响产品是否产生裂纹 和石墨化过程的快慢。因此，在采用预估模糊控带n 系统对其进行控制时，主要是控制石墨化炉 的温度梯度，即k = r 出，单位为m 。 在本系统设计中，采用温度梯度误差e ，和温度梯度误差的变化率e c 作为二维摸糊控制器 的输入，而加到石墨化炉的功率与石墨化炉的温度梯弱斤1 以成正比洌的关系，因此将功率的增 量作为模糊控制器的输出。根据实际的运行和专家的经验，将温度梯度误差e ，的基本论域取为 【一2 0 ，+ 2 0 】，把e 的杉溯论域取为【一6 ，+ 6 1 ，由此得到j ( 。= o = 0 3 a 而由于系绣j 邑一 个慢时变系统，在一个控制周期内，温度梯度的变化比较小，因此，将温度梯度变化率e c 的基 本论域取为 - 5 ，+ 5 ，而将其模糊论域取为 - 6 ，+ q ，由此得到k c = = 1 2 。 由于控制温度是通过调节变压器的有载开关的号头位置和饱和电抗器的给定值来实现功率 调节的，而有载开关动作个号头，实际的直流电压的变化为5 v ，而饱和电抗器的精确调压的 深度为i o v ，功率变化最大大约为2 5 0 k w ，因此将控制作用功率的增量a u 的基本论域取为 - 2 5 0 ，+ 2 5 0 l ，而其模糊论域为，6 】，由此也可以得到比例因子k 。= 2 5 0 6 = 4 2 。 ( 4 ) 、语。弩踅匿的选取和隶属函数的确定 温度梯度综合误差e 。、温度梯度误差变化率e c 和控制量增量a u 都取为7 个语言值，分别 为n l ( 负大) 、n m ( 负中) 、n s ( 负小) 、z o ( 零) 、p s ( 正小) 、p m ( 正中) 和p l ( 正大) ， 其隶属函数采用三角形形式，分别如图7 4 所示： 5 9 西安建筑科技大学硕士学位论文 一6543 _ 2一l0123456 图c 控制作用隶属函数 图7 4 综合误差、误差变化率和控制作用隶属函数 ( 5 ) 、建立模糊控制规则和模糊查询表 基于操作者手动控制策略和炭素专家的意见的总结，得出组由4 5 条模糊条件语句构成的 控制规则，将这些模糊条件语句加以归纳，可建立反映l w g 炉温度控制系统控制规则的模糊 控制状态表，如表7 一l 所示。表中有x 号的空格代表不可能出现的情况，称为死区。 模糊状态表中的每一条模糊条件语句都决定一个模糊关系，它们共有4 5 个，其中 豆，是，毛，r 4 ；，分别计算为： r 。= 【( 嬲) 。( 舭) 。】( m ) 。 r 。，= 【( 髂) f ( 儿) 口 ( 舰) u 4 5 个模糊关系趸( f = 1 , 2 ，4 5 ) 的并运算，可获取表征l w g 炉温度控制规则的总和模糊 关系五，即： 一， 一4 5 r = r lv r 2v v r 4 5 = v r 。 1 = 1 其中模糊关系豆( f = 1 , 2 ，4 5 ) 及五的计算均为离线计算。 一6 0 1 8 6 4 2 0 0 0 0 0 西安建筑科技大学硕士学位论文 表7 1 控制规则表 惑 n ln mn sz 0p sp mp l n lp lp lp ln i dn l n i dp mp sp sp mp mn l dn l n sp lp i dp sp sp sn mn l z 0p lp mp sz 0n sn b ln l p sp lp mn sn sn sn mn l p mp lp mn mn sn sn sn m p lp lp mn ln ln l 计算出模糊关系五后，基于推理合成规则，由系统综合误差e 的论域x = 一6 , - 5 ，+ 5 ，+ 6 ) 和温度梯度误差变化率e l ；的论域y = 一6 ，一5 ，+ 5 ，+ 6 ，根据语言变量误差 e 和误差变化率e c 赋值表，针对论域x ，y 全部元素的所有组合，求取相应的语言变量控制 量变化u 的模糊集合，并应用最大隶属度法对此模糊集合进行模糊判决，取得以论域z = 一6 , - 5 ，+ 5 ，“) 的元素表示的控弗墁变化值u 。由此可得到如表7 2 所示控制查询表_ 表7 - 2 控制作用查询表 达 一6- 5- 4- 3 - 21ol23456 - 66566333110oo0 - 555553331l00o0 - 46565333l10oo0 35555444l101- 1一l - 26565331oo一2- 333 - 1656533 1o一22333 o65653l o一1- 3- 5- 6- 56 13332l0133- 5656 233310013- 3 - 5656 31l1oo0 1- 2255- 5- 5 40o0- 1- 1- 23- 33565 6 5ooo一1- 1 2- 333- 56- 56 60oo- 11- 1 3- 33- 56- 5- 6 ( 7 ) 、采样时间选择 对于计算机控制系统，采样时间的选择是必不可少的环节，模糊控制也属于计算栅空制的 一种类型，因此，模糊控制也有合理的采样时间的问题。香农( s h a n n o n ) 采样定理给出了选择 采样周期的上限，即：t 嘭、，式中国。为采样信号的上限角频率。采样周期越小，就越 a x 接近连续控制，但选择采样时间还要综合考虑以下方面的因素，如： 从执行机构来看，有时要求输出信号保持一定的时间，因为执于亍= 扩呐本身有个响应过 6 1 西安建筑科技大学硕士学位论文 程，从这一点看，采样时间必须大于执行机构的响应时间； 从控制系统随动以及抗干扰的性能要求方面看，希望采样时间短些为好； 从计算机控制算法所需要的时间来看，在一个采样周期内，必须完成一个控制步的计 算量，因此采样时间不能太小： 从计算机计算精度来看，采样周期的i 蝴与计算机字长有关。为了保持相同的计算 精度，对于较小的采样时间，则需要较长的计算字长，或者说，至少要在最低有效位 上反映出信息的变化。而从模糊控制系统中，其输入变量为误差及误差变化率，这两 个变量又是通过两次采样时间间隔得到的。因此，为了获得较为精细的控制规律，应 使误差变化的值较大，从这一点来看，采样周期不能太短。 而在l w g 炉温度控制系统中，由于系统的惯性大，反应慢，不宜过于频繁采集数据，采 样周期要长。因此，在本系统中，采样周期选择为3 0 秒。 7 3l w g 炉预估模糊控制系统的仿真及结果分析 一个控制系统的设计，往往要经过设计、仿真、分析性能指标等多次重复阶段，最终才能 够在工程中获得应用。而m a t l a b 中的s i m u l i n k 工具，提供了强大的仿真功能，因而，在 控制系统的设计中取得了广泛的应用。s i m u l i n k 是美国m a t h w o r k s 软件公司为其m a t l a b 提供的基于模型化图形组态的控制系统仿真软件，其命名就直观地表明了该软件所具有的 s i m u ( 仿真) 与l i n k ( 连接) 两大功能，它使得个复杂的控制系统的数字仿真问题变得十 分直观而且相当容易。同时，s i m u l i n k 也是个用粕挂行动态系统仿真、建蜘分析的软，降 包，它不但支持线性系统仿真，也支持非线性系统仿真，既可以进行连续系统仿真，也可进行 离散系统仿真或者二者的混合系统仿真，而且，也支持具有多种采样速率的系统仿真。那么， 要进行仿真，就必须提供被控对象的一个近似的仿真模型。 在工业生产过程中，大多数过程模型常常可以近似地以一阶、二阶以及阶加时延、二阶 加时延来描述。而在本设计中，由于石墨化炉是个大l 贯性、纯滞后的工业对象，因此采用一 阶加时延来进行描述，即g ( j ) = 击p ，其中k 为放大系数，单位胀w ，t 为对象的时 l 十j 间常数，单位秒，f 为纯滞后时间，单位秒。根据参考文献1 1 8 1 中所给出的参考模型和在实 际中通过阶跃响应的方式所测定的参数，可以知道石墨化炉的动态模型中，f = 1 3 6 0 = 7 8 0 秒，t = 8 6 0 = 4 8 0 秒。而当加上的实际功率为2 7 1 5 4 k w 、持续时间为1 个小时，则石墨化炉 6 2 西安建筑科技大学硕士学位论文 最终上升的温度为3 0 0 0 ，即温度梯度为3 0 0 0 。c h r ，j j k = 3 0 7 1 5 4 = o 1 0 3 。由此得到 系统的仿真模型为g ( s ) = i o j 磊1 0 面3 p _ 7 8 。 在工业控制系统中，为了消除由于纯滞后环节所带来的震荡现象，系统采用预估模型的方 法，提前预估出系统在加入控制作用后所产生的响应，并且与给定值进行比较，产生偏差送入 误差综合，而其最关键的问题是预估模型的确定。预估模型采用一阶惯性环节，即 k w ( s ) = _ 二 ，k 为放大系数，t o 为预估模型的时间常数。其中k = o 1 0 3 ，t 0 取为被控对象模 l + o j 型中时间常数的1 0 ，即t o = 4 8 。t o 对系统的影响l l 例- k ，因为t o 过大，则预估模型的调节 作用滞后，起不到补偿作用；如果t o 过小，贝蚌皑纠镧又太早，同样不能消除纯滞后环节对系 统所造成的影响。 7 3 3 l 鹏炉预估模糊系统的仿真 根据以上的分析，在m a t l a b 中建立如下图7 5 所示的仿真模型，当给定为g d = 4 1 2 时， 预雅p 蝴控制系统和无预畦f 溪糊控制系统仿真后的图形分别如图7 6 和7 7 所示。从图7 6 和图 7 7 可以看出，在系统存在纯滞后环节时，如果没有预估作用，则系统产生震荡现象，而采暇顶 估作用，则系统趋向稳定，并且系统的稳态误差为0 ，达到了良好的控制效果。 因此，在l w g 炉控制系统中，当给定个温度梯度数值，按照以上的控制方法，可以稳 定的控制系统的温度上升，保证系统的温度梯度在规定的范围之内。而实际的温度梯度可以通 过计算相邻两个采样时刻的温度差，然后除以采样时间得到。特别是在石墨化过程的关键阶段， 采用此控制方法，既可以保 正产品的质量，同时可以在确保产品不产生裂纹的基础勘口快石墨 化的过程，减少生产的成本。 而且该控制方法不依赖系统的精确数学模型，如当系统的时间参数t o = 4 8 0 变到t o = 5 0 0 0 秒或t o = 1 0 0 0 秒时，其仿真图线如图7 8 所示，其中曲线中t o = 1 0 0 0 秒，曲线中r _ 5 0 0 0 秒，从图中看出，系统仍然能够达到满意的控制效果，只是系统的调节时间发生了改变，这样 就提高了对系统的适应能力。 一6 3 西安建筑科技大学硕士学位论文 6 4 剥辎僻瑶2f懈桑辎幂辎早匿璺窖-i吧i_匦 耐蟮单曙 西安建筑科技大学硕士学位论文 4 5 0 4 0 0 3 5 0 3 0 0 温 度2 5 0 梯 度2 0 0 温 度 梯 度 1 5 0 1 0 0 5 口 0 顸估模糊控制仿真曲线 时i 甸 图7 6 预估模糊控制系统仿真结果 无顸估控制仿真曲线 ； 尸- 哪 、丹。，a 目乒a fk ，弋j o 曩日f 时间 图7 7 无预估模糊控制系统仿真曲线 6 5 蜘 伽 如 | 暑 瑚 瑚 佃 佃 卯 。 4 5 0 4 0 0 3 5 0 温 度3 0 0 梯 度2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 口 卯 0 西安建筑科技大学硕士学位论文 时间常数变化后系统仿真图线 j f， 尹 | 时间 图7 8 时间参数改变后系统仿真曲线 6 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 继束语 本文楚一篇跌凇溺性为浅发点的论文，因诧，在论文中对工褪中煞实际海题叙述了提 当丈的籀蝠，并以 擘者额近完成的跌县颞蠡猫墨电极有限公司的年产1 0 0 0 0 吨满功率、趟高功 率的石攒电极生产线为例，说臻了对于内热串接石爨佬炉宣粼掰；统程上彼枫蓝控软件豹设 计，期闽主要完成了如下艘工作： 1 对石蛩黼晦魄鳓镕嘲送行分析，采餍1 b 4 8 5 网络技术、碱斑嬲通讯蓼瞄潜设诗基 了l w g 炉自动撩卷4 系统方案，该方案具有疑髓。充性，并且可以为以艏企业的i v l i s 系 统提供煞享数据爨源； 2对鉴控凝统甄醐到静技术，包括o d b c 、d d e m o d b u s 、h o s t l i n k 通讯原理进行 了详细的叙述，并匿在叙述中结含了工程项藩，说鞲如何谯顼耳中箨| j 爝该挠术； 3 ，拯爨磊爨池工艺要求，绘出了皴姆去设计l w g 炉功率跟踪曲线、炉头母线睁却系 统、喷淋冷却系统、整流台车系统的定位控锖4 等备部分的p l c 程净 4 。溺对，裰握霉要没转了b 艟规监控系统，靓括监视躐蕊、参数颈面、数据库系统、送 电报表等，并飘对其中的画面和功能进行了详细的叙述。 最蓐，摄摄强誊石墨像燧蝴中彩盔麴缺麟潮煜投撒发憋以及用预 燃控 伟4 系统的优点，提出了对石墨蝴中最熏要的温度梯度翮预估的控带| 访法。在论文中，简 要滋鞠了模凝控糕系统的原理、设诗稳颈岱燃控制熬愿理、设计，以及珐真模型的袋取。对 所设计的预估系帮湃谰触娅l 】l 【涮亍仿真，给出仿寨结采和分析。止酗 ，还简霰讨论了系统酶 黠 窭豢数变纯掰系统多逢魏影响，对今睡蝴墨虹翻粼缆嚣萱黔考价德 总之，本论文所设计预估模惝蜗缆对于纯滞后、大惯性系统的控制闷题能蟛提供鬣好 熬瑟凌方法，毯褥实嚣揍广窝疲塌。 。6 7 西安建筑科技大学硕士学位论文 致谢 本论文是在导师席爱民教授的悉嘴导下完成的，从论文的选题、思路、撰写和最后的定 稿，席老师都花费了不少的时间和精力，给予了我最大的指导和帮助。同时，导师那渊博的知 识，严谨的治学态度，精深的专业造诣，高尚的做 冈范，开拓的思想和敏锐的目光，使作者 受益非浅。在此次论文完成之际，谨对导师致以深深的感谢和衷心的祝福。 同时，我也要感谢西安百瑞科技发展有限责任公司陕县新鑫石墨电极有限公司年产1 万吨 石墨电极项目组的全体同事，是f 电 门的支持和鼓励使我做完了项目，也使得我的课题得以开展； 特别要感谢的是西安百瑞科技发展有限责任公司的张大卫董事长，在实际的项目开展过程中， 在技术难题问题e 提出了不少可行的见解；也要感谢兰州炭素厂的徐文章高级工程师和贵阳铝 镁设计院的丁时炳总工程师，在项目进行过程中，给出了工艺的要求、提出了控制系统所要达 到的功能等。 此外，对张亚静同学在生活和工作上给予的大力支持和帮助也表示感谢。 感谢西安建筑科技大学所有培育和帮助我的老师，是f 也 门给了我做课题研究的理论基础， 是他们赋予了我迎接挑战的侮i 渖勇气。 最后，敬请各位专家、教授对本论文的缺点和不足之处多提出宝贵的意见。 6 8 西安建筑科技大学硕士学位论文 参考文献 郑文波：控制网络技术，清华大学出版社，2 0 0 1 年 董芳森，许斌，李哲浩：炭素材料生产问答，冶金工业出版社，2 0 0 2 年 马国华：监控组态软件及其应用，清华大学出版社，2 0 0 1 年 李士勇：模糊控制神经控制和智能控制论，哈尔滨工业大学出版社，1 9 9 8 郑士富，吕东利：直流石墨化炉计算机控制系统，基础自动化，n o 5 ，1 9 9 8 ，1 0 1 3 于进：浅谈我国石墨化工艺及设备的改造和发展，轻金属，n o 7 ，1 9 9 9 ，4 7 _ 1 张嗣卿等：m o d b u s 通讯协议在火电厂自动化改造中的应用，东北电力技术，n o 8 ， 2 0 0 1 孙旭霞等：工业自动化通用组态软件一“组态王”的功能分析及应用，仪器仪表用户， e i cv 0 1 8 ，2 0 0 1 ，n o 4 ，2 9 3 l 翁根春等：工控组态软件硒1 1 9 v i e w 及其在烧结炉系统中的应用，p l c & f a ，2 0 0 2 年 第十期，第三卷，第十期，5 l 5 2 ，4 7 翁根春，席爱民，张亚静：v b a 及e x c e l 在组态王报表生成系统中的应用，p l c & f a ， 2 0 0 2 年第十二期，第三