（检测技术与自动化装置专业论文）三相电弧炉电极调节实验系统的设计.pdf

摘要 摘要 本课题的核心任务是构建一套基于数字伺服电机的电弧炉电极控制实验装 置，为电弧炉电极控制的各种理论算法提供了一套比较完整的硬件平台，并在 系统内置了硬件p i d 控制器，检验硬件的工作情况和控制器的工作效果。 论文共分三部分。第一部分引用课题组日茸人的研究成果，从理论角度分析 了电弧炉电极调节系统的组成及作用。该部分主要介绍了外围电路的组成，并 通过引入p i d 控制器及其仿真验证控制系统的工作稳定性。第二部分阐述了系 统的建模方法，为控制器的设计提供数据上的依据。第三部分描述了p i d 控制 器的具体搭建过程，并以前两部分作为基础，通过对实际系统的实验观察，完 成电弧炉电机调节系统的设计。 课题在借鉴已有课题成果的基础上，引入了一些新的研究方法。首先是用 数字伺服电机取代了课题组以前所用的近似二阶模型，使控制系统更具真实性， 控制效果更具直观性。然后查阅相关论文，广泛收集并借鉴互连网中的最新应 用电路，设计并搭建有效的控制回路。最后，在理论研究的基础上进行大量的 实验验证，校正控制参数，完成控制系统设计。 本课题得到国家自然科学基舍( 5 0 2 7 7 0 3 2 ) 和北京市教委科技发展基金项 目资助。 关键词：电弧炉；伺服电机：实验装置；p i d 控制器 a b s t r a c t a b s t r a c t a i lc x p e f i m e me q u i p m e n tb a s e do nt h ed i g i t a ls e om o t o ri sp r o p o s e di nt h ep a p e r ， w h i c hi sc o n 仃o l l e d b ym ee l e c 仃0 d e so fe l e 嘣ca r c 劬1 a c e ( e a f ) i tp r o v i d e sa i n t e 掣a t e dh a r d w a r ep l a t f o mf o rm e o r i e s 柚da r i m m e t i c ，锄dp l a c e sah a f d w a r ep i d c o n t r o l l e ri i lt h es y s t e mt 0t e s tt h eg o i n go r d e ra n de 侬斌a b o u tc o n n d l l e l t h r e ep a n sa r cd i v i d c di nt h ep 印c r n ef i r s tp 矾i sr e f e 玎e dt ot h e s t u d y p r o d u c t i o no ft h ef o 姗e rt a s kg r o u p t h ec o m p o s i n g 柚df u n c t i o no ft h ee l e c t r o d e a 瑚u s t o ra r ea 玎i a l y z e di nt h e o r y e x p e r c i a l l yt 1 1 ep e r i p h e r yc i r c u i t sa r ei n t r o d u c e da r l d t l l es 诅b i l i t yo fc o n 咖1s y s t e mi sv a l i d a t e d b ys i m u l a t i o n t h es e c o n dp a n e x p o i h l d s t l l es y s t e mm o d e l i n gm e t h o d s ，t os u p p l yd a t ab a s i sf o rm ed e s i g no fc o n n d l l e lt h e t h i r dp a r td e s c r i b e st h em a t e r i a lp r o c e s so fp i dc o n t r o l l e r ，a n db a s e do nt h ef o n i l e r p a r t st oc o m p l e t et l l ed e s i g no f t h ee l e c t r o d ea d j u s t o rs y s t e mo f e a f t h ep 印e ri n t r o d u c e san e ws n l d ym e t h o do nt l l eb a s eo ft h ef o 瑚e rs t u d y p r o d u c l i o n f i r s t ，n i ea p p r o x i m a t et w o 一捌出m o d e li sr e p l a c e db yt h ed i g i t a is e r v o m o t o r w l l i c hm a k e sr e a l i t yt ot i l ec o n t r o ls y s t e ma n dd i r e c u yt om ec o n t r o le 饪色c t 1 1 1 e n 劬m 壕f e 玎i n gt o r e l a f i v c p 印e r s ，g a t h e r i n gw i d e l ya l l du s i n gt h en c w e s t 印p l i c a t i o nc i r c u i t si nm ei n t e m e t ，t h ee 仃c c t i v ec o m r o lc i r c u i ti sd e s i g n e da i l db u i l t a t l a s t ，am a s so fe x p e r i m e m sa r cv a l i d a t e do nt h eb a s eo f t h e o r c t i cs t u d y ，也ec o n t r o l p a r 锄e t c 陷a r er c v i s c d ，a n dt i l cd e s i g no f t h ec o n t r o ls y s t e mi sc o m p l e t e d t h ep a p e rw a si m b m e db yn a t i o n a ln a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( 5 0 2 7 7 0 3 2 ) k e y w o r d s ：e l e c t r i ca r cf 咖a c e ；s e r v om o t o r ；e x p e r i m e n te q u i p m e n t ；p i dc o n t r o l l e r l i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集、保存、使用学位论文 的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务：学校有权按有关规定向 国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版：在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：溜够 卿7 年? 月莎日 注菲保密澈元需錾玎中 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年月日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：蜴铅字 谚 j 年其? 石日 第一章概述 1 1 电弧炉炼钢概述 第1 章概述 1 1 1 电弧炉炼钢的背景 近年来，世界钢产量以每年8 左右的速度增长，2 0 0 0 年全世界钢总产量为 8 4 2 亿吨，据英国m e p s 公司预测，2 0 0 5 年世界粗钢产量将接近1 1 1 6 亿吨。 众所周知，中国早已成为世界第一钢铁大国，2 0 0 5 年的钢产量近3 5 亿吨，约 占世界钢产量的l 3 ，但是由予种种原因，我国生产的主要以普通钢为主，而特 种钢和优质钢的生产比例只占总产量的不足5 ，远低于美国、日本的1 5 ，很 多特种钢仍旧依赖进口，这大大制约了我国由钢铁大国向钢铁强国的转变。 而近年来，国际市场的铁矿石价格猛涨，仅2 0 0 5 年一年，中国进口铁矿石 的价格就上涨了7 1 5 ，这对国内的钢铁生产以及汽车、机械制造、造船、家电、 交通运输、石化、房地产和集装箱制造等系列相关行业造成极大冲击。 电弧炉炼钢有着明确的能源背景，废钢作为电弧炉炼钢的原材料，它的炼 制过程的能耗仅为铁矿石炼钢的l 3 左右。2 0 0 3 年，美国废钢铁企业在使用电弧 炉生产高碳钢过程中，开始利用废旧轮胎作为碳和钢的原料来源。当电弧炉温度 达到1 ，6 6 7 时，废旧轮胎中碳和钢发生反应产出高碳钢。在电弧炉炼钢过程中， 废旧轮胎的优势是可以作为离碳钢中碳和优质钢的来源，并在冶炼过程中提供 能源。同时节约成本。 制约我国发展电炉炼钢的另一个因素是用电，现在国内部分地区仍然受季 节性电荒的影响，而电炉炼钢耗电量巨大，且对电网电压构成波动影响。 电弧炉既可以炼制普通钢，也可以炼制各种特种钢，它的原料来源多样， 缓解了对铁矿石的依赖，同时，现在国际上对于电弧炉炼钢流程优化的研究， 致力于解决其工作状态的稳定性及工作功率的提高。 1 1 2 电弧炉炼钢的发展概况 电弧炉炼钢工业化技术的诞生可远溯至1 8 9 9 年由法国人p a u lh e r o u l t 所 申请的一项专利，直至2 0 世纪5 0 年代，电弧炉仍仅用于特殊钢、高合金钢或 第一章概述 特种合金的生产：6 0 年代，超高功率( uh p ) 电弧炉的兴起、采用吹氧熔炼技 术，使电弧炉炼钢技术进入了快速发展的时期，以废钢为原料的电弧炉炼钢一 小方坯连铸一线材轧机为代表的“小钢厂”逐渐占领了区域性的长型材钢铁产 品市场；到7 0 年代，以美国纽柯公司为代表的一批高生产率的电炉短流程钢厂 的兴起，标志电弧炉炼钢已成为与高炉一转炉流程相呼应的另一重要流程。自 8 0 年代中期以后，电弧炉炼钢技术的发展又处于另一大变革时期，具有标志性 的是电弧炉炼钢企业进入扁平材市场，特别是社会废钢资源的大规模再生利用， 以及提高质量、缩短冶炼周期、降低能耗、环境友好的各种电弧炉系统化技术 的出现。 在这个过程中，电弧炉炼钢的主要技术发展体现在： ( 1 ) 主原料的多样化： ( 2 ) 供电技术的发展； ( 3 ) 多元化的能量利用技术。 1 0 年来，我国在现代电炉炼钢技术方面取得了长足进步，主要体现在： ( 1 ) 实现了炉子容量大型化，形成了电炉冶炼一炉外精炼一连铸或电炉冶 炼一炉外精炼一连铸一连轧的现代化电炉流程群体。1 9 9 2 年我国电炉基本上是 小炉子。平均炉容量为4 6t 台。1 9 9 5 年全国共有电炉l ，5 6 l 台，2 0 0 0 年仅 为1 7 9 台，大批小炉子被淘汰。目前，我国有容量为6 0 1 5 0t 的大电炉3 4 台， 大于1 0 0t 的1 4 台，其生产速率能够满足连铸要求。 ( 2 ) 电炉生产技术经济指标大幅度提高，不少钢厂在冶炼周期、电耗、电 炉利用系数、生产率等方面已进入国际先进甚至国际领先行列，6 0 1 5 0t 炉 子生产率超过8 ，0 0 0t ( t a ) 的已有1 6 座，其中7 座超过1 0 ，0 0 0t ( t a ) ， 与同容量转炉水平相接近。 ( 3 ) 在消化吸收引进国外先进技术的基础上有所创新，这些创新推动了我 国现代电炉炼钢技术及电炉钢生产的快速发展。 1 2 电弧炉电极调节系统 1 2 1 三相交流电弧炉 电弧炉炼钢是靠电极和炉料问放电产生的电弧，使电能在弧光中转化为热 第一章概述 能，并借助辐射和电弧的直接作用加热并熔化金属和炉渣，从而冶炼出各种成 分钢的一种冶炼方法。 图1 1 为三相交流电弧炉的简单结构图。电弧炉炼钢的最大目的就是用最 少的能源消耗炼出最多的所需钢材。我们知道耗能与电流的工作功率有关，功 率越大就越节能，因此，有必要在电弧炉炼钢过程中找出它的最大工作功率。 而电弧炉的工作频率与电弧电流存在严格的一一对应关系，电弧电流又是由弧 长( 即电极与炉料之间的距离) 决定的，所以对电弧炉工作功率控制的关键就 是根据炉内实际情况，实时调节电极位置，使其满足理想工作状态的要求。 图1 1 三相电弧炉构造图 l 舻窿2 钢渡 3 瀣缮 4 一流钢嘴5 妒硬6 一晚饭 7 一墩檄蹙持器8 短网 争电妒受撬辫l o 炉门 图1 2 显示的是电弧炉工作功率与电弧电流之间的关系，由图可知，当保 持在某一理想理想工作电流( i 。) 时，电弧炉的工作功率最大，而在这个工作点 两侧，其功率急剧下降，因此，找到并使其保持在这个理想工作电流十分重要。 图1 3 描述的是电弧电流与弧长之间的关系，这是一种非线性映射关系，电流 的大小由弧长直接决定，因此工作的重点就在于对弧长的控制。 p 图1 2 电流与功率关系图1 3 弧跃与电流的非线性关系 第一章概述 1 2 ，2 电弧炉电极调节系统简介 一般来说，电弧炉炼钢自动化系统可分为两级，即基础自动化和过程自动化， 两级之间用局域网连接以便实时交换信息。基础自动化主要实现对工业现场的 数据采集、设备控制、回路调节等作用。过程自动化完成对基础级监控、数学 模型计算、过程优化、数据通讯等功能。在电弧炉炼钢工业现场的控制中，即 基础自动化系统中，最关键的是电极升降自动控制，在当前能源紧张的情况下， 通过电极升降自动控制实现节省电能的目的，具有重要意义。 电极自动调节系统主要由电压电流的测量比较环节、控制器和其后的执行 机构组成。执行机构分为机电式电极升降装置和液压式电极升降装置。机电 式电极升降装置一般用于中小容量的电弧炉，而液压式电极升降装置一般用 于大型电弧炉。 早期的机电式电极自动调节系统一般使用功率放大机一直流电动机系 统，后来改用晶闸管一一直流电动机系统。8 0 年代以来，普遍采用了灵敏度 更高、更高速的晶闸管一一转差离合器系统及晶闸管一交流力矩电极系统。 近年来，一些厂家研制了基于p w m 的电极自动调节系统，并普遍开发了微机 控制的电极调节系统，这些系统在许多性能指标较之传统的电极自动调节系 统有了较大的提高，逐渐成为新一代电极调节系统的主流。 目前，有一些厂家已经开始采用变频调速技术对电极升降系统进行改造， 也取得了较好的效果。例如无锡四方冶金设备工程有限公司( 由江苏锡钢集 团公司、西安电炉研究所、香港光大集团中晨发展有限公司三方组成) 在它 所生产的h x 系列三相炼钢电弧炉电极调节系统中就采用了新型的调频调速一 电机式控制器。 在电弧炉电极控制理论研究方面，七十年代初，曾有几个电弧炉使用厂 家采用经典p i d 调节器，应用情况表明，系统工作不稳定，调节效果差。近 些年来随着电力电子技术、计算机控制技术和控制理论的发展，国内外学者 和工程技术人员围绕电弧炉电极升降调节系统的计算机控制，开展了大量的 研究和开发工作，先后研制了多种基于微机的新型电极升降调节器，并在实 际中得到了推广应用，取得了良好的社会和经济效益。国内外学者对电极升 降控制算法进行了大量的研究，但这些研究工作( 如自校正控制，模糊控制 等) 仅停留在理论探讨或仿真研究阶段，没有在实际的系统中应用。在国内 的微机化电极调节器中得到一定应用的是参数自寻优p i d 控制算法，该算法 4 第一章概述 在各种型式的交、直流电弧炉电极调节器中都取得良好的控制效果。基于神 经网络的智能电弧炉调节器，国外产品自9 0 年代初开始已在世界各地安装运 行了数十套。国内也早就丌始了这方面的跟踪研究工作，但目前在实际系统 中的应用还很少。国内一些单位在电极调节器控制算法中采用单个神经元、 基于规则的智能控制等，与国外已投入实用的调节器相比还有较大的差距。 本文中涉及的实验是基于机电式电极调节装置的，执行机构采用交流伺服 电机，这在电弧炉电极调节实验中是比较新颖的，我们希望通过对系统的准 确描述、可行性验证以及性能测试为以后的研究工作提供一个新的可供选择 的硬件平台。 1 3 本课题的研究背景和内容 三相电弧炉电极调节系统是一个复杂的非线性控制系统，对这样复杂的 系统，常规的p i d 调节器控制效果不好，必须寻找新的控制策略。目前我国电 弧炉的电极调节系统，多系6 0 7 0 年代p i d 调节器，调节特性较差，自动化较 低，不可避免的造成能量及时间的过分消耗，造成炼钢成本的提高。因此， 用高新技术改造电极调节系统，对降低能耗，提高产品质量，都具有非常重 要的意义。 然而，由于工业现场的复杂性，现阶段的理论研究根本无法直接在现场进 行实验，因此，必须有套模拟电弧炉炼钢工业现场特性的实验装雹，用来进 行控制算法的验证和调试，并最终完善三相电弧炉电极控制系统。 三相电弧炉电极调节系统具有以下特点： ( 1 ) 阶次高，任何实际的控制系统( 非人为设置的数学模型) 都是一个高阶 系统，因此在仿真试验中，我们设置的模型阶次越高，越能近似描述系统的各 项性能指标；但模型的阶次高，参数就多，对这些参数进行辨识时带来的误差 也就随之增多。 ( 2 ) 非线性，交流电弧电阻具有很强的非线性，模型的建立和控制参数的选 取都必须考虑到控制对象的非线性。 ( 3 ) 扰动多样，大范围的扰动及随机性并存，并且这种扰动是存在于系统内 部的，是非加和性的。 ( 4 ) 强耦合性，三相电弧炉主电路具有很强的耦合性，使得任意相弧长的变 第一章概述 化可以同时引起三相电弧电流有效值的变化。 基于以上特点，我们进行电弧炉电极调节实验时，首先要选取合适的数学 模型进行理论仿真，这个模型要在真实反映系统性能的同时尽量减小人为误差。 然后根据系统的整体性能制定控制策略，在硬件设计上要体现出非线性和多扰 动。针对系统的强祸合性，刘小河教授等专家学者提出的模型参考自适应控制 算法在电弧炉中的应用，将祸合也看作系统的随机干扰，有效的解决了耦合的 问题，因此，在硬件设计中未对耦合加以考虑。 课题组在刘小河教授和其他人的努力下，已经取得了理论上的诸多成果， 本课题的内容是设计和实现基于交流数字伺服电机的电弧炉电极调节试验装 置，该装置包括信号检测和比较、控制器、执行机构( 电机) 、控制对象( 电弧 炉仿真电路) 以及外围转换电路，最终完成的这套装置应该包括： ( 1 ) 完整的双闭环控制回路； ( 2 ) 给定理想工作参考点和比较器； ( 3 ) 离线控制器； ( 4 ) 为其它算法提供预留接入电路： ( 5 ) 充分考虑外界干扰的输入电路； ( 6 ) 信号转换、限幅等外围电路。 该实验装置可用来进行离线控制实验，在线控制实验，可外接控制器，为 课题组的理论算法提供一个真实度较高的硬件平台。 6 第二章电弧炉电极调：霄实验系统的模型及仿真 第2 章电弧炉电极调节实验系统的模型及仿真 对一个控制系统的研究，在对实际系统进行实验前，首先要对系统相关参 数进行确认，合理建模，在此基础上进行仿真实验，进而优化模型，最终确定 控制策略及控制参数。 2 1 物理实验系统的模型 电弧炉电极调节系统方框图如图2 1 所示： 图2 1 电弧炉电极调节系统 图中主要构成部分控制器、执行机构( 电机) 、电弧炉主电路及检测部件的 作用及近似模型如下； 1 主控制器( 调节器) 如图2 1 所示，控制器完成对给定与输出采样信号之间误差的控制，并使 之趋于稳定值，以使电机转速及其所控制的电极位置保持最佳。 最简单常见的控制器是传统p i d 控制器，它的原理简单，易于实现，但是 传统p i d 控制器的参数都是根据给定控制对象的数学模型而选取，而对于模型 不定或变化的现场控制不能实现在线参数整定。 现代控制理论中，最优控制、鲁棒控制、自适应控制均根据不同的设计要 求提出了各自的参数调节方法。而一些硬件的发展，特别是近年来d s p 的迅速 普及应用，也使得这些方法得以方便的实现。 7 第二章电弧炉电极调符实验系统的模型及仿真 2 放大环节 对于微小信号的识别通常先将其放大，经过处理再还原。可控硅交流调压 电路可等效看作一个纯滞后环节，传递函数可表达为： 吣南 汜。， x n ：可控硅回路的放大系数； ：纯滞后时间。 3 交流力矩电机 交流力矩电机可近似为二阶系统： g 脚= 而赫 c z z ， k ，d ：交流力矩电机的放大系数； 瓦：电机定子电感时间常数； ：电机机电常数。 4 机械传动装置 机械传动装置是由电机输出轴到电极位移之问的减速装置，是一个由速度 变换到位移的积分环节，传递函数为： 嗽= 等 ( 2 3 ) 懿：比例系数。 5 速度反馈环节 速度反馈环节的测速发电机为纯比例环节： g ( 3 = 足( ， ( 2 4 ) o ：测速发电机的放大系数。 6 电弧炉主电路 电弧炉主电路实际上可视为为一个将弧长映射为电弧电流的非线性环节。 第二章电弧炉电极调节实验系统的模型及仿真 它的输入为弧长，输出为电弧电流，值得注意的是，电弧环节是一段非线性映 射。 7 整流滤波环节 整流滤波环节用来将检测到的主电路电流、电压交流信号转换为相应的直 流信号，如果忽略瞬时的电弧电流、电压波形，仅考虑其有效值与转换后直流 电流、电压之间的关系，这一环节可近似用一阶惯性环节来表示，传递函数为： = 熹 ( 2 5 ) 髟，：整流滤波环节的放大系数； l ：整流滤波环节的时间常数。 在以往的仿真及算法验证实验中，往往是以简单的运放电路以及阻容元件 来代替实现执行机构、放大环节及检测装置，例如课题组曾经根据西安唐都钢 厂三吨电弧炉现场提供的实际数据，通过计算得出单相调节系统各环节的传 递函数： 整流滤波环节： 吆( s ) 2 石南 2 6 ) 可控硅放大环节： g 一班意熹 ( 2 7 ) 交流力矩电动机： ( s ) = 而丽毒笔而丽 ( 2 8 ) 机械传动装置： 瓯( s ) ：半 ( 2 9 ) 测速发电机： g ( 3 ( s ) = o 0 5 ( 2 1 0 ) 实验组以此模型搭建系统进行了一系列仿真实验。 9 第二章电弧炉电极调节实验系统的模型及仿真 2 2 基于伺服电机的控制系统模型及仿真 电弧炉对电网的质量有着很大的影响，各国学者相继投入巨大的力量对其 进行研究，虽然取得了一些积极的成果，但还存在很多的局限性。由于电弧炉 耗能巨大，控制系统十分复杂，如果用新的控制算法直接对工业设备进行实验 研究，必然冒很大风险，不仅会对电网和炼钢炉造成巨大损害，还可能引起更 大的工业事故。此外，研发经费也会耗资巨大。相反，如果在开发新一代电弧 炉调节器过程中，先进行实验室电路仿真研究，则可在很大程度上规避以上风 险和困难。所谓电路仿真，就是将整个炼钢系统在实验室用电子电路进行仿真， 作为被控对象，而不是将钢厂的实际炼钢系统作为被控对象，这种仿真具有一 定的针对性，同时又不会对工业生产造成影响。 由于上述原因，我们进行仿真实验的过程中，用于替代工业对象的电子电 路以及相关装置应该尽可能真实、可靠、完整的体现实际被控对象的特性。这 里提到的被控对象的特性，根据不同的控制场合和控制目标而有所区别，例如， 在惯性系统的控制中，我们关心的是质量、力矩等物理量，而在机电控制系统 中，我们关心的是电机的时间常数、起动和制动等特性。 在电弧炉电极调节实验中，我们在2 1 节中所进行的物理仿真实验，是以 二阶惯性环节代替执行电机，以运放电路代替晶闸管、速度反馈及减速机等环 节，这个实验实现了电路仿真的基本功能，用电子电路代替工业系统作为被控 对象，避免了资金浪费和工业生产风险，但是仍存在以下缺点： ( 】) 模型简单，用二阶惯性环节代替执行电机，只能体现电机的时间常 数，而无法模拟电机的起动制动等特性； ( 2 )只能进行单相实验，无法实现电弧炉的三相耦合干扰，因此也就无 法对此展开理论研究； ( 3 ) 整流电路过于简化； ( 4 )电路设计落后，无法进行硬件升级，不利于不同算法的验证。 也就是说，我们以往的仿真实验在完整性和真实性等方面还存在很多缺陷 和不足，正是考虑到这些原因，我们开发了“机遇三相数字伺服电机的电弧炉 电机调节实验系统”，系统的硬件组成见第3 章，这套装置能够实现如下功能： ( 1 ) 用真实电机进行控制实验，真实的实现了电机调速的全过程； ( 2 )三相电机的输入端接电弧炉主电路的三个输出整流信号，三相耦合 0 第二二章电弧炉电极调节实验系统的模型及仿真 等在变压器输出端即可体现； ( 3 )整流电路和限幅、电压跟随等外围辅助电路均采用其它文献中涉及 的电路，具有实际意义； ( 4 )电路预留丰富的信号输入、输出、比较等断口，方便进行实验。 2 2 1 伺服系统数学模型的参数测试 确定控制参数之前，我们先要知道被控对象的数学模型，对于本文中所用 到的控制对象，包括执行机构( 电机调速系统) 和电弧炉主电路。电机调速系 统内置了速度负反馈和减速环节，我们无法直接测量其反馈系数与积分常数， 一种通用的办法是将整个调速系统看作一个参数未知的黑盒子，忽略其内部各 参量在过程中的变化，直接对其输入输出进行测量。假定个我们熟悉的数学 模型，根据测量的比较，确定这个模型的参数，利用模型参数和我们熟悉的控 制理论和方法制定控制策略。 电机调速系统包括交流伺服电机、速度环控制器、速度负反馈以及减速装置， 其原理是根据内环的输入( 电流环的误差信号) 的大小，确定伺服电机的转动 方向和速度，其输入与转速的关系对应曲线如图2 2 所示。 o 5 鼍 v 五a x 图2 2 伺服电机的速度规划图 由图2 2 可知，当系统的电流环电流偏离参考点越大，则伺服电机的的转 速越快，即执行机构的调节力度越大，这样可以有效地减小系统的调节时间； 而当系统接近平衡点时，伺服电机的转速减小，减弱了执行机构的调节力度， 第二二章电弧炉电极调节实验系统的模型及仿真 这是为了减小系统的超调。 电机从一种稳定运行状态变化到另一种稳定运行状态的过程是一个动态过 程，例如，电动机的起动、制动、调速、负载调节、电源电压波动等过程。在 上述情况下，电机要经历电磁上的动态过程和机械上的动态过程。因此电动机 可以看作是一个二阶惯性系统，有两个时间常数，一个是电气时间常数t ，另 一个是机电时问常数已。一般情况下，l 1 时， 用一般的p i d 算式几乎不能控制对象，需采取其它控制策略，不过绝大部分的 工业对象的可控率都小于l 。 不同的对象，其参数各异，但只要它们的可控率一样，则这类对象的受控程 度基本一致，因此可以用可控率指标对被控对象进行归类分析。为研究问题方 便，根据可控率，的大小将受控对象难易程度分为三种： ( 1 ) y o 2 ，较容易控制对象； ( 2 ) 0 5 ， l ，较难控制对象： ( 3 ) o 2 ， 0 5 ，控制难易程度介于( 1 ) 、( 2 ) 之间。 通过对被控对象受控程度的划分，可以得出确定的相应p i d 初值的规则。 p i d 模糊控制器实质上是对其控制器的p i d 参数进行调整，p i d 方程的z 传 递函数可以表示为 g ( z ) = ( 4 + 4 z 一1 + 彳2 z _ 2 ) ( 1 一z 一。) ( 2 2 6 ) a = 群( 1 + 五乃+ 瓦) 式中4 = 足p ( 1 + 2 瓦) 赴= k j d | t s 控制器群、乃、的初值由下面公式设定： 2 1 第二二章电弧炉电极调节实验系统的模型及仿真 k p = kl k l a 三嚣 亿z ， 五= k 4 7 式中 墨，局，墨，k 。均为设定系数。 足p 0 可由c o h n - c 0 0 n 公式求出 1 k 2 丽磊秀而 - 2 8 只要知道被控对象的特性参数k 、f 、t ，利用上述公式可求出k ，。设定系数k 。 一般取o 0 5 o 1 0 。k ，k ：，k ，的设定需综合被控对象的特性，将可控率) ，作 为设定的标准，对于y o 5 的较难控制对象，则需加大k ， k ，的值。x 的值由实验修正得出。k 。，k ：，k ；的具体选择可参考表2 3 。 这样，通过对控制目标分类，只考虑用户最关心的系统特性，便可以确定 单参数调整规则，例如对超调量这一指标而占，控制器只调整k r 一个参数，因 为k p 较乃、磊对超调量影响最大。 表2 3 设定系数选择及控制指标 对象设定系数超调 f 厂r k i k 2k 3 控制 o 20 51 0o 1 超调量 1 0 5 o 5 51 1 50 1 1 超调量 1 5 1 00 61 20 1 2超调量 2 5 2 4 仿真实验及结果分析 使用物理模型对控制系统进行仿真实验，仿真框图如图2 9 所示： 第二章电弧炉电极调仃实验系统的模刑及仿真 郴l 图2 9 电弧炉电机调节实验系统仿真框图 ( 1 ) 智能p i d 控制 使用眦t l a b 中的s i m u l i n k 进行仿真，逐步增大比例增益系数k ，找到系统 的临界周期和增益： 故取 如= 1 0 5= 2 8 仿真波形如图2 1 0 所示。 卜电机速度信号2 一电流反馈 图2 1 0 阶跃输入时的控制波形 ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) 蠹一 群乃乃 rj、l 第二章电弧炉电极调节实验系统的模犁及仿真 ( 2 ) 单参数模糊自适应p i d 控制 在本例中，= f 丁= o 0 4 ，o 1 z o 4 ，取第二组参数，即 足= o 5 5 足2 ：1 ，1 5 蜀= o 1 l ( 2 3 1 ) = 而丽三面而7 6 i k ，= o 5 5 5 7 6 = 3 1 6 8 正= 1 1 5 0 1 = 0 1 1 5 i l ，= 0 1 l 0 0 4 = o 0 0 4 卜电机速度信号2 一电流反馈 图2 1 l 阶跃输入时的控制波形 ( 2 3 2 ) 本章所采用的波形均为针对简化理想模型，使用m a t l a b 仿真的结果，由 图中曲线可知，所采用的p i d 控制参数合理有效，控制效果良好，能够达到稳 第二二章电弧炉电极调竹实验系统的模型及仿真 定性和快速性的要求。但是将其运用于真正电机时，控制效果却远远没有理论 上这样好，只能使电机最终在稳定点附近小幅振荡，且初始阶段超调较大，调 节时间比较理想。出现这种情况的主要原因有： ( i ) 电机模型的误差。实际中的电机都是高阶次、非线性的，而在理论研 究中为了方便实验的进行，我们通常将其简化为低阶且线性的模型，如本文中 将电机看作二阶系统。 ( 2 ) 控制器的性能( 方法) 落后。在本文中的控制器是根据静态模型设计 的，不具备在线辩识和整定的功能，而实际的工作系统( 非线性电弧炉主电路) 是时变的、非线性的，在不同的工作电流下电路参数均有变化。 因此，有必要发展先进的控制算法，对系统进行在线、实时控制。本文的 重点是对系统的硬件构成提出一种方法，为各种理论算法搭建实验平台，在此 不再对控制算法进行深入探讨。 第三章电弧炉电极调再实验系统的硬什设计 第3 章电弧炉电极调节实验系统的硬件设计 为了更能真实反映工业现场的真实控制过程，课题组对实验系统进行了改 进，用交流伺服电机系统取代了以往实验用的二阶运放电路、晶闸管放大电路 以及减速( 积分) 装置，并用单片机电路板实现电弧发生电路，直接引入三相 3 8 0 v 工业用电，经二次变压对电路供电，完全对照电弧炉炼钢的工业生产过程。 改进后的控制回路方框图如图3 1 所示。 图3 1 控制同路方框图 如图3 1 所示，系统的硬件组成包括：主控制器、调速系统、电弧炉主电 路、整流滤波电路，以及比较器、给定、干扰等外围电路。 3 1 伺服系统 伺服系统( s e r v os y s t e m ) 亦称随动系统，属于自动控制系统中的一种，它用来 控制被控对象的转角( 或位移) ，使其能自动地、连续地、精确地复现输入指令的 变化规律。它通常是具有负反馈的闭环控制系统，有的场合也可以用开环控制 来实现其功能。在实际应用中一般以机械位置或角度作为控制对象的自动控制 系统，例如数控机床等。使用在伺服系统中的驱动电机要求具有响应速度快、 定位准确、转动惯量较大等特点，这类专用的电机称为伺服电机。 该类电机的专用驱动单元称为伺服驱动单元，有时简称为伺服，一般其内 部包括转矩( 电流) 、速度和或位置闭环。其工作原理简单的说就是在开环控制 的交直流电机的基础上将速度和位置信号通过旋转编码器、旋转变压器等反馈 给驱动器做闭环负反馈的p i d 调节控制。再加上驱动器内部的电流闭环，通过 这3 个闭环调节，使电机的输出对设定值追随的准确性和时间响应特性都提高 第三章电弧炉电极调节实验系统的硬件设计 很多。伺服系统是个动态的随动系统，达到的稳态平衡也是动态的平衡。 本课题组所使用的即为随动系统，它包括三路松下数字交流伺服电机及其 附带的减速机，可分别采用位置控制、速度控制和力矩控制三种控制模式。在 使用位簧控制方式时，伺服完成所有的三个闭环的控制。在使用速度控制方式 时，伺服完成速度和扭矩( 电流) 两个闭环的控制。一般来讲，我们的需要位 置控制的系统，既可以使用伺服的位置控制方式，也可以使用速度控制方式， 只是上位机的处理不同。 电机后附带减速机，完成将电机速度信号转换成位置信号。编码器2 5 0 0 线， 内部使用4 倍频技术，故控制精度( 脉冲当量) 为3 6 0 0 l o o o o = o 0 3 6 0 。电机与 减速机转速比为1 2 0 ：l ，即电机每转1 2 0 圈，减速机转一圈，对应输出电压 o l o v ；规定电机最高转速( 程序可调) 为1 0 0 0 r m i n 。通过测试，电机转动与 减速机输出的线性范i 蜀在1 5 “4 5 0 卜1 1 5 “3 4 5o ) 之间。 3 2 电弧炉主电路 电弧炉主电路又称作电弧发生电路，用来模拟实现如图1 3 所示的电弧炉 内部弧长与电弧电流的映射关系。同时考虑到仿真系统的真实性，该电路引入 三相3 8 0 v 交流电，经过二次作用于信号发生环节，并对三相电压( 电流) 进行 极性检测。 图3 2 屯弧炉主电路结构图 电弧炉电极调节鲁棒自适应课题组开发了一套电弧主电路仿真实验系统， 第二章电弧炉电极调仃实验系统的硬件设计 该系统以单片机为核心，由检测的电流波形相位和控制信号大小产生模拟信号， 模拟信号经功率放大设备放大后接入仿真变压器。试验结果表明，仿真电弧电 压幅值可调，对外呈现纯阻性，与实际电弧典型波形相一致。电弧炉主电路仿 真实验系统的设计参阅参考文献【1 6 】。电弧炉主电路的结构图如图3 2 所示。 电弧炉主电路部分的硬件搭建工作已由课题组王耀辉同学完成，本文的主 要任务是对整个电弧炉电极控制系统的硬件架构和工作原理进行描述，因此对 电弧产生环节仍需进行简单介绍。 仿真试验系统的变压器连接如图3 3 所示。 吒i 嚣望，。一弓! 。一。 一ff - j 一5 一，r ，1 一 _ 洲1 0 一一一) 一7 一! i l j ，一一一一上。 ：r i ，丝i l 。”? ，、 ：i _ 一，? - 一。“。 一：一c 图3 3 仿真变压器系统连接图 仿真电弧炉变压器容量为2 0 0 v a ，y 接，6 0 v ：2 0 v 。仿真配电变压器的容量为 8 0 0 v a ，y y 接，变比3 8 0 v ：6 0 v ，短路情况下，仿真配电变压器副边短路电流，。 = o ，8 7 9 4 a ，仿真电弧炉变压器的副边短路电流f 。= 3 2 7 6 2 a 。额定状态下，仿 真电弧电压的有效值乙r j 2 l o 0 5 9 8 v 仿真电弧炉变压器的副边每相还接有电流互感器一个，电流互感器的型号 为c t l o l ，变比l o a 1 0 l t l a ，最大电流2 0 a ，线性范围0 1 5 a ，冲击电流1 0 0 a 半1 秒，相移小于1 5 ，补偿后可小于5 。采样电阻考虑到互感器的带负载能力和 灵敏度，选择5 0 0q 金膜电阻，采样电阻的输出电压为以后的控制回路提供反馈 信号，在模拟的调节系统中，这个信号在被整流之前要经过一个整流桥，所以 这个信号希望越大越好，而由于互感器的二次测输出的是电流信号，驱动一个 大的电阻意味着大的功率损耗，在实际的实验中也可以看见在电阻较大的时候 引起的失真是非常明显的，这样，我们在一个大的采样电阻和尽量不失真的情 况下选择5 0 0 q 的电阻是一个折中的选择。 第二章电弧炉电极调节实验系统的硬件设计 主电路采集电流信号波形如下图3 4 ，图3 6 所示 d 0 图3 4 互感器检测的电流波形 r _ 一 ；互感器检测的电 i l ：。 i 流波形 ，t，*， 图3 5 主电路电流波形与互感器检测的电流波形相比较 第三章电弧炉电极调竹实验系统的硬件设计 v i 0 口l 2 34 t 图3 6 电极交流电弧电压电流波形 波形发生环节以a t 8 9 c 5 5 w d 单片机为核心，是整个环节的处理中心。波 形发生环节主要包括a d 部分、单片机、d a 、双极性输出、波形整形中断部分 5 个小的组成部分。其中，a d 部分采用a d c 0 8 0 9 来实现，d a 部分采用d a c 0 8 3 2 襄实现，波形发生环节的结构图如图3 7 所示。 一 。 波形整形一一 图3 7 波形发生环节的结构图 t tl 电漉互感器 其中，a d 部分主要接受来自控制回路的三相仿真电弧弧长信号，在c p u 的协调下串行的将三相仿真电弧弧长信号转化为数字量，为d a 部分输出的电 弧炉电弧的典型波形提供副值上的参考。d a 环节将c p u 送出的数字量转化为 模拟的电压信号，经双极性电路转换为双极性的输出。波形整形和中断环节 没有采用传统的中断管理器，而采用了纯数字电路组成的硬件中断，将电流 3 0 第二章电弧炉电极调节实验系统的硬件设计 互感器采集的电流信号转化为电压信号，并最终转化为脉冲信号为单片机提 供中断信号，由电流信号转化的电压信号还为控制回路的反馈信号提供原始 的信号。 单片机a t 8 9 c 5 5 所要完成的工作有：协调a d c 0 8 0 9 将三路弧长信号转换 为数字量并存储在设定的寄存器内，以供后面的程序使用。实时计算出d a 需 要的数字量，并在固定时间将数字量输送给d a c 0 8 3 2 ，以输出固定要求的波形。 处理来自波形整形部件输送过来的中断信号，保证整个仿真电弧为纯阻性。 定时输出波形，使输出的波形的频率为5 0 h z 。最终输出电弧电压波形如下所示， 在本课题的电弧炉电极调节试验系统中，电弧电压波形产生系统要求能够依据 电极调节系统送来的电弧电压幅值控制信号，产生与电流信号同步的电弧电压 信号，并且具有足够的输出功率，以便与控制系统一起联调。 u o - 讯 一 ， 厂j j 一 图3 8 典型的电弧炉电弧电压波形 在图1 3 中描述的是弧长与电弧电流有效值之间的关系，电弧电流是一个 交流量，典型的电弧炉电弧电压波形如图3 8 所示。这是当电弧炉主电路输入 一个确定的弧长值作为驱动时，电弧电压的示意图。 第二章电弧炉电极调竹实验系统的硬件设计 3 3 整流滤波电路 在控制回路的前端比较器中，给定输入是对应理想工作状态的一个固定的 电压值，而电弧炉主电路的输出是一个交流电压( 见图3 8 ) ，因此，需要将交 流量转换成直流量后同给定进行比较，即交流电压的有效值，实现这个功能的 电路称为整流电路。 通常用于整流的电路有桥式整流电路、精密整流电路和专用整流电路等。 桥式整流电路由于二极管存在o 3 v 左右压降，需要对整流后的电压再进行运算 处理。精密整流电路见图3 9 ，其原理请参考模拟电子线路。精密整流电路 可以较精确的实现交流电压到直流电压的转换，但是在实验中，我们发现它对 于小信号的灵敏度不够，在o - _ 3 0 m v 之间存在非线性。 翻3 9 精密整流电路 专用整流电路是由一些厂商为了满足特定的需要，专门研究并生产的整流 芯片配以外围器件构成。我们课题组采用的转换芯片a d i 公司生产的a d 7 3 6 ， 其典型应用电路如图3 1 0 所示。 a d 7 3 6 转换电路又称为真有效值a c d c 转换电路，其外接元件参数的选取 和建立时间( s e m n g 币m e ) 都由交流输入值决定，其对应关系如表3 3 所示： 第三章电弧炉电极调节实验系统的硬件设计 表3 3 电容选取参考 h m q m n q 帆- x c r n c - g ，p 轴t ” r m s i m l 哺l 锄鲋l - j d 融 f m t 甜 f l l f is 删i 哪t i m e t 0 1 臼i i 帜蛳5 c 。f 坤d _ o v 虹i v2 。h zsl 琦l o；眦 2 掩si s1萄m o m v 协o m v冲s o猢m 2 。d 掩5王3t弱聪 知n 自r 叠 “口强w l v2 0 h z h e ，3 1 2 k q 即 湘 n o n e 生3 l m i 知单口咖 o 删瑚州2 0 n 饼挎 封 2 c 2 0 0 h w 礓，31 鬟重辅矗纠m 懈g 喇盯i 瞳