基于仿人智能的黄磷电弧炉控制系统设计.docx

第 37卷第 4期 2008年5月贵 州 工 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) journal of gu izhou un iv ers ity of technologyvo l. 37 no. 4may. 2008 (n a tu ra l sc ience ed ition) 3文章编号 : 1009 - 0193 (2008) 04 - 0171 - 04基于仿人智能的黄磷电弧炉控制系统设计全辉 ,林景栋(重庆大学 自动化学院 ,重庆 400044)摘要 :分析了黄磷电弧炉的特点 ,针对其冶炼工况的复杂性 ,采用仿人智能控制算法来对其 进行控制 ,按最佳功率曲线输入电能 ,特别考虑了三相电极之间的耦合 ,以及异常工况的处理 。 经过现场一年多的运行 ,该控制系统反映出良好的控制效果。关键词 :黄磷 ;电弧炉 ;电极控制 ;仿人智能控制中图分类号 : tp273文献标识码 : a0引言黄磷冶炼是将磷矿石 、硅石和焦炭按一定配比组成的混合物通过高温进行化学还原反应而产生黄磷 ,其 冶炼过程具有高度的非线性 、时变性 、不确定性和相当的复杂性 。河南理工大学的苏珊提出了基于 plc 的 黄磷炉控制装置设计 ,该系统通过电极电流和其设定值进行比较来调节电极位置 1 - 2 ,由于电流的超调以及 三相之间的相互影响 ,容易引起振荡 ,将导致电极频繁升降 ,冶炼过程不能够稳定的进行 。由于电弧炉冶炼 工况复杂 ,传统的控制算法很难达到理想的控制效果 。刘小河等人将模糊控制 ,自适应控制等应用到电弧炉 炼钢控制中 3 - 4 ,但只是进行了仿真 。对于黄磷电弧炉冶炼过程的特殊性 ,这些控制算法都具有一定的局限 性 。采用智能控制理论进行技术改造是节能降耗 、提高产量和质量的有力手段 , 为此研制了基于仿人智能 的黄磷电弧炉自动控制系统。1黄磷电弧炉工艺分析电极位置控制是黄磷冶炼自动控制系统中的最关键部分 ,通过调整电极位置 ,保持所需电弧的长度 ,达 到控制炉温以及炉内化学反应速度的目的 。其控制效果直接影响黄磷的产量 、质量和能源消耗 。我国大部 分黄磷电弧炉冶炼过程完全依靠工人手动调节 ,劳动强度大 ,并且由于工人的经验不同 ,电极控制不稳 ,冶炼 效果分散性很大 ,使产品质量不稳定 ,耗电量也大大增加 。黄磷冶炼过程一般分为熔化期 、氧化期 、还原期三个阶段 。需输入到炉内的功率随着冶炼过程而变动 , 氧化期输入功率最大 ,氧化期次之 ,还原期最低 。目前所有的控制都只是把整个冶炼过程简单地按熔化期 、 氧化期和还原期设定三个输入电流或功率给定值 , 各阶段采用某一种控制算法分别对三相电极进行控 制 5 - 6 。但是在实际的冶炼过程中 ,首先是三个过程没有明确可靠的判断依 。其次由于炉料溶化 、塌料 、沸 腾等原因 ,电极与炉料之间的电弧长度不断发生变化 ,使输入到炉内的电弧功率不稳定 ,必须不断调整电极 位置 ,仅按阶段控制显得极为粗糙 。如果控制策略不恰当 ,一次扰动要经过若干次调节才能使三相电流恢复 到平衡点 ,结果是超调增大 、调节过程加长 ,影响产品质量和增加能耗 ,达不到节能降耗的目的 。再次三相电 极之间存在相互影响 ,如果三相独立调节到其设定值 ,那么调节其中某一相或某两相将引起其余相电流的变 化 ,从而导致三相电极频繁活动 ,容易引起冒火等故障的产生 。最后冶炼过程极其复杂 ,如果不能灵活地处 理异常工况 ,冶炼过程将不能稳定地进行下去。根据以上分析 ,本控制系统采用按最佳输入功率曲线作为控制目标 ,根据冶炼工艺输入功率 ,既能够保 证黄磷冶炼的质量 ,又能使电能消耗最低 ,冶炼时间最短 。针对黄磷电弧炉冶炼过程的精确数学模型很难获3收稿日期 : 2008 - 03 - 06作者简介 :全 辉 ( 1985 - ) ,男 ,重庆人 ,硕士研究生 ,主要研究领域为工业自动化。172贵州工业大学学报(自然科学版 )2008年得的特点 ,三相电极的升降控制采用基于特征模型 、特征辨识的多模态控制方式的仿人智能控制算法 ,即根 据黄磷电弧炉的工作状态 ,确定相应的控制策略 。三相之间的相互影响也在本系统中得到了考虑 ,进行了三 相联合控制 ,控制器一次并行地给出三相电极的调节量 ,使其一次调节到位 ,将大大地降低电极升降的频率。 由于冶炼过程的复杂性 ,在该系统中设计了很多异常工况的处理措施 ,使系统具有很好的鲁棒性。2控制算法分析与设计“仿人智能控制 ”(h um an - sim ulated intelligent contro l,简称 hs ic)理论及其应用研究是由重庆大学周 其鉴教授最早倡导和提出 ,并由李祖枢教授和涂亚庆教授进一步发展和完善 ,已形成了较为完整的基本理论 体系和较完善的设计方法 ,并且很多实际应用中获得了成功 8 - 11 。仿人智能控制的基本思想是 :模仿人的动觉智能原理 ,认识并建立被控对象运动特征模型 ,进行直觉推 理和启发完成特征辨识和特征记忆 ,再根据不同类型特征采用不同的控制模态和策略实现变结构多模态控 制 。一个理想的控制 ,需要每一个控制器的性能指标 (快速性 、稳定性和精确性 )都是最优的 ,即实现所有性 能指标的兼顾而不是折衷 ,但这些性能指标之间往往可能是相互矛盾或相互制约的 ,仿人智能控制基于特征 辨识的多模态控制结构从本质上解决了这个问题 。因此仿人智能控制器的设计任务就是以实际轨迹与理想 轨迹的偏差轨迹为依据 ,划分出特征模态 ,并给出对应的控制模态 7 。在该控制系统中 , 采用冶炼时间 , 三相电流电压以及电极位置进行综合判断 , 然后根据三相电极功率与其设定值的误差 e及误差变化率e, 将理想轨迹投影到 e - e平面 , 以该投影曲线为仿人智能控制器设计的目标轨迹 , 利用仿人智能控制策略 , 划分出多个模态 , 然后根据不同的控制模态输出不同的电极动作幅度和 速度 。下面对控制算法的具体设计过程进行分析 。2. 1 运行控制级设计运行控制级的特征模型如图 1, 虚线为理想误差目标轨 迹 , 为了使实际误差轨迹尽量与其一致 , 采用如下控制策略 :区域 1, 偏差很大 , 采用磅 - 磅控制 。区域 2, 偏差减小 , 系统正常趋向给定值 , 采用保持控制。区域 3, 偏差和偏差变化率很小 , 正逼近给定值 , 采用保持控制 。区域 4, 偏差减小 , 系统缓慢趋向给定值时 , 采用适当 加大保持控制。区域 5, 偏差减小 , 系统快速趋向给定值时 , 对应 , 采 用保持 + 微分控制 。区域 6 偏差增大 , 采用保持 + 比例控制 。系统设定值改变时 , 引入预估控制 , 改变控制量的保 持值。图 1 运行控制级特征模型un =umaxe e1um ine - e1u0 ( n - 1)| e | e4 | e| 0e = 0e0u0 = u0 ( n - 1) +rr 05u0 ( n - 1)ee 0| e/ e | au0 ( n - 1) + kd eee bu0 ( n - 1) + kp kem nee 0a | e/ e | e1q2 : ee0q3 : | e | e4q4 : | e| e2q6 : | e| e2q7 : | e| e1q8 : | e/ e | bqi 为特征基元 , ei , ei 分别为误差和误差变化率 。特征模型 : = 1 ,2 ,7 , 其中 i 为特征基元 。 1 : q2 q1 q3 q82 : q2 q4 q93 : q2 q5 q6 q3 q44 : q2 q1 q5 q75 : q2 q5 q6 q76 : q2 q1 q5 q77 : q2 q5 q7参数校正模式 集 : = 1 ,2 ,7 :1 : 5 = 5 ( 1 - a1 ( e/ e) | e /r | )2 : kd = kd ( 1 + a2 | ( e/ e) | | e /r | )3 : kp = kp ( 1 - a3 | ee /r | )4 : kp = kp ( 1 + a4 | ee /r | )图 2 参数校正级特征模型5 : kp = kp ( 1 + a5 | ee /r | ) 6 : kp = kp ( 1 + a6 | ee /r | ) 7 : kp = kp ( 1 - a7 | ee /r | )推理规则集 = 1 ,2 ,7 ,i :i i. 其中 i 为校正模式基元 , a1 , a1 , a7 为常量。 冶炼一炉大概需要 3. 5 h,在整个冶炼过程中 ,根据给定的功率曲线为电弧炉输入电能 ,相当于一个伺服控制过程 ;但在确定的一个时间点 ,输入功率又是一个确定值 ,需要调节电极来使功率维持在给定值 ,即是一 个定值控制过程。3系统实现以工业计算机结合板卡的形式组成控制器 ,使人机界面的开发更加简单 ,也能够对生产过程中的数据进 行保存 ,便于实现企业信息化 2 。通过现场的电流互感器 ,电压互感器 ,行程开关等传感器获得高低压电 压 、电流和电极位置等数据 ,计算机通过 pc i - 1713和 pc i - 1733板卡获得这些现场数据 ,经过分析处理 ,确 定相应的控制 ,然后通过 pc i - 1720和 pc i - 1734板卡输出控制信号 ,通过变频器调节电机来对电极进行控 制。为了确保该系统的可靠性 ,系统有操作台手动 、计算机手动 、计算机自动三种运行模式 。在操作台上设 置了三相电压 、电流表 ,以及电极上升 ,下降按钮 ,即使计算机系统瘫痪 ,系统也可以通过操作台手动控制。 如图 3所示为系统运行画面。控制软件使用 vb开发 ,专门设置了故障处理模块和功能模块 ,例如在塌料后电极需要延时 ,不能立即174贵州工业大学学报(自然科学版 )2008年图 3 系统运行图下降 ,否则可能会折断电极 。如果三相长时间 处于平衡状态也将降低效率 ,需要活动电极来 打破这种平衡 。通过这些附加功能模块使该系 统能够很好地应对复杂的工况。4结论该控制系统在贵州开磷集团黄磷厂运行一 年多以来 ,取得了满意的控制效果 。运用仿人 智能控制算法使电极跟踪性能好 ,达到了调节 过程性能指标的最优化 。通过一次输出三相电 极调节值 ,避免了电机的频繁启停 。故障处理 和其他功能模块使得系统可以灵活地应对复杂 的工况 。该控制系统的使用 ,改善了劳动强度 , 提高了产品质量和产量 ,电耗降低了 5% ,具有 很高的推广价值。参考文献 : 1 苏 珊 ,颜丙生 ,王福忠 ,等. fx2n型 plc的黄磷炉控制装置硬件设计 j . 电工技术 , 2005, (5) : 47 - 49. 2 邱望标 ,伍 新 ,刘应奇. plc电弧炉电极控制系统 j . 现代机械 , 2004, (3) : 21 - 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phase el