电加热LF炉模糊控制

香雪制药 胆囊炎 小儿化食口服液 清肝利胆口服液 盆腔炎 麦粒肿 新生儿黄疸 广州市根竹药业有限公司 香雪制药 胆囊炎 小儿化食口服液 清肝利胆口服液 盆腔炎 麦粒肿 新生儿黄疸 广州市根竹药业有限公司 电加热 L F 炉模糊控制 马汉超 姚 勇 第一炼钢厂 摘 要 在 L F 炉运行参数优化的基础上 利用模糊规则 构成二阶自调整模糊控制器 实 现电加 热 L F 炉模糊控制 运行结果显示 它具有良好的动态特性 抗干扰性和高控制精度 其 加热效果 电耗指标均优于原控制系统 关键词 L F 炉 优化 模糊控制 1 前 言 武钢第一炼钢厂八流方坯连铸机 方坯 尺寸为 200mm 200mm 为了保证工艺顺行 及钢水温度满足连铸要求 在炼钢炉与连铸 生产程序中 加有一座 250tL F 炉 作为 250t 钢包的加热容器 该设备主要功能有电加热 底吹氩搅拌 快速测温取样和合金微调 L F 炉利用三相 交流电 把电能转变成热能对钢水进行加热 三相电极控制是通过弧流 弧压反馈 在一设 定值下有差调节液压伺服阀 控制电极升降 实现自动控制 L F 炉控制系统是一个随机干扰十分 严重的非线性开关控制系统 其控制对象 炉与炉之间变化较大 主要有钢水面渣层 厚度 底吹氩流量 大包耐火层 电网电压 波动 液压伺服系统以及控制调节板的精 度及零漂等 正是由于以上客观条件的限 制 很难准确的测出其系统描述函数 建立 其系统数学模型 如用传统的控制方法 又 不易取得满意效果 因此采用了电加热 L F 炉模糊控制方式 马汉超 男 高级工程师 2 最佳值确定 L F 炉是靠三相电极直接在钢水面导电 起弧加热钢水 而实际作用于钢水的是变压 器的有功功率的输出 对应於每一罐钢水 在 一定条件的约束下 都有一加热控制的最佳 值 使能达到设备利用率最大 即加热时间最 短 电能消耗最小 同时钢包烧损也在允许范 围内 2 1 目标函数 从电路角度看 L F 炉主电路中的变压 器 短网等都可以用等效的电阻 电感来表 香雪制药 胆囊炎 小儿化食口服液 清肝利胆口服液 盆腔炎 麦粒肿 新生儿黄疸 广州市根竹药业有限公司 香雪制药 胆囊炎 小儿化食口服液 清肝利胆口服液 盆腔炎 麦粒肿 新生儿黄疸 广州市根竹药业有限公司 示 而把电弧看成一可变电阻 设三相情况相 同 以其中一相得如图 1 所示的等值电路 建立目标函数 P h 3I U 2 I 2 X 2 I r 1 P h 为电弧有功功率 对 1 式求 I 的一阶导数 令其为零 并 代入 U I X 2 r R h 2 得 R h X 2 r 2 2 为了使电弧电流 I 连续 需满足 U h Um sinU 即电流电压过零后在时间达到 W t U 时 外加电压将大于电弧所需电压 可以证明电弧连续燃烧的条件是功率因数必 9 1997 年 5 月 M ay 1997 武 钢 技 术 W ISCO TECHNOLO GY 图 1 LF 炉等值电路 U 等值相电压 I 等值相电流 r 等值电阻 X 等值电感 R h 弧阻 须小于或等于 0 84 2 2 耐火系数 为了保证加热迅速 又要使钢包烧损不 大 即有耐火系数的约束 E U 2 1 I 1 a 2 3 式中 u1 电极相电压 I 1 电极相电流 a 电相分布圆到包壁的距离 由于 R r 所以 3 式可近似为 E U 2 I co s 2 U a 香雪制药 胆囊炎 小儿化食口服液 清肝利胆口服液 盆腔炎 麦粒肿 新生儿黄疸 广州市根竹药业有限公司 香雪制药 胆囊炎 小儿化食口服液 清肝利胆口服液 盆腔炎 麦粒肿 新生儿黄疸 广州市根竹药业有限公司 2 U 3 sinU co s 2 U X a 2 4 对 E 求 co sU 的一阶导数 并令为零 得 co sU 0 8165 上式说明当变压器二次电压为定值 加 热功率因数为 0 82 时 耐火系数最大 即包 壁烧损最严重 根据耐火材料及经验一般要求 E 400 450MW V m 2 2 3 约束条件 根据表 1 所列 L F 炉技术参数 目标函 数 1 的约束条件为 S 3U I 25000kVA U 230V I 43 885kA co sU 0 84 E 450MW V m 2 L F 炉运行最佳值的优化范围可见图 2 阴影部分 3 模糊控制器 考虑到电加热 L F 炉模糊控制器的维数 表 1 250tLF 炉主要技术参数 容 积 钢包 直径 电极 直径 电极 分布图 变压器 容量 一次 电压 二次电压 最大二 次电流 短网阻抗 三相不 平衡系数 250t 3700mm 450mm 880mm 25MVA 37kV 139 230V 43885kA 2 9M 8 8 01 1997 年第 5 期 第 35 卷 总第 199 期 图 2 LF 炉最佳运行优化区域 越高 控制精度也相应越高 但维数过高 模 糊控制规则就越复杂 控制算法的实现也就 香雪制药 胆囊炎 小儿化食口服液 清肝利胆口服液 盆腔炎 麦粒肿 新生儿黄疸 广州市根竹药业有限公司 香雪制药 胆囊炎 小儿化食口服液 清肝利胆口服液 盆腔炎 麦粒肿 新生儿黄疸 广州市根竹药业有限公司 相对困难 所以对于 L F 炉这个特定控制对 象 采用了二维模糊控制器 即以偏差和偏差 的变化为输入变量 以控制量的变化为输出 量 模糊控制器的原理框图见图 3 3 1 扰动特征 以一相为例 电加热 L F 炉系统的随机干扰主要有 钢包底吹氩对钢水搅拌的程度 钢包中钢 水表面渣厚情况 电极升降伺服阀系统影 响 以上干扰无法直接定量检测出来 因此只 图 3 模糊控制器的原理框图 能根据其他输入信息 如三相电压 电流及功 率因数来进行模糊辩识 设 U n I n 分别为电压 电流的第 n 次采样值 D u n D i n 为相应的变化率 P n 为该相电极的第 n 次执行动作 其定义 如下 P n 1 电极上 0 电极停 1 电极下 3 2 模糊规则及判断表 由系统反馈的性能指标中优化出最佳运 行参数 U 3 I 3 E 3 cosU 3 为了控制简便 以 I 3 最佳参数确定输入量的偏差 e a 和偏差变 化率 e 的值 并对其进行模糊化 再进行模糊 运算 最后进行模糊判决 得到确切的控制 量 对被控对象进行控制 判断表的实现是根据实际反馈值与最佳 值的偏差及偏差的变化率 调整电极上或下 的给定值的大小 同时根据偏差的变化率调 整被控对象在最佳值上下死区的大小 4 模糊自组织 模糊控制器的控制规划是对人的控制经 验归纳总结 在实际运行过程 有些参数会随 着被控对象的变化而发生变化 原有的控制 香雪制药 胆囊炎 小儿化食口服液 清肝利胆口服液 盆腔炎 麦粒肿 新生儿黄疸 广州市根竹药业有限公司 香雪制药 胆囊炎 小儿化食口服液 清肝利胆口服液 盆腔炎 麦粒肿 新生儿黄疸 广州市根竹药业有限公司 量不一定合适 严重时会大大影响控制的效 果 因此根据被控对象参数的变化 应使控制 器具有运行过程中自动修改 完善和调整的 功能 4 1 控制量幅值 模糊控制通常在判决后控制量是一确定 的值 即在某一偏差范围控制量是一定值 由 于运行过程中系统参数的变化 要想达到控 制目的 必须修改相应的控制量的幅值 反馈偏差不仅是控制量的函数 同时也 是时间的函数 即控制量的大小可能改变偏 差大小 同时控制量所施加时间也影响偏差 电加热 L F 炉模糊控制对控制时间进行了模 糊规则 在一定量的时间内 如果所给的控制 11 武钢技术量不能使被控对象达到所要求的目的 就要 相应修改给定量 使之迅速弥补系统参数变 化所产生的控制精度的下降 4 2 控制量变化率 控制量的修改依据偏差所占的时间 为 了更好地跟踪被控系统参数变化的影响 引 入了控制量的变化率模糊规则 依据反馈偏 差的变化率 不断调整控制量的变化率 达到 最佳控制 见图 4 电加热 L F 炉模糊自组织 是在二维模糊控制器基础上 根据系统参数 的随时变化和反馈性能指标的测量 自组织 模糊二阶控制器 见图 5 它能使系统在运 行过程中自动地修改 完善和调整模糊控制 器以及相应规则 最终使控制紧紧围绕在最 佳值上下 并达到足够的控制精度 图 4 模糊自组织时间偏差与控制值的关系 图 5 自组织模糊控制器的原理框图 带自组织调整因子的模糊控制规则为 P aU n 1 a U 式中 P 自组织模糊控制量 U 常规模糊控制量 a 调整因子 n 某误差范围内时间段个数 根据实际运行效果统计 a 0 8 时间 段定为 50m s 5 运行结果及分析 电加热 L F 炉采用了自组织模糊控制 器 与常规的 P ID 控制相比 控制效果有较 大提高 吨钢电耗 加热耗时均低于原系统 香雪制药 胆囊炎 小儿化食口服液 清肝利胆口服液 盆腔炎 麦粒肿 新生儿黄疸 广州市根竹药业有限公司 香雪制药 胆囊炎 小儿化食口服液 清肝利胆口服液 盆腔炎 麦粒肿 新生儿黄疸 广州市根竹药业有限公司 取得了较好的经济效果 现仅以某炉次钢水 加热为例 其运行对比结果见表 2 1 L F 炉模糊控制精度提高 由于在线 以综合效率最大为最佳值控制 三相实际值 与最佳值偏差小于 5 图 6 为电加热 L F 炉 原控制与模糊控制效果对比 2 系统的稳定性及鲁棒性均比原系统 好 一般经过数次调节 均能使被控量趋于死 区范围内 L F 炉的一般干扰如吹氩 液压伺 服阀对系统的影响大大低于原系统 并且在 此情况下模糊控制仍能做到较好的控制 3 系统的适应性强 通过计算机的自组 织学习确定被控对象的给定值 可在线修改 参数 对外部条件如不同的钢包 外加电压的 变化 系统均能很快地控制到最佳状态 4 操作简便 一般情况下不需人工操 21 1997 年第 5 期 第 35 卷 总第 199 期 表 2 仅以某炉次钢水加热为例的运行 对比数据 方 式 U V I kA S MVA P MW Q MV ar T m in co sU 温升 原控制 165 40 19 8 13 3 14 7 45 0 67 100 最佳值 175 36 19 14 8 11 92 35 0 78 100 模糊控制 175 36 18 2 15 0 10 2 36 0 78 100 图 6 LF 炉原控制与模糊控制效果对比 作 解决了工人操作水平不一以及因外部条 件变化控制参数也随之变化 控制精度很难 保证 加热效果达不到预定目标等问题 5 加热效果由原来的 2 5 m in 上升 为 2 8 m in 最大超过了 3 m in 同时每 罐钢加热时间可缩短 9m in 直接节约有功电 能 3 89kW h t 按设计年加热 50 万 t 钢计 算 一年可节约 80 万元 另外模糊控制简化了原有控制系统 使 故障率大幅度下降 微机监控画面和故障显 示得以改善 提高了 L F 炉自动化系统的水 平 6 结 论 电加热 L F 炉由于加热过程中的底吹氩 造成钢包钢水的翻动 对加热最佳控制的影 响不可控 不可测 以及使常规的开关控制 P ID 控制效果不理想 因此采用了模糊控制 该系统得到了很好控制 且具有较好的鲁棒 性 即使在非线性范围内变化很大时 系统仍 能满意工作 充分显示了模糊控制的优越性 香雪制药 胆囊炎 小儿化食口服液 清肝利胆口服液 盆腔炎 麦粒肿 新生儿黄疸 广州市根竹药业有限公司 香雪制药 胆囊炎 小儿化食口服液 清肝利胆口服液 盆腔炎 麦粒肿 新生儿黄疸 广州市根竹药业有限公司 电加热 L F 炉模糊控制可以用微机实 现 也可用 PLC 实现 由于目前 L F 炉一般 配有 PLC 控制 所以可以在不增加硬件投资 情况下 使 L F 炉的自动控制精度得到提高 加热效果更佳 因此 更具备推广应用的前 景 参 考 文 献 1 马廷温 电炉炼钢学 北京 冶金工业出版社 1990 2 李士勇 模糊控制和智能控制理论与应用 哈尔滨工业 大学出版社 1990 收稿日期 1997 01 06 上接第