20T電弧爐過程控制滯后分析及處理*

郭輝

（新疆工業(yè)高等?？茖W(xué)校電氣工程系，新疆烏魯木齊830091）

1 引言

在對電弧爐技術(shù)改造升級過程中，由于電爐容量擴(kuò)大，原來的PID控制系統(tǒng)產(chǎn)生了嚴(yán)重的過程控制滯后，系統(tǒng)經(jīng)常失調(diào)，不能正常生產(chǎn)。在改造過程中，以可編程調(diào)節(jié)器替代了模擬調(diào)節(jié)器對控制系統(tǒng)硬件進(jìn)行了更新，開始應(yīng)用典型的Smith預(yù)估純滯后補(bǔ)償方法對控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，在應(yīng)用過程中，由于電弧爐工況變化，被控對象特性發(fā)生改變，導(dǎo)致補(bǔ)償模型精度降低，從而使純滯后補(bǔ)償控制精度變差，典型的Smith預(yù)估純滯后補(bǔ)償方法不能滿足實(shí)際生產(chǎn)穩(wěn)定性要求。采用自適應(yīng)純滯后補(bǔ)償控制方法，對控制結(jié)構(gòu)中的爐溫信號反饋到輸入端，使得PID控制系統(tǒng)隨被控對象特性改變，自動調(diào)節(jié)PID增益，適應(yīng)了電弧爐容量的變化，使純滯后補(bǔ)償控制及時(shí)快捷，提高了電弧爐的控制品質(zhì)。

2 應(yīng)用Smith預(yù)估補(bǔ)償方法存在的問題

電弧爐控制系統(tǒng)采用了電壓恒定，改變弧長的方法來調(diào)節(jié)電流。調(diào)節(jié)器通過調(diào)節(jié)電極的位置實(shí)現(xiàn)對電弧長度的調(diào)節(jié)，使電弧功率保持一定數(shù)值。硬件采用變送器、可編程調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)換器、電極調(diào)節(jié)升降裝置PHSC組成。電弧爐裝置控制方法，開始擬Smith預(yù)估補(bǔ)償方法。

以控制電流為輸入，應(yīng)用階躍響應(yīng)辨識方法，得到爐溫為輸出的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：

測量變送環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：

被控系統(tǒng)的總傳遞函數(shù)為：

由于 10s＋1≈e10s，因此，式（3）可簡化為：

從式（4）可以看到，因（t/T＝0.75）滯后大，控制響應(yīng)超調(diào)量較大，采用常規(guī)的PID控制，不能滿足控制要求。

擬采用純滯后Smith預(yù)估補(bǔ)償方法的控制，如圖1所示。

圖1 電爐純滯后Smith預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)

如圖1中虛線所示，加入補(bǔ)償環(huán)節(jié)后，PID調(diào)節(jié)器的對象由原來的被控對象和并聯(lián)補(bǔ)償環(huán)節(jié)組成［1］，對圖1進(jìn)行傳遞函數(shù)簡化得到等效的被控對象特性 G（s）:

可以看到理論上補(bǔ)償后的廣義對象不再含有純滯后環(huán)節(jié)，對（5）模型在可編程調(diào)節(jié)器（XMPA7000）為控制平臺，進(jìn)行了組態(tài)控制。在應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)隨著電爐容量的變化，電爐溫度變化較大，經(jīng)測試分析得知：由于電弧爐工況變化，被控對象特性發(fā)生了改變，導(dǎo)致補(bǔ)償模型精度降低，從而使純滯后補(bǔ)償控制精度變差，系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，不能滿足穩(wěn)定生產(chǎn)的要求，必須改進(jìn)。采用改進(jìn)的純滯后補(bǔ)償控制方法，在控制結(jié)構(gòu)中使得系統(tǒng)隨被控對象特性改變，自動調(diào)節(jié)PID增益，適應(yīng)被控對象特性的變化，提高控制精度。

3 采用自適應(yīng)純滯后補(bǔ)償控制方法

為改善電爐溫度純滯后調(diào)節(jié)效果，針對Smith預(yù)估補(bǔ)償方法在電爐控制中存在的問題，在控制系統(tǒng)中，采用自適應(yīng)純滯后補(bǔ)償控制方法。

自適應(yīng)純滯后補(bǔ)償控制方法的本質(zhì)是對輸出信號經(jīng)過處理，反饋到輸入端PID調(diào)節(jié)器，改變調(diào)節(jié)器比例度進(jìn)行過程調(diào)節(jié)，達(dá)到適時(shí)控制的目的［2］。

在線路中加入乘法和除法兩個(gè)非線性單元和反饋系統(tǒng)構(gòu)成自適應(yīng)純滯后補(bǔ)償控制。新的控制系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖2 自適應(yīng)純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng)圖

根據(jù)控制指標(biāo)變化范圍，廣義對象的靜態(tài)增益從以前的 1.06 變化到 1.8。

即實(shí)際對象由（5）變?yōu)椋?/p>

在外給定不變的條件下，廣義對象輸出增大,除法器I1增大。其傳遞函數(shù)為：

等效被控對象G（s）的數(shù)學(xué)模型為：

自適應(yīng)變比例PID變化為：

可以看到由于采用負(fù)反饋的自適應(yīng)純滯后補(bǔ)償控制，廣義對象的靜態(tài)增益的變化，通過反饋及時(shí)的調(diào)整了調(diào)節(jié)器的比例環(huán)節(jié)P的比例度，可以快速有效地補(bǔ)償系統(tǒng)增益的變化，控制質(zhì)量也得到了明顯提高。

自適應(yīng)純滯后補(bǔ)償控制方案采用可編程調(diào)節(jié)器（XMPA7000）軟件編程完成系統(tǒng)組態(tài)［3］。XMPA7200可編程調(diào)節(jié)器具有12個(gè)模擬輸入、2個(gè)模擬輸出、16個(gè)開關(guān)量輸入、8個(gè)開關(guān)量輸出和極為豐富的各種控制模式和算法。適用于工業(yè)過程中溫度、壓力、液位、流量等各種過程參數(shù)的串級控制，前饋控制，雙回路控制。XMPA7200可編程調(diào)節(jié)器完全可以滿足硬件軟件的要求。

4 自適應(yīng)純滯后補(bǔ)償控制仿真及結(jié)果

圖3 電弧爐自適應(yīng)純滯后補(bǔ)償控制仿真分析

在系統(tǒng)投入前，采用MATLAB分析軟件對（圖2）電弧爐自適應(yīng)純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，對控制系統(tǒng)施加了2個(gè)干擾信號：一個(gè)對輸入端加階躍信號，同時(shí)對被控對象施加斜坡干擾信號，PID控制器選擇PI控制方式，仿真輸出結(jié)果如圖3所示。通過仿真結(jié)果可以看到盡管系統(tǒng)受到了幅度較強(qiáng)的干擾，但系統(tǒng)對輸入信號依然有很好的跟隨性。系統(tǒng)投運(yùn)一年的運(yùn)行結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)在負(fù)荷擾動時(shí)對抑制溫度調(diào)節(jié)的動態(tài)誤差與設(shè)計(jì)意圖基本相符，在負(fù)荷1/3-3/4條件下，電爐調(diào)節(jié)時(shí)間減少了4/5，超調(diào)量降低了2/3，較好的解決了20T電弧爐升級過程中控制滯后問題。

5 結(jié)論

對于被控對象的過程控制大滯后問題，采用常規(guī)的PID控制系統(tǒng)往往不能達(dá)到要求的控制效果，采用典型的Smith預(yù)估純滯后補(bǔ)償方法，理論上控制品質(zhì)可以改善，但是，Smith預(yù)估純滯后補(bǔ)償對被控對象模型的進(jìn)度及穩(wěn)定性要求很高，由于電弧爐的時(shí)變特征，導(dǎo)致實(shí)際上電爐輸出的穩(wěn)定性差。實(shí)踐表明：采用自適應(yīng)純滯后補(bǔ)償控制方法，控制系統(tǒng)PID增益隨被控對象特性改變自動調(diào)整，適應(yīng)被控對象特性的變化，可以較好地解決過程控制大滯后問題。

［1］田玉楚.大時(shí)滯工業(yè)控制雙控制其結(jié)構(gòu)［J］.自動化學(xué)報(bào),1999.25（6）122-124.

［2］花凱哲.電弧爐的閉環(huán)工業(yè)控制［J］.工業(yè)加熱.1991.（2）.45-47.

［3］李江全.測控應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：人民郵電出版社2007.