基于模糊控制的煉鈦電弧爐熔速控制系統(tǒng)改造

李 波；楊 恒

（1.西安建筑科技大學(xué)機電工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2.寶雞鈦業(yè)有限公司，陜西 寶雞 721000）

在冶煉鈦鋯鉿以及其他的稀有金屬與其合金時，需要依靠先進技術(shù)設(shè)備來保證品質(zhì)。當(dāng)前較為先進的是利用真空自耗電弧爐對其進行冶煉，這種技術(shù)直觀影響到產(chǎn)品生產(chǎn)的效率以及質(zhì)量問題。

在整個冶煉過程中更為重要的是對熔速技術(shù)的控制，熔速的控制技術(shù)中存在強耦合以及非線性的一些問題，需要提高其控制技術(shù)的精確性以及穩(wěn)定性[1,2]。這是冶煉技術(shù)中非常重要的一個環(huán)節(jié)，也是非常有必要的。

1 熔速控制系統(tǒng)描述與建模

1.1 總體描述

本文研究的電弧爐為寶雞有色金屬加工廠生產(chǎn)的ZH—6000，6T真空自耗電極電弧爐。該爐現(xiàn)為寶鈦集團煉鈦車間中的8#爐，相較于其他生產(chǎn)設(shè)備屬于雖然電弧爐的類型及大小種類很多，不同生產(chǎn)廠家在系統(tǒng)設(shè)計及表現(xiàn)上有所不同，但整體的控制方案基本是一致的。

其主要控制系統(tǒng)由工控機加（S7 400，主站、從站）組成，系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)還包括伺服控制器，熔速檢測裝置，整流電源以及其他附屬傳感設(shè)備。上位與PLC通過PROFIBUS-DP協(xié)議進行通訊，與檢測類裝置通過RS485協(xié)議通訊，可以有效保證電弧爐工作的高效性與穩(wěn)定性[3-5]?？刂葡到y(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 真空自耗電弧爐控制框圖

對于控制效果的優(yōu)劣性，僅需要對于同一型號的電弧爐在控制策略改變前后的生產(chǎn)效果。對不同廠家不同型號的電弧爐在成本，設(shè)備條件及應(yīng)用方面差別較大，一般不具備性能上的比較條件。因此本文僅對ZH—6000型電弧爐進行研究與改進。

1.2 熔速控制系統(tǒng)建模

真空電弧爐控制系統(tǒng)主要包含兩個控制回路：電弧控制與熔速控制。兩個控制回路都屬于有反饋量的閉環(huán)控制，因此在控制方式上均采用PID控制方法。

兩個回路存在耦合關(guān)系。電弧回路通過弧壓對電流的非線性關(guān)系影響熔速的電流控制。熔速回路通過電極重量的變化來影響弧壓的輸出。

在生產(chǎn)中熔速率的表征就是鈦錠電極在電弧作用下的熔化速度。電弧控制的優(yōu)劣會決定熔化的速度。但實際而言，電弧的控制幾乎是穩(wěn)定的，少量的掉塊情況也很少對弧壓造成很大的波動。熔速率的控制是根據(jù)鈦錠電極重量單位時間的變化率來決定的。電弧品質(zhì)的優(yōu)良會很微小的影響爐內(nèi)的溫度的變化從而影響熔速率。圖3是剝離出來的熔速控制框圖。

圖2 熔速控制等效框圖

值得說明的是，熔速控制回路中不單單只有對熔速對象（稱重系統(tǒng)）的控制，還有對系統(tǒng)電流環(huán)的控制。本文研究的電弧爐系統(tǒng)采用增量式PID進行控制[6,7]。合理的調(diào)節(jié)PID控制器性能，在線整定控制參數(shù)是提高電弧爐熔速控制性能的核心。

熔速控制中的電流環(huán)是指系統(tǒng)中的整流濾波。為了簡化起見，不設(shè)入電流環(huán)中瞬態(tài)沖擊電壓，電流值對系統(tǒng)的作用，只關(guān)心涉及到的直流電路中的弧壓與電流，那么電流環(huán)可等效為一階模型如下：

其中，Kr、Tr分別為整流濾波電路的放大倍數(shù)與時間常數(shù)。

電弧爐熔速是由電極稱重設(shè)備獲得的，具體是由單位時間自耗型電極的重量變化計算的。熔速對象包括熔速檢測與重量數(shù)據(jù)采集后的一些濾波處理組成，其特性為一階慣性環(huán)節(jié)：

其中，Ts為稱重系統(tǒng)的時間常數(shù)。

2 模糊控制與simulink仿真

2.1 模糊理論及模糊控制器設(shè)計

Fuzzy-PID（模糊PID）控制的基本原理是利用模糊理論來對kp、ki、kd進行一定隸屬度的判斷與賦值[8-10]。真空自耗型電弧爐系統(tǒng)中，熔速的控制需要將輸入信號的誤差及誤差信號的變化作為Fuzzy-PID的輸入量。

并根據(jù)建立的隸屬度函數(shù)，規(guī)則分類以及模糊推理來完成參數(shù)的調(diào)整與輸出。熔速控制回路的Fuzzy-PID框圖如圖3所示。

圖3 自耗電弧爐Fuzzy-PID熔速控制器

熔速Fuzzy-PID控制器包含5個變量：系統(tǒng)偏差e及其變化率ec，PID的三個參數(shù)kp、ki、kd。本文對五個變量選用的基本論域都為5級，分別為：[NL、NS、ZE、PS、PL]，表示負大，負小，0，正小，正大。根據(jù)輸入階躍信號的變化e、ec、kp、ki、kd的基本論域分別為 ：[0，1]、[0，1]、[0，1.6]、[0.6，2]、[1，2]。

2.2 simulink仿真及分析

建立完成模糊控制器的設(shè)置后，將控制器保存為調(diào)用文件。在simulink中建立模糊控制器下的熔速控制模型，調(diào)用建立好的熔速Fuzzy-PID，建立后的simulink下熔速控制模型如圖4所示。

根據(jù)當(dāng)前的生產(chǎn)狀況，8#爐熔速控制系統(tǒng)的PID控制參數(shù)一般取值如下圖所示。對于電流環(huán)而言，取放大系數(shù)，取整流濾波的時間常數(shù)為。

對于熔速控制對象，取。由于熔速控制是一個滯后系統(tǒng)，因此仿真過程需要增加一個系統(tǒng)延遲，延遲時間根據(jù)實際測量，設(shè)置為5s。

圖4 simulink下的熔速控制回路模型

單位階躍輸入下的熔速系統(tǒng)響應(yīng)仿真圖如圖5所示。為了方便比對，本文將原系統(tǒng)模型的階躍響應(yīng)與模糊響應(yīng)放在同一仿真圖中。

通過坐標(biāo)計算可以得出BPNN算法響應(yīng)的超調(diào)量和穩(wěn)定時間分別為：31.0%和17.96s。較原系統(tǒng)的超調(diào)量下降了17.2%，穩(wěn)定時間也縮短了5.63s。

圖5 Fuzzy-PID與原系統(tǒng)控制下的響應(yīng)圖

3 結(jié)語

本文通過分析現(xiàn)有自耗型真空電弧爐的控制特性，建立了一種Fuzzy-PID來實現(xiàn)熔速控制回路的參數(shù)整定。通過simulink搭建模型得到仿真結(jié)果，比對顯示，改進后的熔速控制回路在系統(tǒng)超調(diào)與穩(wěn)定性方面均有所提升，為電弧爐的發(fā)展提供了一定的參考。