精煉爐電極控制系統(tǒng)的優(yōu)化

田海 姚震宇 閆兆陽(yáng) 郭林威

摘 ?要：鋼包精煉爐精煉的過(guò)程中，電極控制系統(tǒng)是鋼包精煉爐控制系統(tǒng)的核心，采用傳統(tǒng)的PID、模糊控制方式無(wú)法對(duì)電極的升降實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的控制。把模糊控制器與PID控制器并聯(lián)控制系統(tǒng)運(yùn)行，利用FUZZY-PID控制器控制，當(dāng)誤差過(guò)大時(shí)用模糊控制器進(jìn)行控制，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定運(yùn)行;如果誤差過(guò)小則利用PID控制器控制，可減小穩(wěn)態(tài)誤差。利用MATLAB/Simulink進(jìn)行仿真，F(xiàn)UZZY-PID控制器的穩(wěn)態(tài)性能得到極大提高。

關(guān)鍵詞：鋼包精煉爐;電極控制;FUZZY-PID控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TF345 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2019）28-0112-02

Abstract： In the refining process of ladle refining furnace， the electrode control system is the core of the ladle refining furnace control system. The traditional PID and fuzzy control mode can not accurately control the rise and fall of the electrode. The fuzzy controller and the PID controller are operated in parallel， and the FUZZY-PID controller is used to control the system. When the error is too great， the fuzzy controller is used to control the system， so that the system can run more stably. If the error is too small， the steady-state error can be reduced using PID controller. Through MATLAB/Simulink simulation， the steady-state performance of FUZZY-PID controller is greatly improved.

Keywords： ladle refining furnace; electrode control; FUZZY-PID control

1 概述

電極調(diào)節(jié)器是精煉爐設(shè)備的核心，通過(guò)電極調(diào)節(jié)器調(diào)整電極的位置能夠改變電弧電流和電弧電壓的值，由此可以改變電弧功率的值使電弧長(zhǎng)度保持恒定[1]。電弧長(zhǎng)度和電弧阻抗的改變會(huì)引起電弧功率發(fā)生變化。在這里用到的爐用變壓器屬于降壓變壓器，若將爐用變壓器的二次電壓設(shè)為固定值，那么電弧功率的值只與電弧阻抗有關(guān)。所以說(shuō)，保證最佳用電情況下，電機(jī)調(diào)節(jié)器的重點(diǎn)是調(diào)節(jié)電極保證電弧長(zhǎng)度在規(guī)定的安全范圍之內(nèi)。要讓電弧長(zhǎng)度不發(fā)生改變，需要電極調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)每個(gè)電極的弧隙長(zhǎng)度，使電極與鋼液之間的距離保持在安全范圍。并且確定最好的工作點(diǎn)來(lái)進(jìn)行電弧加熱，是研究者們迫切解決的問(wèn)題。

由計(jì)算推導(dǎo)可以確定出設(shè)定系統(tǒng)是在一種理想狀態(tài)之下。在電極加熱拉弧過(guò)程中，電極中電弧電流和電弧電壓的關(guān)系可以理解為電弧長(zhǎng)度之間的關(guān)系，從而得出電流和電壓對(duì)應(yīng)情況下弧長(zhǎng)之間的聯(lián)系，繼而我們可知三相電極之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系和各相阻抗有關(guān)聯(lián)，所以可以得出阻抗的變化量與弧長(zhǎng)變化量存在聯(lián)系。在實(shí)際生產(chǎn)控制工藝流程中，液壓系統(tǒng)設(shè)備和機(jī)械設(shè)備參數(shù)不同，鋼種的區(qū)別、不同的加熱階段等等條件都對(duì)電弧長(zhǎng)度產(chǎn)生影響，并且電級(jí)調(diào)節(jié)器是一個(gè)具有多個(gè)變量、滯后效應(yīng)、時(shí)變效應(yīng)、非線(xiàn)性以及強(qiáng)耦合性的系統(tǒng)。故而，綜合考慮諸多因素，無(wú)法建立完整的電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，采用PID調(diào)節(jié)難以達(dá)到理想效果。

2 傳統(tǒng)控制方式

在工業(yè)中PID控制與模糊控制[2]是常見(jiàn)的控制方式。在閉環(huán)反饋控制中系統(tǒng)會(huì)設(shè)定一個(gè)給定值，經(jīng)過(guò)PID控制器會(huì)產(chǎn)生設(shè)定值與實(shí)際值的偏差，偏差可以通過(guò)PID控制器調(diào)節(jié)。通過(guò)比例調(diào)節(jié)觀測(cè)出偏差信號(hào)，如有偏差，則控制輸入與輸出的誤差信號(hào)成比例，減小誤差。比例微分調(diào)節(jié)能夠提前抑制誤差，優(yōu)化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。常規(guī)PID控制器有很多的優(yōu)點(diǎn)，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性強(qiáng)，更容易滿(mǎn)足電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)非時(shí)變的情況，當(dāng)運(yùn)用到時(shí)變系統(tǒng)中，會(huì)使系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性減弱。PID控制必須設(shè)置參數(shù)，通過(guò)湊試法對(duì)參數(shù)預(yù)整定。整定過(guò)程中參數(shù)是不變的，而電極調(diào)節(jié)器具有時(shí)變性，控制參數(shù)需要滿(mǎn)足控制要求實(shí)時(shí)改變。PID控制的算法相對(duì)簡(jiǎn)單，很多情況下不能滿(mǎn)足控制要求。模糊控制器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不用構(gòu)造被控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型，但控制精度不高，模糊控制規(guī)則確立后不能在線(xiàn)調(diào)整。故在此將PID控制器與模糊控制器結(jié)合構(gòu)成模糊PID控制器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。通過(guò)PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)FUZZY-PID控制器的控制，在電極升降調(diào)節(jié)過(guò)程中，利用PLC來(lái)控制PID調(diào)節(jié)器、模糊控制器，使兩者可以自由切換，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3 精煉爐電極調(diào)節(jié) FUZZY-PID的控制系統(tǒng)

FUZZY-PID控制器由模糊控制器和PID控制器組成，利用編寫(xiě)的程序來(lái)調(diào)整兩者的控制方式。誤差過(guò)大的時(shí)候，使用模糊控制器進(jìn)行控制，以此來(lái)克服外界不利因素的影響，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定的運(yùn)行;誤差過(guò)小的時(shí)候，使用PID控制器進(jìn)行控制，使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差消失[3]。

模糊控制器有兩個(gè)輸入變量，阻抗偏差和阻抗偏差變化率。模糊控制器產(chǎn)生的輸出調(diào)節(jié)PID控制器的三個(gè)參數(shù)，即Kp、Ki、Kd。控制過(guò)程中偏差和偏差變化率在實(shí)時(shí)變化，為了消除偏差，我們需要對(duì)PID控制器的三個(gè)參數(shù)整改，整改后產(chǎn)生的輸出信號(hào)作用于被控對(duì)象，使被控對(duì)象的動(dòng)、靜態(tài)性能得到提高。

3.1 控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與配置

精煉爐控制系統(tǒng)中包括多個(gè)組成部分，電極升降系統(tǒng)、加料上料系統(tǒng)、底部吹氬系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)等。上述系統(tǒng)包含了測(cè)量變送器、控制器、執(zhí)行器等，組成了整個(gè)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)了市場(chǎng)調(diào)查，我們從安全、可靠性進(jìn)行對(duì)比，利用Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)結(jié)構(gòu)作為系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)。

西門(mén)子S7-1500PLC作為控制系統(tǒng)的主站。它通過(guò)PN 網(wǎng)絡(luò)與控制中心PC連接通訊，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。主站與從站之間通過(guò)Profibus-DP總線(xiàn)進(jìn)行通訊并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。主站是整體控制的核心部分。西門(mén)子S7-1500作第1類(lèi)主站，型號(hào)為CPU1511-1PN，第2類(lèi)主站是控制中心PC，PC機(jī)上安裝了西門(mén)子軟件平臺(tái)Totally Integrated Automation Portal V14 SP1，其中還有組態(tài)用到的GSD文件。西門(mén)子S7-1500PLC在這里主要用于監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行、數(shù)據(jù)歸檔保存、功能設(shè)定、報(bào)表打印、故障判斷報(bào)警。

控制網(wǎng)絡(luò)中包括三類(lèi)從站。（1）是西門(mén)子S7-1200PLC，由S7-1200 CPU1214C DC/DC/DC、通訊模塊CM1243-5、模擬量、數(shù)字量輸入輸出模塊構(gòu)成，主要用于電極升降系統(tǒng)的控制，模糊控制就是在S7-1200PLC中計(jì)算運(yùn)行，模糊控制產(chǎn)生的輸出信號(hào)作用于比例閥，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)液壓缸的升降從而帶動(dòng)電極的升降。（2）是變頻器，它自身裝有DP通訊接口，可以和主站進(jìn)行通訊。利用變頻器可以調(diào)整加料和上料的速度。加料的數(shù)量轉(zhuǎn)化為輸出功率，利用變頻器把功率輸送至給料電機(jī)。（3）是ET200M從站，它包括了ET200M、通訊模塊以及輸入輸出模塊。ET200M實(shí)現(xiàn)對(duì)加料重量、氬氣流量的采集，經(jīng)過(guò)模糊控制產(chǎn)生模擬量的輸出。加料上料的模擬量輸出用于控制振動(dòng)給料機(jī)加料，由稱(chēng)量料斗負(fù)責(zé)稱(chēng)量。氬氣流量產(chǎn)生的模擬量輸出用于控制調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度來(lái)改變流量的速度。

3.2 FUZZY-PID控制器的構(gòu)造

調(diào)節(jié)電極的位置是過(guò)程一個(gè)非線(xiàn)性的過(guò)程，電極在不同的位置要用不同的控制方法，才能較好的控制電極，達(dá)到更好的控制效果。在不同的電極位置，對(duì)控制器的要求如下：（1）若電極處于非起弧狀態(tài)，電極升降的速度需要加快。（2）若電極處于起弧狀態(tài)，則應(yīng)具備較高的反應(yīng)速度和快速跟蹤的性能。（3）三相電極中當(dāng)有某個(gè)電極的弧長(zhǎng)接近預(yù)設(shè)的弧長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)具備較高的控制精度。（4）底部吹氬的過(guò)程中，會(huì)發(fā)生擾動(dòng)現(xiàn)象，需要更加精準(zhǔn)的控制，若精度太低則會(huì)發(fā)生電極短路。

根據(jù)上面的不同狀態(tài)，F(xiàn)UZZY-PID控制器主要控制如下：（1）三相電極起弧狀態(tài)下，偏移量偏大，此時(shí)需要電極與鋼液放電產(chǎn)生電弧對(duì)鋼液加熱，故起弧時(shí)應(yīng)當(dāng)加快電極下降的速度，電極與鋼液之間的距離接近時(shí)弧流會(huì)增大。當(dāng)產(chǎn)生電弧開(kāi)始加熱時(shí)，同時(shí)會(huì)接通底部吹氬裝置，由于底吹氬氣的攪拌作用會(huì)引起液面的波動(dòng)，負(fù)偏移量也會(huì)增大，電極若不能快速反應(yīng)，則會(huì)導(dǎo)致短路。電極的控制過(guò)程需要電極有較快的反應(yīng)速度，經(jīng)過(guò)模糊PID控制器可以加快電極反應(yīng)速度，使電極能夠快速下降或上升以達(dá)到控制鋼液溫度的目的。（2）利用PID的控制，能夠加強(qiáng)控制精度可實(shí)現(xiàn)對(duì)控制精度的提高。（3）電弧對(duì)鋼液中的渣料加熱時(shí)，要求更高的控制精度，利用PID控制，能夠滿(mǎn)足對(duì)控制精度的要求。

模糊控制器的構(gòu)造：模糊控制器的輸入變量為阻抗偏差e和阻抗偏差變化率ec，經(jīng)過(guò)模糊化、模糊推理、清晰化，產(chǎn)生輸出變量u來(lái)控制電極升降。偏差和偏差變化率表示為e和ec，輸出模糊論域變量為u;偏差量化因子、偏差變化率量化因子、輸出比例因子分別表示為Ke、Kec、Ku;Ke的選取會(huì)引起超調(diào)量改變，Kec的選取也會(huì)引起超調(diào)量變化，Ku的改變會(huì)造成系統(tǒng)振蕩。所以我們要根據(jù)系統(tǒng)的控制要求合理選取變量的值。

輸入變量e和ec的論域基本如下：e的基本論域：[-3，-2.，-1，0，1，2，3]，ec的基本論域：[-3，-2.，-1，0，1，2，3]，e的模糊集：{NB， NM， NS， Z， PS， PM， PB}，ec的模糊集：{NB， NM， NS， Z， PS， PM， PB}，u的模糊集為：{NB， NM， NS， Z， PS， PM， PB}，接下來(lái)，建立各變量的語(yǔ)言值和隸屬函數(shù)，最后根據(jù)控制要求搭建合適的模糊規(guī)則表。

4 FUZZY-PID復(fù)合控制器的仿真

（1）模糊推理系統(tǒng)的建立。打開(kāi)MATLAB會(huì)出現(xiàn)命令行窗口，命令行窗口輸入fuzzy會(huì)顯示出Fuzzy Logic Designer，左上方點(diǎn)擊Edit出現(xiàn)Add Variable，在上面可以添加輸入變量和輸出變量的論語(yǔ)范圍并且能夠設(shè)置e、ec、u的隸度函數(shù)。（2）模糊控制規(guī)則。在打開(kāi)Edit中的rules，會(huì)出現(xiàn)“IF…THEN”形式的模糊控制規(guī)則，將它保存到自定義的文件中。（3）仿真框圖的建立。在Matlab右上方點(diǎn)擊Simulink 進(jìn)行模糊控制的仿真。（4）模糊-PID控制器與PID控制器仿真對(duì)比結(jié)果。

5 結(jié)論

從以上分析我們可以發(fā)現(xiàn)精煉爐電極控制若使用FUZZY-PID控制器控制能夠使電極的升降變得更加穩(wěn)定。通過(guò)FUZZY-PID控制器和PID控制器的仿真結(jié)果可知FUZZY-PID控制器的穩(wěn)態(tài)性能更加優(yōu)越，能夠更好地控制電極的升降。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬廷溫.電弧爐煉鋼學(xué)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1990：89-95.

[2]李士勇.模糊控制、神經(jīng)控制和智能控制論[M].哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998.

[3]王耀南，孫煒.智能控制理論及應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2014：40-41.