田 海,趙 芳
(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院,包頭 014010)
近幾年來,伴隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展,對鋼材的要求越來越高,越來越嚴格,這樣對煉鋼的生產(chǎn)率、鋼的種類、純凈度、質(zhì)量以及成本也提出了新的要求,因此冶煉技術(shù)的提高尤為重要。爐外精煉技術(shù)較爐內(nèi)精煉技術(shù)而言,具有產(chǎn)量更大、質(zhì)量更高、生產(chǎn)成本較少、環(huán)境的污染較輕等優(yōu)點,使其在鋼鐵行業(yè)中迅速的發(fā)展起來。鋼包精煉爐是一種鋼水爐外精煉技術(shù),擁有易操作、成本低、冶金質(zhì)量好、冶煉用途廣泛等特點,使其成為鋼鐵界的新寵,應(yīng)用十分廣泛。鋼包爐的電極調(diào)節(jié)器的控制在鋼包精煉爐控制系統(tǒng)中占據(jù)著重要地位。
包頭煉鋼廠(包頭鋼鐵股份有限公司)內(nèi)的鋼包精煉爐公稱容量為210 t,平均處理鋼水210 t。在整個冶煉過程中,電極升降調(diào)節(jié)系統(tǒng)起關(guān)鍵作用,而電極的調(diào)節(jié)對于電弧功率的穩(wěn)定也是非常重要的,精煉爐的電功率與電弧長度有關(guān)。在精煉爐的加熱過程中,電弧放電間隙變化頻繁,如果偏離正常工作狀態(tài)就會出現(xiàn)各種偏差現(xiàn)象,導(dǎo)致電弧長度改變,從而使精煉爐的輸入功率發(fā)生變化,破壞精煉工藝。另外,電極與鋼包爐包壁損耗、冶煉效率、加熱效率、升溫速率都有關(guān)系。
電極調(diào)節(jié)器的主要作用是使電弧功率穩(wěn)定在一定范圍[1]。鋼包爐的功率數(shù)值由電弧長度[2]、電弧的等效電阻決定,而當(dāng)鋼包爐變壓器的二次電壓為定值時,僅由電弧的等效電阻決定。如果電弧變化,輸入功率會隨之變化,工藝規(guī)范則遭到破壞。因此,在最佳用電的標(biāo)準下,調(diào)節(jié)電極以保持規(guī)定的電弧長度是關(guān)鍵。保持弧長不變,可通過調(diào)節(jié)每個電極的弧隙長度,即通過移動電極或者改變電極位置來達到目的。由此,通過對三相電極與鋼水液面位置的控制,使電弧長度保持一定的數(shù)值,找到最佳的工作點來進行電弧加熱,是長期以來各國專家研究的重點目標(biāo)。
電極調(diào)節(jié)器是一個具有多變量、滯后、時變、非線性、強耦合特性的系統(tǒng)。通過計算推導(dǎo),在電極進行加熱拉弧過程中,理想情況下,系統(tǒng)中電流與電壓的關(guān)系歸結(jié)為與弧長之間的關(guān)系,由此可知電流與電壓對應(yīng)的弧長關(guān)系;三相電極之間的對應(yīng)關(guān)系與各相阻抗有關(guān),進而可知阻抗的變化量與弧長變化量之間的關(guān)系。在實際控制中,液壓系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)、機械設(shè)備參數(shù)、鋼的種類、加熱過程階段、吹氬條件下的狀況、電網(wǎng)電壓的波動、鋼包的冷熱程度等都會影響電弧長度。
隨著鋼包爐的發(fā)展,PID控制器以及模糊控制器已取得廣泛應(yīng)用。
采用PID控制,需要對PID控制器的參數(shù)進行設(shè)定,通過湊試法、擴充響應(yīng)曲線法或者擴充臨界比例度法對PID參數(shù)預(yù)整定。這些方法確定的PID參數(shù),在整個過程中都是不變的,無法跟隨系統(tǒng)做出相應(yīng)的調(diào)整。而電極調(diào)節(jié)器是一個具有時變特點的系統(tǒng),要求PID控制參數(shù)應(yīng)隨著系統(tǒng)變化而做出調(diào)整。PID控制算法僅僅是基于數(shù)學(xué)模型的控制算法,適用于模型參數(shù)為非時變的情況,不適用于參數(shù)時變的系統(tǒng)模型,不能滿足鋼包精煉爐電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制要求。
模糊控制器的系統(tǒng)簡單且透明,不需要建立被控制對象的數(shù)學(xué)模型,但由于沒有積分環(huán)節(jié),穩(wěn)態(tài)精度不高,而且控制規(guī)則一旦確定,無法在線調(diào)整,不能很好地根據(jù)情況做出相應(yīng)的變化,同樣也不適用于具有時變特點的電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
針對上述情況,在PI控制器的基礎(chǔ)上加入模糊控制器[3],對鋼包精煉爐的電極控制系統(tǒng)使用模糊-PI復(fù)合控制器進行控制,同時將動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)精度兩方面的性能完美結(jié)合。
模糊-PI控制器由模糊控制器和PI控制器并聯(lián)而成,通過控制程序?qū)崿F(xiàn)兩者間的切換。模糊控制器在系統(tǒng)誤差較大時被接通,用于克服不確定因素的影響,以便獲得良好的動態(tài)性能;PI控制器在系統(tǒng)誤差較小時接通,以消除穩(wěn)態(tài)誤差[4]。
近年來,對于精煉爐的控制,模糊控制、PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等多種控制[5]方式都有所采用,其控制器均為單模型控制。采用多模型控制的設(shè)計方案,也不過是根據(jù)精煉爐的不同冶煉特點進行控制,在不同的冶煉期采用不同的控制模型。在此通過了解,不同的電極位置對控制精度以及靈敏度的要求不同,對電極的控制過程是一個非線性的過程,故采用模糊-PI復(fù)合控制器,通過多模型控制方法,用多個線性模型逼近非線性過程。
鋼包精煉爐采用PLC控制。PLC的控制系統(tǒng)為主從式控制系統(tǒng),有上位機和下位機兩部分:上位機為控制中心的PC,主要有數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控以及算法計算等功能;下位機為PLC,主要功能為數(shù)據(jù)采集、邏輯判斷以及輸出信號。兩者共同實現(xiàn)對鋼包精煉爐的實時監(jiān)控。
精煉爐的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)控制的網(wǎng)絡(luò)核心選用基于西門子PLC系統(tǒng)的Profibus現(xiàn)場總線體系??刂凭W(wǎng)絡(luò)主要由西門子S7-300和PC上的Wincc 6.0組態(tài)軟件組成。從站由西門子S7-300 PLC、通訊模塊IM 153-1和現(xiàn)場I/O站ET 200組成?,F(xiàn)場I/O站ET 200實現(xiàn)對弧壓、阻抗、弧流信號的采集,其后根據(jù)采集到的信號驅(qū)動液壓缸的移動從而驅(qū)動電極,調(diào)節(jié)電極與鋼水之間的位置。通過PLC對鋼包精煉爐的加料系統(tǒng)、上料系統(tǒng)、吹氬系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、高壓主回路計量與保護系統(tǒng)進行控制。
圖1 精煉爐的控制網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Control network diagram of the refining furnace
西門子S7-300 CPU 315-2DP內(nèi)有許多的PID模塊,通過PID編程向?qū)Щ蛘叨xPID控制回路的參數(shù),以及填寫PID控制回路的參數(shù),可以形成PI控制器。采用離散化位置式的功能塊FB41,可實現(xiàn)PI控制器的功能。同樣,通過PLC系統(tǒng)可實現(xiàn)模糊控制器。
電極位置的調(diào)節(jié)是一個非線性的過程,電極在不同的位置,對精度和靈敏度有著不同的要求。具體如下:
(1)非起弧狀態(tài)下的電極,要求電極有較快的速度進行升降,要求有較高的響應(yīng)速度。
(2)起弧初始狀態(tài)下的電極,要求有快速跟蹤的特點,需要有較高的響應(yīng)速度。
(3)接近目標(biāo)弧長的電極,要求有較高的控制精度。
(4)吹氬條件下會出現(xiàn)強擾動,需要較準地調(diào)節(jié),要求有較高的控制精度,否則可能發(fā)生電極短路。
在不同的電極位置,相應(yīng)地采用不同的控制方法,模糊-PI控制器的具體控制如下:
(1)在電極剛下降的時候,此時偏移量比較大,電極與鋼液面之間尚未產(chǎn)生電弧,需要提高起弧的速度,電極需要較快的速度下降。起弧后,吹氬會使鋼液面的起伏較大,此時負偏移量也會較大,如果電極不能做出快速反應(yīng),可能導(dǎo)致短路。因此,需要較快的響應(yīng)速度,對控制精度的要求不高。通過模糊控制器的控制,加快響應(yīng)速度,達到快速調(diào)整的目的。
(2)電極的起弧長度接近目標(biāo)弧長時,吹氬的影響相對較小,相對于反應(yīng)速度,重點為控制精度。通過PI的控制,可實現(xiàn)對控制精度的提高。
(3)白渣精煉時,爐況較穩(wěn)定,但需要有更高的控制精度,同樣切換為PI控制。通過PI控制可滿足對控制精度的高要求。
模糊-PI控制器的控制算法流程如圖2所示。
圖2 模糊-PI控制器控制算法流程Fig.2 Fuzzy-PI controller control algorithm flow chart
采用的模糊器為二維模糊器,電流偏差e、電流偏差變化率ec作為模糊器的輸入變量,將模糊器進行模糊化、模糊邏輯推理、解模糊化等一系列操作,最后得到模糊控制器輸出控制量即電極升降位移量u。
系統(tǒng)偏差與偏差變化率分別由語言變量模糊集合E和EC表示,輸出模糊論域變量為U;系統(tǒng)偏差的量化因子、系統(tǒng)偏差變化率的量化因子以及輸出比例因子分別為Ke,Kec,Ku。系統(tǒng)偏差的量化因子、系統(tǒng)偏差率的量化因子以及輸出比例因子的取值不同,對控制器的影響極大,Ke選擇的不同,會影響系統(tǒng)的超調(diào);Kec的取值不同,同樣會改變系統(tǒng)的超調(diào),對系統(tǒng)的響應(yīng)也會有區(qū)別;Ku的取值不合適時,有可能影響系統(tǒng)的振蕩。因此,每個變量的取值需要綜合多方面進行考慮,最終確定各個取值。
輸入變量e的基本論域為
輸入變量ec的基本論域為
輸入變量e的模糊集為
輸入變量ec的模糊集為
控制量u的模糊集為
之后,確定各變量的語言值及其隸屬函數(shù),并且根據(jù)工作人員的專業(yè)知識和操作經(jīng)驗確定合適的模糊規(guī)則表[6]。
1)模糊推理系統(tǒng)的建立
在Matlab命令窗口中點擊fuzzy的選項進入模糊邏輯工具箱,在FIS Editor窗口中Edit選項下輸入輸入變量、輸出變量的論域范圍,設(shè)定e、ec、u的隸屬函數(shù)等。
2)模糊控制規(guī)則的建立
點擊Edit菜單下的rules,打開模糊規(guī)則編輯器,編輯“IF…THEN”形式的模糊控制規(guī)則,并保存在自定義的文件中[7]。
3)仿真框圖的建立
點擊進入Simulink環(huán)境,建立模糊-PI復(fù)合控制器的仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[8],如圖3所示。
圖3 模糊-PI復(fù)合控制器Simulink仿真模型FFig.3 Fuzzy-PI compound controller Simulink simulation model
4)仿真結(jié)果的對比
模糊-PI復(fù)合控制器與PID控制器的仿真[9]結(jié)果對比如圖4所示。
圖4 仿真結(jié)果對比Fig.4 Simulation results comparison
對于鋼包精煉爐的電極控制,采用模糊-PI復(fù)合控制器,多個控制器在不同的情況下使用,可以更好地控制電極升降。對比模糊-PI控制器以及PID控制器在Matlab、Simulink環(huán)境下的仿真結(jié)果,模糊-PI控制器在動態(tài)性能,穩(wěn)態(tài)性能方面都有較好的控制效果。
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