鋼包精煉爐電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(jì)的快速發(fā)展，對鋼材的要求越來越高，越來越嚴(yán)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(diǎn)，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(diǎn)，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。

1 鋼包精煉爐的電極調(diào)節(jié)器

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(zhǔn)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(dá)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(diǎn)來進(jìn)行電弧加熱，是長期以來各國專家研究的重點(diǎn)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(qiáng)耦合特性的系統(tǒng)。通過計(jì)算推導(dǎo)，在電極進(jìn)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(jìn)而可知阻抗的變化量與弧長變化量之間的關(guān)系。在實(shí)際控制中，液壓系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)、機(jī)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。

2 傳統(tǒng)的控制方式

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(jìn)行設(shè)定，通過湊試法、擴(kuò)充響應(yīng)曲線法或者擴(kuò)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(diǎn)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(diǎn)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(jìn)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。

3 精煉爐電極調(diào)節(jié)模糊-PI控制系統(tǒng)

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(jì)方案，也不過是根據(jù)精煉爐的不同冶煉特點(diǎn)進(jìn)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。

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

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(jī)和下位機(jī)兩部分：上位機(jī)為控制中心的PC，主要有數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控以及算法計(jì)算等功能；下位機(jī)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(shí)現(xiàn)對鋼包精煉爐的實(shí)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。控制網(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(shí)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(jì)量與保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)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(shí)現(xiàn)PI控制器的功能。同樣，通過PLC系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)模糊控制器。

3.2 模糊-PI控制器的構(gòu)造

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(jìn)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(diǎn)，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(qiáng)擾動，需要較準(zhǔn)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(fù)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(dá)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(diǎn)為控制精度。通過PI的控制，可實(shí)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

3.3 模糊控制器

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(jìn)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(jìn)行考慮，最終確定各個取值。

輸入變量e的基本論域?yàn)?/p>

輸入變量ec的基本論域?yàn)?/p>

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(yàn)確定合適的模糊規(guī)則表[6]。

4 模糊-PI復(fù)合控制器的仿真

1）模糊推理系統(tǒng)的建立

在Matlab命令窗口中點(diǎn)擊fuzzy的選項(xiàng)進(jìn)入模糊邏輯工具箱，在FIS Editor窗口中Edit選項(xiàng)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(diǎn)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(diǎn)擊進(jìn)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

5 結(jié)語

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。

[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]劉小河，程少庚，蘇文成.三相電弧爐電氣系統(tǒng)的模型探討[J].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1988，4（1）：76-85.

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

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

[5]李正國，羅安，陳瑞諾.智能集成控制在大功率電弧爐系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].信息與控制，2003，32（4）：309-313.

[6]黃輝先.WEN Long-yue一類大滯后時間系統(tǒng)的智能PID控制[J].湘潭大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30（3）：121-125.

[7]Zadeh L.A Fuzzy Sets and Their Application[M].New York：Academic Press，1975.

[8]趙導(dǎo)，齊曉慧.模糊-PI雙模控制與模糊控制的仿真比較[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2009，9（11）：3097-3100.

[9]Tardiff D，Barton T H.A summary of resonant snubber circuits for transistors and GTOs[R].Industry Applications Society Annual Meeting，1989：1176-1180.