精煉爐電極控制系統的優化

田海 姚震宇 閆兆陽 郭林威

摘 ?要：鋼包精煉爐精煉的過程中，電極控制系統是鋼包精煉爐控制系統的核心，采用傳統的PID、模糊控制方式無法對電極的升降實現精準的控制。把模糊控制器與PID控制器并聯控制系統運行，利用FUZZY-PID控制器控制，當誤差過大時用模糊控制器進行控制，使系統更加穩定運行;如果誤差過小則利用PID控制器控制，可減小穩態誤差。利用MATLAB/Simulink進行仿真，FUZZY-PID控制器的穩態性能得到極大提高。

關鍵詞：鋼包精煉爐;電極控制;FUZZY-PID控制

中圖分類號：TF345 ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：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

電極調節器是精煉爐設備的核心，通過電極調節器調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度保持恒定[1]。電弧長度和電弧阻抗的改變會引起電弧功率發生變化。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為固定值，那么電弧功率的值只與電弧阻抗有關。所以說，保證最佳用電情況下，電機調節器的重點是調節電極保證電弧長度在規定的安全范圍之內。要讓電弧長度不發生改變，需要電極調節器調節每個電極的弧隙長度，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來進行電弧加熱，是研究者們迫切解決的問題。

由計算推導可以確定出設定系統是在一種理想狀態之下。在電極加熱拉弧過程中，電極中電弧電流和電弧電壓的關系可以理解為電弧長度之間的關系，從而得出電流和電壓對應情況下弧長之間的聯系，繼而我們可知三相電極之間的對應關系和各相阻抗有關聯，所以可以得出阻抗的變化量與弧長變化量存在聯系。在實際生產控制工藝流程中，液壓系統設備和機械設備參數不同，鋼種的區別、不同的加熱階段等等條件都對電弧長度產生影響，并且電級調節器是一個具有多個變量、滯后效應、時變效應、非線性以及強耦合性的系統。故而，綜合考慮諸多因素，無法建立完整的電極調節系統數學模型，采用PID調節難以達到理想效果。

2 傳統控制方式

在工業中PID控制與模糊控制[2]是常見的控制方式。在閉環反饋控制中系統會設定一個給定值，經過PID控制器會產生設定值與實際值的偏差，偏差可以通過PID控制器調節。通過比例調節觀測出偏差信號，如有偏差，則控制輸入與輸出的誤差信號成比例，減小誤差。比例微分調節能夠提前抑制誤差，優化系統的動態特性。常規PID控制器有很多的優點，它的結構簡單、穩定性強，更容易滿足電極調節系統非時變的情況，當運用到時變系統中，會使系統控制的穩定性減弱。PID控制必須設置參數，通過湊試法對參數預整定。整定過程中參數是不變的，而電極調節器具有時變性，控制參數需要滿足控制要求實時改變。PID控制的算法相對簡單，很多情況下不能滿足控制要求。模糊控制器的結構簡單，不用構造被控制對象數學模型，但控制精度不高，模糊控制規則確立后不能在線調整。故在此將PID控制器與模糊控制器結合構成模糊PID控制器對系統進行控制，大大提高了系統的穩態精度。通過PLC來實現FUZZY-PID控制器的控制，在電極升降調節過程中，利用PLC來控制PID調節器、模糊控制器，使兩者可以自由切換，提高系統穩定性。

3 精煉爐電極調節 FUZZY-PID的控制系統

FUZZY-PID控制器由模糊控制器和PID控制器組成，利用編寫的程序來調整兩者的控制方式。誤差過大的時候，使用模糊控制器進行控制，以此來克服外界不利因素的影響，使系統更加穩定的運行;誤差過小的時候，使用PID控制器進行控制，使系統穩態誤差消失[3]。

模糊控制器有兩個輸入變量，阻抗偏差和阻抗偏差變化率。模糊控制器產生的輸出調節PID控制器的三個參數，即Kp、Ki、Kd。控制過程中偏差和偏差變化率在實時變化，為了消除偏差，我們需要對PID控制器的三個參數整改，整改后產生的輸出信號作用于被控對象，使被控對象的動、靜態性能得到提高。

3.1 控制系統的網絡結構與配置

精煉爐控制系統中包括多個組成部分，電極升降系統、加料上料系統、底部吹氬系統、水冷系統等。上述系統包含了測量變送器、控制器、執行器等，組成了整個系統的控制系統。經過了市場調查，我們從安全、可靠性進行對比，利用Profibus現場總線結構作為系統控制網絡。

西門子S7-1500PLC作為控制系統的主站。它通過PN 網絡與控制中心PC連接通訊，可以實現數據的傳送。主站與從站之間通過Profibus-DP總線進行通訊并進行數據交換。主站是整體控制的核心部分。西門子S7-1500作第1類主站，型號為CPU1511-1PN，第2類主站是控制中心PC，PC機上安裝了西門子軟件平臺Totally Integrated Automation Portal V14 SP1，其中還有組態用到的GSD文件。西門子S7-1500PLC在這里主要用于監控系統運行、數據歸檔保存、功能設定、報表打印、故障判斷報警。

控制網絡中包括三類從站。（1）是西門子S7-1200PLC，由S7-1200 CPU1214C DC/DC/DC、通訊模塊CM1243-5、模擬量、數字量輸入輸出模塊構成，主要用于電極升降系統的控制，模糊控制就是在S7-1200PLC中計算運行，模糊控制產生的輸出信號作用于比例閥，通過調節閥門的開度來調節液壓缸的升降從而帶動電極的升降。（2）是變頻器，它自身裝有DP通訊接口，可以和主站進行通訊。利用變頻器可以調整加料和上料的速度。加料的數量轉化為輸出功率，利用變頻器把功率輸送至給料電機。（3）是ET200M從站，它包括了ET200M、通訊模塊以及輸入輸出模塊。ET200M實現對加料重量、氬氣流量的采集，經過模糊控制產生模擬量的輸出。加料上料的模擬量輸出用于控制振動給料機加料，由稱量料斗負責稱量。氬氣流量產生的模擬量輸出用于控制調節閥的開度，通過調節閥門開度來改變流量的速度。

3.2 FUZZY-PID控制器的構造

調節電極的位置是過程一個非線性的過程，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，達到更好的控制效果。在不同的電極位置，對控制器的要求如下：（1）若電極處于非起弧狀態，電極升降的速度需要加快。（2）若電極處于起弧狀態，則應具備較高的反應速度和快速跟蹤的性能。（3）三相電極中當有某個電極的弧長接近預設的弧長時，應具備較高的控制精度。（4）底部吹氬的過程中，會發生擾動現象，需要更加精準的控制，若精度太低則會發生電極短路。

根據上面的不同狀態，FUZZY-PID控制器主要控制如下：（1）三相電極起弧狀態下，偏移量偏大，此時需要電極與鋼液放電產生電弧對鋼液加熱，故起弧時應當加快電極下降的速度，電極與鋼液之間的距離接近時弧流會增大。當產生電弧開始加熱時，同時會接通底部吹氬裝置，由于底吹氬氣的攪拌作用會引起液面的波動，負偏移量也會增大，電極若不能快速反應，則會導致短路。電極的控制過程需要電極有較快的反應速度，經過模糊PID控制器可以加快電極反應速度，使電極能夠快速下降或上升以達到控制鋼液溫度的目的。（2）利用PID的控制，能夠加強控制精度可實現對控制精度的提高。（3）電弧對鋼液中的渣料加熱時，要求更高的控制精度，利用PID控制，能夠滿足對控制精度的要求。

模糊控制器的構造：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，經過模糊化、模糊推理、清晰化，產生輸出變量u來控制電極升降。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的選取會引起超調量改變，Kec的選取也會引起超調量變化，Ku的改變會造成系統振蕩。所以我們要根據系統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，建立各變量的語言值和隸屬函數，最后根據控制要求搭建合適的模糊規則表。

4 FUZZY-PID復合控制器的仿真

（1）模糊推理系統的建立。打開MATLAB會出現命令行窗口，命令行窗口輸入fuzzy會顯示出Fuzzy Logic Designer，左上方點擊Edit出現Add Variable，在上面可以添加輸入變量和輸出變量的論語范圍并且能夠設置e、ec、u的隸度函數。（2）模糊控制規則。在打開Edit中的rules，會出現“IF…THEN”形式的模糊控制規則，將它保存到自定義的文件中。（3）仿真框圖的建立。在Matlab右上方點擊Simulink 進行模糊控制的仿真。（4）模糊-PID控制器與PID控制器仿真對比結果。

5 結論

從以上分析我們可以發現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定。通過FUZZY-PID控制器和PID控制器的仿真結果可知FUZZY-PID控制器的穩態性能更加優越，能夠更好地控制電極的升降。

參考文獻：

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

[2]李士勇.模糊控制、神經控制和智能控制論[M].哈爾濱工業大學出版社，1998.

[3]王耀南，孫煒.智能控制理論及應用[M].機械工業出版社，2014：40-41.