稀有金屬真空熔煉熔速控制的研究

范曉晶，尉 龍

（1.西安建筑科技大學機電工程學院，陜西 西安 710055；2.寶雞鈦業股份有限公司，陜西 寶雞 721014）

真空自耗電弧爐是用于冶煉鈦、鋯、鉿等稀有金屬的重要設備之一，真空自耗電弧爐的熔煉穩定性是直接影響其產品質量及生產效率的基礎。因此，通過正確的控制方法，用于解決熔速的控制問題，例如耦合性強、滯后性、非線性等，提高真空自耗電弧爐的熔速控制的精準性和效率是十分必要的。對此，本文開展基于模糊控制真空自耗電弧爐熔速控制的研究。

1 爐熔速控制系統模型分析與描述

（1）熔速控制系統總體描述。熔速控制系統的實質是控制熔煉電弧的動態特性，從而實現電弧爐穩定、高效的運行。

圖1 熔速控制系統總體結構圖

由圖1探知，影響熔煉電弧的關鍵因素是弧壓和弧流，弧壓主要是利用控制自耗電極的上升、下降控制弧長；弧流是利用對整流電源的輸出調節實現對電流的控制。熔煉中電弧長度即弧壓幾乎不變，電流大小決定熱量多少，電弧熱量使電極熔化，但由于熱滯后性，所以通過電弧的加熱慣性改變電流的大小，從而影響電弧爐熔化的速率，從而構成圖1中的電流-融化速率的控制系統。

（2）熔速控制系統建模。由于電極在加熱的過程需要一定的時間，因此熔速存在滯后性以及慣性大的兩個劣勢，同時電流的改變會使電機的加熱過程變成有穩定形態轉變為另一種穩定形態的過程。因此，熔速與電流之間存在的關系可以用下述公式表示：

公式（1）中，W（s）表示為熔速的拉氏變換；τ表示為融化電流的拉氏變換；表示為延遲時間；T表示為時間常數；K表示為比例常數系數。當公式（1）中控制系統的增益值K為0.002、慣性時間常數T為20s、延遲時間為τ6s時，可將公式（1）看作是熔速控制系統的模型。

2 真空自耗電弧爐熔速控制策略

2.1 常規控制系統

（1）PID控制方法原理。PID控制器是一種線性的負反饋控制方法，PID控制方法的原理可用下述公式表示：

公式（2）中，c（x）表示為PID控制器輸出值；ρ表示為比例系數；w（x）表示為PID控制器輸入值；X表示為積分時間常數。公式（2）中比例系數和積分時間常數的變化對PID控制器的影響相對較大。當PID控制器一旦出現控制偏差，比例環節會立即將控制系統的偏差信號反應出來，以最快的速度對控制器產生控制作用，將偏差降到最低。積分時間常數主要作用是清除控制系統中產生的靜差，從而提高控制系統的無差度。

（2）PID控制方法特點。PID控制是根據被控制的對象特性為基礎，按照比例、積分以及微分控制等環節的相互作用，對于整個控制系統而言，此方法的優勢①控制原理相對簡單，實操方便，直接通過改變控制參數實現對控制效果的改變；②可廣泛用于不同屬性的被控制設備；③控制算法的魯棒性強，其控制能力對被控制的設備的變卦具有良好的抑制效果。

2.2 模糊控制理論

（1）模糊控制系統組成。在控制系統中，根據輸入量的變化以及輸出量的變化個數，將常規控制系統和模糊控制系統均分為單變量控制和多變量控制。在單變量控制系統中將控制輸入量作為被控制的真空自耗電弧爐的維數，則模糊控制系統的組成包括一維模糊控制器、二維模糊控制器和三維模糊控制器，其輸入量分別為受控制的變量與給定數值的差；輸入量給定的差值與偏差的變化量；控制系統自身的偏差及偏差的變化率。而多變量模糊控制系統主要依靠多變量模糊控制器，實現對熔速系統的模糊控制。

（2）模糊控制的優勢。模糊控制是將模糊理論運用于工程控制中的技術，將控制理論中的數學變量轉換為語言半量的形式，利用模糊理論的條件作為控制變量之間的函數關系描述，利用模糊理論的推理方法對熔速控制中各類復雜的關系刻畫，模糊控制是一種包含模擬人類學習的優勢以及自適應能力的控制系統，具體優勢體現在：首先，模糊控制是一種不依賴于被控制系統高精準度的數據模型，模糊控制是根據操控者累積的操作經驗設計出的控制裝置；其次模糊控制的控制方法是一種模擬人類思維的控制方法，運用人類思維的方式轉變為模糊量，通過模糊量控制模糊理論的推導；模糊控制的原則及推理機制更容易被操控者接受和理解，從而方便人機之間的交互，模糊控制規則作為模糊控制的核心是基于控制專家的知識及操控人員積累的經驗提出，控制規則是根據人類使用的語言表示，因此更容易被人理解；模糊控制的控制器魯棒性更強，能夠更加有效地實現對被操作對象的控制。

2.3 熔速控制運行與數據分析

熔速控制的運行需要考慮到真空自耗電弧爐實際運行環境的真空度等干擾因素，因此需要在實際運行環境中進行。熔速控制在熔煉過程中的運行數據如表1所示。

表1 熔速控制在熔煉過程中的運行數據

在真空自耗電弧爐熔煉過程中穩定熔煉是這一階段的關鍵，熔速控制主要適用于日常的熔煉過程。在熔煉過程追蹤，隨著熔煉過程的深入，爐內的熱量會不斷積累，當熔煉電流呈穩定不變的狀態時，由于各種因素影響，平衡會不斷被打破，因此，為了實現真空自耗電弧爐的恒定熔速，需要動態調整電極桿位置與熔池位置之間的距離，穩定熔煉的電壓。

3 結語

針對真空自耗電弧爐的弧壓與弧流之間產生的耦合性以及熔速控制過程中存在的滯后性和強干擾等問題，本文提出一種基于模糊控制的真空自耗電弧爐熔速控制方法。在后續的研究中還將針對降低系統分析難度、增加智能化控制等問題進行更加深入的研究。