直流LF炉电流电压解耦方法研究与控制系统的设计

论文摘要

LF钢包精炼炉是国内外最为流行的炉外精炼方式。钢包炉通常采用三相交流电弧加热。随着直流电弧炉技术的发展,钢包炉也采用直流电弧加热,并具有多方面的优点,尤其是在耐火材料消耗指数方面有着极大的优势。本项目采用炉底阳极形式的直流LF钢包精炼炉,是将一根石墨电极控制在具有一定电阻的熔渣层中,使石墨阴电极与金属熔池间保持一定的距离,当直流电压加在电极上时,阴极产生电弧。直流电通过阴阳极、电弧、电渣构成回路,达到对钢水加热的目的。本文针对某钢铁集团技术中心实验工厂新建项目——2吨直流LF精炼炉系统,采用西门子S7—300及ET200S系列PLC设计了基于PROFIBUS—DP的分布式计算机控制系统,实现了对整个精炼过程的控制。利用西门子公司的WinCC组态软件,完成上位机监控软件组态,实现现场数据实时记录和监控。设计了冶炼计时、记录查询、读写工艺参数等具有Windows风格的动态操作画面。在LF炉内钢水的加热速度和温度完全由电流控制系统和电压调节系统决定。电流控制通过调节石墨电极升降速度和插入深度实现,电压控制通过调节直流整流电源的输出电压实现。然而,电极插入深度既影响电流大小,同时也影响供电电压的大小,形成较强的耦合作用。本文针对这一现象,同时考虑到LF炉非线性、时变、没有准确数学模型的特性,尝试设计了一种PID神经网络解耦控制器。它是把传统PID方法与神经网络相结合,对LF的电流电压进行解耦控制,从而使被控对象具有良好的动、静态性能,满足控制要求。论文详细地介绍了直流LF炉的生产工艺流程、控制系统的总体结构设计、PLC系统选型、控制软件的编制等内容。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 LF炉简介
• 1.2 国内外直流LF炉的发展过程及现状
• 1.3 解耦控制技术的研究现状
• 1.3.1 传统解耦方法
• 1.3.2 基于现代控制理论的解耦方法
• 1.3.3 自适应解耦方法
• 1.3.4 智能解耦
• 1.4 本课题研究的背景及意义
• 1.5 本课题研究的任务
• 1.6 本文的研究内容与结构
• 第二章 直流LF炉的生产工艺及设备
• 2.1 LF精炼功能
• 2.1.1 埋弧加热
• 2.1.2 底吹Ar搅拌
• 2.1.3 白渣精练
• 2.1.4 还原性气氛
• 2.2 LF炉生产工艺步骤
• 2.3 直流LF炉供电系统和重要设备介绍
• 2.3.1 供电系统
• 2.3.2 主要设备
• 2.4 小结
• 第三章 直流LF炉自动控制系统设计
• 3.1 基础自动化设计
• 3.1.1 系统电气控制要求
• 3.1.2 控制系统的配置
• 3.1.3 基础控制系统电气设计
• 3.1.4 控制层PLC系统的配置
• 3.1.5 上位机的选择
• 3.2 基于PROFIBUS现场总线的网络结构及通讯
• 3.2.1 PROFIBUS DP现场总线技术简介
• 3.2.2 PROFIBUS—DP系统配置和设备类型
• 3.2.3 电子设备数据文件（GSD）
• 3.2.4 系统网络结构的设计
• 3.3 MODBUS通讯简介
• 3.4 小结
• 第四章 直流LF炉自动控制系统的软件实现
• 4.1 控制系统PLC程序的设计
• 4.1.1 直流电压控制
• 4.1.2 MODBUS通讯
• 4.1.3 电极升降控制
• 4.1.4 底吹Ar流量控制
• 4.1.5 钢包车控制
• 4.2 监控软件的设计与实现
• 4.2.1 WinCC组态软件概述
• 4.2.2 上位机软件的设计和实现
• 4.3 小结
• 第五章 直流LF炉解耦控制方法研究
• 5.1 常规PID控制简介
• 5.1.1 PID控制的基本原理
• 5.1.2 数字PID的控制算法
• 5.1.3 PID控制的特点
• 5.1.4 PID控制的编程实现
• 5.2 神经网络基本理论
• 5.2.1 神经元的基本结构
• 5.2.2 多层前向人工神经网络的基本组成
• 5.3 PID神经元网络
• 5.3.1 传统PID控制方式的局限性
• 5.3.2 神经元网络的局限性
• 5.3.3 神经元和PID控制相结合的发展现状
• 5.4 PID神经网络解耦控制方案
• 5.4.1 PID神经元网络
• 5.4.2 PID神经元网络的前向算法
• 5.4.3 PID神经元网络的反向算法
• 5.4.4 算法实现和仿真
• 5.5 小结
• 第六章 结束语
• 6.1 工作总结
• 6.2 下一步工作
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介