电弧炉电极调节系统的控制方法研究

论文摘要

在短流程的炼钢过程中,电弧炉是关键的炼钢设备。在炼钢过程中我们要求电弧炉耗电量少、热效率高、对电网的谐波干扰小,而这就要求电极实时、快速、准确的按照冶炼工艺要求移动。因此,根据生产情况快速准确的调节电极的位置对于电弧炉炼钢的效率有着十分重要的意义。本文的主要目的是利用智能控制算法控制电弧炉电极的升降,提高钢水质量和设备的利用率,同时降低电耗,节约能源。这不仅可以对国外设备和技术做到更好的消化吸收,做到设备技术的国产化,同时对研制高性能的电极自动调节器,对于提高炼钢质量,降低电能消耗具有重要意义。本文针对电弧炉炼钢过程的三相不平衡、强耦合、时滞、时变及强非线性等特性,在智能控制的基础上,选用相应的控制算法对电极调节系统进行控制,使电极调节系统能在冶炼的各个阶段对电极控制都有较好的动态性能。本文首先对SIMATIC阻抗控制系统的各个组成部分进行分析研究。针对常规PID控制无法从根本上解决动态品质和稳态精度的矛盾,采用了参数自整定模糊PID控制,设计的控制器能够根据电弧电流参数的变化实时调整控制器参数,提高了系统的调节性能及鲁棒性。基于滑模变结构控制是一种使系统结构随工况变化的开关特性的特点,为设计适用于对整个冶炼过程的控制器,因此,将滑模变结构控制应用于电弧炉电极调节系统中。针对滑模控制器输出存在抖振问题,设计了动态滑模控制器,以增强系统跟踪特性,有效的抑制抖振现象。针对实际的电弧炉电极调节系统的模型不精确性的特点,设计了电极调节系统模糊滑模控制器。在滑模控制器设计的过程中,用模糊控制代替等效控制,以减小由于系统的不确定性及干扰所引起的系统误差,然而控制器的输出仍存在一定的抖振现象。针对模糊滑模控制器输出存在抖振问题,引入了自适应模糊滑模控制,利用模式转换函数,实现自适应控制和模糊滑模控制之间的转换,使模糊滑模控制和自适应控制的加权和作为系统输出,这样,所设计的自适应模糊滑模控制器能在熔化期无超调地快速调节电极而在氧化期无稳态误差地快速使电极升降,满足各个冶炼时期的工艺要求。该控制器弥补了采用单一控制算法的不足,优势明显,实用价值较高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 电弧炉电极调节系统国内外研究现状
• 1.2.1 国外电弧炉电极控制系统研究现状
• 1.2.2 国内电弧炉电极控制系统研究现状
• 1.2.3 智能控制在电弧炉电极调节系统中的研究应用
• 1.3 本文的主要工作
• 第2章 电弧炉电极调节系统
• 2.1 电弧炉炼钢概述
• 2.1.1 电弧炉炼钢设备
• 2.1.2 电弧炉炼钢工艺
• 2.1.3 电弧炉炼钢对电网的影响
• 2.2 电弧炉电极控制策略
• 2.3 SIMELT AC&NEC智能电极调节系统
• 2.3.1 数字电极调节器AC
• 2.3.2 智能优化系统
• 2.4 阻抗控制综述
• 2.4.1 阻抗控制器
• 2.4.2 神经网络调整
• 2.4.3 过流控制器
• 2.4.4 短路控制器
• 2.4.5 闭环回路放大
• 2.4.6 液压阀特性补偿
• 2.4.7 保护功能
• 2.5 电弧炉电极调节系统模型
• 2.5.1 传动系统建模
• 2.5.2 电气部分建模
• 2.6 本章小结
• 第3章 模糊PID控制器的设计
• 3.1 模糊系统基本理论
• 3.1.1 模糊控制原理
• 3.2 模糊PID控制器结构及原理
• 3.3 模糊PID参数整定方法
• 3.3.1 PID控制器参数对闭环系统性能的影响
• 3.3.2 模糊PID参数自整定原则
• 3.4 电极调节系统模糊PID控制器的设计
• 3.4.1 模糊控制器语言变量及隶属函数的选取
• 3.4.2 模糊控制规则
• 3.4.3 模糊推理及反模糊化方法
• 3.4.4 量化因子和比例因子的选择
• 3.5 系统仿真研究
• 3.5.1 仿真参数设置
• 3.5.2 仿真结果分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 动态滑模控制器的设计
• 4.1 滑模变结构控制
• 4.1.1 滑模控制概念
• 4.1.2 滑模控制基本原理
• 4.2 系统描述
• 4.3 动态滑模控制律的设计
• 4.4 稳定性分析
• 4.5 系统仿真研究
• 4.5.1 仿真参数设置
• 4.5.2 仿真结果分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 模糊滑模控制器的设计
• 5.1 模糊滑模控制特点
• 5.2 滑模控制器的设计
• 5.2.1 等效滑模控制器的设计
• 5.2.2 变结构控制律的设计
• 5.3 模糊控制器的设计
• 5.4 稳定性证明
• 5.5 系统仿真研究
• 5.5.1 仿真参数设置
• 5.5.2 仿真结果分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 自适应模糊滑模控制器的设计
• 6.1 电极调节系统的广义模型
• 6.2 基本的模糊逻辑系统
• 6.3 理想滑模控制器的设计
• 6.4 自适应模糊滑模控制器的设计
• 6.5 模糊自适应算法
• 6.6 稳定性分析
• 6.7 系统仿真研究
• 6.7.1 仿真参数设置
• 6.7.2 仿真结果分析
• 6.8 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间参加项目科研及发表论文情况