锰铁冶炼电弧炉电极控制系统的仿真研究

论文摘要

锰铁冶炼关键设备电弧炉通过电弧将电能转化为热能,从而来熔炼金属的。电弧炉的主要参数有变压器的设计容量、长期允许过载容量、常用二次侧电压、炉膛设计参数、极心圆设计参数等。随着冶炼的进行,炉况是波动的,且电极不断消耗,因此在运行中的核心问题是如何合理压放三相电极,控制合理的电弧弧长,进而控制弧流。电极控制系统由整流环节、调压电路、交流力矩电动机、电弧环节等组成,由于电弧弧长和电流之间是一种非线性关系,导致整个系统是非线性的。在冶炼过程中,电弧炉运行参数是随时间变化的,且存在不确定的干扰,再加上三相电流是相互耦合的,电弧炉难以稳定地运行在一个工作点附近。尤其是在冶炼的熔化期,炉内变化非常剧烈,传统的PID控制难以满足控制要求,寻求合理的控制规律来解决这个复杂非线性时变对象是控制理论中的一个难点。且在实际运行中,因为存在大电流、高温,准确的测量数据很难获得,尤其是弧长,这对于系统的准确控制增加了难度。国内外对于电极的控制研究采用算法有：专家控制、模糊控制、神经网络控制及自适应控制等。通过对锰铁冶炼工艺和电弧炉电气部分进行研究,分析了电极控制系统中各环节的模型,讨论了电弧环节的非线性特性,以及弧流随弧长的增加而单调递减特点,比较了电弧电流和弧长的一些测量方法。利用BP神经网络对非线性对象的逼近能力辨识得到了电弧环节的正模型和逆模型。并设计了自适应控制器和广义预测控制器,通过无干扰和有干扰仿真,结果表明,与常规控制方法比较,广义预测控制有很好的跟踪能力,而自适应逆控制有较好的抗干扰能力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景和研究意义
• 1.2 国内外现状
• 1.3 课题研究的内容
• 1.4 本章小结
• 第二章 锰铁冶炼技术
• 2.1 锰铁冶炼工艺
• 2.2 电弧炉的几何参数
• 2.3 电弧炉的供电和电气设备组成
• 2.3.1 电炉变压器
• 2.3.2 短网
• 2.3.3 保护和信号回路
• 2.3.4 电极系统
• 2.4 电弧的生成基理
• 2.5 电弧炉对电网的影响
• 2.6 本章小结
• 第三章 电极控制系统模型分析
• 3.1 执行机构的模型辨识
• 3.1.1 整流滤波环节
• 3.1.2 调压电路环节
• 3.1.3 交流电动机环节
• 3.1.4 机械传动装置和速度反馈环节
• 3.2 电弧的理论模型
• 3.2.1 电弧炉的等效电路模型
• 3.2.2 电弧的数学模型
• 3.3 电弧环节的分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 电弧环节模型的辨识
• 4.1 人工神经网络理论
• 4.2 BP算法及其改进
• 4.3 数据的获取
• 4.3.1 电弧电流的测量
• 4.3.2 弧长的测量
• 4.4 模型的辨识及其验证
• 4.4.1 对象正模型的辨识
• 4.4.2 对象逆模型的辨识
• 4.5 本章小结
• 第五章 电极控制器研究
• 5.1 常规电极控制器
• 5.1.1 电极控制器的发展
• 5.1.2 电极控制策略
• 5.1.3 PID控制
• 5.2 自适应控制器
• 5.2.1 自适应介绍
• 5.2.2 自适应逆控制
• 5.2.3 控制算法设计
• 5.3 预测控制器
• 5.3.1 预测控制基本原理
• 5.3.2 广义预测控制
• 5.3.3 广义预测控制控制器算法
• 5.4 仿真分析
• 5.4.1 无噪声干扰下的仿真比较
• 5.4.2 噪声干扰下的仿真比较
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文主要结论
• 6.2 论文不足和展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 附录B 主要参与的工程项目