电弧炉电极调节的研究

［摘?摇要］本文论述了基于自校正广义预测控制（GPC）的应用于电弧炉炼钢的电极调节系统。通过建模与分析了电弧炉炼钢的特点与应用价值，将这种控制技术应用于炼钢过程中，可以优化炼钢系统本身的特性，从而提高产品质量和降低成本，有一定的经济效益和社会效益。

［关键词］电弧炉炼钢　电极调节　稳定性

电弧炉是利用电弧放热产生的能量来冶炼金属的工业设备，在冶金工厂和机械制造厂中得到普遍的应用。电弧炉炼钢工艺与平炉，转炉炼钢工艺相比，具有冶炼温度高，炉内气氛能灵活控制，能充分回收废钢中的贵重金属元素，钢液中的化学成分容易控制等优点，在特种钢，高级钢的冶炼中占有重要地位，对其工业过程进行方方面面的研究，有一定的经济效益和社会效益。

电弧炉在生产过程中为提高产品质量和降低成本，对于不同的炼钢阶段，要求电弧功率保持在不同的为位置，因此电弧长度在不同阶段要分别保持稳定。想要电弧长度不改变，可以连续调节电极与炉料之间长度来达到，也就是说改变电弧炉功率的最简单的方法是通过改变电极位置来调节电弧长度。电弧炉调节器的调节任务和调节条件相当复杂，在冷料熔化时长度为几毫米的电弧可以在很小的范围内就可以产生数百万瓦的功率。电弧产生温度可以达几千度，炉料在电极产生的高温下迅速的熔化，电弧会转移到电极附近的金属块上，电弧长度、功率及电弧电流会不断发生改变，面对如此多的干扰，为达到消除干扰，保持稳定的目的，就需要电极的自动调节装置。

电极升降调节系统是由控制系统、调节器及驱动执行装置组成的一个闭环控制系统。对反馈的弧流和弧压数据进行高速采集，按照不同的控制参数实时计算分析，同时对射电参数进行比较，将最终的控制数据传给电弧炉电极升降控制机构，从而达到控制目的。在进行控制运算的同时，与上位机进行实时通讯，利用其强大的运算和分析，通过分析后，把最佳的控制参数送给控制系统，然后进行控制。

在实际中，对于大容量的网路来说，网路相电压近似于常数，弧压降和弧电流的关系可简化为一元线性函数关系，在实际工业控制中，多只通过检测转换弧电流来给出控制信号，即弧电流被读进计算机，与给定流进行比较，得到弧电流偏差，偏差反映了弧长的变化，由此，计算机按某种控制律给出控制信号，即发送伺服阀控制电流液压伺服阀输出相应的阀位移，控制液压缸升降，带动电极调节弧长。

模型中阀--电极部分的模型为?摇

G■(s) = ■

σ■：电极位置，ω■：电极烧损情况，k系统增益。

推出系统的仿真模型:

G■(s) = ■

系统扰动为:ξ(t)=K(t)ΔL+ξ■(t)

GPC算法具有下列优点：

(1)采用增量控制模型，在自适应控制中能自动消除常值偏差，适用于系统干扰是非平稳随机过程。

(2)有大于时滞和模型阶次的大范围预测长度，对时滞变化不敏感。

(3)目标函数中含有加权项，提供了一些控制器的调节手柄。

(4)用了一组预测方程和预滤波多项式，能更好的消除扰动的影响。

(5)使用了滚动优化的思想。

通常GPC的性能指标采用如下形式：

J=E■(Py(k+j)－Ry■(k+j)■+■λ(j)(QΔu(k+j－1)■)

即对输出项进行适当加权，以抑制超调．在理论上讲，可以在求得控制量之后，对控制对象施加此控制求得系统的闭环传函，对GPC进行极点配置，获得期望的动态特性。但在实际上，这却几乎不可行，可通过下面简单的例子说明：

设系统为如下简单的一阶系统

(1－az■)y(k)=bu(k－1)+e(k)

取Nu=N2=2,N1=1,P=1+pz■,Q=1=R,λ(1)=λ(2)=λ

有y(k+1)=ay(k)+bu(k)+e(k+1)

y(k+2)=a■y(k)+abu(k)+bu(k+1)+ae(k+1)+e(k+2)

因此

J=E■y(k+j)+Py■(k+j－1)－y■(k+j)?摇+λΔu(k+j－1)■

=［(a+p)y(k)+bu(k)－y■(k+j)］■

=［(a+p)y(k)+b(a+p)u(k)+u(k+1)－y■(k+2)］■

+λu(k)■+λu(k+1)■+constank

直接对GPC进行极点配置有一定困难，但只要对性能指标函数进行适当的改变，就可以做到对闭环极点的任意配置。本文中的算法，就是通过对性能指标函数进行巧妙的加权而实现对闭环极点的任意配置。

本文解决了在减少模型阶数时自校正广义预测控制对噪声的敏感性以及系统的稳定性问题，并提出了一种新型的电极布局自校正广义预测控制系统，本系统不仅能够保持自校正广义预测控制的所有优点，通过合理的在价值函数中引入加权因子结合传统的电极布局策略达到最佳控制，新的算法对闭环电极的位置进行了限制，这样可以大大增加系统的稳定性而且减弱噪声对系统的影响。