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电弧炉电极调节PDF自适应控制系统

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化工自动化及仪表 第38卷 电弧炉电极调节PD F自适应控制系统 王发智耿蕊 祁晓钰 (齐齐哈尔大学,黑龙江齐齐哈尔161006) 摘 要 将鲁棒性强、超调小、响应速度快、易实现的PDF控制方法运用到电炉电极系统的控制上,其 中在电极控制系统的设计方面,采用双闭环模式——速度环作为内环,电极的电流环作为外环。并对 PID控制和PDF自适应控制进行了仿真,仿真结果表明PDF自适应控制优于PID控制。 关键词 电弧炉 控制器 自适应 双闭环 中图分类号TP391 文献标识码 A 文章编号 1000—3932(201 1)04—0364—05 电弧炉是利用电弧的能量来熔炼金属的一种 电炉。现代炼钢电弧炉在国民经济当中是电能的 巨大消费者。目前电弧炉电极系统的控制器,大 部分是基于常规弧流和弧长静态线性关系的PID 鲁棒性。 PDF控制系统是一种采用状态反馈的积分控 制系统,实际应用时只要求实际上提供比所要求 的低一阶的状态反馈信号,因而具有极大的工程 应用可行性。 控制器。由于电弧炉电极系统的非线性、强耦合 性,造成PID控制器超调量大、调节时间长,控制 精度低影响炼钢质量,不能满足电极系统对控制 精度的要求…。因此,寻求一种简便有效的控制 1.2 PDF控制的基本结构 PDF控制系统的标准结构如图1所示。 方法,使电极调节控制系统能在冶炼的各个阶段 和电极升降过程中都有较好的动态特性,是电弧 炼钢炉急待解决的实际问题。针对这些问题笔者 设计了一种自适应PDF电极控制器。 1 PDF控制算法 图1 标准PDF控制系统结构图 1.1 PDF控制算法的特点 由美国Cornell大学的Phelan教授于1978年 由于在采用高阶微分器件时会产生很高的噪 声,所以在实际应用中一般不采用此种结构。实 首次提出的PDF(Pseudo Derivative Feedback)控 制理论,是在大量的工程实践基础上总结得出的, 际应用的PDF控制结构如图2所示。 其综合考虑实际工程控制系统中所涉及到的各种 物理条件,如对象的不确定性、非线性、时变性、实 际物理系统的能量传输以及外部干扰等等, 仍属于经典控制理论。该理论认为现实中的被控 对象包含大量的不可预测性因素,而且基本上是 非线性的,因此,实际的控制系统应该是逻辑的而 图2 一阶及二阶PDF控制系统结构图 图2中,传递函数为1的方框代表末级控制 元件,它的输出 ,的最大值受限于该物理元件 的最大能量输出 …,即在控制系统运行中,始终 有M…≥M:。K ,K 。和K 为PDF控制系统系 不应是纯数学的。现实中控制系统的本质是控制 能量的传输,控制系统的性能要受到末级控制元 件(即把低能量的命令信号转换为高能量的控制 输出的物理元件)的最大输出能力的,在实 际应用中,一个设计优良的控制器应该能有效地 消除各种干扰的影响[2 3。PDF控制系统则充分的 数,根据Phelan和陈留的研究,可以由该系统激 励信号输入的幅值r。,末级控制元件的最大能量 输出值 …和被控对象G(s)的最高有效阶项的 考虑到了这些,其设计准则为:被控变量响应尽可 能快;超调尽可能小;在对象参数变化时有较强的 收稿日期:2010-11-05 第4期 王发智等.电弧炉电极调节PDF自适应控制系统 365 系数直接计算出来。 阶数n>2的PDF控制的结构由低阶的PDF (一阶和二阶)拼结而成。避免了采用高阶微分 器件而产生很高的噪声,对于高阶的PDF控制, 首先要把他分解成由一阶和二阶PDF控制自由 组合的形式。以三阶被控对象为例,图3为三阶 PDF控制的结构图。 图3 三阶PDF控制的结构图 PDF控制参数的计算方法有两种:Phalen法 和陈留法。两者基本理论是相同的,但推导方式 不同。Phalen法采用传统的级联系统分析法,而 陈留法则采用零极点法与量纲分析法。本文在系 统给定的阶跃输入rn作用下,控制作用m ( )的 幅值刚好达到m…(控制系统末级控制元件的最 大功率),即最大可能利用元件的能量。 2 电弧炉PID电极控制器的设计及仿真研究 线性PID调节器的电力拖动控制系统,在工 程设计方法已经成熟。电弧炉PID电极控制系统 如图4所示。 图4 电弧炉PID电极控制方框图 首先把某炼钢厂的电弧炉运行数据,代人电 炉电极系统的各个环节的传函数中。略去系统对 象小的时间常数做合理的简化,可得电弧电极部 分的传递函数为: G。 =0.93296 (1) 电机驱动环节的传递函数: ' Q。 (2) 减速器的传递函数: Gjs( ): (3) 交流力矩电动机传递函数: 1 GDj 青 (4) 速度反馈部分传递函数: Gcs=0.0526 (5) 电流反馈环节传递函数: 1 G (6) 根据电弧炉电极系统各环节的传递函数,可 求出不含PID调节器的系统开环传递函数为: G “ ( ) 根据参考文献很容易得到PID控制器的3个 参数:K。:1.56,K。=1.8,Kd=0.4。 系统从零时刻开始获得激励阶跃信号,PID 控制器开始对系统进行控制仿真。其仿真波形如 图5所示。 图5 PID电极控制系统的Matlab的仿真曲线 3 电弧炉自适应PDF电极控制器的设计及仿真 研究 ● 自适应PDF电极控制器功能框图如图6所示。 图6 自适厘PDF控制器的功能框图 在图6中有一个参考数据曲线模型,其实就 是被控制对象正确的激励响应曲线数据。这部分 数据是由炼钢厂大量实验训练得到的电弧炉的正 确运行数据。在PDF控制器工作时,当发现被控 对象的激励响应和参考模型中的数据之间的差值 超过了一定的范围,并且经过一定时间的PDF控 制器的调节,还没有接近参考曲线模型。这时就 366 化工自动化及仪表 第38卷 重新进行一次被控对象的参数辨识,以获得PDF 控制器的更精确的运行参数,因此对电炉电极参 数变化有一定的自适应能力。这样PDF电极控 结构框图可以变化为如图7所示。 图7中采用双闭环模式:一是把电极的电流 检测反馈环作为控制外环,可以将电极电弧弧长 制器就有两种工作模式;一是PDF参数自适应调 整模式;二是PDF控制器控制模式。 3.1 控制模式下PDF控制器的设计 图6中,开关K。和K:分都打到2上,自适应 PDF控制器开始进行PDF电弧炉电极调节,此时 给定位!………………………的实时情况(通过电流和电压的形式反馈)与给 定的标准信号进行比较后送给PDF控制器,经过 PDF算法发出控制命令去控制电机;二是电机速 度检测反馈环作为内环,可以实时的监视电机的 运作情况,能够使电极调节更稳更精确。 采集值 , ……・ 电流反馈 图7 控制模式下PDF控制器框图 3.1.1 速度环PDF控制器 由式(12)可看出外环PDF被控对象为三阶 系统,因此按照三阶PDF控制结构,把式(12)分 成两部分: G。=了A Gz B 速度环PDF控制器的被控对象为一阶系统, 因此采用一阶PDF控制器如图8所示。 (13) 14) 外环PDF控制器如图9所示。 图8 速度环控制框图 结合PDF算法的一阶参数计算公式可求出 速度环PDF控制器的闭环传递函数为: GsuH :~: 可 PDF控制器的参数为: Ki_(7.398M…2)/( )=  ̄41 (8) 图9 外环PDF控制器框图 根据PDF一阶参数计算公式可求出速度环 外环的控制系数可以根据Phalen法很容易 9) 求得。 把实验数据代入式(12)可得外环PDF控制 。:5.4 / :54.4(10) 器的被控对象为: G ( )= 4 54 .8 5 (15) 在此设r。=1,M…=10。 速度环的闭环传递函数为: 1 1 0 . 9 G (s)= — i— 1 3: 因此在设计PDF控制器时,选择三阶PDF控 而(11) 制系统模式,把式(15)分成两部分: G : 3.1.2外环PDF控制器 外环的被控对象包括速度环的闭环传递函 G2= 而45 .4 9 (16) 数、减速部分传递函数和电弧电极部分。外环的 开环传递函数为: Gw}1(S)= 3.2参数自适应模式下PDF控制器的设计 PDF控制参数的自适应调节并不需要完全了 解被控对象,只需知道被控对象的阶数和最高阶 数项系数,因此PDF控制器在自适应模式下只要 kiK0DKDJKJsKcs G l j。s +(1+KdlKQ。K。JGcs)s +K,KQ。K。JKcs (12) T—第4期 王发智等.电弧炉电极调节PDF自适应控制系统 367 辨识出被控对象的阶数和最高阶数项系数,就可 得到PDF控制器的运行参数。在PDF电极控制 器工作的参数辨识调节模式时,系统控制方框图 可以简化为如图10所示。 图10在线参数辨识功能的PDF控制结构图 图10中开关K 接到1上,K:也接到1上, 激励信号通过继电器这个非线性环节,使整个系 统工作在极限环振荡状态。 3.2.1 被控对象阶数的辨识方法 对于 阶被控对象,如果给它一个激励信号, 使其工作在临界稳定状态,则其激励响应初始阶 段的n阶及n阶以下阶导数均大于0,n+1阶导 数小于0 引,即: y‘‘ (£)I>0,i=0,1,2,…,n (17) Y‘ (t)<0 (18) 在实际控制过程当中不能准确知道被控对象 的具体表达式,在线实时采集到的又只是系统激 励响应的离散值。为了利用上面的求解被控对象 阶数的辨识理论,在此利用微分定义理论,辨识方 法中的求导表达式,用离散数据表示成差分表达 式的形式,以获得相应辨识结果数据。与一至四 阶导数表达式相对应的离散数据点的差分表达式 依次为: 一阶: : tJ+I—t1 2一,n一1 (19) j 二阶: ‘: t +2一t 1,2,…, 一2 (2o) 三阶: △ ) I — =・,z,…n一 (21) 四阶: △ )= —一(t 。+4+ +1]一(。t t +3+ )t  = ,一 ’ ’2,…, ’ 一叶 n一4 (22) 综上所述,被控对象的阶数及最高阶项系数 可由对象的激励信号响应曲线的初始阶段来辨 识 。 3.2.2被控对象的最高阶项系数辨识方法 假设PDF被控对象为: G s)= 1(23) 根据极限环振荡发生条件可得: G(jwo 石wA(24) 即 : 兰 一:一— (25) A(j∞0) (jo)0 已在第一辨识阶段得知,被控对象的最高阶 数n,表达式中还有极限环振荡幅值A和极限环 振荡频率∞ 是未知量。系统在辨识阶段每隔一 定时间△£就采集一下被控对象的激励响应值 Y(t ),同时记下采到的数据点个数K。因此在采 集的过程中进行实时比较计算,当第K个响应值 Y(t )满足如下关系式: , y(t )>y(t 一1)且),( )>y(t ),i=K (26) 把这个值Y(t )保存起来作为极限环振荡幅 值之一。当采集点中出现第2个满足关系式 (26)的数据点时,设这个数据点为第 个点,也 把这个点Y(t )保存起来也作为极限环振荡幅值 之一。 由以上采集到的数据可得: A=[,,( )+),(t )]/2 (27) =(M— )At (28) 即:  ̄Oo: (29) 』0 至此,在参数辨识模式下,所有PDF系数计 算所需求的未知数都已辨识出。 3.3 电弧炉自适应PDF电极控制器的仿真研究 电弧炉自适应PDF电极控制系统的仿真波 形如图11所示。PDF电极控制系统的前2s时间 内工作在参数辨识模式下,此时利用极限环振荡 来获得被控对象的最高阶数和最高阶项系数,利 用辨识得到的参数,系统自动计算出PDF控制器 的控制系数,去配置PDF控制器。本系统在获得 参数后故意停止了0.5s的时间即2~2.5 S(以便 于和PID仿真图进行比较),在2.5 S时刻系统开 始进入工作模式对系统进行控制仿真。 由图5和图11,可以明显地看出PDF算法电 极控制系统与PID算法电极控制系统相比,提高 了电极系统的各项性能指标,控制效果更佳,比较 结果见表1。 368 化工自动化及仪表 第38卷 表1 PDF和PID性能比较 S 统,首次把鲁棒性强、超调小、响应速度快、易实现 的PDF控制方法运用到电炉电极系统的控制上。 在电极控制系统的设计方面,采用了双闭环模 式——速度环作为内环,电极的电流环作为外环。 实验证明,PDF控制方法比传统的方法更能适应 电极系统的控制。 参 考 文 献 刘小河,张道成.电弧炉电极调节系统的一种变结 构控制[J].自动化与仪器仪表,2003,(3):22~ 25. [2] 李志超,花皑,刘家鼎.直流埋弧炉的优势[J].铁合 金,2007,(2):19~22. [3] 宋海勇,董永卿.锅炉自动控制系统的改进[J].化 工自动化及仪表,2004,31(1):70~72. 图11 PDF电极控制系统的Matlab的仿真曲线 4 结束语 [4] 王征,李磊.ANN预估补偿算法在炉电极控制系统 中的实现[J].化工自动化及仪表,2006,33(1): 70~72 笔者所研究的电弧炉电极调节自适应控制系 PDF Self-adaptive Control for Electric Arc Furnace Electrode Regulator System WANG Fa—zhi,GENG Rui,QI Xiao—yu (Qiqihar University,Qiqihar 161006,China) Abstract:The PDF(pseudo-differential feedback)control method which boasting of strong robustness,small over—correction,fast response and easy implementation was applied to electric arc furnace electrode control sys— tem.The control system design adopted a double closed-loop mode of taking speed loop as inner ring and the electrode current loop as outer ring,and having both PID control and PDF adaptive control simulated.Simula— tion results show that the PDF adaptive control outperforms the PID control and other traditional methods. Key words:Arc furnace;controller;adaptive;double closed—loop 我国调整核电规划新项目暂停审批 日本地震在全球引发一场罕见的”核安全”危机,将促使全球核电建设热迅速降温,中国多个地方积极 要求上马开工的核电项目或将暂时搁浅。 3月16日,召开会议,表示,“正在规划中的核电项目一律暂停审批。” 会议作出决定,将对我国的核设施作出全面检查,抓紧编制核安全规划,调整完善核电发展中长期规划。 核安全规划批准前,暂停审批核电项目包括开展前期工作的项目。 据了解,就在全国“”期间,各地仍在尽力争取审批新建核电站项目。3月8日,全国政协委员、核电 秦山联营有限公司原董事长李永江表示,估计“十二五”期间我国将新建40座核电站。目前,我国已建、在 建的核电站都只限于沿海地区,内陆核电站仍停留在规划状态。除了投资巨大和建设期长等因素,其安全性 更使核电成为解决能源问题时最为不明智的选择之一。中国的发展需要能源,但这种能源的需求必须建立 在可持续的、安全的基础之上。 据悉,内陆正在规划的核电项目达数十座,江西、湖南、湖北、安徽、河南、四川、重庆等地都宣布了核电规 划,中核、中广核、中电投等几大巨头也加快了在各地建设核电站的步伐。江西省首座核电站——位于九江 市彭泽县的帽子山核电站,计划今年上半年动工建设,总投资超过千亿元人民币。 另据了解,中国广东核电集团正在贵州省积极开展核电站选址和资源勘查工作。经过筛选,目前已从8 个备选厂址中保留了4个可行性厂址,其中,1个在赤水,3个在铜仁地区的思南、沿河、玉屏。 全国“”期间,广东省有关主管部门透露,“十二五”期间,广东争取新开工三个核电项目——陆丰核 电、韶关核电、台山核电二期项目。 

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