电弧炉电极调节系统控制方法的研究

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。电弧炉电极调节系统对提高电弧炉输入功率、降低能耗、缩短冶炼时间具有重要的作用,因此电极的升降控制方法成为电弧炉控制系统中的主要研究对象。然而长久以来,为了简化电极控制器的设计,人们一般基于线性电弧阻抗模型来设计控制器,其实际控制效果并不理想。为此,本文在交流电弧模型的基础上,对电极调节系统的控制策略和控制器设计进行了深入研究。通过对电弧炉电极控制系统各个部分工作机理的分析,建立了交流电弧、三相供电系统和液压系统的数学模型。为方便利用极点配置法设计电极PID控制器,对所建立的非线性模型进行了近似线性化处理。并且利用该非线性模型对电极控制策略进行仿真,其结果验证了恒阻抗控制策略能够削弱三相之间的耦合,并总结了两种不同表达式的恒阻抗控制策略的异同点。根据现代电弧炉冶炼工艺特点,整个冶炼周期可分为熔化期和氧化期两个阶段,在熔化期阶段,由于塌料等影响,要求电极控制器具有较高的快速响应的特性,模糊控制器优于PID控制器。在氧化期,由于电弧比较稳定,控制精度要求较高,PID控制优于模糊控制。因此,为了能同时满足炼钢过程中各个冶炼时期对电极调节器的要求,本文采用模糊与PID复合控制方式,弥补了PID控制器不能同时兼顾无超调和快速性这两个控制指标的不足,有效地解决了电弧炉冶炼过程中不同阶段对快速响应和控制精度有不同要求的难题,其计算机仿真和现场应用的结果表明,该控制方法可以使电极调节系统达到较为理想的控制效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 电弧炉炼钢简介
• 1.1.1 电弧炉的机械设备
• 1.1.2 电弧炉的电气设备
• 1.1.3 炼钢工艺简述
• 1.1.4 电弧炉炼钢工艺对电极调节器的要求
• 1.2 国内外电弧炉炼钢控制技术及其发展趋势
• 1.2.1 电弧炉控制方法
• 1.2.2 国内外电弧炉控制技术的发展
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 电极调节系统的建模与仿真
• 2.1 交流电弧模型与仿真
• 2.1.1 高电流电弧的物理特性
• 2.1.2 电弧的半径模型
• 2.1.3 电弧的阻抗模型
• 2.1.4 电弧阻抗模型的仿真
• 2.2 供电系统模型与仿真
• 2.2.1 供电系统模型的状态方程
• 2.2.2 仿真结果
• 2.3 液压系统模型与仿真
• 2.3.1 液压系统简介
• 2.3.2 液压系统状态方程
• 2.3.3 仿真结果
• 2.4 电气与液压系统结合仿真
• 2.5 近似线性化模型
• 2.6 小结
• 第三章 控制策略的分析与比较
• 3.1 电极控制策略概述
• 3.1.1 恒电流控制策略
• 3.1.2 恒阻抗控制策略
• 3.1.3 恒功率控制策略
• 3.2 电极控制策略的选择
• 3.3 恒阻抗控制策略的分析与比较
• 3.3.1 恒阻抗控制削弱三相之间的耦合
• 3.3.2 两种恒阻抗控制的比较
• 3.4 小结
• 第四章 控制器设计
• 4.1 PID控制器的设计
• 4.2 经典PID恒阻抗控制器存在的问题
• 4.3 模糊控制器的设计
• 4.3.1 模糊控制概述
• 4.3.2 模糊控制器的设计
• 4.3.3 模糊控制器的优化
• 4.4 模糊与PID复合控制
• 4.5 小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢