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东北大学硕士学位论文摘要 电弧炉电极调节系统的建模与控制 摘要 电弧炉炼钢过程是一个典型的具有非线性、时变性、随机特征的工业控制过程， 而电弧炉炼钢过程的控制主要是通过电极调节系统来完成输入电功率、降低能耗、缩 短冶炼时间等控制目标的。因此电极调节器的控制方法成为电弧炉控制研究的主要对 象。而长久以来，人们对电弧模型的研究不够深入，一般采用基于线性电弧阻抗策略 来控制电极升降，控制效果不很理想。因此本文首先建立电弧阻抗和调节系统的模型， 而后讨论电弧炉电极调节系统的控制问题。 全文以3 0 吨电弧炉计算机控制系统为研究背景，在查阅大量国内外相关文献的 基础上，介绍了电弧炉炼钢的工艺过程、设备组成；综述了电弧炉电弧模型的研究现 状及电极控制方法的发展历程和研究现状。 针对电弧炉冶炼的工艺特点，从交流电弧的物理机理出发，推导出了交流电弧的 电弧模型，并给出了确定电弧参数的工程估算方法。在此电弧模型基础上，建立了基 于有效值的电弧炉电气系统方程式，推导出弧长与弧流、弧长与弧压的有效值关系， 并最终建立了电弧炉电极调节系统的模型。 针对电弧炉系统所代表的一类非线性系统，本文采用了基于恒阻抗控制策略的非 线性系统分段线性化p i d 控制方法，提出了可变区间均匀斜率的分段方法，并针对各 线性子系统采用z n 方法对p i d 参数进行整定。最后，通过仿真证明了控制系统的抗 扰动能力和快速响应性。 关键词：电弧炉；电弧模型；线性化；电极调节系统 一 东北大学硕士学位论文 a b s 廿a c t m o d e l i n g a n dc o n t r o lo fe l e c t r o d e r e g u l a t i n g s y s t e mo fe l e c t r i ca r cf u r n a c e a b s t r a c t t h ep r o c e s so fe a fs t e e l m a k i n gi sat y p i c a li n d u s t r i a lc o n t r o lp r o c e s so fn o n l i n e a r i t y , t i m e v a r i a t i o na n dr a n d o m n e s s ，a n dt h ec o n t r o lo b j e c t i v eo fi n p u te l e c t r i cp o w e r , c o s to f p o w e rc o n s u m p t i o na n ds h o r t i n gt h ed u r a t i o no fh e a t i n gm a i n l yi sc o m p l e t e db ye l e c t r o d e r e g u l a t i n gs y s t e m s ot h ec o n t r o lm e t h o d so fe l e c t r o d er e g u l a t i n gb e c o m et h ep r i m a r y o b j e c to ft h er e s e a r c ho fe a fc o n t r o ls y s t e m b u tt h er e s e a r c ho fa r cm o d e li sn o tp r o f o u n d f o rl o n ga n dt h ee l e c t r o d eu pa n dd o w ni sc o n t r o l l e db a s e do nl i n e a ra r cr e s i s t a n c es t r a t e g y g e n e r a l l y , s oc o n t r o le f f e c t i v e n e s si sn o tp e r f e c t t h e r e f o r e ，f i r s to fa l l ，t h em o d e lo fa r c r e s i s t a n c ea n dr e g u l a t i n gs y s t e mi se s t a b l i s h e d ，a n dt h e nt h ec o n t r o lp r o b l e mo fe a f e l e c t r o d er e g u l a t i n gs y s t e mi sd i s c u s s e d t h i st h e s i si sb a s e do nt h e3 0 te l e c t r i ca r ef u r n a c e ( e a f ) c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m b a s e do nc o n s u l t i n gag r e a td e a lo f d o c u m e n t a t i o na th o m ea n da b r o a d ，t h ep r o c e s so f e a f c r a f ta n dt h ec o m p o n e n to fe q u i p m e n ti si n t r o d u c e d ；t h ep r e s e n tr e s e a r c hs t a t u so fa r c m o d e lo fe a f , t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s sa n dp r e s e n tr e s e a r c hs t a t u so fe l e c t r o d ec o n t r o l m e t h o d sa r es u m m a r i z e d a c c o r d i n gt ot h ec r a f tt r a i to f e a f , b a s e do nt h ep h y s i c sm e c h a n i s mo f a ca r c ，t h ea r c m o d e lo fa ca r ei sd e d u c e d ；e n g i n e e r i n ge s t i m a t i n gm e t h o do ft h ea r cp a r a m e t e r sa r e p r e s e n t e d b a s e do nt h i sa r cm o d e l ，e l e c t r i cs y s t e me q u a t i o nb a s e do ne f f e c t i v ev a l u ei sp u t f o r w a r d ，t h er e l a t i o n s h i po ft h ee f f e c t i v ev a l u eo ft h ea r cl e n g t ha n da r cc u r r e n t ，a r cl e n g t h a n da r cv o l t a g ei sd e d u c e d ，t h em o d e lo ft h ee l e c t r o d er e g u l a t i n g s y s t e mo fe a fi s e s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt oak i n do f n o n l i n e a rs y s t e ml i k ee a fs y s t e m ，t h ep i e c e w i s el i n e a r i z a t i o n p i dc o n t r o lm e t h o dt on o n l i n e a rs y s t e mb a s e do nt h ec o n s t a n ti m p e d a n c ec o n t r o ls t r a t e g y i sa d o p t e d t h ed i v i s i o nm e t h o do fu n i f o r mr a t eo fs l o p ei nv a r i a b l e s p a c ef o rt h e p i e c e w i s el i n e a r i z a t i o ni sp r e s e n t e d ，a n dt h ez nm e t h o dt os e tt h ep a r a m e t e r so f s u b s y s t e m si sa d o p t e d f i n a l l y , t h a tt h es y s t e mh a st h er e s i s t a n c et od i s t u r b a n c ea n df a s t r e s p o n s ei sp r o v e db ys i m u l a t i o n k e yw o r d s ：e l e c t r i ca r cf u r n a c e ；a r cm o d e l ；l i n e a r i z a t i o n ；e l e c t r o d er e g u l a t i n gs y s t e m i l i 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除 加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本 人为获得其他学位雨使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示诚挚的谢意。 学雠文作者魏刁蟛 签字日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定： 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名：导师签名： 签字目期：签字r 期： 末北大学硕士学住论丈 第一章概述 第一章概述 1 1 引言 近现代炼钢方法主要有转炉炼钢法、平炉炼钢法和电炉炼钢法。平炉炼钢法己基 本被淘汰，电炉炼钢法与转炉炼钢法根本的差别在于，电炉炼钢法是以电能作为热源， 而电弧炉炼钢是应用得最为普遍的电炉炼钢方法。我们通常所说的电炉炼钢，主要是 指电弧炉炼钢，因为其他类型的电炉如感应电炉、电渣炉等所炼的钢数量较少。 电弧炉炼钢是靠电极和炉料问放电产生的电弧，使电能在弧光中转变为热能，并 借助辐射和电弧的直接作用加热并熔化金属和炉渣，冶炼出各种成分的钢和合金的一 种冶炼方法。 电弧炉炼钢技术已有1 0 0 年的历史，但是仅在最近的几十年里，电弧炉的应用带 来了炼钢技术的革命。2 0 世纪8 0 年代初，由于钢铁联合企业的疲软，使得炼钢生产 者重新考虑研发短流程钢厂的技术。短流程钢厂【1 1 与钢铁联合企业相比，其竞争优势 在于投资费用和运行成本。现在建设一座绿色钢铁联合企业需要平均7 0 0 美元，吨，而 电弧炉仅为1 0 0 美元吨。电弧炉短流程炼钢技术将是2 1 世纪以废钢和还原铁为主要 原料的炼钢生产新流程，是“九五”国家重点冶金技术开发项目。其主要工艺特点是： 采用连续化的生产方式，工艺流程短：生产周期短，资金周转快，适宜形成专业化生 产；生产效率高，全员劳动生产率可达到2 7 0 0 吨人年。 我国钢铁生产规模已位屠世界前列，但品种和质量尚不能满足国民经济发展的需 要，每年还要进口1 4 0 0 万吨以上的优质钢材，这些进口钢材品种正是电炉炼钢生产 的优势产品。近年来，电弧炉钢产量增长速率超过了钢总产量的增长速率 2 1 。2 0 0 0 年 全世界钢总产量为8 4 1 1 5 4 万吨，其中电炉钢产量为2 8 3 5 2 万吨，占钢总产量的3 3 7 ， 与1 9 9 5 年相比，钢总产量增长1 3 2 ，电炉钢产量增长了1 6 8 。2 0 0 1 年，全世界 钢总产量为8 4 3 7 9 7 万吨，其中电炉钢产量为2 9 5 8 7 9 万t 吨，占钢总产量的3 5 0 7 。 2 0 0 0 年，美国电炉钢比达到4 6 8 ，而我国产量仅为2 0 2 0 万吨，占全国总产量的1 5 9 。 目前我国约有电炉1 6 2 0 多座，平均炉容为5 4 吨，9 5 以上为普通功率电炉。炉数多、 容量小、效率低、电耗高、质量差、成本高是我国电炉炼钢业存在的主要问题。 在电弧炉炼钢的整个过程中，电极调节系统是整个系统高效运转的核心环节之 一。有资料报道采用先进的电极调节装置可使功率消耗减少5 ，闵变减少1 0 ，电 极破损减少9 0 ，电极消耗减少8 5 ，出钢时间减少1 8 5 ，平均功率输入增加8 5 。 通过建立有效的电极调节系统的数学模型，分析交流电弧的非线性特点可以设计出针 对性更强、性能更好的电极控制器，因此，电弧模型的研究就变得尤为重要。 东北大学硕士学位论丈第一章概述 1 2 电弧模型的研究现状 电弧是等离子体的一种形态，从原则上说，电弧的特性可以通过电磁学、传热学、 热力学、磁流体力学的联立方程组来描述。对于具体的研究对象，可对方程组进行适 当简化。 电弧炉中的电弧是常压下的开弧，对电弧特性影响的主要因素是电特性和热特 性。因此，依据电弧等离子体所满足的电磁场方程和热平衡方程，就可以对交流电弧 的特性做出相当准确的描述。7 0 年代后期至8 0 年代中期，许多学者对此进行了研究 即l ，得出了很有意义的结果。近几年，仍有学者进行这方面的研究1 。从上述文献 给出的仿真结果看，已能很好地模拟交流电弧的电压、电流波形。但是，上述的电弧 模型仍是采用一组偏微分方程来描述，并且仅以实验室中的交流电弧进行研究。对于 电弧炉来说，由于三相交流电弧是丌弧，边界条件很难确定，且电弧电流数值比实验 室的电弧要大若干数量级。因此，上述结果还很难直接应用于电弧炉。其次，电弧炉 中电弧只是其电气系统中的一个元件，如果从微观分析的角度来考虑电弧特性，即使 能找出边界条件，也会因计算时间过长而失去实际意义。而对电弧炉系统的谐波分析 或控制而言，人们并不关心电弧内部发生的微观物理过程，仅仅希望知道它对系统谐 波、电气工作特性的影响。这样，从电路的观点来看，电弧就可视为一个黑箱，只需 找出一类元件，其端口特性与电弧的外特性相同即可。 最早应用于电弧炉的交流电弧模型是c n 捷尔内提出的7 ，引，如图1 1 。1 9 2 8 年，捷尔内提出：强力交流电弧中的电弧电压与电弧电流的大小无关，其电压只取决 于电极阴极区及阳极区的电压、电弧长度及弧柱中的电位梯度。即 e = a + 比 ( 1 1 ) 式中，a 为阴极及阳极的电位降之和，为电弧长度，b 为弧柱中的电位梯度。由 该模型得出的电弧电压、电流的理论波形及伏安特性如图1 1 ( b ) 所示。这个模型在电 弧炉系统分析、控制等方面得到了广泛的应用f , 8 , 9 1 ，也是电弧频域模型的基础。 网幔 u 刁。錾 也鬯：e 霄幽 ( a ) 电弧电压、电流波形 1 e o e 图1 1c n 捷尔内提出的电弧模型 f i g1 1 a r c m o d e l f r o m c hj e m 一2 一 ( b ) 伏安特性 东北大学硕士学位论文 第一章概述 1 9 8 0 年，r cd u g a n l l 0 1 提出用二个分段线性函数来模拟典型碳电极稳态交流电 弧的伏安特性，如图1 2 所示。他采用此模型对电弧炉系统进行了谐波分析，其结果 被广泛引用。近年来仍有人提出同样思路的改进电弧模型【1 ”。 萨一 01 图1 2r c d u g a n 提出的电弧模型 f i g 1 2a r cm o d e lf r o mr cd u g a n 许多研究电弧炉系统的文献仅将电弧视为电弧炉电气系统的一个元件，视研究的 具体内容采用不同的电弧模型。目前，在电弧炉系统的研究中所采用的电弧模型大致 可分为三种： ( 1 ) 时域模型 1 1 , 1 2 , 1 3 l 这类模型或从电弧的微观特性出发，或从交流电弧的外特性出发，将交流电弧看 作一个非线性时变的电阻元件，在一定条件下导出交流电弧的伏安关系。模型的主要 出发点是基于交流电弧伏安特性的模拟。d u g a n 、v a r a d a n 等人未考虑热惯性的影响， 误差较大，而s a rs h a r 等人从另一角度提出电弧模型，并考虑了电流过零时电弧的效 应，效果较好。这类模型多用于进行电弧炉电气系统的谐波分析。 ( 2 ) 频域模型【1 4 , 1 5 , 1 6 此类模型实际是在捷尔内的电弧模型基础上的进一步扩展，用一个电压源来替代 交流电弧。模型的依据是：电弧电压波形主要取决于电弧弧长、而与电弧电流大小关 系不大。采用电压源替代电弧后，就避开了求解交流电弧电阻非线性解析表达式的困 难，可以方便地分析电弧炉的电气工作特性，对系统进行谐波分析，考察系统谐波阻 抗对电弧炉工作状态的影响。对系统进行谐波分析时，采用的是傅立叶级数展开的方 法。频域模型较适于分析单相或三相对称系统，对三相不对称系统，分析较为席烦， 研究结果较少。 ( 3 ) 用于电网电压波动预测的模型 1 7 , 1 8 这类模型主要用于对电弧炉引起的电压波动与闪变进行预测。它本质上是在捷尔 内的电弧模型的基础上考虑了弧长周期变化与随机变化影响后而得出的模型。与频域 3 一 东北大学硕士学位论文 第一章概述 模型所不同的是，此类模型在分析时着重考察弧长变化对电网电压、电流有效值的影 响，而对具休的电压、电流波形则不太关心( 即不关注谐波的分布) 。 此外，在一些文献中，还有将电弧视为线性电阻元件或线性电阻与电感复合组成 的阻抗元件来进行分析，这主要见于电弧炉电气工作特性及电弧炉系统控制的相关文 献中。 1 3 电弧炉电极调节系统控制技术的研究 电弧炉炼钢过程是一个典型的具有非线性、时变性、随机特征的工业控制过程， 因此，电弧炉炼钢的过程控制受到了众多研究者的关注。而电弧炉炼钢过程的控制主 要通过电极调节系统来完成输入电功率，降低能耗、缩短冶炼时间等控制目标，同时， 电极调节器的调节性能及调节过程对电网电压波动的大小也产生十分重要的影响。因 此，电极调节系统的控制方法成为电弧炉系统控制研究的主要对象。 在6 0 7 0 年代，人们对电弧炉模型知之甚少，只能采用基于线性电弧阻抗的控制 策略。1 9 7 2 年，n i e h o l s o n 提出了电极位置控制器的控制方法，并进行了仿真分析1 1 们。 1 9 7 7 年，b i l l i n g s 和n i c h o l s o n 提出了电弧炉电极调节的温度加权自适应控制算法1 2 0 l ， 该算法以电弧炉中熔池温度能连续检测为前提，以炉温为时变参数的可测辅助变量， 事先确定了一个以炉温为自变量的权函数，在系统实际运行时用此权函数与取得的控 制作用相乘，再作用于被控对象。以后，他们又提出了基于辩识的电弧炉建模与控制 方法，但由于模型与实际对象差别较大，所以以上研究多限于理论分析和仿真研究。 1 9 7 9 年，b i l l i n g s 提出了采用孤流阻抗控制的双模型控制方案f 2 ”，即通过检测电流， 当电流值达到短路电流值时采用电流控制策略，否则就采用阻抗控制策略。这两种控 制方法相结合的优点在于：电流控制策略能够保证短路时对电极进行快速调节，阻抗 控制策略则能保持三相互不干扰、自动调节的特点。h n i c h o l s o n 等人提出了电弧炉阻 抗在线最优控制方案，该控制方案通过对液压式电极调节器进行分析研究后，首先给 出了系统1 1 阶非线性模型，经过线性化及降阶处理后得到了6 阶的线性模型，并用 通常的向量微分方程表示为：x ( t ) = a x ( t ) + b u ( t ) ，然后利用基于二次型的性能指标，求 出其最优控制u ( 0 。实旌在线控制的结果表明，在瞬态特性方面在线最优控制方案要 优于模拟控制方案，也优于p i d 控制，只是在求解r i c c a t i 方程时，加权阵q 、r 初值 的选择尤为重要。 8 0 年代以后，n a d i r a ( 1 9 8 8 ) t 捌、g u x 一y 、b a o y a ( 1 9 9 7 ) 2 引、u s o r p 1 9 8 4 ) 1 2 4 l 等人研究了考虑电弧炉主电路非线性作用的自适应控制方法，提出了电极位置控制系 统的构成，并讨论了计算机实现技术。但是，这些方案回避了电弧参数的变化问题， 且数学模型较为复杂，给实际应用带来了困难。 4 东北大学硕士学位论文 第一章概述 9 0 年代以来，美、意、英等西方主要国家纷纷投入大量力量进行电弧炉炼钢过程 智能控制的研究。具有代表性的是美国s t a n f o r d 大学的w l l i a ne s t a l b 等人与美国 n o r t hs t a r 钢厂及m i u t e c h ，h o h 公司合作研制的基于神经网络的智能电弧炉控制系统 l a f 【2 5 1 。i a f 使用了三个神经网络，分别构成电弧炉仿真器、电极调节仿真器及神经 电极控制器。神经网络全部使用扩展的4 一b a r 4 自适应算法，硬件支持则仍采用 传统的计算机系统。该系统经过3 0 m i n 的学习训练后，便可实现对电弧炉的控制，可 以连续地根据操作条件变化来调节电极和输入电炉功率。为了i ) lj 练神经网络，i a f 设 计了一个数据采集系统，收集了数g b 的数据，进行离线分析，计算得出平均功率因 数、波形畸变的百分数等。神经网络权值每1 5 s 更新一次，以适应条件的变化。i a f 可根据电弧炉的不同冶炼情况，自动设置最佳工作点，并调节系统参数以便闪烁最小 化。据报道，i a f 在提高炼钢效率、节能、提高炼钢过程的综合自动化方面均取得了 较好的效益。据在美国n o r t h s t a r 钢厂取得的数据：电能节约3 3 ，电极节约3 0 8 9 ， 生产率增加4 8 。智能电弧炉代表了电弧护炼钢的发展方向，是目前最先进的技术。 国内对电弧炉炼钢过程控制理论方面的研究虽然起步较晚，但发展很快。在8 0 年代初，顾兴源、毛志忠等人提出了电弧炉电极调节自校正控制方案与辨识方法，文 中从提高电极调节快速性这一观点出发，提出了在偏差信号和电压环之间加一个调节 器，调节算法采用自校正控制算法，来提高电极调节器的反应速度，达到节约电能的 目的。1 9 8 5 年张殿华等人提出具有可变遗传因子的电弧炉电极调节自校正控制方案 2 6 1 ，该控制方案以获得一种控制算法简单、对时变系统具有补偿作用且全局收敛性比 较好的自校正控制器为目的，提出了一种具有可变遗传因子的自校正控制算法，并且 证明了，当被控系统满足确定性、时不变和最小相等条件时，该控制算法具有全局收 敛性。1 9 9 3 年，王顺幌等人根据电弧炉炼钢过程特点，在分析其机理的基础上，针对 电极升降调节在不同冶炼过程中不同的控制性能要求，提出了电弧炉炼钢过程电极升 降智能复合控制方案【2 ”。由于电弧炉熔化期扰动大，弧长变化大和偏差大。希望电极 升降控制系统能无超调的快速调整，而对控制精度要求相对较低，所以拟采用快速最 优( b a n g - b a n g ) 控制方案；氧化期扰动相对减小，弧长变化也较稳定，希望兼顾快速性 和精度要求，所以拟采用模糊控制方案；还原期炉况相对稳定，希望由较高控制精度， 因此采用p i d 控制方案。这就是智能复合控制的基本出发点。在线仿真证实，该控制 方案在相同条件下，提高了系统的控制精度和跟踪能力，系统的响应速度比一般p i d 控制快5 倍，静差也很小，为电弧炉冶炼过程节能提供了一个可行方案。 近几年，杨文华( 1 9 9 4 ) 2 8 1 杨拥民( 1 9 9 6 ，1 9 9 8 ) 2 9 1 、尹长飞( 1 9 9 3 ) 3 0 1 、毛志忠 ( 1 9 9 6 ) 3 l 】、李嫒、王建( 1 9 9 9 ) 【”1 、刘小河( 2 0 0 5 ) 【3 3 等人分别在电弧炉电极调节自适应控 制、电极参数自整定p i d 控制、具有前馈环节的电极自适应控制器、三相电极调节器、 一5 东北大学硕士学位论文 第一章概述 鲁棒模型参考自适应控制器方面进行了研究。但是，上述研究大多将电弧炉主电路视 为一个线性的系统进行辩识或控制，在控制策略上采用了线性系统的自适应控制方 法，这与实际对象还存在很大差距。不过这些新方法与经典的p i d 控制相比：在响应 速度、静差率方面的指标有了很大提高。 国外电弧炉过程自动化技术发展比较快【3 ”，特别像美国、德国、日本等一些工业 发达的国家，这些国家不仅注重电弧炉设备的技术改造投资，而且不惜重金研究和开 发新的电弧炉过程控制设备及技术。在电弧炉过程控制技术研究及使用方面，美国一 直处于领先地位，从首先将计算机引入电弧炉过程控制中到现在开发的智能电弧炉 ( i a f ) ，均代表着每一历史时期的最高水平。德国不仅是最早使用电弧炉的国家之一， 而且在电弧炉过程控制方面也具有较高的水平。日本虽然在电弧炉过程控制技术研究 上是起步较晚的国家，但其发展速度是惊人的。 针对具体的电弧炉熔炼过程及存在的实际控制技术问题，国内自动控制领域的科 技工作者开发研制了不少适合我国国情的新技术，其中具有代表性的有：上海交通大 学自控系李静如、张钟俊等人为上海钢铁公司研制开发的“具有不同控制策略和专家 知识的炼钢过程计算机控制系统”，北京科技大学王顺幌等人研制开发的“电弧炉炼 钢过程数学模型及终点自适应预报系统”，北京科技大学王顺幌等人研制开发的“电 弧炉炼钢过程自适应预测控制操作指导系统”在实际使用中取得了令人满意的效果。 综上所述，电弧炉过程控制技术由常规基础自动化和一般监控功能向计算机人工 智能、专家系统操作指导及管理优化方向发展。尽管我国在控制技术方面取得很大的 发展，但同国外先进国家相比，差距还很大，要使我国的电弧炉熔炼产品在世界市场 具有竞争力，就必须尽最大可能提高产品质量、降低能量消耗。而这一性能指标的取 得，必须通过采取先进的过程控制技术来实现，仅靠入工手动操作或一般常规控制策 略是无法实现的。 1 4 本文主要工作 本文主要工作是实现电弧炉电极调节系统的控制。电弧炉电极调节系统豹建模是 研究的基础，而交流电弧的模型又是整个系统建模的关键。首先，我们将建立一个可 以应用于电极控制的电弧模型，并且这种模型要有定的物理依据，模型中的参数能 够较方便地确定，计算量适中。进而再根据由电弧机理模型所描述的电极调节系统模 型设计出符合其自身特点的控制器。 第一章在查阅大量国内外文献的基础上，综述了电弧模型的研究现状，电弧炉控 制方法的发展历程、研究现状及发展趋势。 第二章介绍了电弧炉炼钢的基本原理，电弧炉炼钢工艺过程及设备的组成。 6 东北大学硕士学位论盘 第一章概迷 鲁棒模型参考自适应控制器方面进行了研究。但是，上述研究大多将电弧炉主电路视 为一个线性的系统进行辩识或控制，在控制策略上采用了线性系统的自适应控制方 法，这与实际对象还存在很大差距。不过这些新方法与经典的p i d 控制相比：在响应 速度、静差率方面的指标有了很大提高。 国外电弧炉过程自动化技术发展比较快p ”，特别像美国、德1 4 、f t 本等一些工业 发达的国家，这些国家不仅注重电弧炉设备的技术改造投资，而且不惜重金研究和开 发新的电弧炉过程控制设各及技术。在电弧炉过程控制技术研究及使用方面，美国一 直处于领先地位，从首先将计算机引入电弧炉过程控制中到现在开发的智能电弧炉 o a f ) ，均代表着每一历史时期的最高水平。德国不仅是最早使用电弧炉的国家之一， 而且在电弧炉过程控制方面也具有较高的水平。f t 本虽然在电弧炉过程控制技术研究 上是起步较晚的国家，但其发展速度是嚎人的。 针对具体的电弧炉熔炼过程及存在的实际控制技术问题，国内自动控制领域的科 技工作者开发研制了不少适合我国国情的新技术，其中具有代表性的有：上海交通大 学自控系李静如、张钟俊等人为上海钢铁公司研制丌发的“具有不同控制策略和专家 知识的炼钢过程计算机控制系统”，北京科技大学王顺幌等人研制开发的“电弧炉炼 钢过程数学模型及终点自适应预报系统”，北京科技大学千j 顶幌等人研制开发的“电 弧炉炼钢过程自适应预铡控制操作指导系统”在实际使用中取得了令人满意的效果。 综上所述，电弧炉过程控制技术由常规基础自动化和一般监控功能向计算机人工 智能、专家系统操作指导及管理优化方向发展。尽管我国在控制技术方面取得很大的 发展，但同国外先进国家相比，差距还很大，要使我国的电弧炉熔炼产品在世界市场 具有竞争力，就必须尽最大可能提高产品质量、降低能量消耗。而这一性能指标的取 得，必须通过采取先进的过程控制技术来实现，仅靠人工手动操作或一般常规控制策 略尾无法实现的。 1 4 本文主要工作 本文主要工作是实现电弧炉电极调节系统的控制。电弧炉电极调节系统的建模是 研究的基础，而交流电弧的模型又是整个系统建模的关键。首先，我们将建立一个可 以应用于电极控制的电弧模型，并且这种模型要有一定的物理依据，模型中的参数能 够较方便地确定，计算量适中。进而再根据由电弧机理模型所描述的电极调节系统模 型设计出符合其自身特点的控制器。 第一章在查阅大量国内外文献的基础上，综述了电弧模型的研究现状。电弧炉控 制方法的发展历程、研究现状及发展趋势。 第二章介绍了电弧炉炼钢的基本原理 第二章介绍了电弧炉炼钢的基本原理 6 电弧炉炼钢丁艺过程及设备的组成。 电弧炉炼钢工艺过程及设备的组成。 东北大学硕士学位论文 第一章概述 第三章着重讨论电弧炉电极调节系统的数学模型问题。首先讨论了交流电弧等效 模型的导出与验证以及工程上估算电弧模型参数的方法，然后介绍了实际液压系统的 基本特性，并在此基础上推导出电极调节系统的模型。 第四章首先介绍了三种电极控制策略，着重分析了阻抗控制策略的优点。根据第 三章所建立数学模型的结论，采用分段线性化的阻抗控制方法，来对电弧炉系统的一 类非线性系统进行控制。最后进行了仿真验证。 第五章给出了电弧炉控制系统基础自动化级网络结构，电极调节p l c 和炉体动作 p l c 的硬件配置，以及控制系统的软件实现。 一7 查苎查芏堡主兰堡垒查 堑三主皇坠生苎! 型! 型墨生 第二章电弧炉炼钢工艺与设备 2 1 电弧炉炼钢基本原理 三相电弧炉( 简称为电弧炉) 是利用交流电弧产生的热来熔炼金属的一种电炉。 通常所说的电弧炉，一般指炼钢电弧炉。由于电弧功率非常大，用它来熔炼金属，可 使熔炼过程进行的非常迅速，并且炉温可以很高。 电弧炉构造简图如图2 1 所示： 1 0 图2 1 三相电弧炉构造简图 f i g 2 1a r c h i t e c t u r es k e t c ho f t h r e e - p h a s ea r cf u r n a c e 1 炉底：2 钢液；3 渣层；4 流钢嘴；5 炉顶：6 电极；7 电极夹持器； 8 短网；9 电炉变压器；l o 炉门 电弧炉按其工作原理可分为直接加热、间接加热电弧炉和电阻电弧炉三大类【”。 现代化的炼钢电弧炉均为直接加热，炉底不导电式电炉。该电炉按直接加热金属的原 理进行工作，电弧发生在每一根电极与金属炉料之间，己熔化的金属则形成负荷的中 性点。电流的流动方向是：电极专电弧专炉渣。金属斗炉渣斗电弧_ 电极。 电弧炉炼钢的主要原料为废钢、废铁、生铁，铸造、轧钢和其它车间的回炉钢， 以及各种合金材料( 如铁台金，镍等) 。装入炉内原料的性质及其数量，应根据被熔 炼钢的品种及其化学成分而定。 一9 一 翼 东北大学硕士学位论文 第二章电弧炉炼钢工艺与设备 2 2 电弧炉炼钢工艺 目前普遍认为采用电弧炉初炼，钢包炉精炼相配合的工艺流程是比较合理的短流 程工业过程，本电弧炉项目也是和精炼炉相配合。于是，炼钢工艺有了新的特点，即 把原来的炼钢工艺分成两步进行：第一步在一般炼钢炉中进行熔化和初炼，一般炼钢 炉称为初炼炉；第二步在钢包中进行精炼。 氧化法是电弧炉炼钢工艺的最基本的方法【3 “。 传统的氧化法冶炼工艺由补炉、装料、熔化期、氧化期、还原期和出铜六个阶段 组成。它集熔化、精炼和合金化于一体，在炉内即要完成熔化、脱磷、脱碳、升温， 又要进行脱氧、脱硫、去气、去除夹杂物、合金化以及温度、成分的调整，因而冶炼 周期很长。这既难保证对钢材越来越严格的质量要求，又限制了电弧炉生产率的提高。 现代工艺只在电弧炉中保留了熔化、升温和必要的精炼，如脱磷、脱碳，而把其 余的精炼过程均转移到钢包二次精炼炉中进行。工艺上的这种改进大大提高了电弧炉 设备能力，使其能够阻尽可能大的功率进行熔化、升温操作，而把那些只需要较低功 率的操作转移到钢包精炼炉内进行。并且越来越完善的电弧炉技术能进一步满足钢液 清洁度和严格的成分、温度控制的要求。同时，在现代电弧炉炼钢工艺中，在熔化初 期就对炉内进行吹氧，因此熔化期和氧化期己无明显的区分，所以现代电弧炉炼钢工 艺包括补炉、装料、熔化期和出钢四个阶段。 补炉：补炉是指当上炉出钢完后，需要迅速将炉体损坏的部位进行修补，以保证 下一炉钢的正常冶炼。新炉子在冶炼前几炉一般不需要补炉。 装料：装料是指将固体炉料( 按冶炼钢种要求配置的废钢铁料及少量石灰) 装入 炉膛内。目前多数电弧炉采用炉盖上升技术，炉体开出，或者炉盖生起旋开，用吊车 吊起炉料一次性加入炉膛内，称顶装料。 熔化期：从通电开始到停炉出钢阶段称为熔化期。熔化期的主要任务是迅速熔化 全部炉料，去除钢液中的磷、碳，钢液中的气体和夹杂物，将钢液温度加热到高于出 钢温度1 0 2 0 。c 。为了加速熔化和节约电能，在熔化期一般采用吹氧助熔，有条件的 也可以采用煤氧助熔。此外，如果电极需要接长则在熔化期进行，更换渣罐、堵出钢 口、准备冶炼用工具以及其他准备工作都在熔化期进行。 出钢：钢液脱碳、脱磷良好，化学成分符合要求，温度达到出钢要求，炉渣合乎 出钢要求，即可出钢。因此，电弧炉炼钢的一般流程为：上炉出钢一补炉一装料熔 化期一出钢。 电弧炉炼钢工艺过程如图2 2 所示。 一1 0 东北大学硕士学位论文 第二章电弧炉炼钢s - 艺与设备 白云石或镁砂通电( 二砍加科) 取样加矿石取样化验 造渣剂 j ，j ， j ， j ，j ，j ，j ，上 山 补炉装科l溶化期 f 氧化期 l除渣l还原期 出钢 个1 、个个个个个个个个1 、 1 、个 废钢 吹氧助熔 熔渣吹氧 加合金块取样( 成品) 图2 2 炼钢过程t 艺 f i g 2 2t h ep r o c e s so f e l e c t r i ca r cf u m a c e 2 3 电弧炉炼钢设备 电弧炉炼钢一般由三大系统构成，它们是电气系统，机械系统，液压传动系统。 这三部分相互结合，共同构成电弧炉炼钢的整体。下面分别详细介绍电弧炉的电气系 统与机械系统，液压传动系统将在第三章电极调节系统的建模中介绍。 2 3 1 电气设备 主供电电路指高压电由厂变电所至电炉变电所后，经隔离开关，高压断路器，电 炉变压器，电抗器，短网输送到电弧炉的电路。在高压侧，一般要加上电力电容器进 行无功补偿，如图2 3 所示。下面介绍电弧炉主回路供电电路的主要元器件： ( 1 ) 高压真空断路器：在每炉钢冶炼的开始和终了，在冶炼中改换电压，去掉 炉渣和接长电极以及过电流继电器操作断路器开断，都需操作断路器，使炉子停电或 通电。 ( 2 ) 变压器：是电弧炉电气设备中的主要元件。在熔化期，变压器通常在超载 2 0 的情况下工作，因而其有许多结构特点，性能要求也高。电炉变压器的一次侧既 可接成三角形，也能切换成星形，而二次侧都采用三角形，因为采用三角形电路的短 路电流分布在变压器的两个相内，这可以减少线圈所受的机械应力，并降低它的发热 程度。此外，二次线圈的三角形接法使双线三相短网的构成成为可能。电弧炉采用专 用变压器，变压器采用无载电动调压，低压二次侧采用铜管侧出线、内封口，采用强 迫油循环水冷却器进行冷却。变压器配套强迫油循环水冷却器及其电气控制台。 ( 3 ) 电抗器：对于容量在9 0 0 0 k v 以下的小型电弧炉设备，其短网电抗比较小， 因而短路电流将超过允许值。为了限制短路电流数值，可以增大变压器的阻抗电压， 或在变压器回路中串联电抗器。本系统选用后者，为外附电抗器，有载调节可连续过 载2 0 ，配有隔离开关，接地开关。电抗器通常只在熔化初期接入，保证运行短路电 流不超过变压器额定电流的2 5 3 5 倍，该冲击电流值应对电弧炉电气设备无害。此外， 电抗器还能保证电弧稳定燃烧。 东北大学硕士学位论文第二章电孤妒炼钢_ t - 艺与设备 f f h 山“、l 、叫叫 一、 l 、 l 4 2 门 l r i l i ： - 5 r i 1 审凄审 e ： 、 b与专 i | 习 9 图2 3 电弧炉主电路示意图 f i g 2 3t h em a i nc i r c u i ts k e t c ho fa r ef u r n a c e 1 高压供电网：2 电力电容器；3 隔离开_ 芙；4 电压互感器；5 电流互感器； 6 检测仪表：7 断路器；8 电抗器：9 电抗器短路开关；1 0 电炉变压器； 1 1 接电极调节器：1 2 短网；1 3 电炉本体 ( 4 ) 短网：也称大电流线路，是指从电弧炉的电极夹持器到电炉变压器二次端 的一段三相电路，电流经短网送入炉内，产生电流，将电能转变成热能，把炉料熔化， 它是电弧炉电气回路中的重要部分之一。短网由很多种不同形状的导线组成，主要包 括铜排、软电缆、铜管三部分。短网的电阻包括直流电阻及由集肤效应和邻近效应产 1 2 一 东北犬学硕士学位论文 第= 章电弧妒炼钢工艺与设备 生的附加电阻，短网的电感包括导线的自感及三相导线问的互感。短网中要通过数千 至几万安的大电流，因此，短网的合理设计，对减小电炉设备的功率损失、提高功率 因数以及平衡三相功率都起着重要作用。 2 _ 3 2 机械设备 电弧炉的主要机械设备 1 0 】包括炉体金属结构、电极央持器、电极升降装置、炉体 倾动机构、炉顶装料系统以及水冷系统。 ( 1 ) 炉体：是电弧炉的主要装置，用来熔化炉料和进行各种冶金反应。电弧炉 炉体由金属构件和耐火材料砌筑成的炉衬两部分组成。 ( 2 ) 电极夹持器及电极升降装置：电极夹持器可以用来夹紧和放松电极，还可 把电流传送到电极上。在熔炼过程中，由于炉料不断熔化，不同的熔炼阶段要求给出 不同的电能，同时，电极自身的长度也会存在自消耗，因此，需要随时升降电极以调 整电弧的长度。电极通过电极夹持器固定在电极升降装置上。电极升降装置由导电横 臂、立柱和传动装置组成。导电横臂由铜钢复合板制成，作为支持用的机械结构部分， 用来固定电极夹头。立柱和导电横臂联接成“1 1 ”形支架，一起在固定的框架内升降， 框架固定在炉体的摇架上，框架内装有滚轮，立柱沿滚轮升降。电极夹头、导电横臂 都是内部通水冷却。传动方式为液压传动。电极升降机构包括电极升降液压缸、电极 升降立柱、立柱升降导向轮装置、导电横臂、电极夹头、夹紧弹簧与放松液压缸、电 极喷淋环、夹头喷吹等部分。 ( 3 ) 炉体倾动装置：为底倾机构，传动形式为液压传动。炉子装载专门的摇架 上，摇架两侧的扇形板支承在底座上，倾动时摇架的扇形板沿底座摆动，出钢槽末端 的运动轨迹为摆线。 ( 4 ) 炉盖提升及旋转装置：该机构包括炉盖旋转架、炉盖提升缸、提升连杆机 构、炉盖旋转机构及锁定机构等。 ( 5 ) 水冷系统：为了延长电弧炉的使用寿命以及改善炉前操作条件，电弧炉的 许多部位通水冷却，如前所述的炉盖、炉壳等。水冷系统主要包括三部分：水冷炉壁、 水冷炉盖和水冷导电横臂。 2 4 小结 本章主要介绍电弧炉炼钢的相关知识。首先介绍了电炉炼钢的基本原理，然后详 细介绍了电炉炼钢的工艺原理，分别从传统工艺与现代工艺两个角度加以分析。最后 重点介绍了电弧炉冶炼的电气设备和机械设备，使我们从实际的角度出发了解系统各 部分的组成。 1 3 东北大学硕士学位论文第三章电弧炉电极调节系统的建模 第三章电弧炉电极调节系统的建模 本章我们研究电弧炉电极调节系统的模型问题。电弧炉电气系统的数学模型是研 究电极控制的必要前提条件。电弧炉电极调节系统的模型中，交流电弧的模型是其中 的难点和关键问题。因此，本章重点讨论交流电弧的模型问题，并在交流电弧模型的 基础上，导出电弧炉电极调节系统的闭环模型。 3 1 交流电弧的电阻模型 3 1 1 电弧的组成 电弧在阴极和阳极之间稳定燃烧时，电弧压降沿电弧长度并非均匀分布，电弧压 降可分成三个区域【3 6 1 ：阴极压降区域、弧柱区域和阳极压降区域。电弧的两个电极： 阴极和阳极，也可认为是电弧的组成部分。电弧形成后，在阴极附近聚集着大量的正 离子，形成正空间电荷( 正离子层) ，使阴极附近的电位有一个较大的跃变，称为阴 极电位降；这对加速正离子向阴极运动、碰撞阴极表面产生二次发射和形成高电场发 射起着重要作用。 在阳极附近则聚集着大量的电子，由于有未被补偿的负空间电荷( 电子) 存在，也 有一个电位跃变，形成阳极电位降。阴极和阳极压降区域都处于靠近电极的很小范围 内，因而其电位梯度可达到较大的数值。 电弧的中间部分是弧柱，在自由状态下近似呈圆柱形，此区域内的电离气体中， 正负带电粒子数目相等，也称为等离子体。由于不存在空间电荷，弧柱区近似于金属 电阻，它的电位沿轴线均匀分布，电位梯度几乎不变。可以用弧柱电阻来表示其特性。 当电弧稳定燃烧时，随着电流的变化，阴极和阳极压降的数值变化不大，仅与电 极材料、炉气成分及气压有关。在电弧炉内气氛下，阳极区和阴极区的压降之和a 一 般在3