科讲座-电弧炉电极调节系统控制方法研究

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1、电弧炉电极调节系统控制方法的研究,北京信息科技大学自动化学院 刘小河 2012年9月,学科基本概况,2003年控制理论与控制工程学科被批准为北京市重点建设学科，2008年顺利通过验收，自动进入第二轮建设周期。 2011年，控制理论与控制工程学科作为主要学科方向之一，参加了学校组织的国家特殊需要博士点建设项目申报。 经过多年建设，已形成“非线性控制与鲁棒控制”“智能控制与机器人控制”“电力电子系统的无源控制”、“复杂系统建模分析与控制”等具有特色的研究方向，在国内具有一定影响。,学科基本概况,当前本学科领域的发展趋势 理论层面： 目前在非线性控制、智能控制、复杂系统控制、随机系统控制等方面有诸多

2、研究热点，每年发表大量学术论文。 但是很多具体的理论问题还有待研究，目前主要是一些具体的控制方法、算法的成果，在理论体系上的突破还有一定难度。,学科基本概况,当前本学科领域的发展趋势 应用层面： 在工业控制及高技术中的控制应用最为广泛； 基于网络的控制近十年是研究的热点之一； 非线性控制、自适应应控制的方法随着嵌入式系统的发展，开始走向应用； 近年关注探讨智能电网、电动汽车、复杂网络等中的控制科学与工程问题。,1、学科基本概况,本学科在国内同类学科领域所处地位 根据自动化教学指导委员会课题组研究结果：国内研究主导型和工程研究应用型自动化学科专业的高校为78所，其中90%具有控制学科的博士点，多

3、数是985高校及211重点高校，学术水平和学术影响力明显高于其他高校。 我校学科专业属于应用技术主导型自动化学科专业中水平比较靠前的高校，学科排名大概在80-100名之间。 根据2006年学位办一个课题组的研究结果，我校学科被划到B+类，和我们同属一类水平的相关高校有：北京大学、北京工业大学、北京交通大学、北京工商大学等。我们认为这个排名中我校学科水平可能被高估。 本学科属于国内一流学科的高校有：清华、北航、北理工、上海交大、浙大、西交大、东大、哈工大、华南理工等。,控制科学与工程 （一级学科 2011）,电气工程 （一级学科 2011）,控制理论与控制工程、检测技术与自动化装置 （北京市重点

4、建设学科 2003）,工学硕士点,控制工程（2009）,专业学位硕士点,近几年学科建设、队伍建设、专业建设取得良好成绩,科研工作结硕果：申请获得一批高水平科研项目，获得一批高水平科技和教学成果，科研经费居全校前茅，发表论文、三大检索收录论文位居学校二级单位前列。,北京市拔尖创新人才,省部级重点（含军工）,国家自然科学基金,北京市教委科技项目,其他,科研项目,项目,项目,项目,项目,项目,项目,近3年科研项目共75项，经费约1750万 国家发明专利7项，出版专著和教材10余部，发表论文400余篇,电弧炉电极调节系统控制方法的研究,课题来源： 国家自然科学基金(2011-2013) 国家自然科学基

5、金（2003-2005） 北京市自然科学基金项目（2008-2010） 教育部重点项目（2007-2009) 北京市自然科学基金重点项目（B类）（2006-2008） 北京市创新拔尖人才项目（2006-2008） 北京市教委科研基金项目（2004-2006） 陕西省自然科学基金项目（1995-1998） 机械部教育司科研基金（1998-1999） 陕西省教委专项基金项目（2001-2002） 负责人：刘小河,主要内容,立项目标 项目研究内容 项目背景 电弧炉电极调节系统简介 基于超稳定性理论的一类非线性系统分段线性化自适应控制 电弧炉电极调节系统的自适应控制 电弧炉电极调节系统的自适应控制的其

6、他方法研究,立项目标,建立电弧炉系统的整体数学模型，使之可同时用于电弧炉系统的谐波分析和电弧炉引起的电网电压波动分析； 研究电弧炉对电网的谐波及电压波动的影响机理，特别是电弧炉电极调节系统的性能对电网电压波动的影响机理； 研究电弧炉电极调节系统的智能自适应控制策略和方案；提出减小电弧炉对电网有害影响的对策。为减小电弧炉对电网的有害影响提供理论依据； 探索对电弧炉所代表的一类非线性系统进行分析、控制的方法。,项目研究内容,1)电弧炉系统的模型及谐波分析 建立电弧炉系统的整体数学模型，通过仿真计算考察电弧非线性对系统谐波的影响。 考虑电弧对称与不对称情形对谐波的影响，进行系统加上电力有源滤波器对抑

7、制谐波效果仿真。 对电弧炉系统所产生的谐波特点进行研究，提出谐波分析的理论方法。,项目研究内容,2)电弧炉系统电网电压波动的机理及电极调节器性能对电网的影响 研究电弧的非线性及电极调节器的性能参数对电弧炉输入功率、电网电压等方面的影响，以Matlab为仿真工具进行仿真分析。 从理论上定性考察电弧非线性、三相耦合、电极调节器性能相互影响而产生电压波动的机理。,3)电弧炉电极调节系统的智能自适应控制研究 通过电弧炉电极调节器的智能自适应控制以达到减少电弧炉所引起的电压波动、保持三相平衡等效果。 提出保证系统稳定性的控制方案 研究可实现的具体算法。,项目研究内容,4)电弧炉系统的实验研究 进行电弧炉

8、系统谐波分析及抑制方法的实验研究 对电弧炉电极调节系统的自适应控制进行实验研究，以检验数字仿真所得到的控制算法在线实现的可能性。 研制电弧炉主电路及电极调节系统仿真实验系统,项目研究内容,5)一类多电机系统的鲁棒自适应控制研究 a）一类高阶MIMO非线性耦合系统的模型分析与简化研究 得出具有耦合特性的多电机系统模型转化方法。 b）基于L2性能指标的一类非线性系统的鲁棒自适应控制 以电弧炉电极调节系统为背景，并考虑同类具有耦合特性的多电机系统的特点，采用递推设计的方法推导基于L2性能指标的鲁棒自适应方案,进行稳定性理论分析。 c）电弧炉电极调节系统的智能鲁棒自适应控制 研究电弧炉电极调节器的鲁棒

9、自适应控制方案，根据工程实际约束条件的要求，提出保证系统鲁棒稳定性的自适应控制算法，在此基础上进行电弧炉电极调节系统智能鲁棒自适应控制的数字仿真研究 d）三相电弧炉电极调节系统鲁棒自适应控制的实验研究 以实际的伺服电机为执行驱动部件，构造三相电弧炉电机调节系统。研制基于的DSP电弧炉电极自适应控制硬件系统及自适应控制的软件，为今后的工程技术创新创造条件。,项目研究内容,电弧炉炼钢简介,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 10炉门,电弧炉炼钢简介,1进线隔离开关 2高压断路器 3外附电抗器 4电抗器分接开关 5电炉变压器 6电流互感器 7短网 8

10、调节器 9电弧炉,第一座工业用电弧炉于1900年在法国建成。电极升降靠人工手动调节。 1926年，德国制成了炉盖移动式电弧炉，容量6吨，从炉顶装料。 1940年以前，电弧炉都被用来冶炼制造合金钢以及不锈钢、工具钢。大于25吨容量的电弧炉全世界仅有5台。 二战后合金钢需求量减少，迫使许多电弧炉改炼碳素钢。电弧炉冶炼碳素钢的产量到1977年已达到1亿吨左右。 70年代先后出现300吨，360吨，400吨容量的大型电弧炉。为了进一步改善电弧炉炼钢的经济性，60年代初，美国研制成功容量为135吨超高功率电弧炉，生产效率提高了近1倍。,电弧炉炼钢简介,电弧炉具有以下一系列独特的优点： 冶炼温度高达200

11、0C以上，能够满足各类钢材对冶炼温度的不同要求； 炉内气氛能够灵活控制，从而有利于降低钢液中的非金属夹杂物。 钢液的化学成分容易控制，且操作方便； 炉子输入功率容易调节，因而易实现炉子加热过程自动化 设备结构紧凑，占地面积少，基建投资省，建厂速度快，生产机动灵活； 基于此，近年来电弧炉逐步开始取代传统的平炉、转炉，成为主要的炼钢方式之一。,电弧炉炼钢简介,电弧炉的整个炼钢过程分为三个时期：熔化期、氧化期和还原期。 熔化时期的特点是电炉输入的电功率在急剧波动，同时经常伴随有电流冲击。 当部分炉料被熔化后，产生炉料倒塌，使电极发生短路，从而引起电流的冲击。在熔化期，电极短路次数有几十次甚至上百次之

12、多。 由于三相的耦合作用，某相电极短路后，其它两相电极也产生了不应有的调节过程。这样使得电极短路后的调整过程加长，电弧电流波动的影响更加明显。 当电极调节系统性能较差时，常常会处于反复调节的过程之中。这种状况不但影响电弧炉的电效率，也对电网电压产生明显的影响，产生电压波动及闪变等问题。,电弧炉炼钢简介,熔化期的后期，炉料全部熔化，电弧电流相对比较稳定。 在氧化期，由于脱碳反应造成钢液的强烈沸腾，电弧的等效弧长因此发生周期性的、拟周期的或随机性的波动，因此造成电弧电流长时间不规则的波动。 常规的调节系统无法有效减少这种波动，在某些情况下反倒有可能加剧电弧电流的波动，因此产生持续性的电压波动与闪变

13、问题。 还原期的特点是电弧较长，燃弧较稳定，输入电弧炉的功率较稳定。这时电网的谐波问题仍比较明显。,电弧炉炼钢简介,电弧炉工作的基本特点,熔化时期频繁的电极短路及相应的调节过程，三相电弧的相互受力及炉料温度较低时所造成的弧长随机扰动。 氧化期内钢液的沸腾而造成弧长波动。 由于三相耦合的影响，加之电极调节系统的调节作用，使电弧弧长的变化呈现出更加复杂的特征。而电弧电阻的非线性对于电弧炉主电路有着十分重要的影响。因此，从供电网的角度看，电弧炉几乎是一个随机负载。 但仔细分析则不难看出，所以这些均是由于电弧弧长的变化而产生的。一旦电弧弧长稳定，则问题相应就简单一些，即只有电弧电阻的非线性问题，电弧炉

14、可以认为是一个稳定负载。,项目研究背景,电弧炉对电网会产生谐波、三相不平衡、电压波动等危害。 80年代以来，国际各国学者相继投入力量进行电弧炉模型、电弧炉对电网的影响、谐波检测方法、抑制谐波、电网电压波动的设备等方面的研究，取得一些有意义的成果。,Dugan(1980)首次采用分段线性化的电弧模型，进行了电弧炉系统的谐波分析研究，其结果被广泛引用。但是，分析结果误差很大，还不能应用于工程分析。 上世纪九十年代，C.Gllker(1993),Juan Celad S.(1993),J.G.Mayordomo(1994), Arash Sarshat(1996) 等人分别采用电压源替代模型，频域电

15、弧模型，统计模型进行了电弧炉系统谐波分析。分析一般是针对单相系统或三相对称系统进行的。 本世纪初，出现了一些新的谐波分析方法，如自适应遗传算法，多频带小波变换等，给谐波的分析与治理带来了方便，有效和可靠的技术手段。,项目研究背景谐波分析,90年代以来，许多学者从电压源替代电弧模型出发，对电弧炉引起的电网电压波动与闪变进行了研究。 研究的主要方法是假定电弧电压和电弧电流有效值之间存在一定的关系，采用一个简单的函数来逼近这种关系，考虑弧长的随机扰动，进行仿真研究。 分析一般限于单相系统且不考虑电极调节系统的影响。 当考虑电弧炉对电网电压波动的影响时，应该考虑电弧炉电极调节器的调节性能及调节过程对电

16、网的影响。,项目研究背景电压波动与闪变,1972年，Gosieuski提出了电极动态最优控制，同年Wheeler提出了电极动态功率控制。 1973年，Nicholson提出了电极阻抗在线控制。 Nadira R.(1988) Gu X.-y. Bao Y.-a(1997)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。,项目研究背景电弧炉控制,90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Stanford大学的Wilian E. stalb等人与美国North Star钢厂及Miutech.HOH公司合作研制的基于神经网络的智能电弧炉控制系统IAF。 IAF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。 据报道，IAF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North star钢厂取得的数据:电能节约3.3%，电极节约30.89%,生产率增加