电弧炉电极系统的建模及其自适应控制

电弧炉电极升降系统的建模

及其自适应控制

摘要

电弧炉炼钢是一个典型的非线性、时变性、随机性等特征融为一体的工业过程，它的能量输入主要是通过控制电极升降的调节系统来完成的；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，其调节的效果对炼钢过程降低能耗、缩短冶炼时间、提高效率具有重要意义。因此电极调节系统的控制方法成为电弧炉控制研究的主要对象，控制电极的升降，就控制了电极与炉料间的电弧长度，进而就控制了电弧产生电流的大小，达到控制冶炼功率的目的。本文首先建立了电弧和电极系统的模型，然后讨探讨了电弧炉电极调节系统的控制问题。

针对电弧炉冶炼的工艺特点，根据能量守恒定律和相关的电弧物理知识，以电弧电导作为状态变量，电弧瞬时电流和弧长作为输入量，建立一个用非线性微分方程描述的交流电弧炉电弧时域模型，并做了相应的仿真分析；将供电系统与电弧模型相结合，建立了电弧炉电气系统模型；然后建立了液压系统模型，通过液压缸活塞位移与电弧长度之间的关系，将液压系统模型与电气系统模型相连接，构建了电极系统模型，并通过计算机仿真说明了其工作原理及特性。

结合电弧炉炼钢工艺对控制系统的要求，并确定了电极调节系统的恒阻抗控制策略之后，将建立好的电极系统模型作为被控对象进行传统的PID控制。针对PID控制器控制电极系统的不足，设计了模型参考自适应控制器，并通过仿真验证了这种控制方法的正确性和有效性。

关键词：电弧炉；电极调节系统；PID控制；模型参考自适应；仿真

第一章绪论

1.1问题叙述

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等。电弧炉炼钢越来越被广泛应用的同时，也逐渐成为最普遍的炼钢方法。

工业上通常所说的电炉炼钢，主要是指电弧炉(Electric Arc Furnace，简称EAF)炼钢，其他类型的电炉如感应电炉、电渣炉等所炼的钢数量较少。交流电弧炉炼钢是采用三相电极和待冶炼炉料(废钢铁)间放电产生的电弧，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废钢铁、金属和炉渣，冶炼出各种成分的钢和合金的一种炼钢方法。

电弧炉炼钢过程的能量输入主要是通过电极调节系统来完成的，电极调节的效果对电弧炉炼钢过程降低能耗、缩短冶炼时间、提高冶炼效率具有重要意义。控制电极升降实现控制电极与炉料间的电弧长度，就控制了电弧产生电流的大小，达到控制冶炼功率的目的。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。

1.2国内外研究现状

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。

在60至70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。80年代以后，Nadira R. (1988)、Gu X.-y.、Bao Y.-a(1987)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。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。智能电弧炉代表了电弧炉炼钢的发展方向，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80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。

近几年，国内一些专家在电弧炉电极调节自适应控制、电极参数自整定PID 控制、具有前馈环节的电极自适应控制器、三相电极调节器、鲁棒模型参考自适应控制器方面进行了研究。这些新方法与经典的PID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，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(IAF)，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。

1.3电弧炉炼钢的特点

1.3.1电弧炉炼钢的优缺点

目前，电弧炉炼钢是世界各国生产特殊钢的主要方法，它具有一系列的优点：

(1) 电炉炼钢的设备比较简单，投资少、基建速度以及资金回收快。

(2) 因电炉炼钢的热源来自于电弧，温度高达4000~6000摄氏度，并直接作用于炉料，所以热效率较高，一般在65%以上。

(3) 电炉炼钢不仅可去除钢中的有害气体与夹杂物，还可脱氧、去硫、合金化等，故能冶炼出高质量的特殊钢。

(4) 电炉炼钢可采用冷装或热装，不受炉料的限制，并可用较次的炉料熔炼出比较好的高级优质钢或合金钢。

(5) 适应性强，可连续生产也可间断生产，就是经过长期停产后恢复也快。

但是，电炉炼钢也有其不可避免的缺陷，如电弧是点热源，炉内的温度分布的不均匀，各部分的温差比较大；炉气或水分，在电弧的作用下，能电解出大量

的H、N，从而使钢中的气体含量增高。

1.3.2电弧炉炼钢的基本原理

三相电弧炉构造简图如图1.1所示：

图1.1 三相电弧炉构造简图

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

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。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（如铁合金，镍等）。

1.2.3电弧炉炼钢工艺

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