发电机组直供矿热炉模糊控制系统

2008年09月23日

摘　要　通过分析发电机组、矿热炉工艺，提出了用模糊控制理论控制发电机组直供矿热炉的新思想，并应用于唐钢铁合金矿热炉，运行效果良好，效益显著。实践证明该控制策略是行之有效的。
关键词　模糊控制器自组织矿热炉发电机组

　　1997年3月唐山钢铁公司热电联产发电机组投入运行，但由于种种原因未能和大电网并网，为节能降耗，公司决定该发电机组直供铁合金矿热炉。这种特殊的供电形式，对于矿热炉负载的稳定性等方面提出了严格的要求，如果负载电流不平衡将会使得发电机组发出的电压不稳，周波发生变化，从而导致铁合金冶炼变压器温度升高，铁损增加，无功功率加大，直接影响铁合金冶炼变压器的使用寿命，也影响矿热炉工况顺行。由于发电机组是属于大惯性系统，要求负载平稳变化，不能有大的波动，否则将会产生发电机组飞车的恶性事故。为了确保发电机组和矿热炉的设备安全，使得用电更加合理，我们引入了模糊控制理论，研制出适用于小型电网或发电机组供电的模糊型矿热炉微机控制系统。

1　供电环境对矿热炉自动控制的影响
　　矿热炉内电极的升降将引起电弧长度及操作电阻的变化，从而改变冶炼电流及入炉功率。其生产工艺要求：首先在融化期要用满负荷给炉子供电，这意味着3根电极插得较深，电极电流较大，炉内温度较高，有利于炉料融化和还原反应；其次要保证炉况和电弧稳定，如果炉况不稳，3个电极的动作频繁，会导致炉料过快下塌，热效率降低，影响产品质量和吨铁电耗指标，并导致炉况恶化；第三要保证三相电流的平衡，如果电流不平衡度过高，变压器铁损增加，电效率降低；第四要保证按负荷曲线冶炼。传统的手动控制是由操作人员调节电极的位置以达到三相电流相对平衡，但由于操作人员技术水平、责任心、反应速度等因素，通常会造成三相电流不平衡或入炉功率减少，致使效率低，3个坩锅不熔通，炉况变差，出铁少，吨铁电耗指标升高。
　　矿热炉是发电机组的唯一负载，发电机组的额定输出功率相对矿热炉的功率冗余度几乎为零，所以不允许大负荷突然加载或卸载，否则可能烧毁发电机或造成飞车事故。相对变化剧烈的矿热炉，发电机组可视为恒定功率的供电设备。因此，在此系统中必须控制矿热炉，使之适合恒定输入功率的特性，即在冶炼工艺允许的情况下，当电压偏高时，电极下降，提高冶炼电流，以达到降低电压的目的；当电压偏低时，提升电极，降低电流，从而保证电压稳定，保证整个系统的正常运行。

2　控制方案
　　由于矿热炉是一个复杂的受控对象，受多种因素的影响，且三相之间相互耦合。经典控制理论不能解决调节过于频繁和高精度控制这对矛盾，控制品质差，易振荡，同时也很难使用数学模型描述发电机组直供矿热炉系统的控制过程。因此，我们决定在该控制系统中采用模糊控制技术。但是，在实际研制过程中我们发现简单的模糊控制器由于没有控制规则和参数调定能力，系统自适应能力有限。故我们在该系统中加入了自组织环节，它能自动在运行过程中对控制器自身的有关参数进行调整，使系统的品质和性能改善，系统的稳定性、精确度大大提高。
2.1自组织模糊控制器
　　矿热炉的生产是连续的，随着生产的进行，熔池中的铁水逐渐增加，配料比、炉温、弧压不断变化，使三相电极上的电流随之剧烈波动。为了保证三相电流平衡，提高电效率，要求电极调节及时准确，而调节过于频繁又是生产工艺和设备所不允许的。发电机组直接供电，也不允许负载的剧烈变化，为了解决这些矛盾，我们设计了自组织模糊控制器，其结构框图如图1所示。

　　为了最大限度地提高程序的运行速度，采用查表法设计模糊控制器。在设计中把三相电流的偏差Ia、Ib、Ic作为模糊控制器的输入，它们的基本论域为[－40A,40A>。选定输入偏差语言变量的论域为Ii=[－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4>，则它们的量化因子均为K1=4／40=0.1。模糊控制器的输出控制量为UA、UB、UC，它们的基本论域为[－50Hz,＋50Hz>(正负号分别表示正转和反转)。输出语言变量的论域为Ui=[－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4>则输出控制量的比例因子K2=50／4=12.5。根据对实践经验的总结和优化可得3个以Ia、Ib、Ic为条件，分别以Ua、Ub、Uc为元素的三维数组即模糊控制表。
　　以上设计均是离线完成，在用TURBO-C编程时，首先定义3个三维数组A(Xa，Xb，Xc)、B(Xa，Xb，Xc)、C(Xa，Xb，Xc)，同时以模糊控制表给3个数组赋值，然后在中断服务程序中编制一个子程序完成以下步骤。
　　第1步在每一个控制周期中采样系统的电流值IA(k)、IB(k)、IC(k)，并求取实际的即时偏差Ia(k)、Ib(k)、Ic(k)。计算公式如下：
　　Ia(k)=IA(k)－Ie
　　Ib(k)=IB(k)－Ie
　　Ic(k)=IC(k)－Ie
其中　Ie为模糊控制器的给定值；k为采样次数，k=0，1，2，…。
　　第2步将Ia(k)、Ib(k)、Ic(k)分别乘以量化因子K1，得出Xa、Xb、Xc，把量化结果分别代入三维数组A(Xa，Xb，Xc)、B(Xa，Xb，Xc)、C(Xa，Xb，Xc)中，求出输出控制量的论域值Ua、Ub、Uc。
　　第3步将Ua、Ub、Uc分别乘以比例因子K2，便可得到实际的输出控制量UA、UB、UC。
　　第4步输出UA、UB、UC，即完成本次控制周期。
2.2自组织系统
　　矿热炉的工艺非常复杂，很难总结出理想的经验，当被控对象参数发生变化，会影响模糊控制的效果。为了克服这个缺陷，我们设计了一种能在控制过程中自动对本身的参数和控制规则进行调整的自组织模块，使系统的性能不断改善，以适应不断变化的情况，保证控制达到预期效果。自组织模块由性能测量和校正环节组成。性能测量环节采用绝对偏差乘时间的积分(ITAE)准则对系统状态进行测量，计算公式如下：

Qi=∑nT.|Ii(nT)|.T　　(1)
Ri=∑nT.|dIi(nT)|.T　　(2)

其中　T是采样周期；n是采样序号；Qi=Qa、Qb、Qc,是电流偏差的性能指标；dIi=dIa、dIb、dIc,是电流偏差变化率；Ri=Ra、Rb、Rc,是电流偏差变化率的性能指标。将k次采样的电流偏差值代入(1)式，如果Qa、Qb、Qc的值均小于某值时，对象处于精确控制状态，自组织环节校正系统的K1、K2，控制系统进入精确调节阶段。
　　在精确调节阶段，如果在k次采样内Qa、Qb、Qc大于某值时，系统可再次修改K1、K2，使系统返回粗调阶段。
　　将k次采样的电流偏差变化率值代入(2)式，如果Ra、Rb、Rc的值均小于某值时，对象处于稳定状态，自组织环节增加模糊控制器的给定值直至额定给定值。如果Ra、Rb、Rc的值均大于某值时，表明对象不稳定，自组织环节减小模糊控制器的给定值以稳定炉况。

3　功能软件
　　本系统设计了优良的人机对话环境和运行信息记录功能。通过键盘操作还可以选择不同的控制程序以适应发电机组供电或电网供电。在程序中设计了电流给定值斜坡发生器。如果系统运行于发电机组直供状态，在系统采集到升负荷或降负荷信号时，斜坡发生器开始工作，它以设定的斜率产生模糊控制需要的电流给定值Ie，当达到标准给定值时斜坡发生器停止工作。
　　系统共设计了4屏画面15个窗口。
　　第1屏　主画面
　　主画面中有多个窗口。4个正方形窗口以模拟指针表盘的形式分别显示一次线电压、二次三相电压，指针下方的数字显示实时采样值，并以汉字显示报警或正常信息。另一个窗口显示三相电流的棒图。三相电流的实时采样值以竖立棒图的形式并排显示在窗口中，每个竖棒的下面还有精确的数字显示和报警信息的汉字显示。从棒图上可以直观地看出三相电流的平衡度。在运行参数窗口，实时显示给定控制电流值Ie，系统处于何种冶炼阶段，3个电极的升降情况以及主程序正常运行信息，在屏幕下方显示系统时间和操作菜单。
　　第2屏　实时趋势图画面
　　实时趋势图以3种不同的颜色显示三相电流前30s内的实时趋势图形，同时显示模糊控制的目标给定值和正常值的范围。
　　第3屏　控制参数显示和设定画面
　　本系统是针对矿热炉而设计的，又能适合不同品质的供电环境，所以程序中设计了参数显示和设定画面。为在线调试提供了友好的人机对话界面，在此画面中有16种参数供调试时修改。
　　第4屏　信息查询画面
　　系统在运行过程中实时记录电压、电流等多点的报警时间和报警值，手／自动时间，开机时间以及当时的电流值，可循环记录300条或更多的运行信息。通过键盘的操作可查看各项记录。信息记录和查询功能为事故原因的分析提供原始依据，有利于提高生产管理水平。

4　硬件结构
　　计算机部分由研华工控机、A／D板、D／A板、DI／O板组成。系统主机选用研华PCA-6157主板、P133CPU，主板内置WATCH-DOG，使控制系统具有了死机后自启动功能。通过PCL-813A／D板采集一次电压信号，二次三相电压信号和与控制有关的三相电流信号。控制信号由PCL-728D／A板输出，驱动执行机构(变频器或晶闸管或液压传动的电磁阀)完成电极的升降。I／O板完成了手／自动信号、升降负荷信号的输入和报警信号及其它运行状态信号的输出(参见图2)。对于不同的传动机构，只需在软件上对其输出论域略加修改即可完成。

5运行效果
　　系统分别在唐钢铁合金厂的3种不同传动机构(变频器、晶闸管、液压)的矿热炉上投运，其中变频器传动系统因可使卷扬电机调速，相对比另外两套系统的控制精度高，控制效果更好一些，总体来说，3套系统运行稳定可靠，投运率达100％。突发停电事故大幅度减少，从原来的每月上百次，到现在的几乎不发生，对发电机组的安全可靠运行意义重大。矿热炉炉况稳定，化料均匀，吃料快，不易结块，比投运前节电9.35％，增产9.7％。控制及时，精度高，控制品质稳定，不易振荡。
　　系统多项参数对用户开放，适用性强。调试方便快捷，且发电机组直供负载的供电环境要比大电网恶劣得多，所以该系统在大电网下运行效果更好，可推广应用于各种类型的矿热炉。