基于西门子PLC的模糊控制在电弧炉电极调节中的应用

2012-09-22，，

电气传动 2012年10期

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（河北工业大学电气学院，天津 300130）

电弧炉炼钢是靠电极和炉料间产生电弧，把电能在弧光中转化成热能，并借助辐射和电弧的直接作用把炉料融化。电弧炉在工作期间由于电网电压波动、炉料融化导致液面变化、炉内受热不均或有杂质导致液面波动等状况的影响，使得电弧的长度不稳定，从而导致输入电炉内的功率急剧变化，影响电炉的冶炼效率。而电极调节的作用正是通过调节电极的位置达到调节功率的目的。确定最优的电极调节控制方案对缩短融化时间，节省电能消耗，降低每吨钢的成本都有极其重要的作用。

1 模糊控制在电弧炉电极调节中的应用

电弧炉电极调节控制算法中采用的模糊控制算法为“二输入一输出”的二维模糊控制，恒阻抗控制策略。在控制系统中，从主电路采集到电压电流信号输入到PLC中，在PLC中完成偏差计算、模糊控制等计算，其控制原理图如图1所示。

图1 电极调节控制原理图Fig.1 Electrode control schematic diagram

1.1 偏差的计算

电弧炉电极调节系统采用恒阻抗调节策略，从主电路采集电压值和电流值，按照下式计算偏差：

式中：E（k）为阻抗的当前偏差；U′a，I′a为实测电压值和电流值；Ua，Ia为设定电压与电流值。

偏差的变化量ΔE（k）＝E（k）－E（k－1）。

1.2 确定模糊论域和量化因子

根据现场记录的数据，阻抗偏差E（k）的变化范围为［－200，200］。定义偏差E（k）的模糊论域为［－6，6］，量化因子K＝6／200＝0.03。

同理，阻抗偏差的变化量ΔE（k）的变化范围为［－120，120］，定义其模糊论域为［－6，6］，量化因子K＝6／120＝0.05。控制量U的输出实际范围为［－10，10］，定义控制量U的模糊论域为［－7，7］，量化因子K＝10／7。

1.3 确定模糊变量的隶属度

根据现场专家和生产人员的经验，选择输入输出量的模糊语言为：PB（正大）、PM（正中）、PS（正小）、O（零）、NS（负小）、NM（负中）、NB（负大）。选择三角形隶属度函数分布。

1.4 确定模糊控制规则

根据E和ΔE的赋值表和专家经验，总结了49条模糊条件语句构成控制规则，据此规则建立模糊控制规则表，如表1所示。表1中行与列交叉处的每个元素及其所在列的第1行元素和所在行的第1列元素，对应一个形式为“IfE＝Aiand ΔE＝BiThenU＝Ci”的模糊语句。

表1 模糊控制规则Tab.1 Fuzzy control rules

1.5 解模糊

模糊关系推理法采用Mamdani推理法，每条控制规则写成Ri＝（Ai×Bi）×Ci，共49条，则总的模糊控制规则为

然后按照下式计算控制量U的模糊量

将运算后的模糊量U采用中心平均法进行模糊判决，得到精确量。最后得到模糊控制器查询表如表2所示。

表2 模糊控制器查询表Tab.2 Fuzzy controller query table

1.6 仿真

在Simulink中建立电弧炉控制系统的数学模型，在同一个模型下，采用原来的死区控制和模糊控制2种不同的算法，仿真比较弧长调节情况。仿真中，在t＝0s时给系统1个阶跃信号，表示调节过程开始；在t＝10s时加1个扰动信号，模拟运行过程中弧长受到干扰因素而发生突变。弧长调节的仿真曲线如图2所示。

图2 弧长调节的仿真曲线Fig.2 Simulation curves of arc adjustment

从图2中可以明显看出采用模糊控制，系统调节超调小，速度快，调节性能明显优于死区控制。

2 模糊控制在西门子PLC中的实现

在电弧炉电极调节控制系统中，选用西门子公司S7－400型PLC，选择412－2DP型 CPU。在程序设计中采用模块化编程，在主程序OB1中编写控制系统的开关逻辑程序，三相电极模糊控制程序分别存放在功能FC11，FC12，FC13中。由于需要设定采样周期，所以将采样程序存放在OB35中，并设定循环中断周期，在OB35中计算偏差E及偏差变化量Er。运行开始，闭合相关控制开关启动引弧程序，等到产生连续电弧后进入电极调节的模糊控制阶段。此时，在主程序中调用电极调节的模糊控制功能程序。

下面以A相电极为例，介绍模糊控制在电极调节中的编程方法。在OB35中计算偏差以及偏差变化量，并将结果存入背景数据块DB5中。将模糊控制量化因子也存放在DB5中。将模糊控制查询表中的控制量按照从左往右从上往下的顺序依次存放到背景数据块DB7中，地址为DB7.DBD0～DBD7.DBD672。在功能FC11中编写A相模糊控制程序的梯形图，首先从DB5中调用偏差、偏差变化量以及相应的量化因子，分别进行相乘。进行取整运算，若取整后结果大于6则按照等于6处理，同理如果结果小于－6则按等于－6处理，从而将精确量模糊化为（－6，6）内的整数，然后对其进行加6使其偏移到（0，12）内。最后利用基址＋偏移地址的方法查询控制量，基址为0，偏移地址为4×（E＋13×Ec）。从DB7中对应的地址读出控制量，乘以量化因子并输出。图3为部分关键语句表程序。程序段13为偏移地址计算程序，程序段14为模糊查询程序。