田海 姚震宇 闫兆阳 郭林威

摘  要：钢包精炼炉精炼的过程中，电极控制系统是钢包精炼炉控制系统的核心，采用传统的PID、模糊控制方式无法对电极的升降实现精准的控制。把模糊控制器与PID控制器并联控制系统运行，利用FUZZY-PID控制器控制，当误差过大时用模糊控制器进行控制，使系统更加稳定运行;如果误差过小则利用PID控制器控制，可减小稳态误差。利用MATLAB/Simulink进行仿真，FUZZY-PID控制器的稳态性能得到极大提高。

关键词：钢包精炼炉;电极控制;FUZZY-PID控制

中图分类号：TF345         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）28-0112-02

Abstract： In the refining process of ladle refining furnace， the electrode control system is the core of the ladle refining furnace control system. The traditional PID and fuzzy control mode can not accurately control the rise and fall of the electrode. The fuzzy controller and the PID controller are operated in parallel， and the FUZZY-PID controller is used to control the system. When the error is too great， the fuzzy controller is used to control the system， so that the system can run more stably. If the error is too small， the steady-state error can be reduced using PID controller. Through MATLAB/Simulink simulation， the steady-state performance of FUZZY-PID controller is greatly improved.

Keywords： ladle refining furnace; electrode control; FUZZY-PID control

1 概述

电极调节器是精炼炉设备的核心，通过电极调节器调整电极的位置能够改变电弧电流和电弧电压的值，由此可以改变电弧功率的值使电弧长度保持恒定[1]。电弧长度和电弧阻抗的改变会引起电弧功率发生变化。在这里用到的炉用变压器属于降压变压器，若将炉用变压器的二次电压设为固定值，那么电弧功率的值只与电弧阻抗有关。所以说，保证最佳用电情况下，电机调节器的重点是调节电极保证电弧长度在规定的安全范围之内。要让电弧长度不发生改变，需要电极调节器调节每个电极的弧隙长度，使电极与钢液之间的距离保持在安全范围。并且确定最好的工作点来进行电弧加热，是研究者们迫切解决的问题。

由计算推导可以确定出设定系统是在一种理想状态之下。在电极加热拉弧过程中，电极中电弧电流和电弧电压的关系可以理解为电弧长度之间的关系，从而得出电流和电压对应情况下弧长之间的联系，继而我们可知三相电极之间的对应关系和各相阻抗有关联，所以可以得出阻抗的变化量与弧长变化量存在联系。在实际生产控制工艺流程中，液压系统设备和机械设备参数不同，钢种的区别、不同的加热阶段等等条件都对电弧长度产生影响，并且电级调节器是一个具有多个变量、滞后效应、时变效应、非线性以及强耦合性的系统。故而，综合考虑诸多因素，无法建立完整的电极调节系统数学模型，采用PID调节难以达到理想效果。

2 传统控制方式

在工业中PID控制与模糊控制[2]是常见的控制方式。在闭环反馈控制中系统会设定一个给定值，经过PID控制器会产生设定值与实际值的偏差，偏差可以通过PID控制器调节。通过比例调节观测出偏差信号，如有偏差，则控制输入与输出的误差信号成比例，减小误差。比例微分调节能够提前抑制误差，优化系统的动态特性。常规PID控制器有很多的优点，它的结构简单、稳定性强，更容易满足电极调节系统非时变的情况，当运用到时变系统中，会使系统控制的稳定性减弱。PID控制必须设置参数，通过凑试法对参数预整定。整定过程中参数是不变的，而电极调节器具有时变性，控制参数需要满足控制要求实时改变。PID控制的算法相对简单，很多情况下不能满足控制要求。模糊控制器的结构简单，不用构造被控制对象数学模型，但控制精度不高，模糊控制规则确立后不能在线调整。故在此将PID控制器与模糊控制器结合构成模糊PID控制器对系统进行控制，大大提高了系统的稳态精度。通过PLC来实现FUZZY-PID控制器的控制，在电极升降调节过程中，利用PLC来控制PID调节器、模糊控制器，使两者可以自由切换，提高系统稳定性。

3 精炼炉电极调节 FUZZY-PID的控制系统

FUZZY-PID控制器由模糊控制器和PID控制器組成，利用编写的程序来调整两者的控制方式。误差过大的时候，使用模糊控制器进行控制，以此来克服外界不利因素的影响，使系统更加稳定的运行;误差过小的时候，使用PID控制器进行控制，使系统稳态误差消失[3]。

模糊控制器有两个输入变量，阻抗偏差和阻抗偏差变化率。模糊控制器产生的输出调节PID控制器的三个参数，即Kp、Ki、Kd。控制过程中偏差和偏差变化率在实时变化，为了消除偏差，我们需要对PID控制器的三个参数整改，整改后产生的输出信号作用于被控对象，使被控对象的动、静态性能得到提高。

3.1 控制系统的网络结构与配置

精炼炉控制系统中包括多个组成部分，电极升降系统、加料上料系统、底部吹氩系统、水冷系统等。上述系统包含了测量变送器、控制器、执行器等，组成了整个系统的控制系统。经过了市场调查，我们从安全、可靠性进行对比，利用Profibus现场总线结构作为系统控制网络。

西门子S7-1500PLC作为控制系统的主站。它通过PN 网络与控制中心PC连接通讯，可以实现数据的传送。主站与从站之间通过Profibus-DP总线进行通讯并进行数据交换。主站是整体控制的核心部分。西门子S7-1500作第1类主站，型号为CPU1511-1PN，第2类主站是控制中心PC，PC机上安装了西门子软件平台Totally Integrated Automation Portal V14 SP1，其中还有组态用到的GSD文件。西门子S7-1500PLC在这里主要用于监控系统运行、数据归档保存、功能设定、报表打印、故障判断报警。

控制网络中包括三类从站。（1）是西门子S7-1200PLC，由S7-1200 CPU1214C DC/DC/DC、通讯模块CM1243-5、模拟量、数字量输入输出模块构成，主要用于电极升降系统的控制，模糊控制就是在S7-1200PLC中计算运行，模糊控制产生的输出信号作用于比例阀，通过调节阀门的开度来调节液压缸的升降从而带动电极的升降。（2）是变频器，它自身裝有DP通讯接口，可以和主站进行通讯。利用变频器可以调整加料和上料的速度。加料的数量转化为输出功率，利用变频器把功率输送至给料电机。（3）是ET200M从站，它包括了ET200M、通讯模块以及输入输出模块。ET200M实现对加料重量、氩气流量的采集，经过模糊控制产生模拟量的输出。加料上料的模拟量输出用于控制振动给料机加料，由称量料斗负责称量。氩气流量产生的模拟量输出用于控制调节阀的开度，通过调节阀门开度来改变流量的速度。

3.2 FUZZY-PID控制器的构造

调节电极的位置是过程一个非线性的过程，电极在不同的位置要用不同的控制方法，才能较好的控制电极，达到更好的控制效果。在不同的电极位置，对控制器的要求如下：（1）若电极处于非起弧状态，电极升降的速度需要加快。（2）若电极处于起弧状态，则应具备较高的反应速度和快速跟踪的性能。（3）三相电极中当有某个电极的弧长接近预设的弧长时，应具备较高的控制精度。（4）底部吹氩的过程中，会发生扰动现象，需要更加精准的控制，若精度太低则会发生电极短路。

根据上面的不同状态，FUZZY-PID控制器主要控制如下：（1）三相电极起弧状态下，偏移量偏大，此时需要电极与钢液放电产生电弧对钢液加热，故起弧时应当加快电极下降的速度，电极与钢液之间的距离接近时弧流会增大。当产生电弧开始加热时，同时会接通底部吹氩装置，由于底吹氩气的搅拌作用会引起液面的波动，负偏移量也会增大，电极若不能快速反应，则会导致短路。电极的控制过程需要电极有较快的反应速度，经过模糊PID控制器可以加快电极反应速度，使电极能够快速下降或上升以达到控制钢液温度的目的。（2）利用PID的控制，能够加强控制精度可实现对控制精度的提高。（3）电弧对钢液中的渣料加热时，要求更高的控制精度，利用PID控制，能够满足对控制精度的要求。

模糊控制器的构造：模糊控制器的输入变量为阻抗偏差e和阻抗偏差变化率ec，经过模糊化、模糊推理、清晰化，产生输出变量u来控制电极升降。偏差和偏差变化率表示为e和ec，输出模糊论域变量为u;偏差量化因子、偏差变化率量化因子、输出比例因子分别表示为Ke、Kec、Ku;Ke的选取会引起超调量改变，Kec的选取也会引起超调量变化，Ku的改变会造成系统振荡。所以我们要根据系统的控制要求合理选取变量的值。

输入变量e和ec的论域基本如下：e的基本论域：[-3，-2.，-1，0，1，2，3]，ec的基本论域：[-3，-2.，-1，0，1，2，3]，e的模糊集：{NB， NM， NS， Z， PS， PM， PB}，ec的模糊集：{NB， NM， NS， Z， PS， PM， PB}，u的模糊集为：{NB， NM， NS， Z， PS， PM， PB}，接下来，建立各变量的语言值和隶属函数，最后根据控制要求搭建合适的模糊规则表。

4 FUZZY-PID复合控制器的仿真

（1）模糊推理系统的建立。打开MATLAB会出现命令行窗口，命令行窗口输入fuzzy会显示出Fuzzy Logic Designer，左上方点击Edit出现Add Variable，在上面可以添加输入变量和输出变量的论语范围并且能够设置e、ec、u的隶度函数。（2）模糊控制规则。在打开Edit中的rules，会出现“IF…THEN”形式的模糊控制规则，将它保存到自定义的文件中。（3）仿真框图的建立。在Matlab右上方点击Simulink 进行模糊控制的仿真。（4）模糊-PID控制器与PID控制器仿真对比结果。

5 结论

从以上分析我们可以发现精炼炉电极控制若使用FUZZY-PID控制器控制能够使电极的升降变得更加稳定。通过FUZZY-PID控制器和PID控制器的仿真结果可知FUZZY-PID控制器的稳态性能更加优越，能够更好地控制电极的升降。

参考文献：

[1]马廷温.电弧炉炼钢学[M].北京：冶金工业出版社，1990：89-95.

[2]李士勇.模糊控制、神经控制和智能控制论[M].哈尔滨工业大学出版社，1998.

[3]王耀南，孙炜.智能控制理论及应用[M].机械工业出版社，2014：40-41.