基于仿人智能的黄磷电弧炉控制系统设计.docx

第 37卷第 4期 2008年 5月 贵 州 工 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) JOURNAL OF GU IZHOU UN IV ERS ITY OF TECHNOLOGY Vo l. 37 No. 4 May. 2008 (N a tu ra l Sc ience Ed ition) 文章编号 : 1009 - 0193 (2008) 04 - 0171 - 04 基于仿人智能的黄磷电弧炉控制系统设计 全 辉 ,林景栋 (重庆大学 自动化学院 ,重庆 400044) 摘 要 :分析了黄磷电弧炉的特点 ,针对其冶炼工况的复杂性 ,采用仿人智能控制算法来对其 进行控制 ,按最佳功率曲线输入电能 ,特别考虑了三相电极之间的耦合 ,以及异常工况的处理 。 经过现场一年多的运行 ,该控制系统反映出良好的控制效果。 关键词 :黄磷 ;电弧炉 ;电极控制 ;仿人智能控制 中图分类号 : TP273 文献标识码 : A 0 引 言 黄磷冶炼是将磷矿石 、硅石和焦炭按一定配比组成的混合物通过高温进行化学还原反应而产生黄磷 ,其 冶炼过程具有高度的非线性 、时变性 、不确定性和相当的复杂性 。河南理工大学的苏珊提出了基于 PLC 的 黄磷炉控制装置设计 ,该系统通过电极电流和其设定值进行比较来调节电极位置 [ 1 - 2 ] ,由于电流的超调以及 三相之间的相互影响 ,容易引起振荡 ,将导致电极频繁升降 ,冶炼过程不能够稳定的进行 。由于电弧炉冶炼 工况复杂 ,传统的控制算法很难达到理想的控制效果 。刘小河等人将模糊控制 ,自适应控制等应用到电弧炉 炼钢控制中 [ 3 - 4 ] ,但只是进行了仿真 。对于黄磷电弧炉冶炼过程的特殊性 ,这些控制算法都具有一定的局限 性 。采用智能控制理论进行技术改造是节能降耗 、提高产量和质量的有力手段 , 为此研制了基于仿人智能 的黄磷电弧炉自动控制系统。 1 黄磷电弧炉工艺分析 电极位置控制是黄磷冶炼自动控制系统中的最关键部分 ,通过调整电极位置 ,保持所需电弧的长度 ,达 到控制炉温以及炉内化学反应速度的目的 。其控制效果直接影响黄磷的产量 、质量和能源消耗 。我国大部 分黄磷电弧炉冶炼过程完全依靠工人手动调节 ,劳动强度大 ,并且由于工人的经验不同 ,电极控制不稳 ,冶炼 效果分散性很大 ,使产品质量不稳定 ,耗电量也大大增加 。 黄磷冶炼过程一般分为熔化期 、氧化期 、还原期三个阶段 。需输入到炉内的功率随着冶炼过程而变动 , 氧化期输入功率最大 ,氧化期次之 ,还原期最低 。目前所有的控制都只是把整个冶炼过程简单地按熔化期 、 氧化期和还原期设定三个输入电流或功率给定值 , 各阶段采用某一种控制算法分别对三相电极进行控 制 [ 5 - 6 ] 。但是在实际的冶炼过程中 ,首先是三个过程没有明确可靠的判断依 。其次由于炉料溶化 、塌料 、沸 腾等原因 ,电极与炉料之间的电弧长度不断发生变化 ,使输入到炉内的电弧功率不稳定 ,必须不断调整电极 位置 ,仅按阶段控制显得极为粗糙 。如果控制策略不恰当 ,一次扰动要经过若干次调节才能使三相电流恢复 到平衡点 ,结果是超调增大 、调节过程加长 ,影响产品质量和增加能耗 ,达不到节能降耗的目的 。再次三相电 极之间存在相互影响 ,如果三相独立调节到其设定值 ,那么调节其中某一相或某两相将引起其余相电流的变 化 ,从而导致三相电极频繁活动 ,容易引起冒火等故障的产生 。最后冶炼过程极其复杂 ,如果不能灵活地处 理异常工况 ,冶炼过程将不能稳定地进行下去。 根据以上分析 ,本控制系统采用按最佳输入功率曲线作为控制目标 ,根据冶炼工艺输入功率 ,既能够保 证黄磷冶炼的质量 ,又能使电能消耗最低 ,冶炼时间最短 。针对黄磷电弧炉冶炼过程的精确数学模型很难获 3收稿日期 : 2008 - 03 - 06 作者简介 :全 辉 ( 1985 - ) ,男 ,重庆人 ,硕士研究生 ,主要研究领域为工业自动化。 172 贵 州 工 业 大 学 学 报 (自然科学版 ) 2008年 得的特点 ,三相电极的升降控制采用基于特征模型 、特征辨识的多模态控制方式的仿人智能控制算法 ,即根 据黄磷电弧炉的工作状态 ,确定相应的控制策略 。三相之间的相互影响也在本系统中得到了考虑 ,进行了三 相联合控制 ,控制器一次并行地给出三相电极的调节量 ,使其一次调节到位 ,将大大地降低电极升降的频率。 由于冶炼过程的复杂性 ,在该系统中设计了很多异常工况的处理措施 ,使系统具有很好的鲁棒性。 2 控制算法分析与设计 “仿人智能控制 ”(H um an - Sim ulated Intelligent Contro l,简称 HS IC)理论及其应用研