直流电弧炉优化控制模型的研究及应用（一）

　　0 概述   
　　由于直流电弧炉在吨钢电耗、电极消耗等消耗指标及对电网的无功冲击与高次谐波等方面较交流电弧炉有明显的优势，因此在我国得到了快速发展。然而，国内有关直流电弧炉优化控制模型的研究却不多，应用到实际生产中的也很少。随着电子计算机技术的飞速发展以及在冶金生产中的不断推广应用，结合直流电弧炉自动控制系统的现代化升级改造，研究开发自主的优化控制模型具有十分重要的意义。   
　　本文介绍的控制模型为宝钢150t双炉壳超高功率直流电弧炉控制系统改造的一部分。宝钢150 t超高功率双炉壳直流电弧炉是20世纪90年代从国外成套引进的设备，随着使用时间的延长，原系统暴露出越来越多的问题。比如，备件订购困难且费用高，原系统不开放、维护困难等，尤其随着计算机技术的发展，原有控制系统设备（软硬件）已经成为淘汰产品。所以，原系统改造势在必行。此次改造内容主要包含电极升降控制和整流器控制两大部分。为了增强弧压、弧流控制的稳定性及提高冶炼效率、降低冶炼成本，新系统增了加了直流电弧炉优化控制模型，其中包括电极升降控制模型、弧流控制模型及弧功率设定优化模型。北京金自天正智能控制股份有限公司负责设计、调试。   
　　1 直流电弧炉优化控制模型   
　　1.1 弧流优化控制模型   
　　弧流控制模型是在常规PID控制的基础上，增加了弧流预报和增益自适应功能，即依据所检测到的弧流、弧压信号及吹氧、喷碳量等参数，预报下一时刻的实际弧流。根据预报弧流确定下一时刻的PID控制参数值，以达到弧流实时报考控制、实现提高弧流稳定性的目的。考虑到实际中存在许多不能被检测到的复杂因素以及冶炼不同阶段的不同炉况特点，弧流预报模型中采用神经元网络技术，以求取得控制的最佳效果。   
　　弧流控制模型采用3层反馈神经元网络模型。网络输入层考虑如下输入单元：（1）前一时刻冶炼阶段；（2）前一时刻给定电流；（3）前一时刻实际电流；（4）当前冶炼阶段；（5）当前给定电流；（6）当前实际电流；（7）喷碳流量；（8）吹氧流量；（9）PID参数。   
　　其中，前一时刻冶炼阶段与当前冶炼阶段可取3种不同时期的值：（1）点弧穿井期；（2）主熔化期；（3）精炼升温期。   
　　网络中间隐含层设定为5个节点。网络输出层为下一时刻的弧流（预报）值。   
　　当网络模型创建后，需要进行一段时间的在线运行（在线学习），以便完成网络权值的修正。经过一段时间的在线训练后，如果弧流的预报精度达到符合的要求，即可投入实际使用。使用弧流控制神经元网络模型的优点是：模型能根据以前学习积累的结果，自动依据当前的冶炼阶段、当前炉子的给定情况预报出下一时刻的弧流。其有别于分析模型的特点是可以自动包含一些很难定量的炉况信息。当得到弧流的预报值以后，一方面把此预报值发送至整流控制系统Simadyn-D，用以指导其控制调节参数的修正；另一方面也可以依据不同的阶段特点，计算出一组优化的控制调节参数发送至整流控制系统Simadyn-D，用于直接控制整流器的相位。   
　　1.2 弧压优化控制（电极升降控制）模型   
　　弧压即弧长由电极调节系统来保持恒定，通过阀放大器、比或伺服阀、液压缸来实现。   
　　本系统采用的电极升降控制模型，根据冶炼炉况和冶炼的不同阶段，调整 控制器增益，使得前期的报考特性和后期的调节精度得到兼顾。同时，要根据设定、输出与检测反馈信号之间的差值、时滞和时间变化率等中间变量的分析，确定执行机构、炉况、料况的影响，进行前馈，用以改善控制品质。   
　　相对于弧流控制而言，弧压（弧长）控制（电极升降系统）的响应时间要慢得多。而且在直流电炉的不同冶炼阶段，影响弧压（弧长）稳定的因素也不相同，所以在设计极升降系统，即弧压、弧长控制时，需要依据冶炼所处的不同阶段，报考调整控制参数，以求取得电极控制的最佳性能。    
　　电极控制电压输出的大小，需要依据不同的冶炼阶段及实际弧压的波动程度来报考选择。弧压控制模型采用3层反馈神经元网络模型。网络输入层主要考虑的输入单元：当前冶炼阶段，妆前给定弧压（弧长），当前实际弧压（弧长），喷碳流量，吹氧流量，控制输出电压（PID参数）。中间隐含层设定为4个单元（节点）。输出层仅一个单元（节点），即为下一时刻的实际弧压（预报值）。通过神经元网络的训练学习，建立起控制输出电压与实际弧压的对应关系。当弧压控制模型在线运行时，就可以依据当前的状态及下一时刻要求的实际弧压，输出一个优化的控制输出电压，从而达到稳定控制电极的目的。  
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