關(guān)鍵詞 模糊控制器自組織礦熱爐發(fā)電機組
1997年3月唐山鋼鐵公司熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電機組投入運行，但由于種種原因未能和大電網(wǎng)并網(wǎng)，為節(jié)能降耗，公司決定該發(fā)電機組直供鐵合金礦熱爐。這種特殊的供電形式，對于礦熱爐負載的穩(wěn)定性等方面提出了嚴格的要求，如果負載電流不平衡將會使得發(fā)電機組發(fā)出的電壓不穩(wěn)，周波發(fā)生變化，從而導致鐵合金冶煉變壓器溫度升高，鐵損增加，無功功率加大，直接影響鐵合金冶煉變壓器的使用壽命，也影響礦熱爐工況順行。由于發(fā)電機組是屬于大慣性系統(tǒng)，要求負載平穩(wěn)變化，不能有大的波動，否則將會產(chǎn)生發(fā)電機組飛車的惡性事故。為了確保發(fā)電機組和礦熱爐的設(shè)備安全，使得用電更加合理，我們引入了模糊控制理論，研制出適用于小型電網(wǎng)或發(fā)電機組供電的模糊型礦熱爐微機控制系統(tǒng)。
1 供電環(huán)境對礦熱爐自動控制的影響
礦熱爐內(nèi)電極的升降將引起電弧長度及操作電阻的變化，從而改變冶煉電流及入爐功率。其生產(chǎn)工藝要求：首先在融化期要用滿負荷給爐子供電，這意味著3根電極插得較深，電極電流較大，爐內(nèi)溫度較高，有利于爐料融化和還原反應(yīng)；其次要保證爐況和電弧穩(wěn)定，如果爐況不穩(wěn)，3個電極的動作頻繁，會導致爐料過快下塌，熱效率降低，影響產(chǎn)品質(zhì)量和噸鐵電耗指標，并導致爐況惡化；第三要保證三相電流的平衡，如果電流不平衡度過高，變壓器鐵損增加，電效率降低；第四要保證按負荷曲線冶煉。傳統(tǒng)的手動控制是由操作人員調(diào)節(jié)電極的位置以達到三相電流相對平衡，但由于操作人員技術(shù)水平、責任心、反應(yīng)速度等因素，通常會造成三相電流不平衡或入爐功率減少，致使效率低，3個坩鍋不熔通，爐況變差，出鐵少，噸鐵電耗指標升高。
礦熱爐是發(fā)電機組的唯一負載，發(fā)電機組的額定輸出功率相對礦熱爐的功率冗余度幾乎為零，所以不允許大負荷突然加載或卸載，否則可能燒毀發(fā)電機或造成飛車事故。相對變化劇烈的礦熱爐，發(fā)電機組可視為恒定功率的供電設(shè)備。因此，在此系統(tǒng)中必須控制礦熱爐，使之適合恒定輸入功率的特性，即在冶煉工藝允許的情況下，當電壓偏高時，電極下降，提高冶煉電流，以達到降低電壓的目的；當電壓偏低時，提升電極，降低電流，從而保證電壓穩(wěn)定，保證整個系統(tǒng)的正常運行。
2 控制方案
由于礦熱爐是一個復雜的受控對象，受多種因素的影響，且三相之間相互耦合。經(jīng)典控制理論不能解決調(diào)節(jié)過于頻繁和高精度控制這對矛盾，控制品質(zhì)差，易振蕩，同時也很難使用數(shù)學模型描述發(fā)電機組直供礦熱爐系統(tǒng)的控制過程。因此，我們決定在該控制系統(tǒng)中采用模糊控制技術(shù)。但是，在實際研制過程中我們發(fā)現(xiàn)簡單的模糊控制器由于沒有控制規(guī)則和參數(shù)調(diào)定能力，系統(tǒng)自適應(yīng)能力有限。故我們在該系統(tǒng)中加入了自組織環(huán)節(jié)，它能自動在運行過程中對控制器自身的有關(guān)參數(shù)進行調(diào)整，使系統(tǒng)的品質(zhì)和性能改善，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確度大大提高。
2.1自組織模糊控制器
礦熱爐的生產(chǎn)是連續(xù)的，隨著生產(chǎn)的進行，熔池中的鐵水逐漸增加，配料比、爐溫、弧壓不斷變化，使三相電極上的電流隨之劇烈波動。為了保證三相電流平衡，提高電效率，要求電極調(diào)節(jié)及時準確，而調(diào)節(jié)過于頻繁又是生產(chǎn)工藝和設(shè)備所不允許的。發(fā)電機組直接供電，也不允許負載的劇烈變化，為了解決這些矛盾，我們設(shè)計了自組織模糊控制器，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
為了最大限度地提高程序的運行速度，采用查表法設(shè)計模糊控制器。在設(shè)計中把三相電流的偏差I(lǐng)a、Ib、Ic作為模糊控制器的輸入，它們的基本論域為[－40A,40A>。選定輸入偏差語言變量的論域為Ii=[－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4>，則它們的量化因子均為K1=4／40=0.1。模糊控制器的輸出控制量為UA、UB、UC，它們的基本論域為[－50Hz,＋50Hz>(正負號分別表示正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn))。輸出語言變量的論域為Ui=[－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4>則輸出控制量的比例因子K2=50／4=12.5。根據(jù)對實踐經(jīng)驗的總結(jié)和優(yōu)化可得3個以Ia、Ib、Ic為條件，分別以Ua、Ub、Uc為元素的三維數(shù)組即模糊控制表。
以上設(shè)計均是離線完成，在用TURBO-C編程時，首先定義3個三維數(shù)組A(Xa，Xb，Xc)、B(Xa，Xb，Xc)、C(Xa，Xb，Xc)，同時以模糊控制表給3個數(shù)組賦值，然后在中斷服務(wù)程序中編制一個子程序完成以下步驟。
第1步在每一個控制周期中采樣系統(tǒng)的電流值IA(k)、IB(k)、IC(k)，并求取實際的即時偏差I(lǐng)a(k)、Ib(k)、Ic(k)。計算公式如下：
Ia(k)=IA(k)－Ie
Ib(k)=IB(k)－Ie
Ic(k)=IC(k)－Ie
其中 Ie為模糊控制器的給定值；k為采樣次數(shù)，k=0，1，2，…。
第2步將Ia(k)、Ib(k)、Ic(k)分別乘以量化因子K1，得出Xa、Xb、Xc，把量化結(jié)果分別代入三維數(shù)組A(Xa，Xb，Xc)、B(Xa，Xb，Xc)、C(Xa，Xb，Xc)中，求出輸出控制量的論域值Ua、Ub、Uc。
第3步將Ua、Ub、Uc分別乘以比例因子K2，便可得到實際的輸出控制量UA、UB、UC。
第4步輸出UA、UB、UC，即完成本次控制周期。
2.2自組織系統(tǒng)
礦熱爐的工藝非常復雜，很難總結(jié)出理想的經(jīng)驗，當被控對象參數(shù)發(fā)生變化，會影響模糊控制的效果。為了克服這個缺陷，我們設(shè)計了一種能在控制過程中自動對本身的參數(shù)和控制規(guī)則進行調(diào)整的自組織模塊，使系統(tǒng)的性能不斷改善，以適應(yīng)不斷變化的情況，保證控制達到預期效果。自組織模塊由性能測量和校正環(huán)節(jié)組成。性能測量環(huán)節(jié)采用絕對偏差乘時間的積分(ITAE)準則對系統(tǒng)狀態(tài)進行測量，計算公式如下：
Qi=∑nT.|Ii(nT)|.T (1)
Ri=∑nT.|dIi(nT)|.T (2)
其中 T是采樣周期；n是采樣序號；Qi=Qa、Qb、Qc,是電流偏差的性能指標；dIi=dIa、dIb、dIc,是電流偏差變化率；Ri=Ra、Rb、Rc,是電流偏差變化率的性能指標。將k次采樣的電流偏差值代入(1)式，如果Qa、Qb、Qc的值均小于某值時，對象處于精確控制狀態(tài)，自組織環(huán)節(jié)校正系統(tǒng)的K1、K2，控制系統(tǒng)進入精確調(diào)節(jié)階段。
在精確調(diào)節(jié)階段，如果在k次采樣內(nèi)Qa、Qb、Qc大于某值時，系統(tǒng)可再次修改K1、K2，使系統(tǒng)返回粗調(diào)階段。
將k次采樣的電流偏差變化率值代入(2)式，如果Ra、Rb、Rc的值均小于某值時，對象處于穩(wěn)定狀態(tài)，自組織環(huán)節(jié)增加模糊控制器的給定值直至額定給定值。如果Ra、Rb、Rc的值均大于某值時，表明對象不穩(wěn)定，自組織環(huán)節(jié)減小模糊控制器的給定值以穩(wěn)定爐況。
3 功能軟件
本系統(tǒng)設(shè)計了優(yōu)良的人機對話環(huán)境和運行信息記錄功能。通過鍵盤操作還可以選擇不同的控制程序以適應(yīng)發(fā)電機組供電或電網(wǎng)供電。在程序中設(shè)計了電流給定值斜坡發(fā)生器。如果系統(tǒng)運行于發(fā)電機組直供狀態(tài)，在系統(tǒng)采集到升負荷或降負荷信號時，斜坡發(fā)生器開始工作，它以設(shè)定的斜率產(chǎn)生模糊控制需要的電流給定值Ie，當達到標準給定值時斜坡發(fā)生器停止工作。
系統(tǒng)共設(shè)計了4屏畫面15個窗口。
第1屏 主畫面
主畫面中有多個窗口。4個正方形窗口以模擬指針表盤的形式分別顯示一次線電壓、二次三相電壓，指針下方的數(shù)字顯示實時采樣值，并以漢字顯示報警或正常信息。另一個窗口顯示三相電流的棒圖。三相電流的實時采樣值以豎立棒圖的形式并排顯示在窗口中，每個豎棒的下面還有精確的數(shù)字顯示和報警信息的漢字顯示。從棒圖上可以直觀地看出三相電流的平衡度。在運行參數(shù)窗口，實時顯示給定控制電流值Ie，系統(tǒng)處于何種冶煉階段，3個電極的升降情況以及主程序正常運行信息，在屏幕下方顯示系統(tǒng)時間和操作菜單。
第2屏 實時趨勢圖畫面
實時趨勢圖以3種不同的顏色顯示三相電流前30s內(nèi)的實時趨勢圖形，同時顯示模糊控制的目標給定值和正常值的范圍。
第3屏 控制參數(shù)顯示和設(shè)定畫面
本系統(tǒng)是針對礦熱爐而設(shè)計的，又能適合不同品質(zhì)的供電環(huán)境，所以程序中設(shè)計了參數(shù)顯示和設(shè)定畫面。為在線調(diào)試提供了友好的人機對話界面，在此畫面中有16種參數(shù)供調(diào)試時修改。
第4屏 信息查詢畫面
系統(tǒng)在運行過程中實時記錄電壓、電流等多點的報警時間和報警值，手／自動時間，開機時間以及當時的電流值，可循環(huán)記錄300條或更多的運行信息。通過鍵盤的操作可查看各項記錄。信息記錄和查詢功能為事故原因的分析提供原始依據(jù)，有利于提高生產(chǎn)管理水平。
4 硬件結(jié)構(gòu)
計算機部分由研華工控機、A／D板、D／A板、DI／O板組成。系統(tǒng)主機選用研華PCA-6157主板、P133CPU，主板內(nèi)置WATCH-DOG，使控制系統(tǒng)具有了死機后自啟動功能。通過PCL-813A／D板采集一次電壓信號，二次三相電壓信號和與控制有關(guān)的三相電流信號?？刂菩盘栍蒔CL-728D／A板輸出，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)(變頻器或晶閘管或液壓傳動的電磁閥)完成電極的升降。I／O板完成了手／自動信號、升降負荷信號的輸入和報警信號及其它運行狀態(tài)信號的輸出(參見圖2)。對于不同的傳動機構(gòu)，只需在軟件上對其輸出論域略加修改即可完成。
5運行效果
系統(tǒng)分別在唐鋼鐵合金廠的3種不同傳動機構(gòu)(變頻器、晶閘管、液壓)的礦熱爐上投運，其中變頻器傳動系統(tǒng)因可使卷揚電機調(diào)速，相對比另外兩套系統(tǒng)的控制精度高，控制效果更好一些，總體來說，3套系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，投運率達100％。突發(fā)停電事故大幅度減少，從原來的每月上百次，到現(xiàn)在的幾乎不發(fā)生，對發(fā)電機組的安全可靠運行意義重大。礦熱爐爐況穩(wěn)定，化料均勻，吃料快，不易結(jié)塊，比投運前節(jié)電9.35％，增產(chǎn)9.7％?？刂萍皶r，精度高，控制品質(zhì)穩(wěn)定，不易振蕩。
系統(tǒng)多項參數(shù)對用戶開放，適用性強。調(diào)試方便快捷，且發(fā)電機組直供負載的供電環(huán)境要比大電網(wǎng)惡劣得多，所以該系統(tǒng)在大電網(wǎng)下運行效果更好，可推廣應(yīng)用于各種類型的礦熱爐。
參考文獻
1 余永權(quán).單片機模糊邏輯控制.北京：北京航空航天大學出版社，1995.
2 李友善.模糊控制理論及其在過程控制中的應(yīng)用.北京：國防工業(yè)出版社，1993.
（轉(zhuǎn)載）
