基于模糊自适应PID控制的矿热炉电极调节系统设计

2016-01-18牛群峰崔伯渊

自动化与仪表 2016年11期

牛群峰，崔伯渊，王莉

（河南工业大学电气工程学院，郑州 450001）

矿热炉是生产铁合金的主要设备，通过矿热炉冶炼生产的合金占我国总铁合金产量的很大比例。矿热炉的电极升降系统是整个矿热炉冶炼控制的关键部分，利用电极与炉料间产生的高温电弧来融化金属和矿石，弧区温度一般可达到3000℃以上。矿热炉的电极调节系统的对象是弧长，但是不能通过合适的检测装置测得，因此只能通过改变电极的位置来调节弧长，从而控制电流的大小。所以设计电极控制系统实现快速调节电极位置、保持恒定的电弧长度、维持电压和电流比值的恒定，以减少电弧电流的波动，使输入功率稳定，保证矿热炉优质高产和安全运行具有重要意义[1]。

在工业控制过程中，PID控制是历史最悠久、生命力最强的控制方法，主要是因为它的控制方式具有直观、实现简单和鲁棒性好等优点。但是矿热炉系统是一个随机干扰十分严重的时变系统，它具有非线性、随机性、多变量、强耦合等特点[2]。目前我国多采用传统的PID控制作为矿热炉电极调节系统，但是对于这种具有强非线性及模型参数时变的控制对象，控制效果并不理想，甚至远远达不到控制的基本要求[3]。常规PID控制器无法在外界干扰时对系统参数进行优化，而且整个过程的调节时间很长，不仅耗时、耗力、耗能，又降低了产量。因此，采用模糊自适应PID控制电炉电极，这样可以利用模糊控制的鲁棒性和非线性控制的作用来应对电炉的时变和非线性特性。

1 矿热炉电极调节系统

电流电压测量回路、互感器、控制器、液压传动系统等组成了矿热炉电极调节系统。电弧的电压经过电压测量回路转化为直流电压，然后和给定的电压值相比较，两者的差值送入控制器，输出电压u来控制比例阀的开度，从而控制液压传动系统的进油和出油速度对电极的升降进行调节。

恒功率控制、恒电流控制和恒阻抗控制是电极调节的控制策略的常见3种形式。在实际生产中，大部分采用恒电流和恒阻抗的控制策略。其中，由于恒阻抗控制可以有效减小三相电极之间的耦合和电流的波动，使电弧平稳燃烧，因此本文设计的矿热炉电极调节系统选择了恒阻抗的控制策略。

恒阻抗控制策略的实质就是通过调节弧长从而来保持电弧阻抗为一恒定值，使电弧电流趋于平稳。图1所示为恒阻抗电极控制结构图。Is为电弧电流设定值，Ud为变压器空载电压，If为实测电弧电流，Uf为实测电弧电压。通过控制弧长，即电极位置，使Uf/If=Ud/Is等式恒成立，也就是说维持电压与电流的比值始终为一个常数，又因为两者比值为阻抗，所以称作恒阻抗控制。当实际测得的Uf/If＜Ud/Is时，则通过增加弧长，增大电弧电压、减小电弧电流，使比值趋于给定值；当实际测得的Uf/If＞Ud/Is时，则通过减小弧长，减小电弧电压、增加电弧电流，使比值趋于给定值[4]。

图1 恒阻抗电极控制系统结构Fig.1 Structure of constant impedance electrode controlling system

2 模糊自适应PID控制器设计

依据文献[5-7]，设计的模糊自适应PID控制器的结构如图2所示。

图2 模糊自适应PID控制结构Fig.2 Functional block diagram of fuzzy adaptive PID controller

所设计的模糊自适应PID控制系统，是以误差e和误差的微分ec作为模糊控制器的输入，PID的3个参数KP、KI和KD作为系统的3个输出量。其基本原理为系统会将被控制量的实际值与设定值进行比较，从而得到误差e，之后计算出误差变化率ec，然后将e和ec分别量化成模糊量。之后根据模糊推理合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量KP、KI、KD，最后将 KP、KI、KD解模糊得到精确值，作用于PID控制器，从而实现模糊PID控制。定义输入e和ec的取值范围为［-5，5］，输出 KP、KI、KD的取值范围为［-1，1］，在模糊规则中，采用 7种不同的模糊语言变量对系统输入、输出量的模糊控制论域进行描述，即｛负大、负中、负小、零、正小、正中、正大｝，并且记做｛NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB｝[8]。输入量和输出量的隶属函数均选择三角函数。设计模糊控制规则如表1、表2和表3所示。

表1 KP模糊控制规则表Tab.1 KPfuzzy control rule table

表2 KI模糊控制规则表Tab.2 KIfuzzy control rule table

表3 KD模糊控制规则表Tab.3 KDfuzzy control rule table

在确定了模糊控制器的输入输出隶属函数后，根据系统的状态和模糊控制规则进行推理，得到模糊控制器的输出KP、KI、KD模糊值，这里拟采用加权平均法来得到精确的输出控制量，然后将得到的精确控制量KP、KI、KD传送到PID子系统，由此实现对PID参数的自适应。

3 模糊自适应PID控制算法仿真研究

被控对象电炉可近似为二阶对象模型，利用Matlab进行仿真[9]。常规PID和模糊自适应PID的阶跃响应曲线如图3所示，仿真时取KP=5、KI=1.1、KD=0.4。

4 结语

通过仿真结果比对可以看出，采用模糊控制与PID相结合的方法，可以很好地弥补传统PID控制的不足，克服了二次调节系统的非线性和时变性。模糊自适应PID控制相比传统PID控制系统，具有较小的超调量，较短的调节时间以及较高的稳定性。因此采用模糊自适应PID控制器能够有效控制矿热炉的电极位置，实现节约能源、提高效率、提升企业的经济效应。