CN101765258B - 电熔镁炉熔炼过程中三相电极的定位装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

电熔镁炉熔炼过程中三相电极的定位装置及其控制方法，属于冶金行业过程控制技术领域。本发明包括电机，电机与电熔镁炉的三相电极相连接，电机的控制端与接触器的输出端相连接，接触器的输入端经继电器与微处理器相连接；电流互感器的输入端与电熔镁炉的三相电极相连接，电流互感器的输出端分别与电流变送器的输入端相连接；电流变送器的输出端分别与数据输入/输出模块相连接；微处理器与数据输入/输出模块相连接，上位机监控系统经通讯模块与微处理器相连接。控制方法，包括如下步骤：采集过程数据和预处理，建立熔炼过程模型，根据熔炼过程的不同工作状态输出当前工作状态下的电极电流设定值，按照内模控制思想设计控制器，建立反馈补偿模型。

Description

电熔镁炉熔炼过程中三相电极的定位装置及其控制方法

技术领域：

本发明属于冶金行业过程控制技术领域，特别是涉及一种电熔镁炉熔炼过程中三相电极的定位装置及其控制方法；适用于在电熔镁炉熔炼过程中对三相电极位置的控制，实现快速、准确的定位。

背景技术：

电熔镁砂具有熔点高、抗氧化、结构完整、绝缘性能强等特性，是许多工业行业的重要原料和耐火材料。我国的电熔镁行业主要是以菱镁矿为原料，使用电熔镁炉来生产高纯度的电熔镁砂。虽然我国菱镁矿资源丰富，电熔镁砂生产企业众多，但熔炼水平还十分落后。目前我国的电熔镁行业还基本停留在人工手动控制阶段，具体熔炼过程为：熔炼前需要在炉内铺底料，确定三相电极位置。当三相电极调整至合适位置后即可供电使电极与底料之间形成电弧。形成电弧电流稳定后根据炉内情况由人工向电极附近加入原料，原料受热熔化形成熔池。随着原料的投入和熔化，熔池上涨，因此需要不断调整电极位置使电弧长度维持在一定范围，保证电极的电流值处于目标值允许范围内。当熔池上升到炉口上表面时，熔炼过程结束，停止供电。通过底车将炉体拖离开熔炼工位，自然冷却。在冷却过程中熔液结晶，再经过人工破碎、分拣，最后形成产品。

熔炼的整个过程具有强耦合、非线性、边界条件波动以及某些工艺参数难以在线测量等复杂特性，主要通过调节三相电极的电流值来保证熔炼过程的稳定。通过分析可以发现，三相电极的电流值是影响电熔镁砂产品能耗和质量的主要工艺指标，只有三相电极的电流值保持在目标值允许范围内，才能保证产品的能耗低、品位高。而三相电极的电流值是由三相电极的位置所决定的，因此，快速准确的调节三相电极至理想位置是保证电熔镁炉熔炼质量的关键。目前，确定三相电极位置的方法是由操作者通过观察操作台上的电流表，凭经验人工控制拖动电机工作，从而改变三相电极的位置。由于熔炼过程中炉内工况变化复杂，电极电流变化频繁且缺乏规律；因此，整个电熔镁砂生产过程具有多种复杂特性。正是由于这些复杂特性的存在，再加上由于劳动强度大，操作者经常处于疲劳状态，传统工艺中的操作者往往很难及时准确的调整电极位置，这就造成电极电流变化较大，不能保持在目标值允许范围内，最终导致熔炼过程中产品的能源浪费严重、高品位率低、生产效率低。

发明内容：

针对现有的在电熔镁炉熔炼过程中采用的人工手动调节三相电极位置的方法，其很难及时准确的调整电极位置，导致能源浪费严重、高品位率低、生产效率低的问题，本发明提供一种不仅可及时准确的调整电极位置，节约能源消耗，提高产品质量；而且可实现自动控制的电熔镁炉熔炼过程中三相电极的定位装置及其控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种电熔镁炉熔炼过程中三相电极的定位装置，包括电机、接触器、继电器、微处理器、数据输入/输出模块、通讯模块、电流互感器、电流变送器和上位机监控系统，所述的电流变送器包括第一电流变送器、第二电流变送器和第三电流变送器；所述的电流互感器包括第一电流互感器、第二电流互感器和第三电流互感器；所述的电机的输出端与电熔镁炉的三相电极相连接，电机的控制端与接触器的输出端相连接，接触器的输入端与继电器的输出端相连接，继电器的输入端与微处理器的控制端口相连接；所述的微处理器与数据输入/输出模块相连接，上位机监控系统经通讯模块与微处理器相连接；所述的第一电流互感器、第二电流互感器和第三电流互感器的输入端分别与电熔镁炉的三相电极相连接，第一电流互感器的输出端与第一电流变送器的输入端相连接，第二电流互感器的输出端与第二电流变送器的输入端相连接，第三电流互感器的输出端与第三电流变送器的输入端相连接；第一电流变送器、第二电流变送器和第三电流变送器的输出端分别与数据输入/输出模块相连接。

所述的电熔镁炉熔炼过程中三相电极的定位装置的具体电路连接关系如下：

电流互感器T1、T2、T3的输入端分别与三相电极相连接，电流互感器T1的输出端分别与第一电流变送器U4的第1引脚、第2引脚相连接，电流互感器T2的输出端分别与第二电流变送器U5的第1引脚、第2引脚相连接，电流互感器T3的输出端分别与第三电流变送器U6的第1引脚、第2引脚相连接；第一电流变送器U4的第5引脚分别与数据输入/输出模块U2的RA端和A+端相连接，第一电流变送器U4的第6引脚与数据输入/输出模块U2的A-端相连接；第二电流变送器U5的第5引脚分别与数据输入/输出模块U2的RB端和B+端相连接，第二电流变送器U5的第6引脚与数据输入/输出模块U2的B-端相连接；第三电流变送器U6的第5引脚分别与数据输入/输出模块U2的RC端和C+端相连接，第三电流变送器U6的第6引脚与数据输入/输出模块U2的C-端相连接；数据输入/输出模块U2的M端分别与微处理器U1的M端、1M端以及通讯模块U3的M端相连接，数据输入/输出模块U2的L+端分别与微处理器U1的L+端和通讯模块U3的L+端相连接；按钮SB1和按钮SB2分别与微处理器U1的I0.0端和I0.4端相连接，微处理器U1的Q0.0-Q0.5端分别与继电器K1-K6的线圈的一端相连接，继电器K1-K6的线圈的另一端经220V交流电电源与地相连接；继电器K1-K6的触点的一端与380V电源相连接，继电器K1-K6的触点的另一端分别与接触器JDQ1-JDQ6的第1引脚相连接；接触器JDQ1-JDQ6的L端分别与电源相连接，接触器JDQ1-JDQ6的N端和第2引脚分别与地相连接；接触器JDQ1的第3、4、5引脚分别与第一三相电机M1的输入端相连接，接触器JDQ2的第3引脚与接触器JDQ1的第5引脚相连接，接触器JDQ2的第4引脚与接触器JDQ1的第4引脚相连接，接触器JDQ2的第5引脚与接触器JDQ1的第3引脚相连接；接触器JDQ3的第3、4、5引脚分别与第二三相电机M2的输入端相连接，接触器JDQ4的第3引脚与接触器JDQ3的第5引脚相连接，接触器JDQ4的第4引脚与接触器JDQ3的第4引脚相连接，接触器JDQ4的第5引脚与接触器JDQ3的第3引脚相连接；接触器JDQ5的第3、4、5引脚分别与第三三相电机M3的输入端相连接，接触器JDQ6的第3引脚与接触器JDQ5的第5引脚相连接，接触器JDQ6的第4引脚与接触器JDQ5的第4引脚相连接，接触器JDQ6的第5引脚与接触器JDQ5的第3引脚相连接；

所述的微处理器U1采用PLC，其选用的型号为S7-200，所述的接触器JDQ1-JDQ6选用的型号为LC1-D5011Q5C，所述的数据输入/输出模块U2选用的型号为EM235，所述的通讯模块U3选用的型号为EM277，所述的第一电流变送器U4、第二电流变送器U5、第三电流变送器U6选用的型号为S3-AD-1-55A3B。

所述的电熔镁炉熔炼过程中三相电极的定位装置的控制方法，包括如下步骤：

步骤一：采集过程数据和预处理

首先对实时数据进行采集，需要采集的实时数据包括：三相电流瞬时值、当前熔炼过程所处工况、熔炼时间和拖动电机动作值；然后对采集到的三相电流瞬时值进行滤波，再存入数据库中；

步骤二：建立熔炼过程模型

电熔镁炉的整个熔炼过程分为起始、正常熔炼、加料和结束四种工作状态，在建立熔炼过程模型的过程中，将步骤一中采集的全部三相电流瞬时值和拖动电机动作值根据不同工作状态分为主要成分和次要成分；其中，正常熔炼工作状态为整个熔炼过程的主体，该工作状态下的过程数据对熔炼过程模型的建立影响较大，因此，将该状态下的过程数据作为工作状态的主要成分；而其他三种工作状态下的过程数据对熔炼过程模型的建立影响相对较小，因此，将其他三种工作状态下的过程数据作为工作状态的次要成分；分别建立主要成分和次要成分的偏最小二乘回归模型，然后根据对整个熔炼过程影响的重要性对主要成分和次要成分的偏最小二乘回归模型进行加权求和，最终得到电熔镁炉熔炼过程的过程模型；

步骤三：根据熔炼过程的不同工作状态输出当前工作状态下的电极电流设定值

所述的电极电流设定值是根据工艺要求和以往经验在程序中预先设定好，也可以在生产过程中由操作员根据需要人工调节；

步骤四：按照内模控制思想设计控制器

用G_m(s)代表电熔镁炉熔炼过程的过程模型，并对该过程模型求逆；求逆前首先将G_m(s)分解为G_m+(s)和G_m-(s)两部分，其中G_m-(s)为需要求逆的部分，它具有最小相位特征的传递函数；G_m+(s)＝G_m(s)G_m-(s)，其包含了所有右半平面零点；

所述的控制器为G_c(s)＝G_m-(s)F(s)，其中，F(s)为滤波器，F(s)＝1/(1+αs)ⁿ，α为滤波器参数；

将步骤三中输出的当前工作状态下的电极电流设定值作为控制器的跟踪目标，将电熔镁炉作为控制器的被控对象；

步骤五：建立反馈补偿模型

根据实际电流检测值与过程模型参考电流值的偏差ΔI(t)，产生电极电流设定值的补偿量Δy_F(t)，其表达式如下：

当|ΔI(t)|≥1500时，Δy_F(t)＝Δy_F(t-1)+[k₁(ΔI(t)-ΔI(t-1))+k₂ΔI(t)]；

当|ΔI(t)|＜1500时，Δy_F(t)＝0；其中，k₁和k₂为调节参数。

步骤一中所述的滤波采用限幅滤波法，其具体方法如下：

根据当前工况确定两次采样允许的最大偏差值A，连续采集数据，每次检测到新的采样值时进行判断；如果本次采样值与上次采样值之差大于A，则本次采样值无效，用上次采样值代替本次采样值；若本次采样值与上次采样值之差不大于A，则本次采样值有效。

步骤二中所述的建立熔炼过程模型的具体步骤如下：

步骤A：根据不同工作状态将步骤一中采集到的三相电流瞬时值和拖动电机动作值分为两组，一组为主要成分，另一组为次要成分；并将这两组过程数据整理成自变量矩阵X_P、X_M和因变量矩阵Y_P、Y_M；其中，X_P和Y_P是主要成分的样本数据，X_M和Y_M是次要成分的样本数据；所述的自变量为拖动电机动作值，所述的因变量为三相电流瞬时值；

步骤B：建立主要成分的偏最小二乘回归模型，首先将自变量矩阵X_P和因变量矩阵Y_P标准化，然后计算X_P和Y_P的协方差矩阵A＝X_P ^TY_P，方差矩阵B＝X_P ^TX_P，并令E＝I，k＝0；

步骤C：令k＝k+1，计算A_k的最大特征根对应的特征向量，即因变量矩阵的权重向量C_k，其中，A_k为第k次迭代时的协方差矩阵；

步骤D：计算第k次迭代时自变量矩阵的权重向量W_k＝A_kC_k； $D_k=W_k^T{B}_k{W}_k,$ 将权重向量Wk单位向量化， $W_k=W_k/\sqrt{D_k},$ 其中，B_k为第k次迭代时的方差矩阵；

步骤E：计算第k次迭代时所提取的自变量和因变量的因子负荷p_k和q_k：p_k＝B_kW_k，

$q_k=A_k^T{p}_k;$

步骤F：计算辅助变量空间向量V_k＝E_kp_k，将辅助变量空间向量V_k规一化V_k＝V_k/‖V_k‖，其中，E_k为第k次迭代时的残差；

步骤G：计算残差 $E_{k+1}=E_k-V_k{V}_k^T,$ A_k+1＝E_k+1A_k， $B_{k+1}=B_k-p_k{p}_k^T;$

步骤H：计算模型的预测残差平方和PRESS，如果PRESS_k+1-PRESS_k小于预定精度，则进行下一步；否则返回步骤C；

步骤I：计算自变量矩阵空间的成分矩阵T：T＝X_PW，其中，W为权重矩阵；

步骤J：计算自变量矩阵X_P与因变量矩阵Y_P的回归系数β_P：β_P＝WQ，其中，Q为因子负荷矩阵；至此，得到主要成分的偏最小二乘回归模型：Y_P＝β_PX_P；

步骤K：建立次要成分的偏最小二乘回归模型；其方法同步骤B-J，得到次要成分的偏最小二乘回归模型：Y_M＝β_MX_M，其中，β_M为自变量矩阵X_M与因变量矩阵Y_M的回归系数；

步骤L：对主要成分和次要成分的偏最小二乘回归模型进行加权求和，得到电熔镁炉熔炼过程的过程模型：Y＝αβ_PX_P+δβ_MX_M；其中，α、δ为加权系数，当熔炼过程处于正常熔炼工作状态时：α＝1，δ＝0；当熔炼过程处于起始、加料和结束三种工作状态时：α＝0，δ＝0.2。

本发明的有益效果：

本发明的定位装置及其控制方法实现了电熔镁炉熔炼过程中对电极定位的自动控制，减少了熔炼过程中的人工干预，避免了人工操作中随机因素给熔炼过程带来的干扰。同时提高了电极的定位精度，节约了能源消耗和人力成本，提高了产品质量，为电熔镁炉熔炼过程的整体自动控制和优化运行奠定了基础。

附图说明：

图1是本发明的定位装置的电路原理框图；

图2是本发明的定位装置的电路原理图；

图3是本发明的定位装置的控制方法的主程序流程图；

图4是本发明的控制方法的系统结构图；

图5是在传统人工手动控制下三相电极电流值的变化情况；

图6是在本发明的控制下三相电极电流值的变化情况。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，一种电熔镁炉熔炼过程中三相电极的定位装置，包括电机、接触器、继电器、微处理器、数据输入/输出模块、通讯模块、电流互感器、电流变送器和上位机监控系统，所述的电流变送器包括第一电流变送器、第二电流变送器和第三电流变送器；所述的电流互感器包括第一电流互感器、第二电流互感器和第三电流互感器；所述的电机的输出端与电熔镁炉的三相电极相连接，电机的控制端与接触器的输出端相连接，接触器的输入端与继电器的输出端相连接，继电器的输入端与微处理器的控制端口相连接；所述的微处理器与数据输入/输出模块相连接，上位机监控系统经通讯模块与微处理器相连接；所述的第一电流互感器、第二电流互感器和第三电流互感器的输入端分别与电熔镁炉的三相电极相连接，第一电流互感器的输出端与第一电流变送器的输入端相连接，第二电流互感器的输出端与第二电流变送器的输入端相连接，第三电流互感器的输出端与第三电流变送器的输入端相连接；第一电流变送器、第二电流变送器和第三电流变送器的输出端分别与数据输入/输出模块相连接。

如图2所示，所述的电熔镁炉熔炼过程中三相电极的定位装置的具体电路连接关系如下：

电流互感器T1、T2、T3的输入端分别与三相电极相连接，电流互感器T1的输出端分别与第一电流变送器U4的第1引脚、第2引脚相连接，电流互感器T2的输出端分别与第二电流变送器U5的第1引脚、第2引脚相连接，电流互感器T3的输出端分别与第三电流变送器U6的第1引脚、第2引脚相连接。外部的0～10000A的三相电流分别通过电流互感器T1、T2、T3后变为0～5A的电流，0～5A的电流分别通过第一电流变送器U4、第二电流变送器U5和第三电流变送器U6后变为4～20mA的电流。第一电流变送器U4的第5引脚分别与数据输入/输出模块U2的RA端和A+端相连接，第一电流变送器U4的第6引脚与数据输入/输出模块U2的A-端相连接；第二电流变送器U5的第5引脚分别与数据输入/输出模块U2的RB端和B+端相连接，第二电流变送器U5的第6引脚与数据输入/输出模块U2的B-端相连接；第三电流变送器U6的第5引脚分别与数据输入/输出模块U2的RC端和C+端相连接，第三电流变送器U6的第6引脚与数据输入/输出模块U2的C-端相连接；数据输入/输出模块U2的M端分别与微处理器U1的M端、1M端以及通讯模块U3的M端相连接，数据输入/输出模块U2的L+端分别与微处理器U1的L+端和通讯模块U3的L+端相连接；按钮SB1和按钮SB2作为外部输入信号，分别与微处理器U1的I0.0端和I0.4端相连接；当按钮SB1按下时，自动程序开始运行，当按钮SB2按下时，自动排气程序开始运行。微处理器U1的Q0.0-Q0.5端分别与继电器K1-K6的线圈的一端相连接，继电器K1-K6的线圈的另一端经220V交流电电源与地相连接；继电器K1-K6的触点的一端与380V电源相连接，继电器K1-K6的触点的另一端分别与接触器JDQ1-JDQ6的第1引脚相连接；接触器JDQ1-JDQ6的L端分别与电源相连接，接触器JDQ1-JDQ6的N端和第2引脚分别与地相连接；接触器JDQ1的第3、4、5引脚分别与第一三相电机M1的输入端相连接，接触器JDQ2的第3引脚与接触器JDQ1的第5引脚相连接，接触器JDQ2的第4引脚与接触器JDQ1的第4引脚相连接，接触器JDQ2的第5引脚与接触器JDQ1的第3引脚相连接；接触器JDQ3的第3、4、5引脚分别与第二三相电机M2的输入端相连接，接触器JDQ4的第3引脚与接触器JDQ3的第5引脚相连接，接触器JDQ4的第4引脚与接触器JDQ3的第4引脚相连接，接触器JDQ4的第5引脚与接触器JDQ3的第3引脚相连接；接触器JDQ5的第3、4、5引脚分别与第三三相电机M3的输入端相连接，接触器JDQ6的第3引脚与接触器JDQ5的第5引脚相连接，接触器JDQ6的第4引脚与接触器JDQ5的第4引脚相连接，接触器JDQ6的第5引脚与接触器JDQ5的第3引脚相连接。

所述的微处理器U1采用PLC，其选用的型号为S7-200，所述的接触器JDQ1-JDQ6选用的型号为LC1-D5011Q5C，所述的数据输入/输出模块U2选用的型号为EM235，所述的通讯模块U3选用的型号为EM277，所述的第一电流变送器U4、第二电流变送器U5、第三电流变送器U6选用的型号为S3-AD-1-55A3B。

由电熔镁砂的熔炼工艺可知，影响电熔镁砂产品质量和能耗的主要参数是三相电极的电流值，而三相电极的电流值又是由三相电极的位置决定；因此，三相电极的位置在整个熔炼过程中起到重要作用。但三相电极的位置在熔炼过程中无法直接检测，因此首先需要建立熔炼过程模型。建立熔炼过程模型的前提是需要采集熔炼过程中的过程数据，这是因为电熔镁炉熔炼过程十分复杂，机理模型很难准确建立，因此只能通过使用过程数据建立过程模型。

如图3所示，所述的电熔镁炉熔炼过程中三相电极的定位装置的控制方法，包括如下步骤：

步骤一：采集过程数据和预处理

首先对实时数据进行采集，需要采集的实时数据包括：三相电流瞬时值、当前熔炼过程所处工况、熔炼时间和拖动电机动作值。电熔镁砂熔炼过程中炉内工况变化剧烈，干扰严重。这些干扰对过程数据中的三相电流瞬时值影响严重，因此需要对采集到的三相电流瞬时值进行滤波，再存入数据库中，以保证测量数据的质量和精度。

所述的滤波采用限幅滤波法，其具体方法如下：

根据当前工况确定两次采样允许的最大偏差值A，连续采集数据，每次检测到新的采样值时进行判断；如果本次采样值与上次采样值之差大于A，则本次采样值无效，用上次采样值代替本次采样值；若本次采样值与上次采样值之差不大于A，则本次采样值有效。

步骤二：建立熔炼过程模型

电熔镁砂熔炼过程的过程模型是一个多输入多输出模型，整个熔炼过程具有强耦合、大滞后、边界条件波动以及某些工艺参数难以在线测量等复杂特性。由于这些复杂特性的存在，熔炼过程的机理模型很难建立。

偏最小二乘回归法是一种现有的新型的多元统计数据分析方法，主要适用于多因变量对多自变量的线性回归建模。偏最小二乘回归法的基本思想是：首先分别从自变量X和因变量Y中提取相互独立的成分，然后建立这些因变量与自变量的回归方程。偏最小二乘回归法所提取的成分要求既能较好的概括自变量中的有用信息，又能很好的解释因变量，并能排除系统中的噪声干扰。

本发明将原有的偏最小二乘回归法加以改进，提出了一种按照不同工作状态进行分块加权的改进型偏最小二乘回归法。本发明使用该改进型偏最小二乘回归法建立熔炼过程模型，其基本思想是：根据电熔镁炉的工艺特点，将整个熔炼过程分为起始、正常熔炼、加料和结束四种工作状态，在建立熔炼过程模型的过程中，将步骤一中采集的全部三相电流瞬时值和拖动电机动作值根据不同工作状态分为主要成分和次要成分；其中，正常熔炼工作状态为整个熔炼过程的主体，该工作状态下的过程数据对熔炼过程模型的建立影响较大，因此，将该状态下的过程数据作为工作状态的主要成分；而其他三种工作状态下的过程数据对熔炼过程模型的建立影响相对较小，因此，将其他三种工作状态下的过程数据作为工作状态的次要成分；分别建立主要成分和次要成分的偏最小二乘回归模型，然后根据对整个熔炼过程影响的重要性对主要成分和次要成分的偏最小二乘回归模型进行加权求和，最终得到电熔镁炉熔炼过程的过程模型。

其具体步骤如下：

步骤A：根据不同工作状态将步骤一中采集到的三相电流瞬时值和拖动电机动作值分为两组，一组为主要成分，另一组为次要成分；并将这两组过程数据整理成自变量矩阵X_P、X_M和因变量矩阵Y_P、Y_M；其中，X_P和Y_P是主要成分的样本数据，X_M和Y_M是次要成分的样本数据；所述的自变量为拖动电机动作值，所述的因变量为三相电流瞬时值；

步骤B：建立主要成分的偏最小二乘回归模型，首先将自变量矩阵X_P和因变量矩阵Y_P标准化，即每个元素减去该元素所在列的平均值，再除以该列元素的标准偏差，得到一个新矩阵。

然后计算X_P和Y_P的协方差矩阵A＝X_P ^TY_P，方差矩阵B＝X_P ^TX_P，并令E＝I，k＝0；

步骤C：令k＝k+1，计算A_k的最大特征根对应的特征向量，即因变量矩阵的权重向量C_k，其中，A_k为第k次迭代时的协方差矩阵；

步骤D：计算第k次迭代时自变量矩阵的权重向量W_k＝A_kC_k； $D_k=W_k^T{B}_k{W}_k,$ 将权重向量W_k单位向量化， $W_k=W_k/\sqrt{D_k},$ 其中，B_k为第k次迭代时的方差矩阵；

步骤E：计算第k次迭代时所提取的自变量和因变量的因子负荷p_k和q_k：p_k＝B_kW_k，

$q_k=A_k^T{p}_k;$

步骤F：计算辅助变量空间向量V_k＝E_kp_k，将辅助变量空间向量V_k规一化V_k＝V_k/‖V_k‖，其中，E_k为第k次迭代时的残差；

步骤G：计算残差 $E_{k+1}=E_k-V_k{V}_k^T,$ A_k+1＝E_k+1A_k， $B_{k+1}=B_k-p_k{p}_k^T;$

步骤H：计算模型的预测残差平方和PRESS，如果PRESS_k+1-PRESS_k小于预定精度，则进行下一步；否则返回步骤C；

PRESS是目前普遍使用的判断所建模型好坏程度的方法。其做法是：在训练样本中留下h个样本，用其余的训练样本建模，用以预报被留下的h个样本，计算它们的残差平方和。所有训练样本都被轮流留下来，依次建模、预报、计算残差平方和，最后将残差平方和累加。当h取1时，即为留一法。PRESS的定义为 $\mathrm{PRESS}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{(y_{\mathrm{ij}}-{\hat{y}}_{\mathrm{ij}})}^2,$ 其中

为被留下的第i个样本的第j个因变量的预报值，y_ji为第i个样本的第j个因变量的原始目标值。

步骤I：计算自变量矩阵空间的成分矩阵T：T＝X_PW，其中，W为权重矩阵；

步骤J：计算自变量矩阵X_P与因变量矩阵Y_P的回归系数β_P：β_P＝WQ，其中，Q为因子负荷矩阵；至此，得到主要成分的偏最小二乘回归模型：Y_P＝β_PX_P；

步骤K：建立次要成分的偏最小二乘回归模型；其方法同步骤B-J，得到次要成分的偏最小二乘回归模型：Y_M＝β_MX_M，其中，β_M为自变量矩阵X_M与因变量矩阵Y_M的回归系数；

步骤L：对主要成分和次要成分的偏最小二乘回归模型进行加权求和，得到电熔镁炉熔炼过程的过程模型：Y＝αβ_PX_P+δβ_MX_M；其中，α、δ为加权系数，当熔炼过程处于正常熔炼工作状态时：α＝1，δ＝0；当熔炼过程处于起始、加料和结束三种工作状态时：α＝0，δ＝0.2。

步骤三：根据熔炼过程的不同工作状态输出当前工作状态下的电极电流设定值

所述的电极电流设定值是根据工艺要求和以往经验在程序中预先设定好，也可以在生产过程中由操作员根据需要人工调节；

步骤四：按照内模控制思想设计控制器

用G_m(s)代表电熔镁炉熔炼过程的过程模型，并对该过程模型求逆；求逆前首先将G_m(s)分解为G_m+(s)和G_m-(s)两部分，其中G_m-(s)为需要求逆的部分，它具有最小相位特征的传递函数；G_m+(s)＝G_m(s)G_m-(s)，其包含了所有右半平面零点；

所述的控制器为G_c(s)＝G_m-(s)F(s)，其中，F(s)为滤波器，F(s)＝1/(1+αs)ⁿ，α为滤波器参数；使用MATLAB进行仿真实验，经反复实验发现滤波器参数α＝0.3时效果较好。

如图4所示，将步骤三中输出的当前工作状态下的电极电流设定值作为控制器的跟踪目标，将电熔镁炉作为控制器的被控对象；

步骤五：建立反馈补偿模型

根据实际电流检测值与过程模型参考电流值的偏差ΔI(t)，产生电极电流设定值的补偿量Δy_F(t)，其表达式如下：

当|ΔI(t)|≥1500时，Δy_F(t)＝Δy_F(t-1)+[k₁(ΔI(t)-ΔI(t-1))+k₂ΔI(t)]；

当|ΔI(t)|＜1500时，Δy_F(t)＝0；其中，k₁和k₂为调节参数。

最后确定各工作状态下电极电流设定值和反馈补偿模型的调节参数：

本发明根据电熔镁炉的工艺特点，结合生产成本以及能源消耗等多方面因素确定了各工作状态下电极电流设定值和反馈补偿模型的调节参数。其具体为：

电极电流设定值：正常熔炼工作状态：10000A；

起始工作状态：6000A；

加料工作状态：5000A；

结束工作状态：8500A。

反馈补偿模型的调节参数：k₁＝6.3，k₂＝0.45。

使用本发明可以较好的实现电熔镁炉熔炼过程中对电极位置的自动控制。图5和图6分别表示在传统人工手动控制下和在本发明的控制下三相电极电流值的变化情况，通过图5和图6可以看出，采样周期同为100ms的情况下，在人工手动控制下电极电流波动很大，主要集中在6500A-11000A范围内，实际电流值与电流设定值偏差较大；而在本发明的自动控制下的电极电流波动明显小于人工手动控制下，电流值主要集中在8500A-10500A范围内。这说明本发明在对电极位置的控制方面要优于现有的操作方法，对生产具有实际指导意义。

Claims (5)

1.一种电熔镁炉熔炼过程中三相电极的定位装置，其特征在于包括电机、接触器、继电器、微处理器、数据输入/输出模块、通讯模块、电流互感器、电流变送器和上位机监控系统，所述的电流变送器包括第一电流变送器、第二电流变送器和第三电流变送器；所述的电流互感器包括第一电流互感器(T1)、第二电流互感器(T2)和第三电流互感器(T3)；所述的电机的输出端与电熔镁炉的三相电极相连接，电机的控制端与接触器的输出端相连接，接触器的输入端与继电器的输出端相连接，继电器的输入端与微处理器的控制端口相连接；所述的微处理器与数据输入/输出模块相连接，上位机监控系统经通讯模块与微处理器相连接；所述的第一电流互感器(T1)的输入端与电熔镁炉的三相电极中第一电极相连接、第二电流互感器(T2)的输入端与电熔镁炉的三相电极中第二电极相连接、第三电流互感器(T3)的输入端与电熔镁炉的三相电极中第三电极相连接，第一电流互感器(T1)的输出端与第一电流变送器的输入端相连接，第二电流互感器(T2)的输出端与第二电流变送器的输入端相连接，第三电流互感器(T3)的输出端与第三电流变送器的输入端相连接；第一电流变送器、第二电流变送器和第三电流变送器的输出端分别与数据输入/输出模块相连接。

2.根据权利要求1所述的一种电熔镁炉熔炼过程中三相电极的定位装置，其特征在于所述的电熔镁炉熔炼过程中三相电极的定位装置的具体电路连接关系如下：

第一电流互感器(T1)的输入端与电熔镁炉的三相电极中第一电极相连接、第二电流互感器(T2)的输入端与电熔镁炉的三相电极中第二电极相连接、第三电流互感器(T3)的输入端与电熔镁炉的三相电极中第三电极相连接，第一电流互感器(T1)的两个输出端中的一个与第一电流变送器(U4)的第1引脚相连接、另一个与第一电流变送器(U4)的第2引脚相连接，第二电流互感器(T2)的两个输出端中的一个与第二电流变送器(U5)的第1引脚相连接、另一个与第二电流变送器(U5)的第2引脚相连接，第三电流互感器(T3)的两个输出端中的一个与第三电流变送器(U6)的第1引脚相连接、另一个与第三电流变送器(U6)的第2引脚相连接；第一电流变送器(U4)的第5引脚分别与数据输入/输出模块(U2)的RA端和A+端相连接，第一电流变送器(U4)的第6引脚与数据输入/输出模块(U2)的A-端相连接；第二电流变送器(U5)的第5引脚分别与数据输入/输出模块(U2)的RB端和B+端相连接，第二电流变送器(U5)的第6引脚与数据输入/输出模块(U2)的B-端相连接；第三电流变送器(U6)的第5引脚分别与数据输入/输出模块(U2)的RC端和C+端相连接，第三电流变送器(U6)的第6引脚与数据输入/输出模块(U2)的C-端相连接；数据输入/输出模块(U2)的M端分别与微处理器(U1)的M端、1M端以及通讯模块(U3)的M端相连接，数据输入/输出模块(U2)的L+端分别与微处理器(U1)的L+端和通讯模块(U3)的L+端相连接；按钮(SB1)与微处理器(U1)的I0.0端相连接、按钮(SB2)与微处理器(U1)的I0.4端相连接，微处理器(U1)的Q0.0端与继电器K1的线圈的一端相连接、微处理器(U1)的Q0.1端与继电器K2的线圈的一端相连接、微处理器(U1)的Q0.2端与继电器K3的线圈的一端相连接、微处理器(U1)的Q0.3端与继电器K4的线圈的-端相连接、微处理器(U1)的Q0.4端与继电器K5的线圈的一端相连接、微处理器(U1)的Q0.5端与继电器K6的线圈的一端相连接，继电器K1-K6的线圈的另一端经220V交流电电源与地相连接；继电器K1-K6的触点的一端与380V电源相连接，继电器K1的触点的另一端与接触器JDQ2的第1引脚相连接、继电器K2的触点的另一端与接触器JDQ1的第1引脚相连接、继电器K3的触点的另一端与接触器JDQ4的第1引脚相连接、继电器K4的触点的另一端与接触器JDQ3的第1引脚相连接、继电器K5的触点的另一端与接触器JDQ6的第1引脚相连接、继电器K6的触点的另一端与接触器JDQ5的第1引脚相连接；接触器JDQ1-JDQ6的L端分别与电源相连接，接触器JDQ1-JDQ6的N端和第2引脚分别与地相连接；接触器JDQ1的第3引脚与第一三相电机M1的第一输入端相连接、接触器JDQ1的第4引脚与第一三相电机M1的第二输入端相连接、接触器JDQ1的第5引脚与第一三相电机M1的第三输入端相连接，接触器JDQ2的第3引脚与接触器JDQ1的第5引脚相连接，接触器JDQ2的第4引脚与接触器JDQ1的第4引脚相连接，接触器JDQ2的第5引脚与接触器JDQ1的第3引脚相连接；接触器JDQ3的第3引脚与第二三相电机M2的第一输入端相连接、接触器JDQ3的第4引脚与第二三相电机M2的第二输入端相连接、接触器JDQ3的第5引脚与第二三相电机M2的第三输入端相连接，接触器JDQ4的第3引脚与接触器JDQ3的第5引脚相连接，接触器JDQ4的第4引脚与接触器JDQ3的第4引脚相连接，接触器JDQ4的第5引脚与接触器JDQ3的第3引脚相连接；接触器JDQ5的第3引脚与第三三相电机M3的第一输入端相连接、接触器JDQ5的第4引脚与第三三相电机M3的第二输入端相连接、接触器JDQ5的第5引脚与第三三相电机M3的第三输入端相连接，接触器JDQ6的第3引脚与接触器JDQ5的第5引脚相连接，接触器JDQ6的第4引脚与接触器JDQ5的第4引脚相连接，接触器JDQ6的第5引脚与接触器JDQ5的第3引脚相连接；

所述的微处理器(U1)采用PLC，其选用的型号为S7-200，所述的接触器JDQ1-JDQ6选用的型号为LC1-D5011Q5C，所述的数据输入/输出模块(U2)选用的型号为EM235，所述的通讯模块(U3)选用的型号为EM277，所述的第一电流变送器(U4)、第二电流变送器(U5)、第三电流变送器(U6)选用的型号为S3-AD-1-55A3B。

3.权利要求1所述的电熔镁炉熔炼过程中三相电极的定位装置的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：采集过程数据和预处理

首先对实时数据进行采集，需要采集的实时数据包括：三相电极电流瞬时值、当前熔炼过程所处工况、熔炼时间和拖动电机动作值；然后对采集到的三相电极电流瞬时值进行滤波，再存入数据库中；

步骤二：建立熔炼过程模型

电熔镁炉的整个熔炼过程分为起始、正常熔炼、加料和结束四种工作状态，在建立熔炼过程模型的过程中，将步骤一中采集的全部三相电极电流瞬时值和拖动电机动作值根据不同工作状态分为主要成分和次要成分；其中，正常熔炼工作状态为整个熔炼过程的主体，该工作状态下的过程数据对熔炼过程模型的建立影响较大，因此，将该状态下的过程数据作为工作状态的主要成分；而其他三种工作状态下的过程数据对熔炼过程模型的建立影响相对较小，因此，将其他三种工作状态下的过程数据作为工作状态的次要成分；分别建立主要成分和次要成分的偏最小二乘回归模型，然后根据对整个熔炼过程影响的重要性对主要成分和次要成分的偏最小二乘回归模型进行加权求和，最终得到电熔镁炉熔炼过程的过程模型；

步骤三：根据熔炼过程的不同工作状态输出当前工作状态下的三相电极电流设定值

所述的三相电极电流设定值是根据工艺要求和以往经验在程序中预先设定好，也可以在生产过程中由操作员根据需要人工调节；

步骤四：按照内模控制思想设计控制器

用G_m(s)代表电熔镁炉熔炼过程的过程模型，并对该过程模型求逆；求逆前首先将G_m(s)分解为G_m+(s)和G_m-(s)两部分，其中G_m-(s)为需要求逆的部分，它具有最小相位特征的传递函数；G_m+(s)＝G_m(s)G_m-(s)，其包含了所有右半平面零点；

所述的控制器为G_c(s)＝G_m-(s)F(s)，其中，F(s)为滤波器，F(s)＝1/(1+αs)ⁿ，α为滤波器参数；

将步骤三中输出的当前工作状态下的三相电极电流设定值作为控制器的跟踪目标，将电熔镁炉作为控制器的被控对象；

步骤五：建立反馈补偿模型

根据实际电流检测值与过程模型参考电流值的偏差ΔI(t)，产生三相电极电流设定值的补偿量Δy_F(t)，其表达式如下：

当|ΔI(t)|≥1500时，Δy_F(t)＝Δy_F(t-1)+[k₁(ΔI(t)-ΔI(t-1))+k₂ΔI(t)]；

当|ΔI(t)|＜1500时，Δy_F(t)＝0；其中，k₁和k₂为调节参数。

4.根据权利要求3所述的电熔镁炉熔炼过程中三相电极的定位装置的控制方法，其特征在于步骤一中所述的滤波采用限幅滤波法，其具体方法如下：

根据当前工况确定两次采样允许的最大偏差值A，连续采集数据，每次检测到新的采样值时进行判断；如果本次采样值与上次采样值之差大于A，则本次采样值无效，用上次采样值代替本次采样值；若本次采样值与上次采样值之差不大于A，则本次采样值有效。

5.根据权利要求3所述的电熔镁炉熔炼过程中三相电极的定位装置的控制方法，其特征在于步骤二中所述的建立熔炼过程模型的具体步骤如下：

步骤A：根据不同工作状态将步骤一中采集到的三相电极电流瞬时值和拖动电机动作值分为两组，一组为主要成分，另一组为次要成分；并将这两组过程数据整理成自变量矩阵X_P、X_M和因变量矩阵Y_P、Y_M；其中，X_P和Y_P是主要成分的样本数据，X_M和Y_M是次要成分的样本数据；所述的自变量为拖动电机动作值，所述的因变量为三相电极电流瞬时值；

步骤B：建立主要成分的偏最小二乘回归模型，首先将自变量矩阵X_P和因变量矩阵Y_P标准化，然后计算X_P和Y_P的协方差矩阵A＝X_P ^TY_P，方差矩阵B＝X_P ^TX_P，并令E＝I，k＝0；

步骤C：令k＝k+1，计算A_k的最大特征根对应的特征向量，即因变量矩阵的权重向量C_k，其中，A_k为第k次迭代时的协方差矩阵；

步骤D：计算第k次迭代时自变量矩阵的权重向量W_k＝A_kC_k；

将权重向量W_k单位向量化，

其中，B_k为自变量矩阵X_P第k次迭代时的方差矩阵；

步骤E：计算第k次迭代时所提取的自变量和因变量的因子负荷p_k和q_k：p_k＝B_kW_k，

步骤F：计算辅助变量空间向量V_k＝E_kp_k，将辅助变量空间向量V_k规一化V_k＝V_k/||V_k||，其中，E_k为自变量矩阵X_P第k次迭代时的残差；

步骤G：计算残差 $E_{k+1}=E_k-V_k{V}_k^T,$ A_k+1＝E_k+1A_k， $B_{k+1}=B_k-p_k{p}_k^T;$

步骤H：计算模型的预测残差平方和PRESS，如果PRESS_k+1-PRESS_k小于预定精度，则进行下一步；否则返回步骤C；其中，

为被留下的第i个样本的第j个因变量的预报值，y_ij为第i个样本的第j个因变量的原始目标值；

步骤I：计算自变量矩阵空间的成分矩阵T：T＝X_PW，其中，W为权重矩阵；

步骤J：计算自变量矩阵X_P与因变量矩阵Y_P的回归系数β_P：β_P＝WQ，其中，Q为因子负荷矩阵；至此，得到主要成分的偏最小二乘回归模型：Y_P＝β_PX_P；

步骤K：建立次要成分的偏最小二乘回归模型；其方法同步骤B-J，得到次要成分的偏最小二乘回归模型：Y_M＝β_MX_M，其中，β_M为自变量矩阵X_M与因变量矩阵Y_M的回归系数；

步骤L：对主要成分和次要成分的偏最小二乘回归模型进行加权求和，得到电熔镁炉熔炼过程的过程模型：Y＝αβ_PX_P+δβ_MX_M；其中，α、δ为加权系数，当熔炼过程处于正常熔炼工作状态时：α＝1，δ＝0；当熔炼过程处于起始、加料和结束三种工作状态时：α＝0，δ＝0.2。

Images