CN101968319A - 电炉功率的自动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种电炉功率的自动控制系统，包括：深度检测装置；电流和电压检测装置；存储装置，存储装置保存预设的专家推理表和电阻设定值；升降装置，升降装置控制三个电极插入所述电炉的深度；和控制装置，控制装置根据每个电极的当前的电流值和电压值计算每个电极的电阻当前值，并根据每个电极的电阻当前值和电阻设定值查找预设的专家推理表以确定三个电极的调整幅度值，以及根据三个电极的当前深度值和调整幅度值控制升降装置对三个电极插入电炉的深度进行调整。本发明系统针对电炉控制对象强非线性、时变性及多变量耦合的特点，通过对专家规则及推理机制的设计将优秀的现场操作经验融入算法，有效的解决了电炉对象建模复杂，难于控制的难题。

Description

电炉功率的自动控制系统

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，特别涉及一种电炉功率的自动控制系统。

背景技术

电炉在冶炼工艺中具有广泛的应用，如铅锌冶炼中的保温电炉，铜冶炼中的贫化、沉降电炉，镍铁冶炼中的熔炼电炉等。从目前情况看，电炉运行是否平稳，常常对整个工艺流程及最终产品有着至关重要的影响。此外电炉作为大负荷用电设备，其运行情况直接影响到能耗和电能质量，如电网冲击、谐波等。近年来，随着电炉规模的不断扩大，对于电炉的自动控制变得越来越重要。

电炉自动控制的目的在于，1)自动调节功率，优化操作，减少人工劳动。2)稳定炉况最大程度地满足工艺需求。3)提高电能质量，减少对电网的冲击，减少电能损失。然而电炉作为被控制对象，由于其具有强非线性、时变形和多变量特性，因此建模困难，控制非常复杂。目前一些冶炼厂采用常规的反响调节结合死区方法进行控制，但是其算法比较简单，虽然在一定程度上实现了功率的自动调节。但是在炉况波动较大时，该方法的适应性差，控制效果难以保障，且手动干预操作频繁。因此，对于电炉功率的自动控制方法急需进一步改进。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是解决现有技术中电炉功率控制效果差的缺陷。

为达到上述目的，本发明一方面提出一种电炉功率的自动控制系统，包括：深度检测装置，所述深度检测装置检测三个电极插入所述电炉的当前深度值；电流和电压检测装置，所述电流和电压检测装置检测所述三个电极每个对应的当前的电流值和电压值；存储装置，所述存储装置保存预设的专家推理表和电阻设定值，所述电阻设定值根据所述电炉的设定功率值获得；升降装置，所述升降装置控制所述三个电极插入所述电炉的深度；和控制装置，所述控制装置与所述深度检测装置、所述电流和电压检测装置、所述升降装置和所述存储装置相连，所述控制装置根据所述每个电极的当前的电流值和电压值计算所述每个电极的电阻当前值，并根据所述每个电极的电阻当前值和所述电阻设定值查找预设的专家推理表以确定所述三个电极的调整幅度值，以及根据所述三个电极的当前深度值和所述调整幅度值控制所述升降装置对所述三个电极插入所述电炉的深度进行调整。

在本发明的一个实施例中，所述深度检测装置为绝对值编码器。

在本发明的一个实施例中，所述控制装置为位于控制室的计算机控制系统。其中，所述控制装置根据所述每个电极的电阻当前值和电阻设定值确定调节误差和误差变化率，并根据所述调节误差和误差变化率查找所述专家推理表以确定三个电极的调整幅度值。具体地，调节误差ei(t)＝Rsi(t)-Ri(t)，其中，Rsi(t)为电阻设定值，Ri(t)为电阻当前值，i为电极编号，i＝1，2，3，t为当前控制周期；误差变化率de＝ei(t)-ei(t-1)。

在本发明的一个实施例中，所述专家推理表为：

其中，其中，ai、aai、bi、bbi、ki、kki、dnj和ddnj为预设的设计参数，0≤i ≤3，1≤n≤5，1≤j≤4。

在本发明的一个实施例中，所述控制装置在延时预设的时间之后，再次检测所述三个电极每个所对应的当前的电流值和电压值，以及三个电极插入所述电炉的当前深度值，并根据所述每个电极的电阻当前值和所述电阻设定值查找预设的专家推理表以确定所述三个电极的调整幅度值，以及根据所述调整幅度值和当前深度值对所述电机插入所述电炉的深度继续进行调整。

在本发明的一个实施例中，所述升降装置包括手动控制开关，操作者通过所述手动控制开关手动对所述三个电极进行升降。

在本发明的一个实施例中，还包括：异常状况诊断装置，所述异常状况诊断装置与所述控制装置相连，所述异常状况诊断装置对所述电炉的电压、所述电炉的异常和仪表及通讯的异常进行监控和诊断，并将监控和诊断结果反馈给所述控制装置，所述控制装置根据所述监控和诊断结果判断是否报警或停止所述系统的工作。

本发明系统针对电炉控制对象强非线性、时变性及多变量耦合的特点，可通过对专家规则及推理机制的设计，将优秀的现场操作经验融入算法，有效的解决了电炉对象建模复杂，难于控制的难题。本发明的系统在各种工况下皆具有优秀的控制效果，在稳定炉况、节约电能和减少对电力系统冲击上起到了显著作用。另外，本系统还提供了电极自动/手动升降、炉体温度监测、冷却水监测、异常状况诊断(电压异常，炉况异常，仪表及通讯异常等)、电极及电能消耗累计等功能，因此整个系统功能完备且易于操作。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的电炉功率的自动控制系统结构图；

图2为本发明实施例的专家系统简化结构图；

图3为本发明实施例另一个电炉功率自动控制系统的结构图；

图4为本发明实施例系统在平稳运行时的控制效果；

图5为本发明实施例系统在功率设定值变化时的控制效果；

图6为本发明实施例系统在电炉进料(ISA炉排放)时的控制效果；

图7为本发明实施例系统在电极离开料面(电极检修)后，重新插入过程中的控制效果。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

电炉的基本原理是通过电极将电压加于炉内成分中，从而使电能转化成热能，达到加热的目的。根据公式：

$P=\frac{U^2}{R}---\left(1\right)$

可知，电压U一定的情况下，加热功率P由电阻值R而决定。由于电阻R随电极的插入深度而变化：电极插入越深，电阻R越小，功率P越大，反之亦然。由此可通过调节电极的插深来控制输出功率，而电极插深与功率P之间的关系即构成了电炉控制对象模型。

通过对电炉现场运行情况的长期考察和分析，本发明将电炉对象模型特征总结如下：

(1)炉内成分构成复杂多样，并伴随有流动；同时电极与炉内成分接触情况具有明显的不规则特性；故在电极插入过程中，电阻R成非线性变化，严重时会出现跳变。

(2)由于炉况和炉内成分的构成随时间而变化，电阻R的变化规律也呈现出明显的时变特性。

(3)由于电炉采用三相供电，各电极在电气上存在耦合，故电炉控制对象具有多变量特性。

综上可知，电炉控制对象是一个具有强非线性、时变性的多变量系统。

如图1所示，为本发明实施例的电炉功率的自动控制系统结构图。该系统包括深度检测装置100、电流和电压检测装置200、存储装置300、升降装置400和控制装置500。其中，深度检测装置100检测三个电极插入电炉的当前深度值。电流和电压检测装置200检测三个电极每个对应的当前的电流值和电压值。存储装置300保存预设的专家推理表和电阻设定值，其中，电阻设定值根据电炉的设定功率值获得，在本发明实施例中，功率的调节是通过升降电极从而改变电阻来实现的。此处分别以1，2，3#电极的电阻R1、R2、R3作为控制变量，从而将相应的功率设定值转化为电阻设定值(设为Rs1、Rs2、Rs3)。升降装置400控制三个电极插入电炉的深度。控制装置500与深度检测装置100、电流和电压检测装置200、升降装置400和存储装置300相连，控制装置500根据每个电极的当前的电流值和电压值计算每个电极的电阻当前值，并根据每个电极的电阻当前值和电阻设定值查找存储装置300中预设的专家推理表以确定三个电极的调整幅度值，以及根据三个电极的当前深度值和调整幅度值控制升降装置对三个电极插入电炉的深度进行调整以使电炉达到设定的功率值。在本发明的一个实施例中，控制装置500可为位于控制室的计算机控制系统，当然也可为其他终端设备。

在本发明的一个优选实施例中，深度检测装置100为绝对值编码器，从而能够更精确地测量电极插入电炉的深度值。

具体地，控制装置500根据每个电极的电阻当前值和电阻设定值确定调节误差和误差变化率，并根据调节误差和误差变化率查找所述专家推理表以确定三个电极的调整幅度值。其中，调节误差ei(t)＝Rsi(t)-Ri(t)，误差变化率de＝ei(t)-ei(t-1)，其中，Rsi(t)为电阻设定值，Ri(t)为电阻当前值，i为电极编号，i＝1，2，3，t为当前控制周期。

专家控制系统(expert control system，ECS)是智能控制方法的一种，它被广泛应用于故障诊断、工业设计和过程控制。专家控制系统具有如下特点：(1)对被控对象和控制器的模型可采用多样化的描述形式，不拘泥于单纯的解析模型。(2)控制策略灵活，可通过在线获取的信息灵活地修改控制策略或控制参数，保证获得优良的控制品质。(3)通过加入异常情况处理的适应性策略，可使系统具备良好的应变能力。专家控制系统的这些特点尤其适用于电炉控制对象的控制。下面首先引入专家系统的一般概念与原理，再针对电炉控制对象进行具体设计。

如图2所示，为本发明实施例的专家系统简化结构图。其中，知识库用于存储专家知识，推理机利用专家知识进行推理得到最终结论。知识库和推理机为抽象概念，对于具体的应用，其设计各不相同。如何充分利用专家经验，设计出完备的知识库，并给出恰当的推理是算法的关键与难点。本发明根据大量电炉现场运行经验，设计了如下的专家规则推理表控制方式。

表1为专家规则推理表

其中，e为调节误差，de＝e(t)-e(t-1)为误差变化率，其中，ai、aai、bi、bbi、ki、kki、dnj和ddnj为预设的设计参数，0≤i≤3，1≤n≤5，1≤j≤4。具体地，e和de包含了误差大小、方向以及变化趋势等基本信息，因此利用e和de构成专家规则及推理要素简单直接，易于实现，并且实际应用过程中也验证了该设计的有效性。

其中，本发明的上述专家规则推理表包含了9条e区间规则，5条de区间规则，共5×9＝45条推理。其中，a，aa，b，bb，k，kk，d，dd为设计参数，需根据现场运行情况进行设定。设定的具体方法是：

(1)观察电炉运行数据，对各种操作情况、各种炉况所对应的e和de的特征区间进行提取。经整理、划分得出参数ai，aai，bi，bbi(0≤i≤3)的值。

(2)对各特征区间下对象特点进行分析，结合历史操作经验，确定控制参数ki，kki(0≤i≤3)，dj，ddnj(1≤j≤3，1≤n≤5)的值。

不同应用的电炉，其运行特征并不相同。具体专家规则数量可视实际情况适当调整，炉况越复杂，需考虑的规则数量越多，反之越少。根据现场经验，表中给出的45条推理可满足一般矿热炉和熔炼炉在较为复杂炉况下的控制需要。而对于铅锌冶炼中的保温炉等简单电炉应用，规则数量则可大大减少。

在本发明实施例中，控制装置500将ei(t)，de的值输入到专家推理表中并经计算得到最终的控制量。

在本发明的一个优选实施例中，为了对电炉进行循环监控，控制装置500在延时预设的时间之后，再次检测三个电极每个所对应的当前的电流值和电压值，以及三个电极插入电炉的当前深度值，并根据每个电极的电阻当前值和电阻设定值查找预设的专家推理表以确定三个电极的调整幅度值，以及根据调整幅度值和当前深度值对电机插入电炉的深度继续进行调整。

如图3所示，为本发明实施例另一个电炉功率自动控制系统的结构图，该系统提供了电极自动/手动升降、炉体温度监测、冷却水监测、异常状况诊断(电压异常，炉况异常，仪表及通讯异常等)、电极及电能消耗累计等功能，因此整个系统功能完备且易于操作。

在本发明的一个实施例中，升降装置400包括手动控制开关600，操作者通过手动控制开关600手动对三个电极进行升降。

在本发明的一个实施例中，该系统还包括异常状况诊断装置700。异常状况诊断装置700与控制装置500相连，异常状况诊断装置700对电炉的电压、电炉的异常和仪表及通讯的异常进行监控和诊断，并将监控和诊断结果反馈给控制装置500，控制装置500根据监控和诊断结果判断是否报警或停止系统的工作。

通过实验证明本发明能够在各种工况下皆具有优秀的控制效果。

如图4所示，为本发明实施例系统在平稳运行时的控制效果。此时控制误差及三相不平衡度控制在±5％以内，良好的控制效果使得炉子温度波动很小，其节电效果明显。

如图5所示，为本发明实施例系统在功率设定值变化时的控制效果。可以看出，实际功率能够快速的跟踪设定值并进入稳态，整个过程超调量控制在±8％以内。良好的跟踪性能使得炉况过度平稳，对电网的冲击微小。

如图6所示，为本发明实施例系统在电炉进料(ISA炉排放)时的控制效果。由于ISA炉排放瞬间冲击较为剧烈，因此在进料伊始功率出现一定波动(控制在±15％以内)，之后功率较快进入平稳变化阶段。可见在大扰动作用下，本发明的系统依然保持了良好的响应特性和鲁棒性。

如图7所示，为本发明实施例系统在电极离开料面(电极检修)后，重新插入过程中的控制效果。可以看出，在整个功率恢复过程中，功率上升快速平稳，本发明系统无超调。

本发明系统针对电炉控制对象强非线性、时变性及多变量耦合的特点，可通过对专家规则及推理机制的设计，将优秀的现场操作经验融入算法，有效的解决了电炉对象建模复杂，难于控制的难题。本发明的系统在各种工况下皆具有优秀的控制效果，在稳定炉况、节约电能和减少对电力系统冲击上起到了显著作用。另外，本系统还提供了电极自动/手动升降、炉体温度监测、冷却水监测、异常状况诊断(电压异常，炉况异常，仪表及通讯异常等)、电极及电能消耗累计等功能，因此整个系统功能完备且易于操作。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (9)

1.一种电炉功率的自动控制系统，其特征在于，包括：

深度检测装置，所述深度检测装置检测三个电极插入所述电炉的当前深度值；

电流和电压检测装置，所述电流和电压检测装置检测所述三个电极每个对应的当前的电流值和电压值；

存储装置，所述存储装置保存预设的专家推理表和电阻设定值，所述电阻设定值根据所述电炉的设定功率值获得；

升降装置，所述升降装置控制所述三个电极插入所述电炉的深度；和

控制装置，所述控制装置与所述深度检测装置、所述电流和电压检测装置、所述升降装置和所述存储装置相连，所述控制装置根据所述每个电极的当前的电流值和电压值计算所述每个电极的电阻当前值，并根据所述每个电极的电阻当前值和所述电阻设定值查找预设的专家推理表以确定所述三个电极的调整幅度值，以及根据所述三个电极的当前深度值和所述调整幅度值控制所述升降装置对所述三个电极插入所述电炉的深度进行调整。

2.如权利要求1所述的电炉功率的自动控制系统，其特征在于，所述深度检测装置为绝对值编码器。

3.如权利要求1所述的电炉功率的自动控制系统，其特征在于，所述控制装置为位于控制室的计算机控制系统。

4.如权利要求1所述的电炉功率的自动控制系统，其特征在于，所述控制装置根据所述每个电极的电阻当前值和电阻设定值确定调节误差和误差变化率，并根据所述调节误差和误差变化率查找所述专家推理表以确定三个电极的调整幅度值。

5.如权利要求4所述的电炉功率的自动控制系统，其特征在于，所述调节误差ei(t)＝Rsi(t)-Ri(t)，其中，Rsi(t)为电阻设定值，Ri(t)为电阻当前值，i为电极编号，i＝1，2，3，t为当前控制周期；

所述误差变化率de＝ei(t)-ei(t-1)。

6.如权利要求5所述的电炉功率的自动控制系统，其特征在于，所述专家推理表为：

其中，ai、aai、bi、bbi、ki、kki、dnj和ddnj为预设的设计参数，0≤i≤3，1≤n≤5，1≤j≤4。

7.如权利要求1所述的电炉功率的自动控制系统，其特征在于，所述控制装置在延时预设的时间之后，再次检测所述三个电极每个所对应的当前的电流值和电压值，以及三个电极插入所述电炉的当前深度值，并根据所述每个电极的电阻当前值和所述电阻设定值查找预设的专家推理表以确定所述三个电极的调整幅度值，以及根据所述调整幅度值和当前深度值对所述电机插入所述电炉的深度继续进行调整。

8.如权利要求1所述的电炉功率的自动控制系统，其特征在于，所述升降装置包括手动控制开关，操作者通过所述手动控制开关手动对所述三个电极进行升降。

9.如权利要求1所述的电炉功率的自动控制系统，其特征在于，还包括：

异常状况诊断装置，所述异常状况诊断装置与所述控制装置相连，所述异常状况诊断装置对所述电炉的电压、所述电炉的异常和仪表及通讯的异常进行监控和诊断，并将监控和诊断结果反馈给所述控制装置，所述控制装置根据所述监控和诊断结果判断是否报警或停止所述系统的工作。

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