CN105404149B - 一种基于钢种净空渣厚的多模型lf炉电极调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于钢种净空渣厚的多模型LF炉电极调节方法，属于LF炉电极调节器领域。解决控制器灵敏度低，不适合实时控制系统的问题。采集电极调节器输入数据，数据包括直接测量得到的三相二次侧电流、三相二次侧电压和电极调节器的初始电流设定值以及用于需整定PID控制器的钢种、净空和渣厚的数据；根据数据在线整定PID控制器参数；记录整定后的PID控制器的静态参数和钢种、净空以及渣厚的数据，建立LF电极PID整定模型集合；步骤4，PID整定模型集合建立后，输入钢种、净空和渣厚的数据，进行判断，自动调用合适的模型。本发明实现了对原有控制系统的优化，从而可以大大改进系统的在线调整过程，实现对电极更好的控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于钢种净空渣厚的多模型LF炉电极调节方法，属于LF 炉电极调节器领域。
背景技术
在LF炉外精炼的钢铁生产过程中，由于受钢水面渣层厚度、底吹氩流量、大包耐火层、电网电压波动、液压伺服系统及控制调节比例阀放大板的精度与零漂变化等因素影响，传统的PID调节器应用效果一般。在电极过程控制中, 需要调节电极浸入钢水深度从而控制电极加热功率，如果一旦比例失调,就会影响电极系统正常生产的使用，严重的甚至会造成生产事故。所以在进行控制的时侯,需要选用适当的控制算法，使整个系统既稳定又高效。常规PID调节器由于其结构简单、调整方便，因而在过程控制中获得广泛的应用。但对一些复杂过程且参数时变的系统，由于PID的参数不易实时在线调整，因而在应用中遇到一些困难。
多年以来，电极调节系统更多采用的是传统PID控制方式，控制效果不很理想。目前，主流的LF电极调节方案有：恒功率调节、恒阻抗调节、恒电流调节、人工神经网络四种。
恒功率调节：恒功率调节容易出现相同功率下，对应不同的电流电压的情况，因此容易出现控制混乱的情况，因此目前较少采用。
恒阻抗调节：
(1)恒阻抗控制也不能完全实行三相统筹控制。LF炉的三相电极之间存在强耦合的关系，经典的恒阻抗控制方法是将三个电极看作是三个独立的系统加以控制，所以无法实现真正意义上的三相平衡。
(2)恒阻抗的阻抗设定点是静态阻抗设定点，并不是真正意义上的阻抗最佳设定点，因而很难实现效率最优。
(3)没有考虑到LF炉冶炼过程的时变特性，电弧电气特性是不断变化的，在炉料刚开始熔化初期负载呈现出电抗性，随着炉料堆积，其特性不可能是完全一样，所以要调整到一个最佳状态很困难。而且随着冶炼过程的进行，电极消耗和电弧对炉壁的侵蚀也会导致工作参数的变化。
(4)恒阻抗控制没有恒电流控制的灵敏度高，响应速度相对较慢。
恒电流调节：工作的三相电极调节器没有自动解耦的特性，即三相电极动作之间相互干扰较大，只要有一相电流发生变动，其余两相电流必然受到影响；这是恒电流原则的一个很大的缺点，给电极调节带来困难。系统进入稳态后，仍然受误差影响大，系统容易震荡，节能效果较差。
人工神经网络：
(1)神经网络的众多的连接权值没有物理意义，我们只知道其输入输出，而对其内部进行的大量复杂运算无从了解。
(2)神经网络需要大量的训练数据，一般不能直接处理结构化知识。
(3)当系统复杂时神经网络的结构变的很复杂，另外样本训练时很可能达到误差局部最小，不能得到满意的效果。
(4)运算时间长，控制器的灵敏度低，不适合实时控制系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于钢种净空渣厚的多模型LF 炉电极调节方法，解决控制器灵敏度低，不适合实时控制系统的问题。
本发明是这样实现的，
一种基于钢种净空渣厚的多模型LF炉电极调节方法，包括：
步骤1，采集电极调节器输入数据，所述数据包括直接测量得到的三相二次侧电流、三相二次侧电压和电极调节器的初始电流设定值以及用于需整定 PID控制器的钢种、净空和渣厚的数据；
步骤2，根据三相二次侧电流不平衡度和三相二次侧电流电压的实时波形在线整定PID控制器参数；
步骤3，记录整定后的PID控制器的静态参数和钢种、净空以及渣厚的数据，建立LF电极PID整定模型集合；
步骤4，PID整定模型集合建立后，输入钢种、净空和渣厚的数据，进行判断，如果发现合适的模型，则自动调用模型，根据调用的模型自动设定PID 控制器参数，否则可采用通用参数进行调节。
进一步地，步骤2包括：整定PID参数时寻找电极的最佳工作点，减少三相电流的不平衡度，提高功率因数，应满足条件：系统的过渡时间最少时，三相电流的不平衡度小于4％的占空比应不低于90％，在未安装功率补偿装置的情况下功率因素保持在0.6以上，安装动补或静补应不低于0.85，在实时的单相电流电压实时波形中保证电流滞后的角度最小。
进一步地，步骤4中，如果未发现合适的模型，则返回步骤2并运行步骤 2-3新增模型至PID整定模型集合。
进一步地，步骤2中，在经验值规定的过渡时间内如果三相二次侧电流不平衡度小于5％，则采用恒电流方式进行控制PID调节器，否则切换到阻抗控制方式。
进一步地，步骤2中，整定PID参数寻找电极的最佳工作点，减少三相电流的不平衡度，提高功率因数后无法满足要求时，根据二次侧实际电流测量值调节电流设定值后，再进行步骤2整定PID参数或者在步骤1结束后，先根据二次侧实际电流测量值调节电流设定值后，再进行步骤2整定PID参数。
本发明中，过渡时间指升温初期，系统波动大，由于两相电极先接触钢水拉弧，第三相电极正在下降过程中，尚未接触钢水，所以系统冲击较大。三相电极都进入钢水后，三相同时拉弧，三相电极能够较平稳地在渣层埋弧，从任意三相电极二次侧电流大于100安培到系统较稳定地埋弧这段时间称为过渡时间。由于升温前期控制对象的特性不同于中后期，加上三相电极之间的强耦合关系，所以需要使用过渡时间加以区分，分段控制。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
由于精炼炉电极调节系统是一个多变量、强耦合、大滞后的非线性系统，据此本发明以本钢炼钢厂精炼车间3#LF炉为研究背景，深入研究了电弧的物理特性和电极调节系统的原理，并采集大量数据进行分析辨识，得出了钢种、净空、渣厚情况对调节器输出的影响关系。通过己有的现场数据，建立了基于钢种、净空、渣厚的多模型控制器，改进了传统PID控制，实现了根据不同的钢种、净空、渣厚情况自动整定电极调节器参数。在控制过程的各个瞬间，根据系统中应用背景有目的地变化，从而将不同的结构特性揉合在一起，取得了比固定结构系统更完善的性能指标，实现了对原有控制系统的优化，从而可以大大改进系统的在线调整过程，实现对电极更好的控制。
在上述研究的基础上，输出与原来单一PID控制方式进行了比较。结果表明，基于钢种、净空、渣厚的多模型控制器能更好地解决三相电极的耦合问题，可以更好地跟随给定输入，在动态响应、抗干扰性、鲁棒性等方面都有很大的提高，具有重要的理论价值和实际应用意义。
附图说明
图1为采用本发明方法执行检测使得流程图；
图2为单相电流电压实时波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例，参见图1，一种基于钢种净空渣厚的多模型LF炉电极调节方法，包括：
步骤1，采集电极调节器输入数据，数据包括直接测量得到的三相二次侧电流、三相二次侧电压和电极调节器的初始的电流设定值以及用于需整定PID 控制器的钢种、净空和渣厚的数据；
其中电流设定值为操作人员选定的电流初始档位，一共有6档，在生产过程中此档位默认为第6档，不进行调节。此值仅作为参考，对系统输出值最佳电流给定值产生影响，如电流档位设定值调低，系统输出值最佳电流给定值会做相应调整，输出减小。
步骤2，根据三相二次侧电流不平衡度和三相二次侧电流电压的实时波形在线整定PID参数和电流设定值；
参数整定过程是一个相对寻优的过程，是一个循环迭代的过程，所以无法绝对定量，只能相对寻优。整定PID参数时寻找电极的最佳工作点，减少三相电流的不平衡度，提高功率因数，应满足条件：系统的过渡时间最少时，三相电流的不平衡度小于4％的占空比应不低于90％，在未安装功率补偿装置的情况下功率因素保持在0.6以上，安装动补或静补应不低于0.85，在实时的单相电流电压实时波形中保证电流滞后的角度最小，参见图2的单相电流电压实时波形图。
步骤2中，在经验值规定的过渡时间内如果三相二次侧电流不平衡度小于 5％，则采用恒电流方式进行控制PID调节器，否则切换到阻抗控制方式。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
具体整定步骤如下：选用两块福禄克199C型示波表，每块表两个通道采用光电隔离接入计算机实时显示波形，共4个通道分别为标记为A、B、C和D。 A通道随机选取一相二次侧电压，B通道选取对应A通道的二次侧电流，C和 D通道选取其余两相二次侧电流。电流不平衡度的定义采用MAX(相电流－三相平均电流)/三相平均电流方案，采用示波表软件系统提供的自定义函数实现实时显示。在整定参数之前先观察系统大致的过渡时间，将整定过程分为升温前期和中后期两个部分分别进行整定，如系统过渡时间发生较大变化，则修改系统过渡时间，重新微调参数进行迭代循环。整定过程原则上只允许过渡时间缩短，如时间变长需要恢复当前整定步骤的上一组参数，升温初期的时间越短越好。升温初期参数整定主要考虑缩短过渡时间，在升温中后期，主要考虑调整最佳电流设定值来降低电流不平衡度。根据单相电极上的二次侧电压和电流可以通过福禄卡软件采集系统提供的函数计算出功率因数，三相电流不平衡度。在整定过程中主要考虑减少电流不平衡度，兼顾提高功率因素来调整PID参数，如系统反复震荡，则需要调整电流最佳设定值，具体PID参数整定方法参考工业PID参数整定口诀(通用)。
步骤2中，整定PID参数寻找电极的最佳工作点，减少三相电流的不平衡度，提高功率因数后无法满足要求时，根据二次侧实际电流测量值调节电流设定值后，再进行步骤2整定PID参数。
最佳电流设定值的初始值为岗位操作人员的电流设定档位，当三相电极浸入钢水3秒钟后，根据钢种、净空、渣厚模型调用对应的最佳电流设定值替代初始值。当实际电流值小于设定值时降低电极，反之则提升电极，本实施例中方法为恒电流调节器原理。在调整过程中经常出现电极控制器只发出一种向上或向下的指令。比如电流值设定偏高会导致电极一致无法达到电流设定值。因为电流实际值不到设定值，电极会继续向下浸入渣层，当接触钢水时相当于接地，电极控制器PLC会发出向上信号，电流实际值会减少，所以无法达到电流设定值。再如电流设定值偏低会导致电极提升来减少弧流，由于渣厚有限，电极会上升至渣层以上发生断弧，循环震荡，无法达到设定值。所以在升温的中后期应及时调整电流设定值，保证电极控制器在单位时间内能够灵敏地对三相电极发出向上和向下的两种指令。因此在进行整定PID参数寻找电极的最佳工作点时，如果多次整定仍然满足不了所需要的条件，则需要根据电极控制器输出的实际电流值对电流设定值进行调整，使得，电极控制器PLC在单位时间内能够灵敏地对三相电极发出向上和向下的两种指令。
步骤3，记录PID的静态参数和钢种、净空以及渣厚的数据，建立LF电极 PID整定模型集合；
并且大量的实验数据表明：在相同钢种、净空和渣厚情况下，电极的最佳工作点位置基本一致。优化的PID参数具有一定的通用性。这里采用可编程控制器数据块存放PID参数和过渡时间以及最佳电流设定值。
上述的步骤为设定过程以及计算整定过程，设定时首先预置的通用模型参数，根据通用模型参数再整定PID参数、最佳电流设定值和过渡时间。整定钢种模型还要考虑不同净空和渣厚情况分别进行，在一实施例中，会有10组钢种模型和1组通用控制模型。
步骤4，PID整定模型集合建立后，输入钢种、净空和渣厚的数据，进行判断，如果发现合适的模型，则自动调用模型，根据调用的模型自动设定PID 调节器参数，否则可采用通用参数进行调节。
步骤4中，如果未发现合适的模型，则返回步骤1并运行步骤1-3新增模型至PID整定模型集合，可以进行手动输入模型。
在运行使用时，首先，采集调节器输入数据，包括钢种、净空和渣厚，判断是否加入模型集合；
如需要加入模型集合，则，运行上述的步骤1-3；
如模型匹配，则使用模型集合中的参数进行实时电极调节；
如模型不匹配则使用通用参数进行电极调节。
本发明实施例方法的实施可以在原有的电极调节PLC中增加设定系统与控制系统，设定系统用于运行步骤1-3用于增设PID整定模型，控制系统用于调用适用的PID整定模型实时参与控制升温。
本发明实施例应用于某钢铁集团板材有限公司炼钢厂3#LF炉，经过一年半的试验，对冶炼最多的10个钢种进行建模优化，详见表1，表中Kp为PID调节器比例系数，Ki为PID调节器积分系数，Kd为PID调节器微分系数，Tdead为系统过渡时间，Iset为优化后的二次电流设定值。
表1钢种模型参数表
| 钢种 | Kp | Ki | Kd | Tdead | Iset |
| GCr15 | 1.40E-04 | 5.77E-07 | 6.31E-06 | 1.15E+04 | 4.59E+04 |
| SPHT1 | 8.50E-05 | 5.61E-07 | 6.67E-06 | 7.50E+03 | 4.78E+04 |
| DC53D+Z | 2.20E-04 | 5.76E-07 | 6.57E-06 | 1.05E+04 | 4.68E+04 |
| DDQV | 1.30E-04 | 4.98E-07 | 6.59E-06 | 7.80E+03 | 4.63E+04 |
| 42CrMoA | 1.72E-04 | 5.88E-07 | 7.59E-06 | 6.50E+03 | 4.73E+04 |
| DC51D+Z | 1.84E-04 | 6.21E-07 | 7.85E-06 | 5.00E+03 | 4.70E+04 |
| 40Cr | 1.68E-04 | 5.97E-07 | 7.77E-06 | 1.05E+04 | 4.73E+04 |
| 45 | 1.77E-04 | 5.00E-07 | 7.95E-06 | 1.30E+04 | 4.62E+04 |
| DC01 | 9.80E-05 | 5.31E-07 | 7.97E-06 | 7.00E+03 | 4.65E+04 |
| SPHC | 8.70E-05 | 5.75E-07 | 6.88E-06 | 8.50E+03 | 4.81E+04 |
| 通用 | 1.60E-04 | 5.42E-07 | 6.45E-06 | 1.20E+04 | 4.75E+04 |
表2为某钢炼钢厂能源管理部门一年半时间的的电耗及产量数据。
表2电耗及产量数据
| 2014 | 一月 | 二月 | 三月 | 四月 | 五月 | 六月 | ||
| 3#LF电量 | 5151300 | 4555950 | 5490450 | 5053125 | 4669350 | 4157475 | ||
| 升温炉数 | 590 | 501 | 593 | 588 | 593 | 552 | ||
| 2014 | 七月 | 八月 | 九月 | 十月 | 十一月 | 十二月 | 总计 | 每炉耗电 |
| 3#LF电量 | 4172700 | 4466175 | 4886700 | 4490850 | 4508175 | 4687725 | 56289975 | |
| 升温炉数 | 577 | 601 | 609 | 635 | 638 | 711 | 7188 | 7831.104 |
| 2015 | 一月 | 二月 | 三月 | 四月 | 五月 | 六月 | 总计 | 每炉耗电 |
| 3#LF电量 | 4303950 | 4485075 | 5086200 | 4622100 | 4245675 | 4933425 | 27676425 | |
| 升温炉数 | 739 | 609 | 690 | 664 | 655 | 612 | 3969 | 6973.148 |
由此可见，节能效果显著，测试改造前2014年平均每升温炉次耗电7875.13 度，测试改造后2015年上半年平均每升温炉次耗电7190.98度，在2015年上半年生产3969炉的前提下，预计2015年全年节电约为(7831.104-6973.148) ×3969×2＝6810454.728度电＝367.76万元。电极耐材消耗也随之显著降低。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于钢种净空渣厚的多模型LF炉电极调节方法，其特征在于，包括：
步骤1，采集电极调节器输入数据，所述数据包括直接测量得到的三相二次侧电流、三相二次侧电压和电极调节器的初始电流设定值以及用于整定PID控制器的钢种、净空和渣厚的数据；
步骤2，根据三相二次侧电流不平衡度和三相二次侧电流、电压的实时波形在线整定PID控制器参数；
步骤3，记录整定后的PID控制器的静态参数和钢种、净空以及渣厚的数据，建立LF电极PID整定模型集合；
步骤4，PID整定模型集合建立后，输入钢种、净空和渣厚的数据，进行判断，如果发现合适的模型，则自动调用模型，根据调用的模型自动设定PID控制器参数，否则采用通用参数进行调节。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2包括：整定PID参数时寻找电极的最佳工作点，减少三相二次侧电流的不平衡度，提高功率因数，应满足条件：系统的过渡时间最少时，三相二次侧电流的不平衡度小于4％的占空比不低于90％，在未安装功率补偿装置的情况下功率因素保持在0.6以上，安装动态无功功率补偿或静态无功功率补偿不低于0.85，在实时的单相电流电压的实时波形中保证电流滞后的角度最小。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4中，如果未发现合适的模型，则返回步骤2并运行步骤2-3新增模型至PID整定模型集合。
4.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤2中，在经验值规定的过渡时间内如果三相二次侧电流不平衡度小于5％，则采用恒电流方式进行控制PID调节器，否则切换到阻抗控制方式。
5.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2中，整定PID参数寻找电极的最佳工作点，减少三相电流的不平衡度，提高功率因数后无法满足要求时，根据二次侧实际电流测量值调节电流设定值后，再进行步骤2整定PID参数或者在步骤1结束后，先根据二次侧实际电流测量值调节电流设定值后，再进行步骤2整定PID参数。
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