CN107340040B - 一种基于分布参数模型的感应电炉铁水在线称重方法 - Google Patents

一种基于分布参数模型的感应电炉铁水在线称重方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107340040B
CN107340040B CN201710556712.5A CN201710556712A CN107340040B CN 107340040 B CN107340040 B CN 107340040B CN 201710556712 A CN201710556712 A CN 201710556712A CN 107340040 B CN107340040 B CN 107340040B
Authority
CN
China
Prior art keywords
induction furnace
molten iron
electric induction
model
furnace
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710556712.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107340040A (zh
Inventor
毛维杰
胡旭鸣
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang University ZJU
Original Assignee
Zhejiang University ZJU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang University ZJU filed Critical Zhejiang University ZJU
Priority to CN201710556712.5A priority Critical patent/CN107340040B/zh
Publication of CN107340040A publication Critical patent/CN107340040A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107340040B publication Critical patent/CN107340040B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01G—WEIGHING
    • G01G17/00—Apparatus for or methods of weighing material of special form or property
    • G01G17/04—Apparatus for or methods of weighing material of special form or property for weighing fluids, e.g. gases, pastes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C5/00—Manufacture of carbon-steel, e.g. plain mild steel, medium carbon steel or cast steel or stainless steel
    • C21C5/52—Manufacture of steel in electric furnaces
    • C21C5/5241—Manufacture of steel in electric furnaces in an inductively heated furnace
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C5/00—Manufacture of carbon-steel, e.g. plain mild steel, medium carbon steel or cast steel or stainless steel
    • C21C5/52—Manufacture of steel in electric furnaces
    • C21C2005/5288—Measuring or sampling devices
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C2300/00—Process aspects
    • C21C2300/06—Modeling of the process, e.g. for control purposes; CII
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
  • Furnace Details (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于分布参数模型的感应电炉铁水在线称重方法，包括以下步骤：分析感应电炉电路结构及负载特性，建立等效电路模型及感应电炉负载部分的微分方程；采样感应电炉熔炼过程的输入输出数据，并结合感应电炉负载部分的微分方程，对采样数据进行系统辨识及电路参数估计；建立电路参数与感应电炉铁水高度与铁水截面直径之间的分布关系模型，根据铁水重量计算公式，实现铁水重量的在线辨识，本发明的方法不需要额外的称重传感器设备，硬件结构简单、性价比高。

Description

一种基于分布参数模型的感应电炉铁水在线称重方法
技术领域
本发明涉及铁水称重方法，尤其涉及一种基于分布参数模型的感应电炉铁水在线称重方法。
背景技术
在感应电炉熔炼过程中，除了电压与电流，许多电路参数是无法测量的，因此一台感应电炉的性能只能以比较粗糙的估计来进行描述。同时，由于高温环境的制约，熔炼铁水的液位与重量也很难在线精确测量，只能凭借经验估计判断。
公开号为CN201310411239.3的中国专利公开了一种铁水自动称重方法，根据铁水包的椭圆形状，选取四个受力点设置了称重传感器，从而对铁水进行称重。
公开号为CN201610071977.1的中国专利公开了一种用于铁水倒罐站的自动称重装置，通过监测装有铁水的鱼雷罐的倾斜位置，并结合称重传感器来对铁水进行称重。
但是现有技术均是针对高炉铁水称重，且需借助称重传感器，无法实现铁水在线称重，没有涉及到感应电炉铁水称重，针对不同炉型称重方法又不同，这就增加了测量的成本，而且很难照搬到感应电炉的铁水称重上。
发明内容
本发明提供一种基于分布参数模型的感应电炉铁水在线称重方法，通过建立电路参数与感应电炉铁水高度与铁水截面直径之间的分布关系模型，实现铁水重量的在线辨识。
一种基于分布参数模型的感应电炉铁水在线称重方法，包括以下步骤：
(1)分析感应电炉电路结构及负载特性，建立等效电路模型及感应电炉负载部分的微分方程；
(2)采样感应电炉熔炼过程的输入输出数据，并结合感应电炉负载部分的微分方程，对采样数据进行系统辨识及电路参数估计；
(3)建立电路参数与感应电炉铁水高度与铁水截面直径之间的分布关系模型，根据铁水重量计算公式，实现铁水重量的在线辨识。
所述的步骤(1)中的等效电路模型及感应电炉负载部分的微分方程通过以下步骤建立：
(1-1)对感应电炉的负载进行分析建模：负载部分可视作变压器模型，包括漏感(L-M)、互感M、铜损电阻R0、铁损电阻RM和铁水电阻R，所得的等效电路如图2所示；
(1-2)根据建立的等效电路，以感应线圈的输入电流i为输入，输入电压u为输出，利用基尔霍夫定律，得到感应电炉负载部分的微分方程：
其中，铜损电阻R0是感应线圈与连接电缆的电阻；铁损电阻RM是根据负载的变压器模型假设的；漏感(L-M)、互感M之和L是恒定的，但漏感(L-M)、互感M的值在熔炼过程中处于不断变化中；铁水电阻R在熔炼过程中也是变化的。
所述的步骤(2)中，采样感应电炉熔炼过程的输入输出数据，采样频率不低于输入输出频率的两倍。
所述的步骤(2)中，采样的输入数据，是感应线圈的输入电流，输出数据是感应线圈的输入电压。
所述的步骤(2)中对采样数据进行系统辨识及电路参数估计包括以下步骤：
(2-1)计算区间选取范围为1-30s，在每个计算区间内电路参数视为近似不变的，利用最小二乘法进行系统辨识及参数估计；
设感应电炉熔炼过程某一稳定状态经采样后的离散数学模型为：
A(z-1)u(k)＝B(z-1)i(k)+e(k)
其中，i(k)和u(k)分别是离散过程的输入量和输出量，e(k)为噪声，多项式A(z-1)和B(z-1)为：
A(z-1)＝1+a1z-1+a2z-2
B(z-1)＝b0+b1z-1+b2z-2
令θ＝[a1,a2,b0,b1,b2]T，则
最小二乘法进行参数估计有多种方法，本发明采用递推基本最小二乘估计，递推公式为：
其中，置初值P(0)＝cI，启动递推算法，直到收敛为止；c是足够大的常数，本发明中取106；I是阶次为5的单位矩阵；
(2-2)将步骤(2-1)得到的离散过程的传递函数系数转化为连续过程的传递函数系数 结合感应电炉负载部分的的微分方程，可得：
所述的步骤(3)中的分布关系模型通过以下步骤建立：
(3-1)设感应电炉内铁水高度为h，铁水截面直径为d，感应电炉等效电路参数表示为：
M＝k1d2h2
其中，k1与k2为常数，可通过特定状态(如半炉、满炉)的试验确定，f是电流频率；
(3-2)感应电炉在任一状态下的电路参数M、R由系统辨识与参数估计得到后，可得炉内铁水的几何分布关系为：
所述的步骤(3)中的铁水重量计算公式为：
ρ0为铁水密度，感应电炉内铁水重量不仅与铁水高度h有关，而且也与铁水截面积d有关，感应电炉在任一状态下的电路参数M、R由系统辨识与参数估计得到后，根据建立的分布关系模型得到感应电炉内铁水的高度h与截面直径d即可得到炉内的铁水重量。
所述的步骤(3-1)中的k1与k2的值通过以下步骤确定：
(3-1-1)采样感应电炉特定状态(如半炉、满炉)熔炼过程的输入输出数据，并结合感应电炉负载部分的微分方程，对采样数据进行系统辨识及电路参数估计，得到相应状态的互感M和铁水电阻R；
(3-1-2)将特定状态的炉内铁水高度为h，铁水截面直径为d，互感M，铁水电阻R及电流频率f代入(3-1)的感应电炉等效参数模型即可求得k1与k2的值。
感应电炉的铁水截面积会因炉衬的消耗而变化，虽然在每一炉的熔炼过程中或相邻两炉的炉衬消耗可忽略不计，其面积可视作固定，但相隔多个炉次之间的炉衬消耗就不能忽略不计了。感应电炉的内径与截面积只需在第一炉熔炼前进行测量，此后每一炉铁水截面积变化可通过电路参数的变化来测定。
本发明基于软测量方法，结合感应电炉实际运行数据，通过系统辨识及参数估计，求解熔炼过程中的变化参数，并确定变化参数与变化的铁水重量之间的数量关系，得到铁水在线称重的方法，具有以下优点：
(1)与以往技术相比，不需要额外的称重传感器设备，硬件结构简单、性价比高；
(2)对感应电炉熔炼过程的输入输出进行系统辨识及参数估计，能够快速有效地得到该过程的重要参数，实现在线称重，可为熔炼过程的实时在线控制与节能优化提供基础。
附图说明
图1是本发明实施例的感应电炉结构示意图；
图2是本发明的感应电炉熔炼等效电路图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
本实施例中选取熔化速度为40t/h的中频感应电炉进行研究。
如图1所示，中频感应电炉炉体中嵌有导磁体1，炉内壁涂有炉衬2，导磁体外绕有感应线圈3。当炉内装有待熔炼的废钢，接通中频电源，感应线圈3通电，在感应电炉内产生磁通，一部分穿过废钢和铁水，另一部分则没有穿过，会形成两个电感量，分别是互感M和漏感(L-M)。感应线圈与连接电缆的电阻是铜损电阻R0，由负载的变压器模型假设得到铁损电阻RM，感应电炉带负载运行时有铁水电阻R，据此建立如图2所示的感应电炉熔炼等效电路图。
根据图2，以感应线圈的输入电流i为输入，输入电压u为输出，利用基尔霍夫定律，得到感应电炉负载部分的微分方程：
采样感应电炉满炉状态时的输入输出数据，计算区间为10s，采样时间为100μs。
感应电炉满炉状态经采样后的离散数学模型为：
A(z-1)u(k)＝B(z-1)i(k)+e(k)
其中，i(k)和u(k)分别是离散过程的输入量和输出量，e(k)为噪声，多项式A(z-1)和B(z-1)为：
A(z-1)＝1+a1z-1+a2z-2
B(z-1)＝b0+b1z-1+b2z-2
令θ＝[a1,a2,b0,b1,b2]T，则
采用递推基本最小二乘估计进行参数估计，递推公式为：
其中，置初值P(0)＝cI，启动递推算法，直到收敛为止，c＝106，I是阶次为5的单位矩阵。
通过系统辨识及参数估计，得到离散过程传递函数的系数将转化为连续过程传递函数的系数
结合感应电炉负载部分的微分方程模型，可得：
将α1，α2，β0,β1,β2的值代入，可解得感应电炉满炉状态时，R＝0.002Ω,M＝135μH,L-M＝108μH。
设感应电炉内铁水高度为h，铁水截面直径为d，感应电炉等效电路参数可表示为：
M＝k1d2h2
感应电炉满炉状态(高度h＝2.60m)时，铁水截面直径d＝2.05m，电流频率f＝150Hz。
代入R＝0.002Ω，M＝135μH，解得k1＝4.320×10-6，k2＝1.975×10-4。
感应电炉在任一状态下的电路参数M、R由系统辨识与参数估计得到后，可知炉内铁水的几何分布参数为：
感应电炉内铁水重量计算公式为：
ρ0为铁水密度，熔炼炉内铁水重量G不仅与铁水高度有关，而且也与铁水截面积有关，感应电炉在任一状态下的电路参数M、R由系统辨识与参数估计得到后，根据建立的分布关系模型得到感应电炉内铁水的高度h与截面直径d即可得到炉内的铁水重量。
感应电炉的铁水截面积会因炉衬的消耗而变化，虽然在每一炉的熔炼过程中或相邻两炉的炉衬消耗可忽略不计，其面积可视作固定，但相隔多个炉次之间的炉衬消耗就不能忽略不计了。感应电炉的内径与截面积只需在第一炉熔炼前进行测量，此后每一炉铁水截面积变化可通过电路参数的变化来测定。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于分布参数模型的感应电炉铁水在线称重方法，包括以下步骤：
(1)分析感应电炉电路结构及负载特性，建立等效电路模型及感应电炉负载部分的微分方程；
所述微分方程通过以下步骤建立：
(1-1)对感应电炉的负载进行分析建模：负载部分视作变压器模型，包括漏感(L-M)、互感M、铜损电阻R0、铁损电阻RM和铁水电阻R，建立等效电路；
(1-2)根据建立的等效电路，以感应线圈的输入电流i为输入，输入电压u为输出，利用基尔霍夫定律，得到感应电炉负载部分的微分方程：
其中，铜损电阻R0是感应线圈与连接电缆的电阻；铁损电阻RM是根据负载的变压器模型假设的；
(2)采样感应电炉熔炼过程的输入输出数据，并结合感应电炉负载部分的微分方程，对采样数据进行系统辨识及电路参数估计；
(3)建立电路参数与感应电炉铁水高度与铁水截面直径之间的分布关系模型，根据铁水重量计算公式，实现铁水重量的在线辨识；所述分布关系模型通过以下步骤建立：
(3-1)设感应电炉内铁水高度为h，铁水截面直径为d，感应电炉等效电路参数表示为：
M＝k1d2h2
其中，k1与k2为常数，通过特定状态的试验确定，f是电流频率；
(3-2)感应电炉在任一状态下的电路参数M、R由系统辨识与参数估计得到后，得炉内铁水的几何分布关系为：
2.根据权利要求1所述的基于分布参数模型的感应电炉铁水在线称重方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，采样感应电炉熔炼过程的输入输出数据，采样频率不低于输入输出频率的两倍。
3.根据权利要求1所述的基于分布参数模型的感应电炉铁水在线称重方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，采样的输入数据，是感应线圈的输入电流，输出数据是感应线圈的输入电压。
4.根据权利要求1所述的基于分布参数模型的感应电炉铁水在线称重方法，其特征在于，所述的步骤(2)中对采样数据进行系统辨识及电路参数估计包括以下步骤：
(2-1)计算区间选取范围为1-30s，在每个计算区间内电路参数视为近似不变的，利用递推基本最小二乘估计进行系统辨识及参数估计，得到离散过程的传递函数系数
(2-2)将步骤(2-1)得到的离散过程的传递函数系数 转化为连续过程的传递函数系数结合感应电炉负载部分的微分方程，得到R0、RM、L、M、R的值。
5.根据权利要求1所述的基于分布参数模型的感应电炉铁水在线称重方法，其特征在于，所述的步骤(3-1)中k1与k2的值通过以下步骤确定：
(3-1-1)采样感应电炉特定状态熔炼过程的输入输出数据，并结合感应电炉负载部分的微分方程，对采样数据进行系统辨识及电路参数估计，得到相应状态的互感M和铁水电阻R；
(3-1-2)将特定状态的炉内铁水高度为h，铁水截面直径为d，互感M，铁水电阻R及电流频率f代入(3-1)的感应电炉等效参数模型，求得k1与k2的值。
6.根据权利要求5所述的基于分布参数模型的感应电炉铁水在线称重方法，其特征在于，所述的步骤(3)中的铁水重量计算公式为：
ρ0为铁水密度，感应电炉在任一状态下的电路参数M、R由系统辨识与参数估计得到后，根据建立的分布关系模型得到感应电炉内铁水的高度h与截面直径d，得到炉内的铁水重量。
CN201710556712.5A 2017-07-10 2017-07-10 一种基于分布参数模型的感应电炉铁水在线称重方法 Active CN107340040B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710556712.5A CN107340040B (zh) 2017-07-10 2017-07-10 一种基于分布参数模型的感应电炉铁水在线称重方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710556712.5A CN107340040B (zh) 2017-07-10 2017-07-10 一种基于分布参数模型的感应电炉铁水在线称重方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107340040A CN107340040A (zh) 2017-11-10
CN107340040B true CN107340040B (zh) 2019-06-18

Family

ID=60219742

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710556712.5A Active CN107340040B (zh) 2017-07-10 2017-07-10 一种基于分布参数模型的感应电炉铁水在线称重方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107340040B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102018133563B4 (de) 2018-12-21 2020-10-22 Wipotec Gmbh Waage mit Überlastdiagnose
CN111462830B (zh) * 2020-01-22 2023-11-14 杭州电子科技大学 一种基于电解铝工艺模型的状态观测方法
CN111750962B (zh) * 2020-06-04 2021-07-27 江南大学 一种基于滤波的物体重量高精度估计方法
KR20230132833A (ko) * 2021-02-10 2023-09-18 제이에프이 스틸 가부시키가이샤 영상 장치를 구비하는 전기로를 사용한 용철의 제조 방법

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3800893A (en) * 1972-09-05 1974-04-02 Campbell Soup Co Weighing apparatus and method
CN1808449A (zh) * 2005-01-18 2006-07-26 王胜国 Rlc互连线和传输线模型的状态空间直接方法及其模型简化
CN103471688A (zh) * 2013-09-11 2013-12-25 江苏永钢集团有限公司 一种铁水车自动称重方法
CN103627831A (zh) * 2013-10-26 2014-03-12 芜湖新兴铸管有限责任公司 一种铁水在线称量系统
EP2930478A1 (de) * 2014-04-07 2015-10-14 Siemens VAI Metals Technologies GmbH Bestimmung der Masse einer metallischen Schmelze

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3800893A (en) * 1972-09-05 1974-04-02 Campbell Soup Co Weighing apparatus and method
CN1808449A (zh) * 2005-01-18 2006-07-26 王胜国 Rlc互连线和传输线模型的状态空间直接方法及其模型简化
CN103471688A (zh) * 2013-09-11 2013-12-25 江苏永钢集团有限公司 一种铁水车自动称重方法
CN103627831A (zh) * 2013-10-26 2014-03-12 芜湖新兴铸管有限责任公司 一种铁水在线称量系统
EP2930478A1 (de) * 2014-04-07 2015-10-14 Siemens VAI Metals Technologies GmbH Bestimmung der Masse einer metallischen Schmelze

Also Published As

Publication number Publication date
CN107340040A (zh) 2017-11-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107340040B (zh) 一种基于分布参数模型的感应电炉铁水在线称重方法
CN104122447B (zh) 一种电动汽车动力电池组直流阻抗的在线估算方法
CN104505550B (zh) 磷酸铁锂电池组的被动均衡方法及系统
CN104022662B (zh) 基于模型预测控制的pwm整流器控制方法及装置
CN110161423A (zh) 一种基于多维度耦合模型的动力锂电池状态联合估计方法
CN106897487B (zh) 一种高温超导磁体非线性分析的建模方法
CN107766669B (zh) 一种无线充电线圈自感和互感的电性能参数计算方法
CN106627225B (zh) 一种用于电动汽车的串联电池组剩余放电能量预测方法
CN112416034A (zh) 一种装置的温度控制系统及温度控制方法
CN108695806B (zh) 嵌入制热材料自融冰导线在线防冰控制方法
CN107834620B (zh) 一种多目标优化控制的锂电池组充电方法
CN108342540B (zh) 一种炼钢厂rh精炼设备自动控制系统
CN104795857A (zh) 锂离子电池能量均衡系统及其实现方法
CN103388054A (zh) 一种在线控制lf精炼过程钢水温度的系统及方法
Aliferov et al. Coupled magneto-thermal FEM model of direct heating of ferromagnetic bended tubes
CN107392352A (zh) 一种基于融合极限学习机的电池未来温度预测方法及系统
CN107677905A (zh) 一种电动汽车非车载充电机检测装置
CN108983107A (zh) 一种动力电池的生热率测试方法
Di Barba et al. 3D FE analysis and control of a submerged arc electric furnace
CN103326352B (zh) 一种配电网电缆线路局部过热风险辨识方法
Wei et al. A method of optimized neural network by LM algorithm to transformer winding hot spot temperature forecasting
CN105158540A (zh) 一种采用电弧电感修正系数的电弧电流估算方法
CN102382937B (zh) 一种基于炉气分析的电弧炉冶炼过程控制方法
CN107490768A (zh) 一种基于容量衰减和电量消耗的锂电池加热电流获取方法
CN107084805A (zh) 一种确定连铸钢包辐射热流的方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant