CN1966733A - 精炼炉底吹氩智能控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种精炼炉底吹氩智能控制方法，是一种基于具有分级结构的模糊自适应算法的精炼炉底吹氩控制方法。所述的分级结构即将整个控制系统分为三级控制结构：(1)基本模糊控制级。为了满足系统实时控制要求，基本模糊控制级采用模糊逻辑控制方式。(2)自适应调整级。为了适应被控系统参数时变情况，采用自适应控制方式，定时在线调整模糊控制器参数。(3)过程状态判级别。为了克服过程状态变化(或不同实际工况)的影响，提高控制系统的鲁棒性能，将过程状态判断作为辅助输入量，根据系统所处过程状态，采用相应的模糊控制器参数集。本发明的有益效果是大大提高了控制系统的控制精度，从而提高了生产效率与炼钢质量，另外控制系统构成简单、成本较低。

Description

精炼炉底吹氩智能控制方法

                        技术领域

本发明涉及一种精炼炉底吹氩智能控制方法，具体地说，是一种基于具有分级结构的模糊自适应控制算法的精炼炉底吹氩控制方法。

                        背景技术

精炼炉底吹氩炼钢技术具有成本低、操作方便、搅拌效果好的优点，并由此产生了一系列极其有益的冶金效果。它可以明显缩短冶炼时间、降低能耗、提高脱硫脱磷能力，促进合金均匀化。冶炼不锈钢时可促进去碳保铬，增加合金收得率，并且可大大降低工人的劳动强度。

1998年宝钢从日本引进底吹氩气控制技术，并建成投入运行，取得较好的效果。目前，虽然国内所采用的精炼技术中大多数采用钢包底吹氩气法，但由于进口设备价格比较昂贵、维护成本高而且对操作人员的要求高，所以国内大多数厂家基本上采用人工直接操作的控制方法。

                        发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种系统构成简单、成本低、控制精度高的精炼炉底吹氩智能控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：

本发明的技术核心是采用具有分级结构的模糊自适应控制方法，所述的分级结构即将整个控制系统分为三级控制结构：(1)基本模糊控制级。为了满足系统实时控制要求，基本模糊控制级采用模糊逻辑控制方式。(2)自适应调整级。为了适应被控系统参数时变情况，采用自适应控制方式，定时在线调整模糊控制器参数。(3)过程状态判级别。为了克服过程状态变化(或不同实际工况)的影响，提高控制系统的鲁棒性能，将过程状态判断作为辅助输入量，根据系统所处过程状态，采用相应的模糊控制器参数集。

本发明的具体方法步骤如下：

一、输入步骤：

把下列参数输入工业计算机中：精炼炉的钢包号、钢种号、与其对应的各阶段吹氩流量设定值、选择所采用的模糊规则库、模糊变量论域的范围；

二、数据采集步骤：

由工业计算机实时采集下列各传感器的实时值：测量氩气流量的流量传感器、测量氩气压力的压力传感器、测量供氩支路环境温度的温度传感器；

三、计算步骤：

通过装有具有分级结构的模糊自适应算法的工业计算机完成以下计算步骤：

(1)基本模糊控制级：

a.计算出系统的误差e及误差变化率Δe；

b.将系统的误差e及误差变化率Δe通过尺度变换到各自的论域范围；

c.将已变换到论域范围的输入量进行模糊处理，使原先精确的输入量变成模糊量；

d.通过模糊推理计算控制量u的模糊值；

e.控制量u的确定：

首先通过加权平均法得到控制量u在论域中的值z₀；然后通过尺度变换将z₀变为实际的控制量u输出；

(2)自适应调整级：

当上述控制量u输出不满足控制要求时，采用调整隶属度输出值法进行自适应调整，然后进入上述(1)步中的d项，最终修正控制量u的输出值；

(3)过程状态判断级：

当系统工况发生较大变化时，如钢种、钢包变化，由工业计算机判断所发生的变化，并自动选择模糊控制规则库来适应这种变化；

四、执行步骤：

控制量u通过执行机构实施控制吹氩。

所述的执行机构为安装在供氩系统的正常支路上的调节阀。

所述的流量传感器安装在正常支路的管道上。

所述的压力传感器装在正常支路的管道上。

所述的温度传感器安装在正常支路的管道的管壁上或者正常支路的管道周围。

本发明的有益效果是由于采用了具有分级结构的模糊自适应控制方法，大大提高了控制系统的控制精度，从而提高了生产效率与炼钢质量，另外控制系统构成简单、成本较低。

                        附图说明

图1为本发明的系统结构示意图。

图2为具有分级结构的模糊自适应控制原理图。

图3为本发明的软件流程图。

                        具体实施方式

本实施例的系统结构图如图1所示，本系统由氩气罐16、压力缓冲罐14、正常支路、事故支路、三个传感器、流量积算仪12、工业计算机10、调节阀7、减压阀1、逆止阀8、安全阀15、电磁阀2等组成(详见图1)；压力缓冲罐14、流量传感器3、压力传感器4安装在正常支路的管道上，温度传感器5安装在正常支路的管道的管壁上或正常支路的管道周围。调节阀7(执行机构)和电磁阀2也安装在正常支路上，调节阀7的开度受控于工业计算机10的输出(控制量u)。

流量传感器3、压力传感器4、温度传感器5的输出分别经流量积算仪12接工业计算机10的输入端。流量积算仪12和工业计算机10安装在控制室11中。

本系统能实现手动控制和计算机自动控制两种功能。一方面，底吹氩系统正常工作时，被控的氩气由正常支路吹入精炼炉，实现吹氩过程；在启动吹氩工作时，能够提供较大的压力来吹开堵塞的透气砖，以保证吹氩工作的正常开始。另一方面，为了增加系统的可靠性，以防止在吹氩过程中控制系统发生故障后，能及时切换到事故支路进行手动操作，确保生产的正常运行。

流量积算仪12采用涡接流量计；逆止阀8是为了防止事故支路高压气体进入正常支路，损坏正常支路的器件。

在图1、2中6、9、13为阀门，15为安全阀，16为氩气罐，r(κ)为设定值，e(κ)为系统的误差，u(κ)为控制量，y(κ)为实际氩气流量值。

本实施例包括以下四个步骤：

一、输入步骤，

把下列参数输入工业计算机中：精炼炉的钢包号、钢种号、与其对应的各阶段吹氩流量设定值、选择所采用的模糊规则库，模糊变量论域的范围；

二、数据采集步骤：

由工业计算机实时采集下列各传感器的实时值：测量氩气流量的流量传感器、测量氩气压力的压力传感器、测量供氩支路环境温度的温度传感器；

三、计算步骤：

通过装有具有分级结构的模糊自适应算法的工业计算机完成以下计算步骤：

(1)基本模糊控制级：

a.计算出系统的误差e及误差变化率Δe：

            e＝r-y

            Δe＝de/dt＝e(i)-e(i-1)/T

其中T为系统的控制周期，r为氩气流量设定值，y为实际氩气流量值，e(i)为第i时刻的误差，e(i-1)为第i-1时刻的误差。

b.将系统的误差e及误差变化率Δe通过尺度变换到各自的论域范围，其通用公式为：

$x_0=\frac{x_{\min }+x_{\max }}{2}+k_I(x_0^{*}-\frac{{x^{*}}_{\min }+{x^{*}}_{\max }}{2})$

$k_I=\frac{x_{\max }-x_{\min }}{{x^{*}}_{\max }-{x^{*}}_{\min }}$

其中，k_I称为比例因子

x₀ ^*为实际的输入量

为x₀ ^*变化范围

[x_min，x_max]为要求的论域范围；

c.将已变换到论域范围的输入量进行模糊处理，使原先精确的输入量变成模糊量，采用如下的铃形隶属函数：

${\mathrm{\μ}}_A\left(x\right)=e^{\frac{{(x-x_0)}^2}{{2\mathrm{\σ}}^2}}$

其中x₀为隶属度函数的中心值，σ²为方差；

d.通过模糊推理计算控制量u的模糊值，模糊推理采用下述公式：

其中，A₁′为代表误差e的语言变量值

A₂′为代表误差变化率Δe的语言变量值

为根据控制规则库得到的模糊蕴含关系

B′为代表控制量u的语言变量值；

e.控制量u的确定：

通过加权平均法获得控制量u在论域中的值z₀：

$z_0=\mathrm{df}\left(z\right)=\frac{\underset{a}{\overset{b}{\∫}}z{\mathrm{\μ}}_{B^i}\left(z\right)\mathrm{dz}}{\underset{a}{\overset{b}{\∫}}{\mathrm{\μ}}_{B^i}\left(z\right)}$

通过尺度变换将z₀变为实际的控制量u输出：

$u=\frac{u_{\min }+u_{\max }}{2}+k_O(z_0-\frac{z_{\min }+z_{\max }}{2})$

$k_O=\frac{u_{\max }-u_{\min }}{z_{\max }-z_{\min }}$

其中，k_O称为输出比例因子

[z_min，z_max]为z₀的论域范围

[u_min，u_max]为输出量的变化范围；

(2)自适应调整级：

当上述控制量u输出不满足控制要求时，采用调整隶属度输出值法进行自适应调整，然后进入上述(1)步中的d项，最终修正控制量u的输出值；

这里采用的是调整隶属度输出值法的自适应调整，属于直接模糊自适应控制：

                    u＝u_c(x|θ)+u_D

其中u_c(x|θ)为

$u_c\left(x\right|\mathrm{\θ})=\left[\underset{l=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{y}}_l\right|\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{\mathrm{\μ}}_{F_i^l}\left(x_i\right)\left|\right]/\left[\underset{l=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\right|\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{\mathrm{\μ}}_{F_i^l}\left(x_i\right)\left|\right]$

其中μ_Fil为第l条规则中状态x_i对模糊子集F_i ^l的隶属度，n为状态个数，M为规则数，y_l为第l条规则中结论隶属度为1对应的输出值；将 y_l当成可调参数，上式可以写为：

$u_c\left(x\right|\mathrm{\θ})={\mathrm{\θ}}^T\mathrm{\ξ}\left(x\right),{\mathrm{\ξ}}^l\left(x\right)=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{\mathrm{\μ}}_{F_i^l}\left(x_i\right)}{\underset{l=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left|\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{\mathrm{\μ}}_{F_i^l}\left(x_i\right)\right|}$

其中θ＝( y_l，…， y_M)^T是参数向量，ξ(x)＝(ξ^l(x)，…，ξ^M(x))^T是回归向量，而ξ^l(x)称为模糊基函数；u_D＝k_dsgn(e^TPb_c)为D控制，k_d≥0，b_c＝[0，0，…，b]^T，如果e^TPb_c＞0，则u_D＝k_d，如果e^TPb_c＜0，则u_D＝-k_d；

参数向量θ的自适应律取为：

其中P_r[*]定义为：

$P_r\left[{\mathrm{\γe}}^T{P}_n\mathrm{\ξ}\left(x\right)\right]={\mathrm{\γe}}^T{p}_n\mathrm{\ξ}\left(x\right)-{\mathrm{\γe}}^T{P}_n\frac{{\mathrm{\θ\θ}}^T\mathrm{\ξ}\left(x\right)}{{\left|\mathrm{\θ}\right|}^2}$

P_n为P最后一列，|θ|≤M_θ＜∞，M_θ为θ向量的有限上界；

P为一个正定矩阵且满足Lyapunov方程Λ^TP+PΛ＝-Q，式中Q是n×n的任意正定矩阵；

$\mathrm{\Λ}=\left[\begin{array}{ccccc}0& 1& 0& \·\·\·& 0\\ 0& 0& 1& \·\·\·& 0\\ \·\·\·& \·\·\·\·& \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·\\ -k_n& -k_{n-1}& -k_{n-2}& \·\·\·& {-k}_1\end{array}\right];$

(3)过程状态判断级：

当系统工况发生较大变化时，如钢种、钢包变化，由工业计算机判断所发生的变化，并自动选择模糊控制规则库来适应这种变化；

四、执行步骤：

控制量u通过执行机构实施控制吹氩。

Claims (5)

1、精炼炉底吹氩智能控制方法，其特征在于：

一、输入步骤：

把下列参数输入工业计算机中：精炼炉的钢包号、钢种号、与其对应的各阶段吹氩流量设定值、选择所采用的模糊规则库、模糊变量论域的范围；

二、数据采集步骤：

由工业计算机实时采集下列各传感器的实时值：测量氩气流量的流量传感器、测量氩气压力的压力传感器、测量供氩支路环境温度的温度传感器；

三、计算步骤：

通过装有具有分级结构的模糊自适应算法的工业计算机完成以下计算步骤：

(1)基本模糊控制级：

a.计算出系统的误差e及误差变化率Δe；

b.将系统的误差e及误差变化率Δe通过尺度变换到各自的论域范围；

c.将已变换到论域范围的输入量进行模糊处理，使原先精确的输入量变成模糊量；

d.通过模糊推理计算控制量u的模糊值；

e.控制量u的确定：

首先通过加权平均法得到控制量u在论域中的值z₀；然后通过尺度变换将z₀变为实际的控制量u输出；

(2)自适应调整级：

当上述控制量u输出不满足控制要求时，采用调整隶属度输出值法进行自适应调整，然后进入上述(1)步中的d项，最终修正控制量u的输出值；

(3)过程状态判断级：

当系统工况发生较大变化时，如钢种、钢包变化，由工业计算机判断所发生的变化，并自动选择模糊控制规则库来适应这种变化；

四、执行步骤：

控制量u通过执行机构实施控制吹氩。

2、根据权利要求1所述的精炼炉底吹氩智能控制方法，其特征在于所述的执行机构为安装在供氩系统的正常支路上的调节阀(7)。

3、根据权利要求2所述的精炼炉底吹氩智能控制方法，其特征在于流量传感器(3)安装在正常支路的管道上。

4、根据权利要求3所述的精炼炉底吹氩智能控制方法，其特征在于压力传感器(4)装在正常支路的管道上。

5、根据权利要求4所述的精炼炉底吹氩智能控制方法，其特征在于温度传感器(5)安装在正常支路的管道的管壁上或者正常支路的管道周围。

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