基于模糊規則的電弧爐三相電流解耦控制分析與研究

李智敏，宮立達，顧 波，孫和平

(閩南理工學院電子與電氣工程系，福建 石獅362700)

0 前言

近年來，電弧爐已經逐步的成為主要的煉鋼設備之一。三相交流電弧爐電極調節系統是一個具有強耦合性、非線性、時變性和不確定性的復雜系統，主要用于對電流的控制。在電弧爐電極調解過程時，由于三相電流負載端相當于三角形連接，造成了三相電流的強耦合的影響，當一相弧長發生擾動時，其他兩相電極調節器也會產生不應有的調解過程，這樣會使總的調解過程加長，系統的動態品質變壞。如果反復調節就會產生電極振蕩。在調解過程中，電弧電流可能發生大范圍的變化，從而引起供電網電壓的波動和三相電流嚴重不平衡。因此對三相電路進行電極調節之前必須進行解耦控制。在分析了三相強耦合的成因之后，根據電弧爐電極調節系統的特點，本文提出了應用模糊規則對三相電流進行解耦控制的方法。

1 解耦方法分析選擇

傳統的解耦有狀態空間反饋法和現代頻域法兩種方法，都要依賴于被控對象的精確的數學模型，但是電弧爐煉鋼通常是時變和非線性的過程，數學模型難以建立，因此不能用傳統解耦方法進行解耦控制。

自適應解耦控制采用自校正前饋控制的方法，將耦合項作為可測干擾，但是其本質要求在線辨識對象模型，所以算法復雜，計算量大，且對擾動和過程動態建模的適應能力差，而且實際工業過程動態特性與所建模型存在著偏差，因此其應用范圍受到了一定限制。

多變量魯棒解耦控制實質是通過設計魯棒預補償器，從而將多變量系統化為若干單變量系統來設計。內模控制是魯棒控制的一種簡化，具有良好的穩定性和控制品質。內模控制對模型的匹配度要求較高，當系統參數大范圍變化時，內模控制的效果就會變差。

本文提出的模糊解耦控制方法避免了數學建模的問題，只要根據控制要求編寫出解耦規則就可以在一定程度上達到解耦目標。解耦分直接和間接兩種，直接解耦法是對控制對象進行解耦，然后針對解耦而成的各單變量過程進行模糊控制系統設計，只需依靠專家經驗建立一組模糊控制規則;間接解耦法是通過對多變量模糊控制規則進行模糊子空間的分解實現解耦。為了避免劃分模糊子空間，因此本方法選直接解耦法作為解耦手段，從而解決由于三相電流強耦合帶來的系統總的調節時間長，避免電極震蕩，節能降耗及對電網電壓的不利影響。

2 模糊解耦及仿真

模糊解耦是對以往專家工作的總結，根據工藝和現場環境等的條件，利用大量的先驗知識，建立模糊的、推理的、邏輯的知識庫和控制規則。

2.1 模糊調節器設計

輸入為弧長偏移量，輸出為三相電極升降的調節量，用于調節三相電極，實現三相電流平衡控制。通過模糊解耦措施，只檢測三相弧長值，當弧長偏移量超過允許偏差時，控制器一次并行地給出三相電極的調節量，使其一次調節到位，并且避免系統建模的困難。電弧爐電極調節系統三相電流模糊解耦框圖如圖1所示。

圖1 三相電流模糊解耦框圖Fig.1 Block diagram of three-phase current fuzzy decouple

Lsa、Lsb、Lsc為給定的電弧弧長值;Ela、Elb、Elc為模糊化后的弧長偏移量;Ua、Ub、Uc為模糊化后的各個電機調節量;ua、ub、uc為解模糊后的各個電機調節量;Lpa、Lpb、Lpc為測量出的電弧弧長值。模糊子集如果選的過多，控制精度較好，但是計算量大，實時性較差，模糊子集選的少，控制精度就得不到保證，因此本方案中模糊子集選擇5個，既保證了控制精度問題，又使計算量不會過多，實時性得到保證。

模糊變量的模糊化子集如下:

A相弧長偏移量 Ela:{NM，NS，0，PS，PM}

B相弧長偏移量 Elb:{NM，NS，0，PS，PM}

C相弧長偏移量 Elc:{NM，NS，0，PS，PM}

A相調節量 Ua:{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}

B相調節量 Ub:{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}

C相調節量 Uc:{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。

2.2 模糊規則確定

根據專家經驗得知電弧弧長和電弧電流是成反比的關系，總結專家經驗得出模糊規則如下:

根據專家經驗編寫出一共375條解耦規則，按照以上規則進行控制，合理調整參數，可以對電弧爐電極調節系統的三相電流實現解耦控制。

2.3 仿真驗證

根據編寫出的解耦規則在Simulink中進行仿真，解耦的仿真結果如圖2所示。未解耦的仿真仿真結果如圖3所示。

圖2 解耦仿真波形圖Fig.2 Diagram of decoupling simulation waveform

圖3 未解耦的常規PID控制仿真波形圖Fig.3 Diagram of coupling simulation waveform of normal PID control

3 結論

仿真結果表明未解耦的常規PID控制，在控制達到穩定狀態時，對A相突加一個擾動，B，C兩相都發生了重新調節的過程。而在進行模糊解耦后，在控制達到穩定狀態時，對A相突加一個擾動，B、C兩相發生很小的重新調節的過程，變化不大，從而縮短了電極調節的時間，減少了能量的損耗，因此解耦后電極調節系統要比未解耦的系統具有優越性;三相電弧爐經模糊解耦后的動態性能優于未加解耦系統的動態性能。

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