稀有金屬真空熔煉熔速控制的研究

范曉晶，尉 龍

（1.西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2.寶雞鈦業(yè)股份有限公司，陜西 寶雞 721014）

真空自耗電弧爐是用于冶煉鈦、鋯、鉿等稀有金屬的重要設(shè)備之一，真空自耗電弧爐的熔煉穩(wěn)定性是直接影響其產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率的基礎(chǔ)。因此，通過正確的控制方法，用于解決熔速的控制問題，例如耦合性強(qiáng)、滯后性、非線性等，提高真空自耗電弧爐的熔速控制的精準(zhǔn)性和效率是十分必要的。對(duì)此，本文開展基于模糊控制真空自耗電弧爐熔速控制的研究。

1 爐熔速控制系統(tǒng)模型分析與描述

（1）熔速控制系統(tǒng)總體描述。熔速控制系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是控制熔煉電弧的動(dòng)態(tài)特性，從而實(shí)現(xiàn)電弧爐穩(wěn)定、高效的運(yùn)行。

圖1 熔速控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

由圖1探知，影響熔煉電弧的關(guān)鍵因素是弧壓和弧流，弧壓主要是利用控制自耗電極的上升、下降控制弧長(zhǎng)；弧流是利用對(duì)整流電源的輸出調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制。熔煉中電弧長(zhǎng)度即弧壓幾乎不變，電流大小決定熱量多少，電弧熱量使電極熔化，但由于熱滯后性，所以通過電弧的加熱慣性改變電流的大小，從而影響電弧爐熔化的速率，從而構(gòu)成圖1中的電流-融化速率的控制系統(tǒng)。

（2）熔速控制系統(tǒng)建模。由于電極在加熱的過程需要一定的時(shí)間，因此熔速存在滯后性以及慣性大的兩個(gè)劣勢(shì)，同時(shí)電流的改變會(huì)使電機(jī)的加熱過程變成有穩(wěn)定形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N穩(wěn)定形態(tài)的過程。因此，熔速與電流之間存在的關(guān)系可以用下述公式表示：

公式（1）中，W（s）表示為熔速的拉氏變換；τ表示為融化電流的拉氏變換；表示為延遲時(shí)間；T表示為時(shí)間常數(shù)；K表示為比例常數(shù)系數(shù)。當(dāng)公式（1）中控制系統(tǒng)的增益值K為0.002、慣性時(shí)間常數(shù)T為20s、延遲時(shí)間為τ6s時(shí)，可將公式（1）看作是熔速控制系統(tǒng)的模型。

2 真空自耗電弧爐熔速控制策略

2.1 常規(guī)控制系統(tǒng)

（1）PID控制方法原理。PID控制器是一種線性的負(fù)反饋控制方法，PID控制方法的原理可用下述公式表示：

公式（2）中，c（x）表示為PID控制器輸出值；ρ表示為比例系數(shù)；w（x）表示為PID控制器輸入值；X表示為積分時(shí)間常數(shù)。公式（2）中比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù)的變化對(duì)PID控制器的影響相對(duì)較大。當(dāng)PID控制器一旦出現(xiàn)控制偏差，比例環(huán)節(jié)會(huì)立即將控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)反應(yīng)出來，以最快的速度對(duì)控制器產(chǎn)生控制作用，將偏差降到最低。積分時(shí)間常數(shù)主要作用是清除控制系統(tǒng)中產(chǎn)生的靜差，從而提高控制系統(tǒng)的無差度。

（2）PID控制方法特點(diǎn)。PID控制是根據(jù)被控制的對(duì)象特性為基礎(chǔ)，按照比例、積分以及微分控制等環(huán)節(jié)的相互作用，對(duì)于整個(gè)控制系統(tǒng)而言，此方法的優(yōu)勢(shì)①控制原理相對(duì)簡(jiǎn)單，實(shí)操方便，直接通過改變控制參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制效果的改變；②可廣泛用于不同屬性的被控制設(shè)備；③控制算法的魯棒性強(qiáng)，其控制能力對(duì)被控制的設(shè)備的變卦具有良好的抑制效果。

2.2 模糊控制理論

（1）模糊控制系統(tǒng)組成。在控制系統(tǒng)中，根據(jù)輸入量的變化以及輸出量的變化個(gè)數(shù)，將常規(guī)控制系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng)均分為單變量控制和多變量控制。在單變量控制系統(tǒng)中將控制輸入量作為被控制的真空自耗電弧爐的維數(shù)，則模糊控制系統(tǒng)的組成包括一維模糊控制器、二維模糊控制器和三維模糊控制器，其輸入量分別為受控制的變量與給定數(shù)值的差；輸入量給定的差值與偏差的變化量；控制系統(tǒng)自身的偏差及偏差的變化率。而多變量模糊控制系統(tǒng)主要依靠多變量模糊控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)熔速系統(tǒng)的模糊控制。

（2）模糊控制的優(yōu)勢(shì)。模糊控制是將模糊理論運(yùn)用于工程控制中的技術(shù)，將控制理論中的數(shù)學(xué)變量轉(zhuǎn)換為語(yǔ)言半量的形式，利用模糊理論的條件作為控制變量之間的函數(shù)關(guān)系描述，利用模糊理論的推理方法對(duì)熔速控制中各類復(fù)雜的關(guān)系刻畫，模糊控制是一種包含模擬人類學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)以及自適應(yīng)能力的控制系統(tǒng)，具體優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：首先，模糊控制是一種不依賴于被控制系統(tǒng)高精準(zhǔn)度的數(shù)據(jù)模型，模糊控制是根據(jù)操控者累積的操作經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)出的控制裝置；其次模糊控制的控制方法是一種模擬人類思維的控制方法，運(yùn)用人類思維的方式轉(zhuǎn)變?yōu)槟：浚ㄟ^模糊量控制模糊理論的推導(dǎo)；模糊控制的原則及推理機(jī)制更容易被操控者接受和理解，從而方便人機(jī)之間的交互，模糊控制規(guī)則作為模糊控制的核心是基于控制專家的知識(shí)及操控人員積累的經(jīng)驗(yàn)提出，控制規(guī)則是根據(jù)人類使用的語(yǔ)言表示，因此更容易被人理解；模糊控制的控制器魯棒性更強(qiáng)，能夠更加有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)被操作對(duì)象的控制。

2.3 熔速控制運(yùn)行與數(shù)據(jù)分析

熔速控制的運(yùn)行需要考慮到真空自耗電弧爐實(shí)際運(yùn)行環(huán)境的真空度等干擾因素，因此需要在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中進(jìn)行。熔速控制在熔煉過程中的運(yùn)行數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 熔速控制在熔煉過程中的運(yùn)行數(shù)據(jù)

在真空自耗電弧爐熔煉過程中穩(wěn)定熔煉是這一階段的關(guān)鍵，熔速控制主要適用于日常的熔煉過程。在熔煉過程追蹤，隨著熔煉過程的深入，爐內(nèi)的熱量會(huì)不斷積累，當(dāng)熔煉電流呈穩(wěn)定不變的狀態(tài)時(shí)，由于各種因素影響，平衡會(huì)不斷被打破，因此，為了實(shí)現(xiàn)真空自耗電弧爐的恒定熔速，需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整電極桿位置與熔池位置之間的距離，穩(wěn)定熔煉的電壓。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)真空自耗電弧爐的弧壓與弧流之間產(chǎn)生的耦合性以及熔速控制過程中存在的滯后性和強(qiáng)干擾等問題，本文提出一種基于模糊控制的真空自耗電弧爐熔速控制方法。在后續(xù)的研究中還將針對(duì)降低系統(tǒng)分析難度、增加智能化控制等問題進(jìn)行更加深入的研究。