1997年3月唐山鋼鐵公司熱電聯(lián)產發(fā)電機組投入運行，但由于種種原因未能和大電網并網，為節(jié)能降耗，公司決定該發(fā)電機組直供鐵合金礦熱爐。這種特殊的供電形式，對于礦熱爐負載的穩(wěn)定性等方面提出了嚴格的要求，如果負載電流不平衡將會使得發(fā)電機組發(fā)出的電壓不穩(wěn)，周波發(fā)生變化，從而導致鐵合金冶煉變壓器溫度升高，鐵損增加，無功功率加大，直接影響鐵合金冶煉變壓器的使用壽命，也影響礦熱爐工況順行。由于發(fā)電機組是屬于大慣性系統(tǒng)，要求負載平穩(wěn)變化，不能有大的波動，否則將會產生發(fā)電機組飛車的惡性事故。為了確保發(fā)電機組和礦熱爐的設備安全，使得用電更加合理，我們引入了模糊控制理論，研制出適用于小型電網或發(fā)電機組供電的模糊型礦熱爐微機控制系統(tǒng)。

1　供電環(huán)境對礦熱爐自動控制的影響
　　礦熱爐內電極的升降將引起電弧長度及操作電阻的變化，從而改變冶煉電流及入爐功率。其生產工藝要求：首先在融化期要用滿負荷給爐子供電，這意味著3根電極插得較深，電極電流較大，爐內溫度較高，有利于爐料融化和還原反應；其次要保證爐況和電弧穩(wěn)定，如果爐況不穩(wěn)，3個電極的動作頻繁，會導致爐料過快下塌，熱效率降低，影響產品質量和噸鐵電耗指標，并導致爐況惡化；第三要保證三相電流的平衡，如果電流不平衡度過高，變壓器鐵損增加，電效率降低；第四要保證按負荷曲線冶煉。傳統(tǒng)的手動控制是由操作人員調節(jié)電極的位置以達到三相電流相對平衡，但由于操作人員技術水平、責任心、反應速度等因素，通常會造成三相電流不平衡或入爐功率減少，致使效率低，3個坩鍋不熔通，爐況變差，出鐵少，噸鐵電耗指標升高。
　　礦熱爐是發(fā)電機組的唯一負載，發(fā)電機組的額定輸出功率相對礦熱爐的功率冗余度幾乎為零，所以不允許大負荷突然加載或卸載，否則可能燒毀發(fā)電機或造成飛車事故。相對變化劇烈的礦熱爐，發(fā)電機組可視為恒定功率的供電設備。因此，在此系統(tǒng)中必須控制礦熱爐，使之適合恒定輸入功率的特性，即在冶煉工藝允許的情況下，當電壓偏高時，電極下降，提高冶煉電流，以達到降低電壓的目的；當電壓偏低時，提升電極，降低電流，從而保證電壓穩(wěn)定，保證整個系統(tǒng)的正常運行。

2　控制方案
　　由于礦熱爐是一個復雜的受控對象，受多種因素的影響，且三相之間相互耦合。經典控制理論不能解決調節(jié)過于頻繁和高精度控制這對矛盾，控制品質差，易振蕩，同時也很難使用數(shù)學模型描述發(fā)電機組直供礦熱爐系統(tǒng)的控制過程。因此，我們決定在該控制系統(tǒng)中采用模糊控制技術。但是，在實際研制過程中我們發(fā)現(xiàn)簡單的模糊控制器由于沒有控制規(guī)則和參數(shù)調定能力，系統(tǒng)自適應能力有限。故我們在該系統(tǒng)中加入了自組織環(huán)節(jié)，它能自動在運行過程中對控制器自身的有關參數(shù)進行調整，使系統(tǒng)的品質和性能改善，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確度大大提高。
2.1自組織模糊控制器
　　礦熱爐的生產是連續(xù)的，隨著生產的進行，熔池中的鐵水逐漸增加，配料比、爐溫、弧壓不斷變化，使三相電極上的電流隨之劇烈波動。為了保證三相電流平衡，提高電效率，要求電極調節(jié)及時準確，而調節(jié)過于頻繁又是生產工藝和設備所不允許的。發(fā)電機組直接供電，也不允許負載的劇烈變化，為了解決這些矛盾，我們設計了自組織模糊控制器，其結構框圖如圖1所示。

　　為了最大限度地提高程序的運行速度，采用查表法設計模糊控制器。在設計中把三相電流的偏差Ia、Ib、Ic作為模糊控制器的輸入，它們的基本論域為[－40A,40A>。選定輸入偏差語言變量的論域為Ii=[－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4>，則它們的量化因子均為K1=4／40=0.1。模糊控制器的輸出控制量為UA、UB、UC，它們的基本論域為[－50Hz,＋50Hz>(正負號分別表示正轉和反轉)。輸出語言變量的論域為Ui=[－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4>則輸出控制量的比例因子K2=50／4=12.5。根據(jù)對實踐經驗的總結和優(yōu)化可得3個以Ia、Ib、Ic為條件，分別以Ua、Ub、Uc為元素的三維數(shù)組即模糊控制表。
　　以上設計均是離線完成，在用TURBO-C編程時，首先定義3個三維數(shù)組A(Xa，Xb，Xc)、B(Xa，Xb，Xc)、C(Xa，Xb，Xc)，同時以模糊控制表給3個數(shù)組賦值，然后在中斷服務程序中編制一個子程序完成以下步驟。
　　第1步在每一個控制周期中采樣系統(tǒng)的電流值IA(k)、IB(k)、IC(k)，并求取實際的即時偏差Ia(k)、Ib(k)、Ic(k)。計算公式如下：
　　Ia(k)=IA(k)－Ie
　　Ib(k)=IB(k)－Ie
　　Ic(k)=IC(k)－Ie
其中　Ie為模糊控制器的給定值；k為采樣次數(shù)，k=0，1，2，…。
　　第2步將Ia(k)、Ib(k)、Ic(k)分別乘以量化因子K1，得出Xa、Xb、Xc，把量化結果分別代入三維數(shù)組A(Xa，Xb，Xc)、B(Xa，Xb，Xc)、C(Xa，Xb，Xc)中，求出輸出控制量的論域值Ua、Ub、Uc。
　　第3步將Ua、Ub、Uc分別乘以比例因子K2，便可得到實際的輸出控制量UA、UB、UC。
　　第4步輸出UA、UB、UC，即完成本次控制周期。
2.2自組織系統(tǒng)
　　礦熱爐的工藝非常復雜，很難總結出理想的經驗，當被控對象參數(shù)發(fā)生變化，會影響模糊控制的效果。為了克服這個缺陷，我們設計了一種能在控制過程中自動對本身的參數(shù)和控制規(guī)則進行調整的自組織模塊，使系統(tǒng)的性能不斷改善，以適應不斷變化的情況，保證控制達到預期效果。自組織模塊由性能測量和校正環(huán)節(jié)組成。性能測量環(huán)節(jié)采用絕對偏差乘時間的積分(ITAE)準則對系統(tǒng)狀態(tài)進行測量，計算公式如下：

Qi=∑nT.|Ii(nT)|.T　　(1)
Ri=∑nT.|dIi(nT)|.T　　(2)

其中　T是采樣周期；n是采樣序號；Qi=Qa、Qb、Qc,是電流偏差的性能指標；dIi=dIa、dIb、dIc,是電流偏差變化率；Ri=Ra、Rb、Rc,是電流偏差變化率的性能指標。將k次采樣的電流偏差值代入(1)式，如果Qa、Qb、Qc的值均小于某值時，對象處于精確控制狀態(tài)，自組織環(huán)節(jié)校正系統(tǒng)的K1、K2，控制系統(tǒng)進入精確調節(jié)階段。
　　在精確調節(jié)階段，如果在k次采樣內Qa、Qb、Qc大于某值時，系統(tǒng)可再次修改K1、K2，使系統(tǒng)返回粗調階段。
　　將k次采樣的電流偏差變化率值代入(2)式，如果Ra、Rb、Rc的值均小于某值時，對象處于穩(wěn)定狀態(tài)，自組織環(huán)節(jié)增加模糊控制器的給定值直至額定給定值。如果Ra、Rb、Rc的值均大于某值時，表明對象不穩(wěn)定，自組織環(huán)節(jié)減小模糊控制器的給定值以穩(wěn)定爐況。

3　功能軟件
　　本系統(tǒng)設計了優(yōu)良的人機對話環(huán)境和運行信息記錄功能。通過鍵盤操作還可以選擇不同的控制程序以適應發(fā)電機組供電或電網供電。在程序中設計了電流給定值斜坡發(fā)生器。如果系統(tǒng)運行于發(fā)電機組直供狀態(tài)，在系統(tǒng)采集到升負荷或降負荷信號時，斜坡發(fā)生器開始工作，它以設定的斜率產生模糊控制需要的電流給定值Ie，當達到標準給定值時斜坡發(fā)生器停止工作。
　　系統(tǒng)共設計了4屏畫面15個窗口。
　　第1屏　主畫面
　　主畫面中有多個窗口。4個正方形窗口以模擬指針表盤的形式分別顯示一次線電壓、二次三相電壓，指針下方的數(shù)字顯示實時采樣值，并以漢字顯示報警或正常信息。另一個窗口顯示三相電流的棒圖。三相電流的實時采樣值以豎立棒圖的形式并排顯示在窗口中，每個豎棒的下面還有精確的數(shù)字顯示和報警信息的漢字顯示。從棒圖上可以直觀地看出三相電流的平衡度。在運行參數(shù)窗口，實時顯示給定控制電流值Ie，系統(tǒng)處于何種冶煉階段，3個電極的升降情況以及主程序正常運行信息，在屏幕下方顯示系統(tǒng)時間和操作菜單。
　　第2屏　實時趨勢圖畫面
　　實時趨勢圖以3種不同的顏色顯示三相電流前30s內的實時趨勢圖形，同時顯示模糊控制的目標給定值和正常值的范圍。
　　第3屏　控制參數(shù)顯示和設定畫面
　　本系統(tǒng)是針對礦熱爐而設計的，又能適合不同品質的供電環(huán)境，所以程序中設計了參數(shù)顯示和設定畫面。為在線調試提供了友好的人機對話界面，在此畫面中有16種參數(shù)供調試時修改。
　　第4屏　信息查詢畫面
　　系統(tǒng)在運行過程中實時記錄電壓、電流等多點的報警時間和報警值，手／自動時間，開機時間以及當時的電流值，可循環(huán)記錄300條或更多的運行信息。通過鍵盤的操作可查看各項記錄。信息記錄和查詢功能為事故原因的分析提供原始依據(jù)，有利于提高生產管理水平。

4　硬件結構
　　計算機部分由研華工控機、A／D板、D／A板、DI／O板組成。系統(tǒng)主機選用研華PCA-6157主板、P133CPU，主板內置WATCH-DOG，使控制系統(tǒng)具有了死機后自啟動功能。通過PCL-813A／D板采集一次電壓信號，二次三相電壓信號和與控制有關的三相電流信號。控制信號由PCL-728D／A板輸出，驅動執(zhí)行機構(變頻器或晶閘管或液壓傳動的電磁閥)完成電極的升降。I／O板完成了手／自動信號、升降負荷信號的輸入和報警信號及其它運行狀態(tài)信號的輸出(參見圖2)。對于不同的傳動機構，只需在軟件上對其輸出論域略加修改即可完成。

5運行效果
　　系統(tǒng)分別在唐鋼鐵合金廠的3種不同傳動機構(變頻器、晶閘管、液壓)的礦熱爐上投運，其中變頻器傳動系統(tǒng)因可使卷揚電機調速，相對比另外兩套系統(tǒng)的控制精度高，控制效果更好一些，總體來說，3套系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，投運率達100％。突發(fā)停電事故大幅度減少，從原來的每月上百次，到現(xiàn)在的幾乎不發(fā)生，對發(fā)電機組的安全可靠運行意義重大。礦熱爐爐況穩(wěn)定，化料均勻，吃料快，不易結塊，比投運前節(jié)電9.35％，增產9.7％?？刂萍皶r，精度高，控制品質穩(wěn)定，不易振蕩。
　　系統(tǒng)多項參數(shù)對用戶開放，適用性強。調試方便快捷，且發(fā)電機組直供負載的供電環(huán)境要比大電網惡劣得多，所以該系統(tǒng)在大電網下運行效果更好，可推廣應用于各種類型的礦熱爐。

參考文獻
　1 余永權.單片機模糊邏輯控制.北京：北京航空航天大學出版社，1995.
　2 李友善.模糊控制理論及其在過程控制中的應用.北京：國防工業(yè)出版社，1993.

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