一种基于补偿信号的电熔镁炉电极电流切换PID控制方法技术

本发明专利技术属于冶金行业过程控制技术领域，尤其涉及一种基于补偿信号的电熔镁炉电极电流切换PID控制方法。该控制方法在电熔镁炉稳定运行时采用常规PID控制器控制电极电流；当随机干扰使得电流跟踪误差波动较大时，通过切换机制引入前一拍未建模动态补偿器，叠加到基于确定线性模型设计的常规PID控制器来抑制跟踪误差波动。工业实验表明，当电极电流模型参数电弧电阻率、熔池电阻率、熔池高度发生未知随机变化时，本发明专利技术能够改善电流控制精度，满足工艺要求。经过实验统计，常规PID控制电极电流时产品单吨能耗平均值为2437kwh/t，本发明专利技术的控制方法控制时产品单吨能耗平均值为2396kwh/t，降低了1.68％。

【技术实现步骤摘要】
一种基于补偿信号的电熔镁炉电极电流切换PID控制方法
本专利技术属于冶金行业过程控制
，尤其涉及一种基于补偿信号的电熔镁炉电极电流切换PID控制方法。
技术介绍
电熔镁砂(晶体氧化镁)具有熔点高、抗氧化、结构完整、绝缘性能强等特性，是冶金、化工、航天行业的重要原料和耐火材料。我国的电熔镁行业主要是以菱镁矿为原料，其主要成分是碳酸镁，使用电熔镁炉来生产高纯度的电熔镁砂晶体。虽然我国菱镁矿资源丰富，电熔镁砂生产企业众多，但熔炼水平还十分落后。目前我国的电熔镁行业还基本停留在PLC控制阶段，具体熔炼过程为：熔炼前需要在炉内铺底料，确定三相电极位置。当三相电极调整至合适位置后即可供电使电极末端与底料之间形成电弧。形成电弧电流稳定后根据炉内情况向电极附近加入原料，原料受电弧放热熔化形成液态氧化镁熔池。随着原料的分批次加入炉内并熔化，熔池不断上涨，因此需要不断通过三相转动电机来调整电极位置使电弧长度维持在一定范围，保证电极的电流值处于目标值允许范围内。当熔池上升到炉口上表面时，熔炼过程结束，停止供电。通过底车将炉体拖离开熔炼工位，经过7～8天的自然冷却，液态氧化镁形成固态氧化镁晶体，再经过人工破碎、分拣等工序，最后形成电熔镁砂产品。熔炼的整个过程具有强耦合、非线性、边界条件波动以及某些工艺参数难以在线测量等复杂特性，主要通过调节三相电极的电流值来保证熔炼过程的稳定。通过分析可以发现，三相电极的电流值是影响电熔镁砂产品能耗和质量的主要工艺指标，只有三相电极的电流值保持在目标值允许范围内，才能保证产品的能耗低、品位高。而目前电极电流的控制主要通过PLC使用PID控制算法来实现。由于熔炼过程中炉内工况变化复杂，电极电流变化频繁且缺乏规律；电弧电阻率、熔池电阻率和熔池高度等电流模型参数都是未知非线性函数，随着熔炼过程变化和原料变化而变化，整个电熔镁砂熔炼过程动态特性始终处于动态变化之中，这就造成PID控制器积分器失效。因此，当受到干扰使得电流跟踪误差波动大时，使用PID控制器难以将电流保持在目标值允许范围内，最终导致熔炼过程中产品的能源浪费严重、高品位率低、生产效率低。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题针对现有存在的技术问题，本专利技术提供一种基于补偿信号的电熔镁炉电极电流切换PID控制方法，能够解决现有的熔炼过程中产品的能源浪费严重、高品位率低、生产效率低的问题。(二)技术方案为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：提供了一种基于补偿信号的电熔镁炉电极电流切换PID控制方法，其包括以下步骤：步骤一：采集电熔镁炉熔炼过程中电机转动频率和电极电流数据；步骤二：在电熔镁炉熔炼过程中，以电机转动频率为输入，以电极电流为输出建立电流动态模型；步骤三：通过Taylor展开电极电流动态机理模型建立由低阶线性模型和高阶非线性未建模动态组成的电极电流控制器设计模型；步骤四：当电熔镁炉稳定运行时，针对电极电流控制器设计模型的确定线性模型设计PID控制器；当熔炼过程变化和原料变化较大时，通过切换机制在基于线性模型设计PID控制器的基础上引入前一拍未建模动态补偿器，得到切换之后具有补偿器的电极电流控制器。作为上述基于补偿信号的电熔镁炉电极电流切换PID控制方法的一种优选方案，在步骤二中，以电机转动频率ui(t)为输入，以电极电流yi(t)为输出的电流动态模型为：其中，i＝1，2，3分别表示A、B、C三相电极，U表示熔炼电压，de表示电极直径，g0表示电弧电导率系数，rarc表示电弧弧柱半径，η表示气体电离温度系数，rd表示升降机构等效齿轮半径；f1(·)、f2(·)、h(·)和为表示电弧电阻率、熔池电阻率、熔池高度和熔池高度变化率的未知非线性函数，其取值随熔炼过程变化和原料变化而变化，导致电熔镁炉熔炼过程动态特性始终处于变化之中。作为上述基于补偿信号的电熔镁炉电极电流切换PID控制方法的一种优选方案，在步骤三中，通过Taylor展开电极电流动态模型，电极电流动态模型(1)式可用如下线性模型和高阶非线性未建模动态来描述：Ai(z-1)yi(k+1)＝Bi(z-1)ui(k)+vi(k),i＝1,2,3(2)其中，Ai(z-1)yi(k+1)＝Bi(z-1)ui(k)为确定线性模型，Ai(z-1)＝1+ai1z-1，Bi(z-1)＝bi0，利用电极电流输出数据和电机转动频率输入数据并通过最小二乘辨识确定Ai(z-1)、Bi(z-1)的参数；vi(k)为高阶非线性未建模动态，表示熔炼过程中的特性变化和随机干扰对电极电流的影响；令Δvi(k)＝vi(k)-vi(k-1)为k时刻的未建模动态变化率。则通过电极电流动态模型(2)式所得到的控制器设计模型表示为：Ai(z-1)yi(k+1)＝Bi(z-1)ui(k)+vi(k-1)+Δvi(k)(3)令则为电极电流控制器驱动模型；令(2)式中的k为k-1，于是可得电极电流控制器设计模型(3)式中k-1时刻的未建模动态vi(k-1)：即：作为上述基于补偿信号的电熔镁炉电极电流切换PID控制方法的一种优选方案，在步骤四中，当电熔镁炉稳定运行时，针对电极电流控制器设计模型(3)式的确定线性模型设计PID控制器当熔炼过程变化和原料变化较大时，通过切换机制引入前一拍未建模动态vi(k-1)补偿器来抑制跟踪误差波动，得到切换之后具有补偿器的电极电流控制器为：其中，当电熔镁炉稳定运行时，ε＝0；当熔炼过程变化和原料变化较大导致电极电流跟踪误差变化较大时，ε≠0。作为上述基于补偿信号的电熔镁炉电极电流切换PID控制方法的一种优选方案，在步骤四中，电极电流切换PID控制器的具体设计包括以下步骤：步骤A：当电熔镁炉稳定运行时，ε＝0，以(3)式的确定线性部分模型Ai(z-1)yi(k+1)＝Bi(z-1)ui(k)设计PID控制律式中，Hi(z-1)＝1-z-1，Gi(z-1)＝gi0+gi1z-1+gi2z-2，gi0、gi1和gi2为PID控制参数，ei(k)为跟踪误差，即：ei(k)＝ysp(k)-yi(k)，ysp(k)为电流设定值。步骤B：当熔炼过程变化和原料变化较大时，随机干扰使得电流跟踪误差较大，ε＝1，通过切换机制引入前一拍未建模动态vi(k-1)补偿器来抑制跟踪误差波动，设计k-1时刻未建模动态vi(k-1)补偿器为：式中，Ki(z-1)为补偿器的参数；步骤C：采用一步最优前馈补偿律来设计Gi(z-1)和Ki(z-1)的参数，将(6)式中的和(7)式中的代入(5)式中得到ui(k)为：Hi(z-1)ui(k)＝Gi(z-1)[ysp(k)-yi(k)]-Hi(z-1)Ki(z-1)vi(k-1)(8)步骤D：引入下列性能指标：式中，Pi(z-1)、Ri(z-1)、Qi(z-1)和均是关于z-1的加权多项式；步骤E：引入广义输出φi(k+1)为：φi(k+1)＝Pi(z-1)yi(k+1)(10)步骤F：定义广义理想输出为：步骤G：定义(9)式中的Pi(z-1)为：Pi(z-1)＝Ai(z-1)+z-1Gi(z-1)(12)步骤H：由(3)式和(12)式可得：Pi(z-1)yi(k+1)＝Gi(z-1)yi(k)+Bi(z-1)ui(k)+vi(k-1)+Δvi(k)(13)步骤I：将(13本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于补偿信号的电熔镁炉电极电流切换PID控制方法，其特征在于：步骤一：采集电熔镁炉熔炼过程中电机转动频率和电极电流数据；步骤二：在电熔镁炉熔炼过程中，以电机转动频率为输入，以电极电流为输出建立电极电流动态机理模型；步骤三：通过Taylor展开电极电流动态机理模型建立由低阶线性模型和高阶非线性未建模动态组成的电极电流控制器设计模型；步骤四：当电熔镁炉稳定运行时，针对电极电流控制器设计模型的确定线性模型设计PID控制器；当熔炼过程变化和原料变化较大时，通过切换机制在基于线性模型设计PID控制器的基础上引入前一拍未建模动态补偿器，得到切换之后具有补偿器的电极电流控制器。

【技术特征摘要】
1.一种基于补偿信号的电熔镁炉电极电流切换PID控制方法，其特征在于：步骤一：采集电熔镁炉熔炼过程中电机转动频率和电极电流数据；步骤二：在电熔镁炉熔炼过程中，以电机转动频率为输入，以电极电流为输出建立电极电流动态机理模型；步骤三：通过Taylor展开电极电流动态机理模型建立由低阶线性模型和高阶非线性未建模动态组成的电极电流控制器设计模型；步骤四：当电熔镁炉稳定运行时，针对电极电流控制器设计模型的确定线性模型设计PID控制器；当熔炼过程变化和原料变化较大时，通过切换机制在基于线性模型设计PID控制器的基础上引入前一拍未建模动态补偿器，得到切换之后具有补偿器的电极电流控制器。2.根据权利要求1所述的基于补偿信号的电熔镁炉电极电流切换PID控制方法，其特征在于，在步骤二中，以电机转动频率ui(t)为输入，以电极电流yi(t)为输出的电极电流动态模型为：其中，i＝1，2，3分别表示A、B、C三相电极，U表示熔炼电压，de表示电极直径，g0表示电弧电导率系数，rarc表示电弧弧柱半径，η表示气体电离温度系数，rd表示升降机构等效齿轮半径；f1(·)、f2(·)、h(·)和为表示电弧电阻率、熔池电阻率、熔池高度和熔池高度变化率的未知非线性函数，其取值随熔炼过程变化和原料变化而变化，导致电熔镁炉熔炼过程动态特性始终处于变化之中。3.根据权利要求2所述的基于补偿信号的电熔镁炉电极电流切换PID控制方法，在步骤三中，通过Taylor展开电极电流动态模型，电极电流动态模型(1)式可用如下线性模型和高阶非线性未建模动态来描述：Ai(z-1)yi(k+1)＝Bi(z-1)ui(k)+vi(k),i＝1,2,3(2)其中，Ai(z-1)yi(k+1)＝Bi(z-1)ui(k)为确定线性模型，Ai(z-1)＝1+ai1z-1，Bi(z-1)＝bi0，利用电极电流输出数据和电机转动频率输入数据并通过最小二乘辨识确定Ai(z-1)、Bi(z-1)的参数；vi(k)为高阶非线性未建模动态，表示熔炼过程中的特性变化和随机干扰对电极电流的影响；令Δvi(k)＝vi(k)-vi(k-1)为k时刻的未建模动态变化率，则通过电极电流动态模型(2)式所得到的控制器设计模型表示为：Ai(z-1)yi(k+1)＝Bi(z-1)ui(k)+vi(k-1)+Δvi(k)(3)令则为电极电流控制器驱动模型；令(2)式中的k为k-1，于是可得电极电流控制器设计模型(3)式中k-1时刻的未建模动态vi(k-1)：即：4.根据权利要求3所述的基于补偿信号的电熔镁炉电极电流切换PID控制方法，其特征在于，在步骤四中，当电熔镁炉稳定运行时，针对电极电流控制器设计模型(3)式的确定线性模型设计PID控制器当熔炼过程变化和原料变化较大时，通过切换机制引入前一拍未建模动态vi(k-1)补偿器来抑制跟踪误差波动，得到切换之后具有补偿器的电极电流控制器为：其中，当电熔镁炉稳定运行时，ε＝0；当熔炼过程变化和原料变化较大导致电极电流跟踪误差变化较大时，ε＝1。5.根据权利要求4所述的基于补偿信号的电熔镁炉电极电流切换PID控制方法，其特征在于，在步骤四中，电极电流切换PID控制器的具体设计包括以下步骤：步骤A：当电熔镁炉稳定运行时，ε＝0，以(3)式的确定线性部分模型Ai(z-1)yi(k+1)＝Bi(z-1)ui(k)设计PID控制律式中，Hi(z-1)＝1-z-1，Gi(z-1)＝gi0+gi1z-1+gi2z-2，gi0、gi1和gi2为PID控制参数，ei(k)为跟踪误差，即：ei(k)＝y...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴志伟，王维洲，柴天佑，杨杰，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21