引用本文

王维洲, 吴志伟, 柴天佑. 电熔镁砂熔炼过程带输出补偿的PID控制. 自动化学报, 2018, 44(7): 1282-1292. doi: 10.16383/j.aas.2018.c170620

WANG Wei-Zhou, WU Zhi-Wei, CHAI Tian-You. PID Control With Output Compensation for the Fused Magnesia Smelting Process. ACTA AUTOMATICA SINICA, 2018, 44(7): 1282-1292. doi: 10.16383/j.aas.2018.c170620

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.2018.c170620

关键词

电熔镁炉，未知高阶非线性项，一步最优前馈控制律，一步最优调节律，带输出补偿的PID控制器 

摘要

电熔镁砂熔炼过程是以三相电机转动方向与频率为输入，以三相电极电流为输出的强非线性工业过程，其模型参数埋弧电阻率、熔池电阻率和熔池高度随熔炼过程和原矿颗粒长度及杂质成分的变化而变化.本文采用线性模型和未知高阶非线性项来描述电熔镁砂熔炼过程，其中未知高阶非线性项用已知的前一时刻高阶非线性项和其变化率来描述，采用线性模型设计PID控制器，并设计消除前一时刻高阶非线性项的补偿器和消除其变化率的补偿器，提出了带输出补偿的PID控制器，同时采用一步最优前馈控制律和一步最优调节律设计控制器参数.通过仿真实验和电熔镁炉的工业应用，表明当该过程的动态特性发生未知随机变化时，本文所提方法在所有运行时间内可以将电流跟踪误差控制在目标值范围内.

文章导读

电熔镁砂结构致密、熔点高、抗氧化、绝缘性强, 是制造、冶金、化工、电气设备等行业所需耐火材料的主要原料[1].电熔镁砂以菱镁矿石为原矿, 采用我国特有的埋弧方式的电熔镁炉进行熔炼, 菱镁矿石熔化所需温度在2 850 ℃以上, 远高于炼钢电弧炉所需的1 700 ℃, 需要采用埋弧方式.熔炼过程中控制系统通过调整三相电极与熔池之间的距离, 来控制三相电极电流跟踪熔化电流, 使之产生电弧, 通过电弧放热使炉内原矿受热熔化形成熔液, 边熔化边加料, 当熔池升高到炉口上表面时熔炼结束, 经过冷却结晶后生成成品.

电熔镁炉是一种典型的高耗能设备, 每熔炼一炉大约耗电40 000千瓦时, 电能成本占整个生产成本的60 %以上.所以电熔镁炉的运行目标是将单吨合格产品所消耗的电能, 即单吨能耗, 控制在目标值范围内并使其尽可能小.只有将电极电流控制在熔化电流范围内, 才能保证产品质量合格[1-2].只有将电极电流稳定控制在最佳熔化电流上才能保证单吨能耗最小[2].

目前针对电弧炉的电流控制研究大都集中在采用开弧方式的炼钢电弧炉电流控制上, 例如, 文献[3]针对炼钢过程呈非线性, 采用熔炼过程的脉冲响应模型作为电流预测模型, 提出了模型算法控制并进行了仿真实验.文献[4]针对电弧参数随着炼钢炉温度变化而慢时变且温度难以在线测量的问题, 采用在线辨识电流模型参数提出了电极电流温度权重自适应控制器.文献[5]针对电弧炉熔炼过程呈非线性且具有时变特性的问题, 采用电流跟踪误差调整电流设定值来抵偿电弧炉特性的变化, 提出了自调整模型算法控制.文献[6]针对电弧炉输入具有死区特性、输出为非线性且运行过程受约束条件限制的问题, 将电流模型在工作点附近线性化, 提出了模型预测综合控制算法.

针对电熔镁砂熔炼过程电极电流控制问题, 文献[7]提出了一种基于神经网络的电熔镁炉智能控制系统, 并进行了仿真验证.针对参数未知的被控对象, 文献[8]和文献[9]提出了自校正PID控制算法, 通过在线辨识模型参数来校正PID控制器的参数.针对非线性、大时延及参数时变的复杂过程, 文献[10-11]提出了专家PID控制算法, 利用专家系统和规则推理来调节PID控制器参数而使其具有自适应能力, 文献[12]和文献[13]采用误差信号的非线性映射提出了非线性PID控制算法.由于电熔镁炉的电流模型参数埋弧电阻率、熔池电阻率与熔池高度是未知非线性函数并随熔炼过程变化和原矿变化发生未知随机变化, 导致熔炼过程始终处于动态变化之中, 上述文献[3-13]所述控制方法和PID控制器的积分作用失效, 无法将电极电流控制在目标值范围内.

文献[14]和文献[15]针对PID控制器积分器失效问题, 将被控对象模型描述成线性模型加高阶非线性项的形式, 通过对线性模型设计一步最优PI控制器、对高阶非线性项设计前一拍高阶非线性项补偿器而得到基于高阶非线性项补偿的一步最优PI控制器, 并分别应用于热交换过程和混合选别浓密过程的跟踪控制, 取得了较好的效果.本文在文献[14]和文献[15]基础上, 利用电熔镁炉运行在工作点附近的特点, 将电熔镁砂熔炼过程用线性模型和未知高阶非线性项来描述, 采用线性模型设计PID控制器, 设计消除前一时刻高阶非线性项和其变化率的补偿器, 提出了一种针对电熔镁砂熔炼过程电极电流控制的带输出补偿的PID控制器, 仿真实验和工业应用表明当电熔镁砂熔炼过程动态特性发生变化时, 所提控制方法无需参数辨识可将电流控制在目标值范围内.

图 1  电熔镁砂熔炼过程

图 2  带输出补偿的PID控制结构图

图 3  随机噪声信号

针对电熔镁炉三相电极电流处于动态之中导致PID的积分器失效问题, 本文提出了一种电熔镁砂熔炼过程带输出补偿的PID控制器.该控制器由前一时刻高阶非线性项补偿器、消除其变化率补偿器和基于确定线性模型设计的常规PID控制器组成.仿真和工业应用结果表明, 当电极电流模型参数发生未知随机变化时, 所提出的控制方法无需参数估计可将三相电极电流平均值控制在目标值范围内.本文所提的带输出补偿的PID控制器设计方法对难以采用常规PID控制的复杂工业过程的控制器设计具有参考价值.

作者简介

王维洲

东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室硕士研究生.主要研究方向为复杂工业过程控制理论及技术.E-mail:wzwang17@163.com

柴天佑

中国工程院院士, 东北大学教授.IEEE Fellow, IFAC Fellow, 欧亚科学院院士.主要研究方向为自适应控制, 智能解耦控制, 流程工业综合自动化理论、方法与技术.E-mail:tychai@mail.neu.edu.cn

吴志伟  

东北大学讲师.2015年于东北大学获得博士学位.主要研究方向为复杂工业过程的运行控制和工业嵌入式控制系统开发.本文通信作者.E-mail:wuzhiwei@mail.neu.edu.cn