矿热炉电极调节系统设计与控制算法研究

摘要

矿热炉是生产铁合金的主要设备，通过三相电极产生的电弧热和炉料的电阻热熔化矿石，使炉料在一定温度下发生还原反应，冶炼出所需铁合金产品。三相电极在炉料中的位置影响电极输入炉膛内的功率。因此，三相电极升降控制的好坏，将直接影响到矿热炉生产的产品质量以及能耗。
　　 论文的研究背景为某铁合金厂硅锰合金冶炼炉优化控制系统改造项目，在全面分析原系统存在问题的基础上，提出了新的设计方案。该方案以工控机为上位机，西门子可编程逻辑控制器(PLC)为下位机，建构了一套矿热炉生产过程监控系统。采用光电编码器和磁致伸缩超声波位移传感器，检测三相电极移动距离，考虑电极正常烧损和非正常损耗，设计了电极位置实时估算方法，为电极升降控制算法提供了有效依据，还对原电极升降系统进行了改造，通过变频器实现了电极升降的无级调速。
　　 针对矿热炉电极升降系统三相电流强耦合、非线性和时变等特性，设计了一种自适应解耦控制算法，该算法的主要设计特点是:首先建立非线性系统的非参数模型，对三相电极电流-位置方程进行动态线性化;再采用自适应滑膜变结构控制适应三相电极升降系统的参数时变性;利用径向基神经网络控制算法实现三相电极升降系统解耦控制。仿真研究表明该算法具有良好的控制效果，有效地改善了系统的动态性能，补偿了变量之间的耦合作用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．1．1 课题研究背景

1．1．2 课题研究意义

1．2 锰系铁合金行业的发展现状

1．2．1 世界锰系铁合金行业现状

1．2．2 我国锰系合金行业现状及存在的问题

1．3 国内外矿热炉电极调节方法的研究现状

1．4 无模型控制的研究现状

1．5 论文的研究内容和章节安排

第二章 矿热炉生产工艺及其相关设备

2．1 矿热炉冶金原理

2．1．1 还原反应的通式

2．1．2 矿热炉生产铁合金的过程

2．２矿热炉相关设备

2．2．1 矿热炉车间

2．2．2 矿热炉的主要机械设备

2．3 小结

第三章 矿热炉电极调节系统的设计方案与硬件配置

3．1 电极调节系统设计方案

3．1．1 原有电极调节系统存在的问题

3．1．2 改造后矿热炉电极调节系统的设计目标

3．1．3 改造后矿热炉电极调节系统的设计方案

3．2 输入和输出信号分析

3．3 电极升降控制系统的硬件配置

3．4 小结

第四章 矿热炉电极调节系统软件设计与实现

4．1 SIMATIC自动化系统简介

4．1．1 可编程逻辑控制器SIMATIC S7

4．1．2 SIMATIC标准工具STEP7

4．1．3 SIMATIC HMI

4．2 电极调节系统下位机软件设计与实现

4．2．1 下位机PLC硬件组态和通讯设置

4．2．2 PLC总体程序设计

4．2．3 模拟量采集和处理程序

4．2．4 电极调节程序

4．3 电极调节系统上位机监控界面设计与实现

4．4 小结

第五章 无模型自适应电极控制器的设计与仿真

5．1 矿热炉电极电流—位置模型辨识

5．1．1 电极电流—位置模型的建立

5．1．2 采样数据

5．1．3 电极电流—位置模型辨识

5．2 无模型自适应控制器设计

5．2．1 非线性系统的非参数模型

5．2．2 基于神经网络解耦的自适应滑模变结构控制器

5．2．3 未解耦的自适应滑模变结构控制器

5．3 仿真研究

5．4 小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢