大功率电弧炉的温度自动控制系统研究

王浩辰 冀锡明

（天津钢管集团股份有限公司，天津 300301）



大功率电弧炉的温度自动控制系统研究

王浩辰 冀锡明

（天津钢管集团股份有限公司，天津 300301）

摘 要：本文根据大型电弧炉工作的特点，提出一种大功率电弧炉的温度自动控制系统的设计方法。首先分析大功率电弧炉温度自动控制系统结构及原理，然后对温度自动控制系统实现的方法进行了详细阐述。

关键词：大功率 电弧炉 温度控制 系统

引言

在大功率电弧炉中，炉温的控制是影响熔炼质量的关键因素［1］。通常情况下，可以将电弧炉的熔炼过程看作一个整体。对于中、小功率的电弧炉来说，对熔炼过程中的温度进行简单的回路控制，就能满足熔炼生产的要求。但是，对于大功率的电弧炉来说，由于其生产工艺更复杂，因此简单的温度控制难以满足其熔炼生产的要求［2］。如何对大功率电弧炉的炉温进行自动控制，已经成为当前冶炼领域中的一个研究热点，受到越来越多人们的关注。但是，由于大功率电弧炉的熔炼生产过程具有复杂化和非线性的特点，因此参数的波动范围较大，难以构建准确的目标函数进行温度控制，从而降低了温度控制的准确性。为此，本文提出了一种基于大功率电弧炉的温度自动控制系统的设计方法。

1 温度自动控制系统的结构及原理

1.1 大功率电弧炉温度自动控制系统结构

大功率电弧炉的温度自动控制系统主要通过控制电极调节器实现炉温的自动控制。根据熔炼生产的工艺要求，执行电极调节器闭合的动作。系统的主要模块包括设置模块、数据处理模块、中心处理器模块和其他辅助功能模块。

各模块的主要功能：

（1）设置模块：设置用户权限、PID控制参数和Smith预估器参数；

（2）数据处理模块：对采集的温度数据进行预处理和储存，并提供历史数据的查询功能；

（3）中心处理器模块：对温度控制偏差进行处理、控制偏差范围、对Smith预估器的参数和温度的输出量进行控制；

（4）辅助模块：对温度的历史输出数据进行记录、提供超温/低温报警功能，同时具有系统自检、故障诊断等功能。

1.2 温度自动控制系统实现的原理

在大功率电弧炉的温度自动控制系统中，控制通道是相互独立的。由于电弧炉中的温度非常高，因此采用非接触式的红外线温度检测仪器对电弧炉内的温度进行检测。利用0～5V对温度检测结果进行线性转换后，再利用A/D转换器将温度检测结果转换为计算机能够识别的数字信号。将温度的数字信号输入温度自动控制系统，系统首先对温度信号进行滤波处理，消除干扰信号，得到准确的温度信号，然后再根据电弧炉的熔炼工艺要求建立一个温度控制模型，并将温度检测值与预设值进行对比，根据检测值与预设值之间的信号偏差产生4～20mA的电流信号对电极调节器进行控制。通过改变电极电弧的大小，最终实现大功率电弧炉中温度的准确控制。

2 大功率电弧炉温度自动控制系统的实现

在大功率电弧炉温度自动控制系统中，对采集的温度数据进行滤波处理、对控制偏差进行Smith预估补偿和PID控制算法是核心部分。

2.1 滤波处理

在系统的输出控制通道内，经常会存在来自电弧炉其他结构的电磁干扰，从而降低了采集温度的准确度。因此，需要对采集到的温度数据进行滤波处理，以消除干扰噪声。对于周期性的干扰噪声，利用双积分A/D转换电路消除干扰信号；对于非周期干扰信号，利用数字滤波的方法进行干扰信号的消除。具体方法为：连续采集7个温度信号X（i=1～7），删除其中的最大值Xmax和Xmin，然后取剩余的5个温度信号数据的平均值，即

其中，X为此次采样的温度值。这样就消除了干扰信号。

2.2 控制偏差的估计与补偿

由于大功率电弧炉中的加热方式采用的是电极产生的电弧进行加热，而电弧炉内的空间较大，因此温度的控制过程具有较强的迟滞性。为了降低迟滞性对温度控制造成的影响，需要在温度控制环节中引入Smith估计器，将迟滞的时间τd的变化量提前反映到偏差信号中，并通过调节量U对偏差信号进行补偿。

偏差调节量U与传递到调节器中信号Y′之间的传递函数为：

Smith偏差估计器的传递函数为：

通过对温度控制偏差进行补偿，能够降低系统的超调量，从而提高温度控制的精确度。

2.3 PID控制算法

在大功率电弧炉中，炉内的温度经常需要保持在某个固定值。但是，随着炉料或者其他条件的变化，

炉内的温度可能需要进行调整。因此，PID控制算法主要处理炉内的温度调节。为了实现快速调节的要求，采用比例控制以减少控制偏差。同时，利用积分环节降低系统的残差，提高控制的准确性。由于系统中存在较强的迟滞性，因此利用Smith估计器对控制偏差进行补偿。此外，为了避免出现积分饱和的情况，需要对控制的输出量U进行限制。当输出量超过Umax时，则令U= Umax；当输出量小于Umin时，则令U= Umin。

3 结束语

利用本文提出的大功率电弧炉的温度自动控制系统，能够提高炉内温度控制准确性，对提高电弧炉的生产效率和产品质量具有重要的应用价值。

参考文献

［1］何文杰，徐丽萍，朱强化.电弧炉控制系统设计［J］.信息通信，2015，（4）：77-79.

［2］王长成.中频感应电炉温度控制系统设计［J］.铸造技术，2014，（7）：1571-1572.

Research on Automatic Temperature Control System of High Power Electric Arc Furnace

WANG Haochen，JI Ximing
（Tianjin Pipe Group Corporation， Tianjin 300301）

Abstract:In this paper， according to the characteristics of large arc furnace， a design method of automatic temperature control system of high power arc furnace is presented. Firstly， the structure and principle of the temperature automatic control system of high power arc furnace are analyzed， and then the method of temperature control system is described in detail.

Key words:high power， electric arc furnace， temperature control， system