稀有金属真空熔炼熔速控制的研究

范晓晶，尉 龙

（1.西安建筑科技大学机电工程学院，陕西 西安 710055；2.宝鸡钛业股份有限公司，陕西 宝鸡 721014）

真空自耗电弧炉是用于冶炼钛、锆、铪等稀有金属的重要设备之一，真空自耗电弧炉的熔炼稳定性是直接影响其产品质量及生产效率的基础。因此，通过正确的控制方法，用于解决熔速的控制问题，例如耦合性强、滞后性、非线性等，提高真空自耗电弧炉的熔速控制的精准性和效率是十分必要的。对此，本文开展基于模糊控制真空自耗电弧炉熔速控制的研究。

1 炉熔速控制系统模型分析与描述

（1）熔速控制系统总体描述。熔速控制系统的实质是控制熔炼电弧的动态特性，从而实现电弧炉稳定、高效的运行。

图1 熔速控制系统总体结构图

由图1探知，影响熔炼电弧的关键因素是弧压和弧流，弧压主要是利用控制自耗电极的上升、下降控制弧长；弧流是利用对整流电源的输出调节实现对电流的控制。熔炼中电弧长度即弧压几乎不变，电流大小决定热量多少，电弧热量使电极熔化，但由于热滞后性，所以通过电弧的加热惯性改变电流的大小，从而影响电弧炉熔化的速率，从而构成图1中的电流-融化速率的控制系统。

（2）熔速控制系统建模。由于电极在加热的过程需要一定的时间，因此熔速存在滞后性以及惯性大的两个劣势，同时电流的改变会使电机的加热过程变成有稳定形态转变为另一种稳定形态的过程。因此，熔速与电流之间存在的关系可以用下述公式表示：

公式（1）中，W（s）表示为熔速的拉氏变换；τ表示为融化电流的拉氏变换；表示为延迟时间；T表示为时间常数；K表示为比例常数系数。当公式（1）中控制系统的增益值K为0.002、惯性时间常数T为20s、延迟时间为τ6s时，可将公式（1）看作是熔速控制系统的模型。

2 真空自耗电弧炉熔速控制策略

2.1 常规控制系统

（1）PID控制方法原理。PID控制器是一种线性的负反馈控制方法，PID控制方法的原理可用下述公式表示：

公式（2）中，c（x）表示为PID控制器输出值；ρ表示为比例系数；w（x）表示为PID控制器输入值；X表示为积分时间常数。公式（2）中比例系数和积分时间常数的变化对PID控制器的影响相对较大。当PID控制器一旦出现控制偏差，比例环节会立即将控制系统的偏差信号反应出来，以最快的速度对控制器产生控制作用，将偏差降到最低。积分时间常数主要作用是清除控制系统中产生的静差，从而提高控制系统的无差度。

（2）PID控制方法特点。PID控制是根据被控制的对象特性为基础，按照比例、积分以及微分控制等环节的相互作用，对于整个控制系统而言，此方法的优势①控制原理相对简单，实操方便，直接通过改变控制参数实现对控制效果的改变；②可广泛用于不同属性的被控制设备；③控制算法的鲁棒性强，其控制能力对被控制的设备的变卦具有良好的抑制效果。

2.2 模糊控制理论

（1）模糊控制系统组成。在控制系统中，根据输入量的变化以及输出量的变化个数，将常规控制系统和模糊控制系统均分为单变量控制和多变量控制。在单变量控制系统中将控制输入量作为被控制的真空自耗电弧炉的维数，则模糊控制系统的组成包括一维模糊控制器、二维模糊控制器和三维模糊控制器，其输入量分别为受控制的变量与给定数值的差；输入量给定的差值与偏差的变化量；控制系统自身的偏差及偏差的变化率。而多变量模糊控制系统主要依靠多变量模糊控制器，实现对熔速系统的模糊控制。

（2）模糊控制的优势。模糊控制是将模糊理论运用于工程控制中的技术，将控制理论中的数学变量转换为语言半量的形式，利用模糊理论的条件作为控制变量之间的函数关系描述，利用模糊理论的推理方法对熔速控制中各类复杂的关系刻画，模糊控制是一种包含模拟人类学习的优势以及自适应能力的控制系统，具体优势体现在：首先，模糊控制是一种不依赖于被控制系统高精准度的数据模型，模糊控制是根据操控者累积的操作经验设计出的控制装置；其次模糊控制的控制方法是一种模拟人类思维的控制方法，运用人类思维的方式转变为模糊量，通过模糊量控制模糊理论的推导；模糊控制的原则及推理机制更容易被操控者接受和理解，从而方便人机之间的交互，模糊控制规则作为模糊控制的核心是基于控制专家的知识及操控人员积累的经验提出，控制规则是根据人类使用的语言表示，因此更容易被人理解；模糊控制的控制器鲁棒性更强，能够更加有效地实现对被操作对象的控制。

2.3 熔速控制运行与数据分析

熔速控制的运行需要考虑到真空自耗电弧炉实际运行环境的真空度等干扰因素，因此需要在实际运行环境中进行。熔速控制在熔炼过程中的运行数据如表1所示。

表1 熔速控制在熔炼过程中的运行数据

在真空自耗电弧炉熔炼过程中稳定熔炼是这一阶段的关键，熔速控制主要适用于日常的熔炼过程。在熔炼过程追踪，随着熔炼过程的深入，炉内的热量会不断积累，当熔炼电流呈稳定不变的状态时，由于各种因素影响，平衡会不断被打破，因此，为了实现真空自耗电弧炉的恒定熔速，需要动态调整电极杆位置与熔池位置之间的距离，稳定熔炼的电压。

3 结语

针对真空自耗电弧炉的弧压与弧流之间产生的耦合性以及熔速控制过程中存在的滞后性和强干扰等问题，本文提出一种基于模糊控制的真空自耗电弧炉熔速控制方法。在后续的研究中还将针对降低系统分析难度、增加智能化控制等问题进行更加深入的研究。