摘要：通過對LF精煉爐底吹氬工藝過程的研究，分析了氬氣流量難以控制的原因，針對整個被控系統的特點，選用具有分級結構的模糊自適應控制對氬氣流量進行控制，并通過仿真實驗證明此方法較PID控制抗干擾能力強，取得較好的精煉效果。 關鍵詞：LF精煉爐；底吹氬；分級的模糊自適應控制 The Argon Flow Control in The Process of LF Bottom Blowing Argon Abstract: By LF bottom argon blowing process of research, analysis of argon gas flow is difficult to control, charged at the whole system, the use of a hierarchical structure with fuzzy adaptive control of argon gas flow control, and simulation experiments to prove this PID control over anti-jamming capability. Refining achieved better results. keywords : Ladle Furnace; bottom argon blowing; hierarchical structure with fuzzy adaptive control 0.引言 隨著科技的發展,用戶對鋼材的質量提出了越來越高的要求。因此爐外精煉已成為現代化鋼廠的重要組成部分，它是生產純凈鋼保證連鑄順利進行的重要手段。其中LF(Lade Furnace)精煉爐是應用最廣、數量最多的精煉爐，而氬氣流量控制是LF精煉爐中的一個重要環節。目前LF爐吹氬控制系統一般都是采用手動或流量負反饋PID方式。但是從系統的觀點看，在精煉爐底吹氬過程中，由于被控對象的非線性、數學模型的不確定性及系統工作點的劇烈變化等因素，要采用常規的控制策略難以實現對被控量—氬氣流量進行精確控制。為此我們采用分級的模糊自適應對其進行控制取得了較好的效果。 1.精煉爐底吹氬系統 1.1精煉爐底吹氬的原理 如圖1所示，鋼水進入鋼包后，將Ar氣通過鋼包底部的透氣磚不斷吹入鋼液中，形成大量的小氬氣泡，這些小氣泡對于鋼水中的有害氣體N2，O2，H2等來說，相當于一個個小“真空室”，這些小“真空室”內其它氣體的分壓力幾乎為零，于是溶解在鋼液中的其它氣體不斷向氬氣泡中擴散；擴散過程中，氫和氮在氬氣泡中的分壓力隨著氣泡上長而增加，但氣泡在鋼液中受熱膨脹，因而氫和氮的分壓力仍能保持較低的水平，故上浮過程中繼續吸收氫和氮，最后隨著氬氣泡上浮而逸出鋼液。另外，氬氣上浮時引起的鋼液攪動，提供了氣相成核和夾雜顆粒碰撞的機會，有利于氣體及夾雜的排除。因此，采用鋼包底吹Ar精煉法，可以顯著減少鋼水中有害氣體的含量，明顯提高鋼水質量，并且還具有設備簡單、工藝操作方便、投資少、見效快的特點，特別適合“初煉—精煉—連鑄”的快工藝節奏。 1.2 精煉爐底吹氬系統的分析 在實際生產中，當采用底裝透氣磚的整體吹氬攪拌結構時，隨著氬氣流量的增大，而氬氣壓力也增大，容易造成鋼液面的裸露，鋼水二次氧化，導致鋼水中的氧和氧化夾雜物增加，從而限制了攪拌強度的進一步增大；而當攪拌能量太小時，則起不到吹氬攪拌去除夾雜物的作用。當氬氣源以一定的壓力經鋼包底部透氣磚進入鋼包時，鋼包系統中的液體在力作用區被加速，由于氬氣的攪拌，鋼包中形成上升的氣泡拄，被加速的液體離開力作用區，象射流一樣噴射到系統的共它部分。射流離開力作用區在表面產生直接折射，并向鋼包壁作徑向傳布，而鋼包壁處射流再次折射向下移動。對這個封閉系統講，為加速力作用區的液體，液體必須引入到流體中去，而這種液體只有來自回流區才形成系統“環流”。 生產實踐中，控制“環流”的關鍵主要以氬氣的攪拌能量（鋼渣的隆起）來衡量，其攪拌模型如下： 式中 －攪拌能量， －氬氣流速， －氣體常數， －氬氣入口溫度， －鋼熔池溫度， －氬氣入口點壓力， －鋼水頂表面壓力； 一般對于同一個煉鋼廠，鋼包的設計參數是不變的，出鋼量波動范圍也不會太大，可認為氬氣入口點壓力 值趨于常值，鋼水頂表面壓力 ，如未采用LF鋼包真空處理條件下， 近似認為是個常值，所以 的值對于同一LF鋼包爐不同爐次之間，認為是波動范圍很小的數值。 即鋼包內鋼水的溫差，接近一個常值。因此直接影響氬的攪拌能量 的關鍵因素是鋼水的溫度 和氬氣流量 。因此底吹氬的攪拌效果可以間接地以吹入的氬氣量來衡量。 通過對LF精煉爐底吹氬過程控制系統的分析，發現對于吹入氬氣流量影響較大的是氣源壓力、鋼液高度、透氣面積、鋼渣高度等，但它們都屬于不確定量，往往不可控，只能通過控制算法上的調整減小它們對氬氣流量的干擾。 2．具有分級結構的模糊自適應控制 其設計思想是將整個控制系統構成三級控制結構，如圖2所示：（1）基本模糊控制級。為了滿足系統實時控制要求，基本模糊控制級采用模糊邏輯控制方式。 （2）自適應調整級。為了適應被控系統參數時變情況，采用自適應控制方式，定時在線調整模糊控制器參數。 （3）過程狀態判別級。為了克服過程狀態變化（或不同實際工況）的影響，提高控制系統的魯棒性能，將過程狀態判斷作為輔助輸入量，根據系統所處過程狀態，采用相應的控制參數集。 3．精煉爐底吹氬過程的氬氣流量控制 通過對比分析LF爐底吹氬的現有工藝過程,發現以前通常采用恒壓定流量(PAr為0.3MPa左右,QAr為100L/min左右)操作，經生產實踐探索和鋼包底吹氬水力模擬實驗發現：工藝改進為根據不同時期的特定目的而采用恒壓變流量和攪拌能,可以達到更好的“環流”攪拌效果。從而可將整個LF爐底吹氬過程根據不同時期的目的可分為以下三段： ①加合金微調攪拌時，氬氣流量為 200L/min; ②加熱提溫時為150L/min; ③軟吹除雜為40L/min。 此外為了保證氬氣流量的穩定，防止氬氣倒流，需在流量閥后增加一個0.05 的穩流包和一個逆止閥。對被控對象穩流包、逆止閥及輸送管道建模得到數學模型為 針對以上對LF爐底吹氬工藝過程的分析，根據整個被控系統的特點，選用具有分級結構的模糊自適應算法，如圖3所示。 過程狀態判斷級需要判斷的主要過程狀態是處于以上三個階段的哪個階段，分別以鋼水溫度、鋼水成分、雜質含量是否符合要求作為狀態判斷的依據，然后根據系統所處過程狀態，采用相應的模糊控制器參數集。加熱提溫時的氬氣流量設定值是150L/min，模糊控制器輸入設為溫度的誤差 和誤差的變化率 ，誤差 的實際變化范圍為－300~300 L/min，誤差的變化率 的變化范圍-300~300 L/min。誤差 和誤差的變化率 以及控制量u的論域都取為[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]，其模糊集合都為：[NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB]，隸屬度函數取正態分布函數，對于模糊變量中的7個語言變量值，a和b的取值分別如下：PB：a＝6，b＝2.1；NB：a＝－6，b＝2.1；PM：a＝4，b＝1.67；NM：a＝－4，b＝1.67；PS：a＝2，b＝1.2；NS：a＝－2，b＝1.2；ZO：a＝0，b＝1.4；通過控制試驗得到一系列的經驗規則，歸納如下模糊控制規則： 自適應調整級采用調整模糊控制規則的方法得出： －自調整模糊控制量； －常規模糊控制量； －系數為0.8； －某誤差范圍內時間段個數。 4.仿真結果與結論 常規PID控制曲線開始上升時間很快，但有超調且超調量很大，進入穩態后幅度波動較大，而模糊自適應控制過渡時間短，上升時間快，很快地達到流量給定值，且無超調。 當控制的流量進入穩態后，分別對兩種控制做了模擬對氬氣流量的干擾實驗，從圖中的擾動曲線對比來看，模糊自適應控制很快地通過自適應調整級調整到流量設定值,且無超調。而常規PID控制曲線經過較長時間振蕩后才能恢復到設定值,且有超調。由此我們可知，模糊自適應控制比常規PID控制抗干擾能力強，優于常規PID控制。 參考文獻 1 高澤平.鋼水精煉吹氬攪拌機理的研究.湖南冶金.2000 (7) 2 吳學禮.兩類非線性過程的智能控制方法及其應用研究.[華中科技大學博士論文].2005 3 李樹江、高憲文、柴天佑.模糊串級控制及其在精煉爐吹氫系統中應用.信息與控制.1998 (2) 4 李國勇編著．智能控制及其MATLAB實現．北京：電子工業出版社，2005 5 李軍.武鋼第二煉鋼廠轉爐底吹控制系統.冶金自動化.1999 (1) 作者簡介：牛輝（1982.11— ），男，碩士研究生，從事復雜工業過程智能控制方面的研究 通信地址：河北省石家莊市新華路505號河北科技大學電氣信息學院 郵編：050054 電話：13673211591