钢包精炼炉钢水搅拌系统的建模与控制

摘要

搅拌是加速冶金反应、促进钢水成分和温度均匀的重要手段。氩气搅拌由于还具有促进钢渣间的化学反应、去除钢液中有害气体和夹杂物等冶金效果，被广泛应用于钢包精炼炉的生产过程中。底吹氩气搅拌系统具有非线性、滞后、时变等特性，钢包精炼炉的冶炼工艺要求底吹氩气系统的工作点（设定值）在一个炉次内频繁变化，这些对氩气搅拌系统的控制精度、响应速度都提出了更高的要求。
　　通过对钢包精炼炉氩气搅拌系统进行深入的分析与研究，在流体力学理论基础和严谨的复杂数学推导之上，采用分段处理的方法对被控对象进行建模，分别推导出供气管路中各个环节的动态数学模型，然后将该模型应用于完整的供气管路系统，建立了供气管路的数学模型。
　　考虑到被控对象的纯滞后特性，在经典PID控制器的基础上，利用Smith预估器补偿时间滞后给系统带来的影响，设计了带有Smith预估器的控制器。通过仿真验证了控制策略引入Smith预估之后的优越性。
　　分析对象模型发现，产生时变的主要因素有钢包透气砖的透气面积、气源压力、钢水静压等。考虑到产生时变的因素和冶炼过程中设定值的频繁变化都是预先可知的，采用前馈控制可提高搅拌系统的响应速度。由于传统的前馈控制不能满足系统的控制要求，提出基于神经网络的工作点迁移的思想，设计了氩气搅拌系统的综合控制器，仿真研究验证此控制器能够使氩气流量稳定、准确、快速地跟踪设定值的变化。
　　最后，设计了钢包精炼炉搅拌控制系统硬件和软件系统，并利用WinCC设计了上位机监控系统，实现了氩气搅拌过程的实时监测与动态管理，提高了氩气搅拌的自动化监控水平。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 钢水搅拌简介

1．2．1 钢水搅拌方式

1．2．2 精炼炉氩气搅拌工艺

1．2．3 精炼炉氩气搅拌原理

1．3 课题研究的发展与现状

1．3．1 氩气搅拌技术的发展与现状

1．3．2 氩气搅拌系统控制研究现状

1．4 论文主要研究内容

第2章 氩气搅拌系统的分析与建模

2．1 氩气搅拌系统的控制要求

2．2 氩气搅拌系统结构

2．3 调节阀模型的研究

2．3．1 调节阀的动态特性分析

2．3．2 调节阀的建模

2．4 氩气搅拌系统管路模型的研究

2．4．1 供气管路系统的组成与分析

2．4．2 流体管路的数学模型基础

2．4．3 供气管路系统的传递矩阵模型

2．4．4 被控对象模型结构的确定

2．5 本章小结

第3章 氩气搅拌系统控制方法的选择

3．1 PID控制器

3．2 PID控制的仿真

3．2．1 模型参数的辨识

3．2．2 PID控制的仿真

3．3 Smith纯滞后补偿控制器

3．4 氩气搅拌控制方法的仿真

3．5 本章小结

第4章 基于神经网络的工作点迁移

4．1 前馈控制的设计

4．2 前馈控制的仿真

4．2．1 前馈反馈控制的仿真

4．2．2 综合控制器的设计与仿真

4．3 前馈控制改进的必要性分析

4．4 前馈预估器的设计

4．4．1 基于神经网络的数据统计建模

4．4．2 神经网络模型检验

4．5 控制器的无扰动切换

4．5．1 控制系统的工作方式

4．5．2 设计方案

4．6 氩气搅拌系统的控制器设计与仿真

4．6．1 控制方案

4．6．2 控制系统的仿真

4．7 本章小结

第5章 氩气搅拌控制系统的设计

5．1 氩气搅拌控制系统整体结构

5．2 硬件系统的设计

5．2．1 PLC的选择

5．2．2 上位机

5．2．3 触摸屏

5．2．4 执行机构

5．2．5 流量变送器

5．2．6 压力变送器

5．3 软件系统的设计

5．3．1 程序设计

5．3．2 组态软件的选择

5．3．3 监控界面功能及实现

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢