一种基于模型预测控制的矿热炉电极自动调节系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于模型预测控制的矿热炉电极自动调节系统，包括传感器单元、数据采集单元、中央处理单元、人机交互单元、模型预测控制单元、数控输出单元和执行机构单元；该系统解决现有技术对矿热炉不能实现电极自动调节的难题，实现矿热炉电极的自动调节控制，实现稳定生产提升经济效益的效果，提高矿热炉整体的智能化水平。该系统解决现有技术对矿热炉不能实现电极自动调节的难题，实现矿热炉电极的自动调节控制，实现稳定生产提升经济效益的效果，提高矿热炉整体的智能化水平。提高矿热炉整体的智能化水平。提高矿热炉整体的智能化水平。

【技术实现步骤摘要】
一种基于模型预测控制的矿热炉电极自动调节系统


[0001]本专利技术涉及冶炼矿热炉中电极自动调节控制领域，尤其涉及一种基于模型预测控制的矿热炉电极自动调节系统。

技术介绍

[0002]当前，冶炼用矿热炉设计生产容量巨大，有的容量接近100MVA或者更大，一般采用三台交流单相变压器供电，一次高压侧采用星接或者角接方式接入高压供电系统取电，二次低压侧通过角接方式与三根电极相连，在实际生产过程中三根电极都是经常单独操作的，工艺操作人员根据炉况选定某根电极进行升降操作，在与生产目标偏差较大时通过对单相变压器进行升档降档来完成调整，综合来看使用变压器调档实现粗调而通过电极升降实现微调，在调整的过程中力求三相电参数平衡，但由于三相供电系统的强耦合性导致实际生产过程中三相电极电气参数很难平衡，波动较大，耗电量依工艺操作人员的操作手法不同而迥异，在极度不平衡的情况下还会影响炉体结构，对砌筑耐材和炉底造成破坏，严重影响矿热炉寿命，造成严重的经济损失。
[0003]在过程控制领域，模型预测控制(MPC)是先进过程控制(APC)的典型代表。MPC是继PID之后的最为成功的控制方法和技术，能有效地处理约束、多变量、耦合和纯滞后，广泛使用在石油、化工、水泥等行业，但在矿热炉冶炼上鲜有成功的应用。MPC多变量控制功能使用模型对过程输出在输入变化的未来行为预测，提高过程控制的动态性能，能够最大限度地抑制控制系统的波动，将生产过程推进至对生产过程起到关键作用的质量(或经济)约束条件的控制目标上，降低控制系统的方差，更胜一筹的是MPC能够平稳地将系统操作在多约束条件的某些边界上，使控制系统卡边运行，这是MPC能够产生经济效益的关键。同时，MPC又能够快速的抑制干扰的影响，还能够处理复杂多变量系统的强耦合。因矿热炉供电系统特有的结构导致的三电极之间的强耦合作用，MPC非常适合用于三相电极的电参量平衡自动控制。MPC投入以后，矿热炉电极实现自动控制调节，工艺人员操作强度大幅减小，自动化率显著提高，保障装置运行的稳定性和安全性，保证产品质量，提高目标产品收率，降低运行成本，经济效益显著提升。

技术实现思路

[0004]根据现有技术存在的问题，本专利技术公开了一种基于模型预测控制的矿热炉电极自动调节系统，包括：
[0005]传感器单元，采集矿热炉生产过程中三根电极实际位置信息、单相变压器实际档位、电极电压、电流和功率信息以及各项物理参数信息，同时将采集到的参数信息转换成电信号并输出；
[0006]数据采集单元，以毫秒级的扫描周期接收传感器单元传送的电信号信息，并对接收到的信息使用防抖、滤波、钝化方式进行数据处理；
[0007]中央处理单元，接收数据采集单元传送的数据信息、并对接收到信息按秒级周期
循环执行逻辑处理，制定出生产工艺控制策略以及现场各电气元件的执行动作；
[0008]人机交互单元，接收中央处理单元传送的处理后信息并进行实时数据信息显示，同时接收操作人员输入的控制指令并传送至中央处理单元实现双向数据交换；
[0009]模型预测控制单元，接收中央处理单元传送的逻辑处理信息及生产数据，采用有约束的动态矩阵模型策略对矿热炉生产过程数据进行分析，预测矿热炉在未来一定时间内的工作状态、电极位置以及单相变压器档位输出从而控制电极电压、电极电流以及电极功率力求三相电参数平衡，按分钟级周期将预测计算成果传送至中央处理单元；
[0010]数控输出单元，实时接收中央处理单元发出的控制指令、按毫秒级刷新输出变化控制信息，实时调节输出变化，并将信息转换成各种物理信号；
[0011]执行机构单元，接收数控输出单元传送的物理信号，执行矿热炉生产过程中的各种设备动作。
[0012]所述中央处理单元根据操作人员在人机交互单元中设定的矿热炉三根电极实际位置、单相变压器实际档位、电极电压、电极电流、电极功率、炉底温度、烟气温度、烟气中氧气含量、烟气中氢气含量各种物理数据参量上下限保护值从而对矿热炉设备进行保护，在超限时进行反向调节指令输出，在严重超限时切断单相变压器供电主回路指令并将该指令传送至数控输出单元。
[0013]所述执行机构单元控制电机正反转、驱动有载调压开关、控制液压驱动力的开关电磁阀、控制单相变压器的一次高压真空断路器装置的开闭。
[0014]所述模型预测控制单元采用有约束的动态矩阵模型策略对矿热炉生产过程数据进行分析时:首先建立多输入多输出MIMO系统的单位阶跃响应模型Y(k)＝M
ss
Y(k
‑
1)+S
u
Δu(k
‑
1)+S
d
Δd(k
‑
1)
[0015]y(k)＝CY(k)
[0016]y
c
(k)＝C
c
y(k)
[0017]y
m
(k)＝C
m
y(k)
[0018]其中，Δu(k)＝u(k)
‑
u(k
‑
1)，Δd(k)＝d(k)
‑
d(k
‑
1)，模型中Y(k)是状态变量，u(k)是控制输入变量，y(k)是输出变量，y
c
(k)是被控输出变量，y
m
(k)是测量输出变量，d(k)是测量的外部干扰变量，设系统进入稳态需要的采样步数为N，则响应模型方程的初始条件Y(0)是一个N维列向量，系统矩阵M
ss
为N维方阵，S
u
和S
d
分别为控制输入u和可测干扰d到输出y的单位阶跃响应系数矩阵；
[0019]针对三根电极选定电极位置、单相变压器档位为输出变量y(k)，选定电极电压、电极电流、电极功率为控制输入变量u(k)，选定炉底温度、烟气温度、烟气中氧气含量、烟气中氢气含量做为测量的外部干扰变量d(k)，通过单相变压器调档实现粗调而通过电极位置升降实现微调，在实际稳定生产过程中电极自动控制调节以微调电极位置升降方式居多，在调整的过程中力求三相电参数平衡。
[0020]所述模型预测控制单元采用有约束的动态矩阵模型策略具体包括如下步骤：
[0021]S0：基于MPC控制理论中的多输入多输出MIMO系统的单位阶跃响应模型，参照输出、控制量和控制增量约束条件，初始化：M,S
u
,S
d
,K
F
,H,Γ
y
,Γ
u
…
系数矩阵；
[0022]S1.对矿热炉工艺人员电极操作生产经验和历史操作数据进行分析提炼，给定期望轨迹R(k+1)，获得测量值y
m
(k),d(k)；
[0023]S2：进行输出状态估计，即按照观测器方程计算
[0024]S3：根据各系数矩阵计算E
p
(k+1|k)，G(k+1|k)，b(k+1|k)；
[0025]S4：利用输出、控制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于模型预测控制的矿热炉电极自动调节系统，其特征在于包括：传感器单元(101)，采集矿热炉生产过程中三根电极实际位置信息、单相变压器实际档位、电极电压、电流和功率信息以及各项物理参数信息，同时将采集到的参数信息转换成电信号并输出；数据采集单元(102)，以毫秒级的扫描周期接收传感器单元传送的电信号信息，并对接收到的信息使用防抖、滤波、钝化方式进行数据处理；中央处理单元(103)，接收数据采集单元传送的数据信息、并对接收到信息按秒级周期循环执行逻辑处理，制定出生产工艺控制策略以及现场各电气元件的执行动作；人机交互单元(104)，接收中央处理单元(103)传送的处理后信息并进行实时数据信息显示，同时接收操作人员输入的控制指令并传送至中央处理单元(103)实现双向数据交换；模型预测控制单元(105)，接收中央处理单元(103)传送的逻辑处理信息及生产数据，采用有约束的动态矩阵模型策略对矿热炉生产过程数据进行分析，预测矿热炉在未来一定时间内的工作状态、电极位置以及单相变压器档位输出从而控制电极电压、电极电流以及电极功率力求三相电参数平衡，按分钟级周期将预测计算成果传送至中央处理单元(103)；数控输出单元(106)，实时接收中央处理单元(103)发出的控制指令、按毫秒级刷新输出变化控制信息，实时调节输出变化，并将信息转换成各种物理信号；执行机构单元(107)，接收数控输出单元(106)传送的物理信号，执行矿热炉生产过程中的各种设备动作。2.根据权利要求1所述的基于模型预测控制的矿热炉电极自动调节系统，其特征在于：所述中央处理单元(103)根据操作人员在人机交互单元(104)中设定的矿热炉三根电极实际位置、单相变压器实际档位、电极电压、电极电流、电极功率、炉底温度、烟气温度、烟气中氧气含量、烟气中氢气含量各种物理数据参量上下限保护值从而对矿热炉设备进行保护，在超限时进行反向调节指令输出，在严重超限时切断单相变压器供电主回路指令并将该指令传送至数控输出单元(106)。3.根据权利要求1所述的基于模型预测控制的矿热炉电极自动调节系统，其特征在于：所述执行机构单元(107)控制电机正反转、驱动有载调压开关、控制液压驱动力的开关电磁阀、控制单相变压器的一次高压真空断路器装置的开闭。4.根据权利要求1所述的基于模型预测控制的矿热炉电极自动调节系统，其特征在于：所述模型预测控制单元(105)采用有约束的动态矩阵模型策略对矿热炉生产过程数据进行分析时:首先建立多输入多输出MIMO系统的单位阶跃响应模型Y(k)＝M
ss
Y(k
‑
1)+S
u
Δu(k
‑
1)+S
d
Δd(k
‑
1)y(k)＝CY(k)y
c
(k)＝C
...

【专利技术属性】
技术研发人员：谷端玉，张宏程，隋铢成，静阳，徐睿，曲艺超，
申请(专利权)人：大连华锐重工集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：