CC BY
19
УДК 681.513, 621.365, 62-83-52
^к 10.20998/2074-272Х.2020.4.05
Я. С. Паранчук, Р.Я. Паранчук
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНОГО РЕЖИМУ ДУГОВО1 ПЕЧ1 З НЕЧ1ТКОЮ МОДЕЛЛЮ КЕРУВАННЯ
Запропоновано нечiткий закон керування електричним режимом (ЕР) дуговог сталеплавильной печi (ДСП). Створено структурну Simulink-модель системи керування ЕР на основi нечiткого закону. Проведено комп'ютерн дослгдження динамши регулювання координат ЕР дуговог печi ДСП-200 з використанням диференцшного та нечiткого законы керування. Результата долджень показали, що при використанн нечiткого закону зменшуються дисперсш струмiв дуг i питомi витрати електроенергИ' та зростае продуктивнкть дуговог печ1 Бiбл. 17, рис.7. Ключовi слова: дугова сталеплавильна шч, електричний режим, нечггке регулювання, автономшсть, дисперая.
Предложен нечеткий закон управления электрическим режимом (ЭР) дуговой сталеплавильной печи (ДСП). Разработано структурную Simulink-модель системы управления ЭР на основе нечеткого закона. Проведены компьютерные исследования динамики регулирования координат ЭР дуговой печи ДСП-200 с использованием дифференциального и нечеткого законов управления. Результаты исследований показали, что при использовании нечеткого закона уменьшаются дисперсия токов дуг удельный расход электроэнергии и увеличивается производительность дуговой печи. Библ. 17 рис.7.
Ключевые слова: дуговая сталеплавильная печь, электрический режим, нечеткое регулирование, автономность, дисперсия.
Вступ. Технолопчш процеси електрометалур-гшно! галузi характеризуются споживанням значних обсяпв електрично! енерги. II основними електротех-нолопчними агрегатами е дуговi сталеплавильш печi (ДСП), в яких виплавляють високолеговаш сталi та прецизшш сплави в основному з металевого лому.
Електричний режим (ЕР) ДСП формуеться суку-пнiстю таких координат, як напруга, струм та потуж-нiсть системи трифазних дуг, i характеризуеться не-стацiонарним випадковим та пофазно несиметричним характером змши. Основною причиною такого складного характеру змши координат ЕР е неперервна упродовж плавки дiя штенсивних випадкових параме-тричних збурень у силовому колi живлення трифазних дуг без нульового провiдника та флуктуацш дов-жин дуг, статистичш характеристики яких змiнюють-ся упродовж плавки у широких межах, а також недос-коналють систем автоматичного керування (САК).
Одшею з пвдсистем в iерархiчнiй структурi су-часних САК ЕР дугових печей е пвдсистема регулювання положення електродiв. II основною задачею е яшсна стабiлiзацiя координат ЕР на рiвнi заданих оптимальних значень, що оперативно формуються на вищому рiвнi iерархil САК ЕР, а iнтегральною оцш-кою якостi 1х роботи е дисперая координат ЕР i перш за все струмiв дуг [1-3].
Постановка науковоТ проблеми та обгрунту-вання "11 актуальностi. Як1сна стабшзащя координат ЕР пвдсистемою нижчого рiвня дае змогу полiпшити показники енергефективносп та електромагштно! сумiсностi i, ^м цього, додатково посилюе ефектив-шсть реалiзацil стратегiй оптимального керування. Тому задача розроблення рiшень для покращення показник1в якостi стабшзацп координат ЕР ДСП на рiвнi заданих значень, ^ особливо, потужних та над-потужних печей, е важливою та актуальною, так як це дасть змогу комплексно полiпшити показники енер-гоефективностi та електромагштно! сумюносл режи-мiв ДСП та електромереж1 живлення.
Огляд лiтературних джерел. Бшьшсть сучас-них систем автоматичного регулювання (САР) положення електродiв ДСП представляються електроме-ханiчними чи електрогiдравлiчними регуляторами потужностi дуг, наприклад АРДМ-Т чи АРДГ вщпо-вiдно [1-5].
Вказаш САР положення електродiв використо-вують переважно чотири моделi формування сигналу керування на перемiщення електродiв: диференцiйну та iмпедансну моделi та моделi керування за вщхи-ленням напруги та струму дуги ввд заданих значень [4, 5]. Пвд моделлю (законом) керування розумiемо математичну модель формування сигналу розузго-дження ЕР, який САР трансформуе у вщповвдш пере-мiщення електродiв. Кожнш з цих моделей властивi певш переваги та недолiки при регулюванш збурень у рiзних станах ЕР.
Результата дослщження показник1в динамiки при використанш рiзних законiв у двоконтурнш стру-ктурi САК електричного режиму ДСП приводиться у роботах [6, 7]. У такш структурi закони керування ЕР проявляються особливо. З отриманих у [6, 7] результата випливае, що закони керування суттево вплива-ють на показники динамiки, енергоефективностi та електромагштно! сумюносп як в одно-, так i в двоко-нтурних структурах САК ЕР ДСП. У них показано, що оптимiзацiйними параметрами моделей формування сигналу розузгодження е сама залежшсть формування сигналу розузгодження иг(иа, 1а) та II коефь цiенти, а також залежнiсть штучно! зовшшньо! характеристики 1а(иа) двоконтурно! САК ЕР ДСП.
Бiльшiсть з юнуючих регуляторiв потужностi дуги в одноконтурних САК функцюнують за диферен-цiйною моделлю формування сигналу розузгодження ЕР [4, 5]:
Пг (Па, 1а ) = а-Па - Ь ■ 1а , (1)
де а, Ь - стaлi коефiцiенти, яш задають усталенi зна-чення напруги, струму та потужносп дуги; Па, 1а, -
© Я.С. Паранчук, Р.Я. Паранчук
поточш значения напруги та струму дуги; Ur - сигнал розузгодження електричного режиму.
За використання моделi (1) виконуеться надiйне запалювання дуг у режимах обривах дуг (о.д.) та коротких замикань (к.з.), тобто виконуеться адекватне вiдпрацювання екстремальних збурень ЕР та близьких до них. Але при ди малих та середнiх ввдхилень дов-жин дуг сигнал розузгодження за шею моделлю не завжди адекватно вiдповiдае реальнш довжинi дуги -стану ЕР у цш фазi. Причиною цьому е використання струму дуги у моделi диференцiйного закону (1), бо струм фази за чинно! трифазно! системи живлення трифазних дуг без нульового провiдника визначаеться не лише довжиною (напругою) дуги дано! фази, але залежить вiд довжин дуг (збурень) шших фаз.
Саме на цей недолш наголошуеться в роботах [8, 9]. Там вказуеться, що використання струмiв дуг в моделях керування рухом електродiв призводить до порушення автономностi фазних каналiв регулювання довжин (напруг, струмiв, потужностей) дуг.
Ввдоме регулювання ЕР i за ввдхиленням напруги дуги ввд заданого значення (напругова модель)
Ur.i(Ua) = k• (Ua -Ua set), (2)
де Ur1(Ua) - залежнiсть сигналу розузгодження ЕР; k - коефщент пвдсилення регулятора; Ua.set - уставка регулятора за напругою дуги [4, 5].
За цим законом отримуеться досконале регулю-вання в режимах малих та середшх ввдхилень довжин дуг, але при екстремальних збуреннях ЕР за причини змщення нульово! точки вектора напруг дуг, попр-шуеться динамiка руху електродiв у режимах запалювання дуг.
У деяких регуляторах ЕР фiрм Siemens та Danieli використовують варiанти iмпедансного закону регу-лювання, за якими регулювання довжин дуг викону-еться за вiдхилення повного iмпедансу фази вiд заданого значення (адаптивний регулятор iмпеданса) [10-12]. Але при обчислюванш фазних iмпедансiв теж використовуються струми фаз, що за вказаних вище причини не дае змоги у повнш мiрi отримувати пофа-зну автономнiсть процесу регулювання довжин дуг.
У роботах [12, 13] розглядаеться удосконалений гидропривод механiзму перемщення електродiв з сер-воклапаном з нелшшною регулювальною характеристикою та адаптивною нелшшною моделлю стабшзацп iмпеданса фази. У роботах [8, 11, 14] розглядаеться регулювання за нелшшною моделлю адмгганса. В цих роботах наголошуеться, що таю моделi е проспшими у налагодженш та мають покращенi динамiчнi характеристики у порiвняннi з iншими регуляторами ЕР. Але Ш моделi в околi точки заданого ЕР е чутливими до ди збурень iнших фаз, що апрюрно негативно впливае на динамiчну точнiсть стабшзацп координат ЕР.
Аналiз iнших сучасних технiчних ршень для САР ЕР показуе, що удосконалення моделi форму-вання сигналу розузгодження Ur, у функци якого формуються сигнали Ucla керування рухами елект-родiв, е дiевим чинником i важливою та актуальною задачею у полшшенш показникiв енергоефективно-ст ДСП.
Метою даноТ роботи е тдвищення ефективностi керування режимами роботи дугово! сталеплавильно! печi на основi удосконалення моделi регулювання довжин дуг.
Обгрунтування напряму дослвдження. Процес керування ЕР та регулювання координат ДСП в умо-вах дп нестацюнарних випадкових збурень проходить в умовах неповно! шформацп про змiну параметрiв елементiв та координат електричного кола живлення трифазних дуг ДСП, бо реалiзувати точний оператив-ний в режимi on-line !х експлуатацiйний контроль неможливо. Тому за умов складносп процесiв у силовому колi та !х математичного опису, наявносл чин-ник1в невизначеностi в керуванш, доцiльним для задач керування ЕР ДСП е використання штелектуаль-них методiв, зокрема використання моделей нечеткого керування, бо вказанi особливосп та природа проце-сiв в ДСП вщповщають особливостям застосування та функцюнування моделей нечiткого керування [15].
Основш результати досл1дження. З наведеного випливае, що основна увага дослвдження повинна бути придiлена удосконаленню системотехшки САР довжин дуг.
На рис. 1 показано блок-схему електромехатчно-го регулятора потужносп дуг типу АРДМ-Т, на основi якого грунтуеться запропонована системотехнiка нечi-ткого адаптивного регулювання довжин дуг ДСП.
Рис. 1.Функциональна блок-схема САР довжин дуг ДСП
Трифазна система дуг дугово! печ1 AF живиться в1д вторинно! обмотки шчного трансформатора FT з фазною напругою Upf- Електричний режим у наведе-н1й САР регулятора АТДМ-Т регулюеться за дифере-нц1йним законом, а сигнал розузгодження Ur(Ua, Ia) ЕР формуеться у блощ пор1вняння BC за моделлю (1). Поточш дшч1 значення напруги Ua та струму Ia дуги формуються на виходах давач1в напруги VS та струму CS дуги ввдповщно. На виход1 блока формування сигналу керування CSFB у функцп сигналу розузгодження Ur з врахуванням зони нечутливосп, коеф1ц1-ент1в шдсилення САР на п1дн1мання та опускання електрод1в, обмежень на максимальн1 швидкосп п1д-н1мання та опускання електрод1в формуеться сигнал керування Ucla рухом електрод1в. Електропривод, що в регулятор! АРДМ-Т-12 представлений реверсивною системою «тиристорний перетворювач - двигун по-стшного струму» (ED TC-M), та мехашзм перем!щен-ня електрода (MME) типу «шестерня-рейка» трансфо-
рмують сигнал керування Uca у ввдповщт рухи елек-трода ±Ala в напрям1 лшвщацп збурень.
На рис. 2 зображено природну зовшшню характеристику Ia(Ua) та залежшсть потужносп дуги Pa(Ua) дугово! сталеплавильно! печ1 ДСП-200. На цьому ж рисунку показано точки усталеного режиму печ1 А(UasetrLset) та задано! потужносп дуг B(Ua.set, Pa.set), де Ua.sei= 198,3 В; Ia.set=43,97 А; Pa.set=8,72 МВт - уставки за напругою, струмом та потужн!стю дуги ввдповвдно.
210 210 Ua, V 300 Рис. 2. Зовшшня характеристика Ia(Ua) i характеристика потужностi Pa(Ua) дуг дугово! ne4i ДСП-200 та функцп приналежностi ¡u(Ua) лшгвютично! змшно! «напруга дуги»
Основною задачею САР ЕР ДСП е зменшення ди-сиерсй' координат ЕР у процеа плавлення, тобто максимально збшьшити час роботи печi в режимах околу робочо! точки А печ^ тодi значення всiх показник1в енергоефективносп наближатимуться до максималь-них, а дисперсия координат ЕР при цьому мiнiмiзуеться.
Для цього замiсть моделi (1) в блоцi порiвняння БП запропоновано використовувати адаптивну до змь ни станiв ЕР модель керування, яка на основi принци-тв нечiтко! логiки об'еднуе модель модифшованого диференцiйного закону
Ur.2 (Ua, Ia ) = a ■Ua - b ■ (Ia - Ia,set) (3) та напругового закону (2).
За такого ршення в режимi on-line активним у кожнiй фазi встановлюеться закон керування Ur(Ua, Ia), що вiдповiдае поточному стану ЕР у цш фазi. Стани ЕР у фазах щентиф^ються за напругою дуги фази, бо напруга на стовт дуги однозначно i лiнiйно залежить в1д !! довжини Ua=a + pla, де а, р-анод-катодш падiння напруги на стовпi дуги; la - до-вжина дуги. Експлуатацшний контроль напруги Ua дуги пропонуеться виконувати пристроем, що функ-цюнуе на основi нейромережевих технологiй щенти-фiкацi! [16]. Прийнята вище вщповвдшсть напруг на дугах станам ЕР (довжинам дуг) описуеться показа-ними на рис. 3 функциями приналежносп ¿u(Ua). Змiну законiв керування (моделей розрахунку Ur(Ua, Ia) у фазах запропоновано виконувати за нечiткою модел-лю Такагi-Сугено.
У процесi керування щентифшуються три стани ЕР: режим експлуатацшного короткого замикання та близью до нього (це коротю дуги), рацюнальш режи-ми (середнi дуги) - це режими в околi робочо! точки печi А, та режим обриву дуги та близью до нього (до-вп дуги).
Диапазон низьких напруг (це коротю дуги) в моде-лi системи нечеткого виводу Такагi-Сугено описуеться термом low (це стан к.з. чи близьких до нього режимiв), середшх - medium, а довгих - high (це стани о.д. чи близьких до нього) (рис. 2). Терми лшгвктично змшно! Ua подаш функцями приналежносп типу gauss2mf.
У станах ЕР в околi робочо! точки А сигнал розуз-годження обчислюеться за напруговим законом (2), бо вш дае змогу реалiзувати автономне (пофазно незалеж-не) регулювання довжин дуг. Це шдвищуе динамiчну точнiсть стабшзацп координат ЕР на рiвнi уставок.
У станах ЕР, що виникають при ди екстремаль-них збурень - к.з., о.д. чи близьких до них, активним для формування сигналу розузгодження Ur(Ua, Ia) встановлюеться удосконалений диференцiйний закон (3), за якого, на вщм^ вiд напругового (2), краще реалiзуються процеси запалюванння дуг.
На рис. 3 показано розроблену структурну схему блока порiвняння БП (рис. 1), що реалiзуе у кожнш фазi регулювання нечiтку адаптивну до стану ЕР модель формування сигналу розузгодження
Ur (Ua, Ia ) = (1 - k (Ua )) ^(Ua ) + + k(Ua ) Ur.2(Ua,Ia ) .
Наведена структурна схема iлюструе реалiзацiю запропоновано! нечiтко! адаптивно! до сташв ЕР модель (4) обчислювання сигналу розузгодження Ur(Ua, Ia) ЕР. У функцп цього сигналу у блош CSFB (рис. 1) формуеться сигнал керування рухом електро-дав Ucla .
(4)
Рис. 3. Структурна схема БП з адаптивною до змши сташв ЕР нечгжою моделлю формування сигналу розузгодження
Нечика адаптацiя процесу регулювання реаль зуеться системою нечеткого виведення FIS, яка фун-кцюнуе на основi моделi Такагi-Сугено (рис. 3). Вхщною лiнгвiстичною змiнною FIS е дшче значення напруги дуги Ua. Для !! оперативного опрацюван-ня в блоцi FIS реалiзовано наступну базу правил нечетких продукцiй:
1. ifUa е low then k = 1 [1] ;
2. if Ua е medium then k = 0 [1] ; (5)
3. ifUa е high then k = 1 [1].
Прийнятим вище алгоритмiчним та параметрич-ним степеням свободи системи нечеткого виведення FIS вiдповiдае показана на рис. 4 залежнють k(Ua).
У процесi вiдпрацювання збурень ЕР у блощ 1 (рис. 3) неперервно формуеться сигнал розузгодження за законом ввдхилення напруги Ur.i(Ua) (2), та за мо-дифiкованим диференцшним законом Ur 2(Ua, Ia ) (3) у блош 2. Щ сигнали розузгодження у блоках 3 та 4 перемножуються на 1-k та k вiдповiдно, а далi у сума-
торi 5 y вiдповiдноcтi з моделлю (4) розрaxовyeтьcя Ur(Ua, ¡a). 1з зaпропоновaноï нечiткоï моделi керуван-ня (4) випливae, що y точщ А зaдaного режимy cигнaл розyзгодження UJUa.et, ¡a.e) = 0.
250 Ua ,V зоо
Рис. 4. Залежшсть k(Ua) системи нечеткого виведення FIS
У режимах дй' екстремальних збурень керування рухом електродiв виконуеться за диференцiйним законом (k s 1), за якого реалiзуеться ефективне для надiйного запалювання дуг керування рухами елект-родiв.
У режимах близьких до заданого ЕР (k s 0) - ошл точки A(Ua.set, JŒset) керування рухом електродiв реаль зуеться за законом ввдхилення напруги дуги (2). При цьому отримуеться автономне пофазне керування рухом електрода.
Дослвдження ефективностi розроблено! нечiткоï адаптивно! до сташв ЕР моделi регулювання довжин дуг проведено на трифазнш у миттевих координатах Simulink-моделi САР положення електродiв дугово! печi ДСП-200 [6, 17]. Ця модель прийнята базовою. На нiй дослвджувалася динамжа САР ЕР з регулятором потужносп АРДМ-Т-12, що використовуеться на цщ печi. У подальшому, в блощ порiвняння цiеï Simulink-моделi реалiзувався нечiткий закон (4) формування сигналу розузгодження (рис. 3). На такш Simulink-моделi дослiджувалася динамiка регулювання координат ЕР з використанням запропоновано! нечiткоï моделi регулювання довжин дуг.
Для адекватного ввдтворення в Simulink-моделях станiв та динамiки регулювання координат ЕР у рiз-них технолопчних стадiях плавлення, в них закладено можливiсть реалiзацiï вiдповiдних стадiям плавлення моделей динамiчних вольт-амперних характеристик (ДВАХ) дуг ua(ia) та моделей генерування випадкових процесiв збурень fla(t) за довжинами дуг.
Для цього в Simulink-моделях передбачено мож-ливють реалiзацiï трьох моделей ДВАХ: лшшно! ua(t) = Ra(t) ■ia(t), нелiнiйноï на основi функцiï арктангенса
Ua (t) = 2 • Eam • arctan(k • ia (t))ln , та нелшшно1' на основi диференцшного рiвняння Каса
dga (t ) dt
f \2 ( Ua (t) ^
E
\ ^ am у
ga (t ),
ними параметрами ïx cтоxacтичниx xaрaктериcтик. У процеci комп'ютерниx достаджень генерyвaлиcя ви-пaдковi процеcи, яш рiзнилиcя чacтотним cпектром та амплггудними xaрaктериcтикaми, i якi вiдповiдaли процеcaм збyрень, що дшть на теxнологiчниx cтaдiяx проплавлювання колодязiв в maxri, обвaлiв шиxти та окиcлювaння розплaвy y дyговiй печi ДСП-200.
Комп'ютерш доcлiдження покaзникiв динaмiки регyлювaння довжин дуг виконувалтея при реaлiзaцiï в Simulink-моделi САР ЕР диференцiйного закону (1) формування стгналу розузгодження, що використову-eтьcя в регyляторi АРДМ-Т-12 дугово1' печi ДСП-200, та при використанш запропонованого нечiткого закону Ur(Ua, ¡a). (4). З метою коректного порiвняння ди-нaмiки обоx зaконiв, доcлiдження виконyвaлиcя при дп однaковиx реaлiзaцiй детермiновaниx та випадко-виx збурень, що вiдповiдaли доcлiджyвaним cтaдiя плавлення.
За результатами порiвняльного aнaлiзy показни-к1в динaмiки регулювання координат ЕР при викорж-танш обоx зaконiв регулювання довжин дуг форму-лювaлиcя виcновки про ефектившсть запропоновано1' нечiткоï моделi (4) y порiвняннi з диференцiйною (1).
На риа 5 показано отримaнi на Simulink-моделяx чacовi зaлежноcтi напруг та cтрyмiв дуг печi ДСП-200 при вщпрацюванш поcлiдовноcтi детермiновaниx збурень, а caме, cиметричного трифазного екстлуата-цшного к.з. t e 0.5-1.75 c; однофазного к.з. y фaзi С t e 1.75-2.8 c та близького до обриву дуги y фaзax А та В te 2.8-4 c, диференцшною (1) та нечеткою (4) моделями регулювання.
■ 10'
ч
\ í ч
J
la (phase А) la (phase В) la (phaseС)
--- t ¿У
и;
3.5 ta 4
де ga(t), Ra(t) - митгева провiднicть та отр дуги; Eam - проти-ЕРС дуги; ua(t), ia(t) - миттeвi напруга та cтрyм дуги, da - стала чacy дуги, що xaрaктеризye ïï теплову iнерцiйнicть.
В Simulink-моделяx САР ЕР реaлiзовaно З гене-ратори незaлежниx випaдковиx процеciв зi змшюва-
X104
i' 4
//
---la (phase В) d)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 35 ts 4
Рис. 5. Часовi залежносл напруг та струмш дуг печi ДСП-200 при регулюваннi детермйнованих збурень: a, b - нечiтка модель (4), c, d - диференцшна модель (1)
Трифазне симетричне експлуатацшне к.з. ввд-працьовуеться обома моделями иг(иа, /а) однаково, бо у цьому режимi взаемовпливи фазних навантажень вiдсутнi. Аналiз отриманих процесiв иа)(() (]=А,В,С) вщпрацюванш несиметричних детермiнованих збу-рень показуе, що при нечiткiй моделi (4) регулювання довжини дуги вiдбуваються лише у тих фазах, де виникли ввдхилення довжини дуги. При цьому рухи електродiв у фазах, де збурення вiдсутнi, е мiнiмальнi. Виникають вони лише у першi моменти ди екстрема-льних збурень, коли використовуеться диференцiйний закон (1) для запалювання дуг. При диференцiйнiй моделi (1) регулювання (регулятор АРДМ-Т-12) пе-ремiщення електродiв у певних станах ЕР е хибними, вони не завжди вщповвдають фазним станам ЕР.
Ц висновки пiдтверджуеться також i аналiзом часових залежностей фазних сигналiв розузгодження и^) i швидкостей ю() двигунiв перемiщення елект-родiв при вщпрацюванш цих же детермiнованих збурень, яш показанi на рис. 6.
яУ
А
\.„
■
-иг (рИаве А) ---иг (рЬа5е В)
А Ь)
.... / ч
\ /
1/ - -00(рЬазе А) --Сй(рЬвав В)
1 1
А ф
г\ ... 1 Д
—? / /
V
-00 (р**эве А) ---ОМрЬззе В)
О 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 1,3 А
Рис. 6. Часовi залежноси сигналш розузгодження иг^) та швидкостей (0$) двигушв ММЕ при нечiгкiй (4) (а, Ь) та диференцшнш (1) (с, С) моделях регулювання довжин дуг
Показанi на рис. 5 та рис. 6 динашчш процеси регулювання детермiнованих збурень у такому «чистому» виглядi на iнтервалi плавки трапляються рвдко. Тому !х дослвдження та аналiз проведено лише як тестування з метою пвдтвердження коректностi функ-цiонування спроектовано! системи нечiткого виведен-ня БШ в структурi САР ЕР. Для повноти !х аналiзу зазначимо, що час регулювання дослiджених детермь нованих збурень при використаннi нечетко! моделi (4) блока порiвняння БП е на 10-20 % меншим за викори-стання диференцшно! (1). Середня по фазах штегра-
¡•4 - 2
льна квадратична оцiнка якостi /зд = ^(/а - 1а (()) С
регулювання цих збурень на iнгервалi t е [0,4] с покра-щилася на 8,6 %. Значення ще! оцшки пропорцшне зме-ншенню втрат потужносп в короткий мереж1 ДСП.
Отриманi значення показують тдвищення швид-кодп регулювання, покращення динaмiчно! точностi стабшзацп координат ЕР та полшшення енергоефек-тивносет ДСП при регулюваннi детермiнованих збурень нечеткою моделлю (4) БП.
Але отримати iнтегральну оцiнку ефективносет запропоновано! нечетко! моделi регулювання довжин дуг можна лише на прикладах регулювання пофазно несиметричних випадкових збурень за довжинами дуг, якi е основними збуреннями у процесi плавлення в ДСП.
Для цього проводилися комп'ютернi симулю-вання режимiв регулювання випадкових збурень на штервалах стацiонарностi Тс = 180-240 с !х змiни для рiзних технологiчних стадiй плавлення при викорис-тання обох моделей регулювання. На рис. 7 показано отримаш на 81ши1шк-моделях фрагменти t е 0-30 с цих процеав регулювання координат ЕР за викорис-тання розроблено! нечетко! моделi (4) (рис. 7,Ь, рис. 7,с) та за диференцшного закону (1) (регулятор АРДМ-Т-12) (рис. 7,С, рис. 7,е) печi ДСП-200. При цьому процеси збурень /0,(0 (рис. 7,а) вiдповiдaли стадп обвaлiв шихти.
На цьому рисунку показано процеси змши на-пруг иаА(^) та струмiв /сА(1) дуг фази А. Анaлiз отриманих у цих комп'ютерних експериментах процеав /а.,(£) показуе, що дисперс1я струмiв дуг за викорис-тання нечетко! (4) моделi регулювання склала:
Бг = 168,3 кА2
/А '
Бг
159,3 кА2, Б
'/с
181,2 кА2
а за диференцшно! моделi Б/а = 236,3 кА ; Б/в =
= 235,1 кА2, Б/с = 219,9 кА2. При цьому середня по
фазах дисперс1я струмiв дуг для цих моделей регулювання склала: = 169,6 кА2, = 203,3 кА2 ввд-поввдно, а середне по фазах зменшення дисперсп струмiв дуг АБ/ = 33,7 кА2 або 4,5 % ввд максимально можливо! дисперсп струмiв дуг.
Дослвдження динамши регулювання струмiв дуг на шших технолопчних стад1ях плавлення, тобто за ди випадкових збурень з шшими aмплiтудними та частот-ними характеристиками, показали, що дисперс1я стру-мiв дуг при використанш запропоновано! нечiтко! мо-делi регулювання зменшувалася на 3-7,5 %.
Зпдно вiдомих результaтiв дослiджень, за отри-мано! оцiнки зниження дисперсi! струмiв дуг на
в
3-7,5 %, продуктивнють дугово! ne4i щдвищуеться на
4-5 %, а nrnüMi витрати електроенергй' знижуються на 3-4 %. Для надпотужно! ne4i ДСП-200 це дае суттеве полiпшення показнишв електротехнолопчно! ефекти-вностi.
У подальшому плануеться дослiдити вплив на показники динамiки iнших алгоритмiчних та параме-тричних степенiв свободи моделi системи нечеткого виведення FIS на динамшу регулювання координат ЕР та на показники енергоефективносп дугово! печi.
Рис. 7. Часовi залежностi збурень/аА() (а), напруг Ц,^), струм1в /а>А(г) дуг при використаннi нечетко! (4) (Ь, с) та диференцшно! (1) (С, е) моделей регулювання довжин дуг
Висновки.
1. Запропонована нечггка модель формування сигналу розузгодження ЕР з оперативною адаптацieю до його поточного стану у кожнш фазi у порiвняннi з вщомими моделями керування дае змогу реалiзувати пофазно автономне регулювання довжин дуг i тдви-щити ефективнiсть керування режимами роботи ДСП.
2. Щдтверджено можливють реалiзацii пофазного автономного вщпрацювання детермiнованих та випа-дкових збурень ЕР в дiапазонi середнiх довжин дуг при використанш запропоновано! нечетко! моделi, що дае змогу у середньому по фазах на рiзних стадiях плавлення зменшити дисперсiю струмiв дуг ДСП на 3-7,5 %, та на цш основi шдвищити продуктивнiсть
ДСП на 4-5 %, i зменшити питомi витрати електроенергй на 3-4 %.
СПИСОК ШТЕРАТУРИ
1. Казаков C.B., Гартен В. Восьмая международная конференция по электрометаллургии стали. Электрометаллургия, 2005, № 12, С. 36-43.
2. Кудрин Б.И. Ретроспективные и перспективные взгляды на электропотребление в электрометаллургии. Электрометаллургия, 2003, № 10, С. 2-13.
3. Лопухов Г.А. Состояние и тенденции развития электросталеплавильного производства (по материалам 33 Конференции IISI). Электрометаллургия, 2000, № 7, С. 35-37.
4. Маслов Д.В. Разработка алгоритмов и систем управления дуговыми сталеплавильными печами, снижающих поломки электродов: автореф. дисс. канд. техн. наук. - Москва, 2014.
5. Люта А.В. Удосконалена система управлшня приводом перемщення електродгв дугових сталеплавильних печей: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Донецьк, 2013.
6. Lozynskyi O., Paranchuk Y., Stakhiv P. The study of dynamics of the two-loop arc furnace electric mode ACS on a Simulink-model. Przeglad Elektrotechniczny, 2018, no. 12, pp. 24-27. doi: 10.15199/48.2018.12.06.
7. Lozinskii, O.Y., Paranchuk, Y.S. System for the optimum control of the electrical conditions of an arc furnace powered through a controlled reactor. Russian Metallurgy (Metally), 2007, no. 8, pp. 737-743. doi: 10.1134/S0036029507080204.
8. Nikolaev A.A., Kornilov G.P., Anufriev A.V., Pekhterev S.V., Povelitsa E.V. Electrical optimization of superpowerful arc furnaces. Steel in Translation, 2014, vol. 44, no. 4, pp. 289297. doi: 10.3103/S0967091214040135.
9. Mees H., Hohl J., Krüger K. Dynamic Condition-Based Scrap Melt Control: Results of the Application at Thyssenkrupp Nirosta in Bochum. 10th European Electric Steelmaking Conference, Graz, 25-28 September, 2012.
10. Николаев А.А., Тулупов П.Г. Разработка усовершенствованных алгоритмов управления гидроприводом перемещения электродов сверхмощной электродуговой сталеплавильной печи ДСП-250. Электротехнические системы и комплексы, 2015, № 3 (28), C. 20-27.
11. Николаев А.А., Корнилов Г.П., Тулупов П.Г., Повелица Е.В. Анализ различных вариантов построения систем автоматического управления перемещением электродов дуговых сталеплавильных печей и установок ковш-печь // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова, 2015, № 2, C. 90-100.
12. Nikolaev A.A., Tulupov P.G. Method of setting optimum asymmetric mode of operation of electric arc furnace. 2016 11th France-Japan & 9th Europe-Asia Congress on Mechatronics (MECATRONICS) /17th International Conference on Research and Education in Mechatronics (REM), Jun. 2016. doi: 10.1109/mecatronics.2016.7547111.
13. Nikolaev A.A., Tulupov P.G., Savinov D.A. Mathematical model of electrode positioning hydraulic drive of electric arc steel-making furnace taking into account stochastic disturbances of arcs. 2017 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), May 2017. doi: 10.1109/ICIEAM.2017.8076205.
14. Nikolaev A., Povelitsa E., Kornilov G., Anufriev A. Research and development of automatic control system for electric arc furnace electrode positioning. Applied Mechanics and Materials, 2015, vol. 785, pp. 707-713. doi: 10.4028/www.scientific.net/amm.785.707.
15. Lozynskyy O., Paranchuk Y., Paranchuk R. Fuzzy control law of electrode travel in arc steelmaking furnace. 16th International Conference on Computational Problems of Electrical Engineering (CPEE), Sep. 2015. doi: 10.1109/cpee.2015.7333349.
16. Paranchuk Ya.S., Paranchuk R.Ya. Neural network system for continuous voltage monitoring in electric arc furnace. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, 2016, no. 2 (152), pp. 74-80.
17. Lozynskyy O., Paranchuk Y., Kobylianskyi O. Simulink model of electric modes in electric arc furnace. 2017 IEEE International Young Scientists Forum on Applied Physics and Engineering (YSF), Oct. 2017. pp. 54-57. doi: 10.1109/YSF.2017.8126591.
REFERENCES
1. Kazakov S.V., Garten, V. The 8th international Conference on Electrometallurgy of Steel (part I). Electrometallurgy, 2005, no. 12, pp. 36-43. (Rus).
2. Kudrin B.I. Retrospective and perspective views on electrical consumption in electrometallurgy. Electrometallurgy, 2003, no. 10, pp. 2-13. (Rus).
3. Lopukhov G.A. The state and tendencies of development of electro-smelting production (based on materials 33 of the IISI Conference). Electrometallurgy, 2000, no. 7, pp. 35-37. (Rus).
4. Maslov D.V. Razrabotka algoritmov i sistem upravleniia dugovymi staleplavil'nymi pechami, snizhaiushchikh polomki elektrodov. Avtoref. diss. kand. tehn. nauk [Development of algorithms and control systems for arc steelmaking furnaces that reduce electrode breakage. Abstracts of cand. techn. sci. diss.]. Moscow, 2014. (Rus).
5. Lyuta A.V. Udoskonalena systema upravlinnia pryvodom peremishchennia elektrodiv duhovykh staleplavylnykh pechei Avtoref. diss. kand. tehn. nauk [Improved control system for moving water of electrodes of arc steelmaking furnaces. Abstracts of cand. techn. sci. diss.]. Donetsk, 2013. (Ukr).
6. Lozynskyi O., Paranchuk Y., Stakhiv P. The study of dynamics of the two-loop arc furnace electric mode ACS on a Simulink-model. Przeglad Elektrotechniczny, 2018, no. 12, pp. 24-27. doi: 10.15199/48.2018.12.06.
7. Lozinskii, O.Y., Paranchuk, Y.S. System for the optimum control of the electrical conditions of an arc furnace powered through a controlled reactor. Russian Metallurgy (Metally), 2007, no. 8, pp. 737-743. doi: 10.1134/S0036029507080204.
8. Nikolaev A.A., Kornilov G.P., Anufriev A.V., Pekhterev S.V., Povelitsa E.V. Electrical optimization of superpowerful arc furnaces. Steel in Translation, 2014, vol. 44, no. 4, pp. 289297. doi: 10.3103/S0967091214040135.
9. Mees H., Hohl J., Krüger K. Dynamic Condition-Based Scrap Melt Control: Results of the Application at Thyssenkrupp Nirosta in Bochum. 10th European Electric Steelmaking Conference, Graz, 25-28 September, 2012.
10. Nikolaev A.A., Tulupov P.G. Development of the improved control algorithms for ultra-high power electric arc furnace EAF-250 electrode motion system. Electrotechnical Systems and Complexes, 2015, no. 3 (28), pp. 20-27. (Rus).
11. Nikolaev A.A., Kornilov G.P., Povelitsa E.V., Tulupov P.G. Study of different methods to design automated electrode position control systems for electric arc furnaces and ladle furnaces. Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University, 2015, no. 2, pp. 90-100. (Rus).
12. Nikolaev A.A., Tulupov P.G. Method of setting optimum asymmetric mode of operation of electric arc furnace. 2016 11th France-Japan & 9th Europe-Asia Congress on Mechatronics (MECATRONICS) /17th International Conference on Research and Education in Mechatronics (REM), Jun. 2016. doi: 10.1109/mecatronics.2016.7547111..
13. Nikolaev A.A., Tulupov P.G., Savinov D.A. Mathematical model of electrode positioning hydraulic drive of electric arc steel-making furnace taking into account stochastic disturbances of arcs. 2017 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), May 2017. doi: 10.1109/ICIEAM.2017.8076205.
14. Nikolaev A., Povelitsa E., Kornilov G., Anufriev A. Research and development of automatic control system for electric arc furnace electrode positioning. Applied Mechanics and Materials, 2015, vol. 785, pp. 707-713. doi: 10.4028/www.scientific.net/amm.785.707.
15. Lozynskyy O., Paranchuk Y., Paranchuk R. Fuzzy control law of electrode travel in arc steelmaking furnace. 16th International Conference on Computational Problems of Electrical Engineering (CPEE), Sep. 2015. doi: 10.1109/cpee.2015.7333349.
16. Paranchuk Ya.S., Paranchuk R.Ya. Neural network system for continuous voltage monitoring in electric arc furnace. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, 2016, no. 2 (152), pp. 74-80.
17. Lozynskyy O., Paranchuk Y., Kobylianskyi O. Simulink model of electric modes in electric arc furnace. 2017 IEEE International Young Scientists Forum on Applied Physics and Engineering (YSF), Oct. 2017. pp. 54-57. doi: 10.1109/YSF.2017.8126591.
Надтшла (received) 25.02.2020
ПаранчукЯрослав Степанович1, д.т.н., проф., Паранчук Роман Ярославович1, к.т.н., 1 Нацюнальний ушверситет «Л^вська полггехшка», 79013, Львш, вул. С. Бандери, 12, e-mail: yparanchuk@yahoo.com
Y.S. Paranchuk1, R.Y. Paranchuk1
1 Lviv Polytechnic National University,
12, S. Bandera Str., Lviv, 79013, Ukraine.
Research of arc furnace electrical mode with a fuzzy control
model.
Goal. The purpose of the paper is to increase the efficiency of arc steelmaking furnace (ASF) operating modes control basing on the improvement of arc lengths control model. Method. The control model is based on the fuzzy set theory, and the structural modelling methodology is used to study the dynamics indices. Results. The structural scheme of a furnace arc lengths fuzzy control system and the electrical mode (EM) coordinate control dynamics parameters values in response to the deterministic and random arc lengths fluctuations were obtained. Scientific novelty. For the first time, a fuzzy model of an EM mismatch signal generation with operational adaptation to its current state in each phase was developed, which enabled by-phase independent control of arc lengths and improved energy efficiency. Practical value. Dynamic accuracy of EM coordinates stabilization at the setpoint level is improved, in particular the arc currents dispersion is reduced, which leads to a corresponding power loss decrease in arc furnace short network, an increase of the furnace productivity, as well as to an improvement of the electromagnetic compatibility of the arc furnace and power supply network. References 17, figures 7. Key words: arc steelmaking furnace, electric mode, fuzzy control, autonomy, dispersion.
