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(1.北京礦冶研究總院,北京 100083;2.北京科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,北京 100083;3.北京北礦智能科技有限公司,北京 102600)

電弧爐合金冶煉工藝流程復(fù)雜,受多階段、多參數(shù)調(diào)控機(jī)制共同作用的冶煉過(guò)程控制是業(yè)界研究重點(diǎn)。近年來(lái),電弧基本特性理論逐漸完善,電弧爐電弧導(dǎo)熱、弧光熱效應(yīng)、過(guò)程弧流參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)控研究成果顯著,取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。但國(guó)內(nèi)冶金工藝水平參差不齊,電弧爐弧流參數(shù)調(diào)控作業(yè)粗放管理,在設(shè)定電抗器、變壓器和弧流參數(shù)等操作時(shí)人為經(jīng)驗(yàn)占主導(dǎo),缺乏過(guò)程參數(shù)的智能化檢測(cè)方法和全流程弧流參數(shù)的自動(dòng)化調(diào)控機(jī)制。

電弧爐全流程弧流參數(shù)控制是優(yōu)化復(fù)雜冶金過(guò)程的關(guān)鍵技術(shù)之一。電弧爐冶煉全流程弧流目標(biāo)值在調(diào)控機(jī)制下發(fā)生階段性變化,產(chǎn)生多個(gè)局部弧流變化階段?；×鲃?dòng)態(tài)變化涉及2 種情況:給定弧流目標(biāo)值條件下測(cè)量值的跟隨變化,以及目標(biāo)值變化下弧流參數(shù)的動(dòng)態(tài)跟隨情況。目前弧流控制器設(shè)計(jì)方案大多假定弧流目標(biāo)值已知且恒定[1],文獻(xiàn)[2 -4]分別針對(duì)弧流和弧壓參數(shù)控制,在系統(tǒng)的弧流目標(biāo)值恒定條件下,通過(guò)電弧爐電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型來(lái)建立弧流弧壓與電極的相關(guān)關(guān)系。文獻(xiàn)[5 -6]分析了電弧爐三相電極之間的強(qiáng)耦合性,通過(guò)建立三相電弧爐的供電曲線來(lái)描述冶煉過(guò)程的弧流參數(shù)變化,采用單相電路來(lái)等效描述三相電極供電電路,采用基爾霍夫電路方程來(lái)描述供電電路弧流控制系統(tǒng)輸入及狀態(tài)參數(shù)關(guān)系。文獻(xiàn)[7]研究了三相等效電路的二次短網(wǎng)特性,通過(guò)建立有功功率P 和無(wú)功功率Q 的相關(guān)關(guān)系來(lái)獲得二次功率圓圖,采用最大弧功率Parc-max來(lái)確定最佳弧流設(shè)定點(diǎn)。文獻(xiàn)[8 -9] 研究了弧流控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)電極調(diào)節(jié)器,采用模糊PID 控制的微分因子分段處理來(lái)控制局部階段的弧流,通過(guò)弧流參數(shù)的間接調(diào)整來(lái)解決電弧爐電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)大滯后和強(qiáng)耦合的問(wèn)題。上述弧流參數(shù)控制研究針對(duì)電弧爐冶金過(guò)程的局部弧流變化,對(duì)恒定目標(biāo)值的擬合取得了良好效果,但只考慮弧流從起始階段達(dá)到單一目標(biāo)值,忽略了局部階段弧流目標(biāo)值確定的前提條件,局限在局部階段的弧流參數(shù)控制,不適用于整個(gè)冶金過(guò)程弧流目標(biāo)值變化情況的電弧弧流控制。

針對(duì)目標(biāo)值變化下弧流參數(shù)的動(dòng)態(tài)跟隨情況,各個(gè)子流程間存在弧流目標(biāo)值工藝影響下的變化。研究表明,電弧弧流參數(shù)控制既要存在目標(biāo)值的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定變化,還受不同的弧流目標(biāo)值變化的影響。在低級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)中,人為的目標(biāo)值確定具有隨機(jī)性,常導(dǎo)致弧流控制的滯后性、模糊性[10]。文獻(xiàn)[11-13]采用時(shí)間觸發(fā)策略對(duì)通信過(guò)程采樣和調(diào)控,按照既定的時(shí)間間隔調(diào)整系統(tǒng)局部過(guò)程目標(biāo)值,該方法取代了人為參與目標(biāo)值的調(diào)控過(guò)程,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性有所改善。但是在時(shí)間因素影響較小的電弧爐控制系統(tǒng),該方法時(shí)效性不足,適用性有待商榷。事件觸發(fā)機(jī)制(Event-triggered mechanisms,ETMs)最初用于通信范疇中資源利用率的提升,被認(rèn)為是資源受限應(yīng)用中的一個(gè)重要的通信范式轉(zhuǎn)變。相比較于時(shí)間觸發(fā),事件觸發(fā)機(jī)制能在預(yù)期的系統(tǒng)控制和資源利用效率提升上實(shí)現(xiàn)平衡[14]。文獻(xiàn)[15]設(shè)計(jì)滿足控制器與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重估計(jì)器同步觸發(fā)的事件觸發(fā)機(jī)制,解決了船舶編隊(duì)控制任務(wù)中存在控制輸入頻繁抖振、模型結(jié)構(gòu)未知和航行速度難以控制的問(wèn)題,提高有限通信資源的最低要求限度。多智能體系統(tǒng)控制的優(yōu)化是在引入事件觸發(fā)機(jī)制上進(jìn)行的,文獻(xiàn)[16 -17]研究了多智能體系統(tǒng)的靜態(tài)事件觸發(fā)機(jī)制,實(shí)現(xiàn)多智能體系統(tǒng)的事件觸發(fā)分布式協(xié)調(diào)控制,將事件觸發(fā)機(jī)制應(yīng)用于系統(tǒng)控制過(guò)程。但固定的事件觸發(fā)針對(duì)大滯后、強(qiáng)耦合系統(tǒng)效果不佳,會(huì)犧牲更多的實(shí)時(shí)控制以及估計(jì)性能。近些年來(lái),動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)機(jī)制(Dynamic Event-triggered Mechanism,DETMs)優(yōu)化了傳統(tǒng)的單一事件觸發(fā)機(jī)制中的靈活性問(wèn)題,尋求更接近于最優(yōu)觸發(fā)的事件,滿足比傳統(tǒng)事件觸發(fā)機(jī)制更為靈活的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求[18]。文獻(xiàn)[19 -20]基于車載網(wǎng)絡(luò)的車輛主動(dòng)懸架系統(tǒng)控制、針對(duì)質(zhì)量-彈簧-阻尼器機(jī)械系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化控制,通過(guò)分析比較不同場(chǎng)景的DETMs 機(jī)制來(lái)表明大滯后的動(dòng)態(tài)條件下DETMs 更優(yōu)于傳統(tǒng)ETMs。

綜上,冶金全流程控制依據(jù)局部到整體的研究過(guò)程,本文在全流程的弧流局部調(diào)節(jié)過(guò)程采用模糊PID 控制的基礎(chǔ)上,提出加入動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)機(jī)制DETMs,將局部過(guò)程弧流描述擴(kuò)展到電弧爐冶金的全流程。首先,從能量角度建立電弧爐冶煉過(guò)程多目標(biāo)優(yōu)化模型,并在弧流控制全流程引入DETMs 對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化,在電氣特性和工藝指標(biāo)的約束下,制訂具有弧流、弧壓和電抗協(xié)同作用的冶煉控制策略。本文從現(xiàn)有的過(guò)程控制方法入手,以鈹銅合金冶金冶煉過(guò)程電弧爐的弧流參數(shù)變化作為演示模型,揭示事件觸發(fā)機(jī)制在冶金過(guò)程控制中的有效性。

1 電弧弧流定性分析

1.1 電弧產(chǎn)生機(jī)理

電弧是一種氣體或蒸汽自持的放電現(xiàn)象,當(dāng)氣體由絕緣態(tài)被擊穿后變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài),電流從氣體中流過(guò),產(chǎn)生電弧。電弧模型如圖1 所示,A 和C 表示近極段,Z 表示弧柱段。電離的正離子和負(fù)離子復(fù)合產(chǎn)生強(qiáng)烈的光和熱,用于持續(xù)為合金冶煉提供能量?；≈鵝 類似于電阻,溫度一般大于6 000 K,是原料反應(yīng)最主要的熱源。

圖1 電弧產(chǎn)生示意圖Fig.1 Arc generation diagram

在直流電弧靜態(tài)條件下,冶煉過(guò)程中電弧爐電弧弧流、弧壓和弧長(zhǎng)的關(guān)系表達(dá)為式(1)。

式中:Uh為當(dāng)前弧壓,V;U0為近極壓降,V;Ih為弧流,A;l為電弧弧長(zhǎng),m;c、n參數(shù)與電極材料、氣體介質(zhì)和氣體壓力等有關(guān)。

1.2 電弧爐電氣特性理論分析

電弧爐一般是三相交流供電,三相電極等效電路見(jiàn)圖2。

圖2 三相電極等效電路Fig.2 Three-phase electrode equivalent circuit

一般認(rèn)為三相電阻抗均衡,有式(2)～(5)所示關(guān)系。

通常情況下三相電流相等,實(shí)際電流在目標(biāo)值附近波動(dòng)。電弧具有弧流增加而弧壓減小的阻抗特性,且受溫度影響,弧流弧壓呈非線性關(guān)系,導(dǎo)致電弧的負(fù)阻抗特性不穩(wěn)定。為了使弧流穩(wěn)定、可控,三相電路必須串聯(lián)電抗,當(dāng)弧流增加時(shí),由于伏安特性導(dǎo)致的電弧電壓減小量與電抗器兩端的電壓降減小量相等,弧流能夠在目標(biāo)值左右穩(wěn)定波動(dòng),此時(shí)電弧呈現(xiàn)正阻抗特性。

一般認(rèn)為,冶煉過(guò)程電弧爐的運(yùn)行電抗與短路電抗相當(dāng),文獻(xiàn)[21 -22]指出,電抗計(jì)算可根據(jù)數(shù)學(xué)回歸方法計(jì)算估計(jì)值,得到的電弧爐運(yùn)行電抗計(jì)算公式見(jiàn)式(6)。

式中:Xop為運(yùn)行阻抗,Ω:I為電路電流,A;常數(shù)a、b、c與冶煉工藝、爐子結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)器等相關(guān),可根據(jù)實(shí)際觀測(cè)的阻抗與電流數(shù)據(jù)擬合確定。

根據(jù)單相電路分析,電路有功功率相等,詳見(jiàn)式(7)。

式中:P表示電弧功率,kW。

則三相電路的電弧功率Parc可表達(dá)為式(8)。

將式(6)帶入式(8),得到式(9)。

根據(jù)三相電路功率消耗,定義電熱能耗比值,見(jiàn)式(10)。

式中:B為電能消耗,由有功功率計(jì)算表示;K為熱能消耗,由電弧功率Parc計(jì)算表示。

以冶煉過(guò)程最小電能消耗為目標(biāo)時(shí),可得到交流電弧爐的供電優(yōu)化約束模型,見(jiàn)式(11)。式中:I表示電路電流,與弧流相等,A;K表示冶煉工藝熱耗,J;r表示電路總等效阻值,Ω;a、b、c為電抗與電流的關(guān)系系數(shù)。

1.2 電弧熱量分解

電弧的熱效應(yīng)決定了全流程弧流的動(dòng)態(tài)升高。公式(12)描述了應(yīng)用導(dǎo)體的焦耳-楞次定律計(jì)算弧流放熱量,弧流的產(chǎn)熱量與電流強(qiáng)度的平方成正比,冶煉時(shí)為達(dá)到原料熔點(diǎn),提高電弧弧流是最有效的方式。

式中:Qh為電弧發(fā)熱總功率,J;t表示從生弧到斷弧的總冶煉時(shí)間,s。

電弧爐在穩(wěn)定狀態(tài)燃燒時(shí),直流電弧靜態(tài)電壓電流特性表現(xiàn)為電流強(qiáng)度Ih和電弧長(zhǎng)度Lh恒定不變。電弧耗散發(fā)熱總功率表達(dá)為式(13)。

式中:Ph表示散發(fā)的總功率,kW。

該公式表明了電弧的負(fù)阻特性,對(duì)于相同的電弧電壓,弧長(zhǎng)越長(zhǎng),電弧的電流越大,其弧溫就越高。因此,冶煉過(guò)程電弧弧流需要不斷調(diào)整升高,使?fàn)t溫達(dá)到金屬熔點(diǎn)。

熱平衡原理和能量守恒關(guān)系表明,電弧產(chǎn)熱與耗熱收支平衡,平衡參數(shù)見(jiàn)表1,平衡關(guān)系式詳見(jiàn)式(14)。

表1 電弧爐熱平衡表Table 1 Electric arc furnace heat balance table

表3 冶煉過(guò)程事件觸發(fā)機(jī)制表Table 3 Smelting process event trigger mechanism table

式中:Qh為電弧的電熱效應(yīng)產(chǎn)生的焦耳熱;Qi為總耗熱,包含軸向熱導(dǎo)和橫向熱導(dǎo)2 部分,橫向熱導(dǎo)過(guò)程是電弧弧柱在爐腔內(nèi)與周圍的流體環(huán)境發(fā)生的熱傳遞,由傳導(dǎo)功率Pcd、對(duì)流功率Pdl、輻射功率Pfs3部分組成,軸向?qū)嶂饕鞘姌O熱導(dǎo)產(chǎn)生的熱耗散。

1)軸向熱導(dǎo)消耗。在電弧穩(wěn)定燃燒時(shí),近極段產(chǎn)熱通過(guò)電極材料和燃弧介質(zhì)等發(fā)生固體熱傳導(dǎo),根據(jù)傅立葉熱傳導(dǎo)公式,石墨電極向上傳導(dǎo)至爐口的火焰熱量傳導(dǎo)公式見(jiàn)式(15)。

式中:λg為材料熱導(dǎo)系數(shù);A為石墨電極與電弧接觸部分傳熱面積;dx為爐內(nèi)電極長(zhǎng)度;dt=Th-Tg,表示燃弧作用下?tīng)t口部分電極溫度Tg與近極段溫度Th差值,Tg可由溫度傳感器測(cè)得,近極段近極區(qū)的溫度Th受電極材料沸點(diǎn)的限制,低于弧柱的溫度。

2)橫向熱導(dǎo)。橫向熱導(dǎo)Qc是電弧放熱在爐腔內(nèi)的熱效應(yīng),傳熱功率表示為溫度的改變量與電阻之比,電弧弧柱的熱傳導(dǎo)功率Pcd可由式(16)表示。

式中:λ為氣體介質(zhì)的熱導(dǎo)率,鈹銅合金蒸汽熱導(dǎo)率為195 W/(mK);rh、r0分別表示在弧柱表面溫度Th、環(huán)境溫度T0下的弧柱半徑。

在鈹銅合金冶煉過(guò)程,弧柱半徑近似表達(dá)為式(17)。

對(duì)流是弧柱內(nèi)由于電離產(chǎn)生的熾熱氣體與周圍環(huán)境冷卻氣體發(fā)生的流動(dòng)過(guò)程,鈹銅合金冶煉過(guò)程電弧自由燃燒,對(duì)流熱傳導(dǎo)功率Pdl與傳導(dǎo)散熱功率相當(dāng),見(jiàn)式(18)。

輻射功率Pfs表示單位時(shí)間內(nèi)物體表面單位面積上所發(fā)射的總輻射能,與弧柱體積呈正比,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可表示為式(19)。

式中:εfs表示弧柱的發(fā)射率。

綜上,電弧橫向熱導(dǎo)總功率可表達(dá)為式(20)。

代入傳導(dǎo)功率Pcd、對(duì)流功率Pdl、輻射功率Pfs的計(jì)算式,在時(shí)間t上累積,電弧橫向熱導(dǎo)熱量Qc表達(dá)為式(21)。

2 基于約束的弧流參數(shù)模型

2.1 約束條件

除電弧弧壓、弧流、弧長(zhǎng)約束外,供電模型的約束考慮了電弧爐熔化期的階段特性,把弧流變化分為多個(gè)局部階段并分別進(jìn)行優(yōu)化。

1)局部階段約束。冶煉過(guò)程變壓器作為弧流的提供者,對(duì)輸出功率、二次電壓和電弧電流都有限制,具體表現(xiàn)為視在功率不能超過(guò)變壓器的額定容量的相應(yīng)倍數(shù),電弧電流不能超過(guò)額定電流的相應(yīng)倍數(shù),見(jiàn)式(22)～(24)。

式中:Un為第n個(gè)弧流局部階段二次電壓,V;為第n個(gè)弧流局部階段額定電流,A;P為允許電流倍數(shù)。

2)溫度約束。溫度約束表明弧流改變受溫度參數(shù)調(diào)控。當(dāng)溫度達(dá)到觸發(fā)閾值時(shí),電弧弧流目標(biāo)值發(fā)生改變,即第i階段的弧流與i階段的溫度相匹配,見(jiàn)式(25)。

式中:Th表示電弧溫度;表示第n個(gè)弧流局部階段對(duì)應(yīng)電弧溫度。

弧流與溫度存在對(duì)應(yīng)關(guān)系,即局部階段溫度對(duì)應(yīng)局部階段弧流。

2.2 建模策略

為達(dá)到最優(yōu)熱導(dǎo)效果,調(diào)整電路電流,得到最佳電流變化,還要引入一個(gè)約束,達(dá)到規(guī)定的出發(fā)點(diǎn)電弧弧流參數(shù)才發(fā)生改變。綜合考慮各類因素,確定優(yōu)化目標(biāo)為降低電路電耗、降低軸向熱導(dǎo)、提高橫向熱導(dǎo)的目標(biāo),弧流目標(biāo)值與階段溫度匹配。得出電弧爐的多目標(biāo)優(yōu)化模型,見(jiàn)方程組(26)。

電流的目標(biāo)值確定由變壓器和電極升降引起的弧長(zhǎng)變化共同作用。針對(duì)變壓器電壓參數(shù)恒定的情況,調(diào)節(jié)電極升降匹配弧流參數(shù),對(duì)多目標(biāo)約束模型求解電流參數(shù),可以得到二維空間中弧流隨時(shí)間的變化情況。對(duì)某鈹銅合金冶煉廠所用電弧爐建模求解后,得到弧流參數(shù)時(shí)變曲線,如圖3 所示。

圖3 弧流參數(shù)模型Fig.3 Idealized Arc Current parameter model

圖3 展示了全流程由多個(gè)局部弧流變化階段(Local Arc Flow Change Stage)組成,每個(gè)局部弧流階段又分為升流(Current Rise Stage)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定(Dynamic Stabilization Stage)兩階段。理想模型假定局部弧流變化階段升流過(guò)程弧流瞬時(shí)變化進(jìn)入穩(wěn)態(tài),但實(shí)際電弧溫度受電弧電流、電極材料和燃弧介質(zhì)的影響,存在熱慣性,在溫度升高和降低過(guò)程中,存在供給或散發(fā)熱量,升流階段需要在一定的時(shí)間下梯度調(diào)整弧流,實(shí)際局部弧流變化過(guò)程如圖4 所示。時(shí)變過(guò)程耗時(shí)越短表示局部弧流變化階段參數(shù)受控性能越好;動(dòng)態(tài)穩(wěn)定階段時(shí)間越短表示系統(tǒng)響應(yīng)越強(qiáng),產(chǎn)熱效率高。

圖4 實(shí)際局部弧流變化曲線Fig.4 Real local arc flow change curve

由弧流參數(shù)模型分析可知,全流程弧流參數(shù)變化由多個(gè)局部弧流變化階段組成,冶煉過(guò)程控制方法研究一般從具有相似特征的多個(gè)局部弧流變化階段入手,針對(duì)局部弧流變化的升流階段和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定階段,再引入觸發(fā)方式串聯(lián)各局部階段組成全流程弧流控制。局部階段弧流由輸入起始值在電極升降伺服電機(jī)的作用下,通過(guò)弧長(zhǎng)的變化影響弧流大小,達(dá)到目標(biāo)值并進(jìn)入動(dòng)態(tài)穩(wěn)定,圖4 中每時(shí)刻的弧流變化都通過(guò)電極動(dòng)態(tài)升降實(shí)現(xiàn)。鈹銅合金冶煉過(guò)程弧流參數(shù)模型如圖5 所示。

圖5 全流程弧流參數(shù)模型Fig.5 Full-flow arc current parameter control model

3 電弧弧流模型全局優(yōu)化

全局弧流參數(shù)表現(xiàn)為受控觸發(fā)后發(fā)生改變,一般是人為主動(dòng)更新下一階段的局部目標(biāo)值,引發(fā)弧流從一個(gè)穩(wěn)態(tài)向下一個(gè)轉(zhuǎn)變的過(guò)程。局部過(guò)程的目標(biāo)值更新多為人員以經(jīng)驗(yàn)調(diào)控,難免引起調(diào)控超前或滯后導(dǎo)致的全局參數(shù)不穩(wěn)定,該觸發(fā)需要數(shù)據(jù)指導(dǎo),并需與生產(chǎn)工序?qū)?yīng)的工藝條件相匹配。為解決人為調(diào)控的局限性,在自動(dòng)化系統(tǒng)中,被控對(duì)象預(yù)期的實(shí)時(shí)控制和狀態(tài)估計(jì)行為是以時(shí)間觸發(fā)的方式,即在預(yù)定的以及周期性發(fā)生的時(shí)間時(shí)刻引入控制器得以實(shí)現(xiàn)[23]。但這些基于時(shí)間觸發(fā)的控制和估計(jì)方法往往會(huì)導(dǎo)致對(duì)有限計(jì)算和通信資源的過(guò)度使用,這是因?yàn)橄到y(tǒng)參數(shù)在等間隔時(shí)間觸發(fā)時(shí),而不同的局部控制系統(tǒng)持續(xù)時(shí)間存在差異,導(dǎo)致等間隔觸發(fā)導(dǎo)致被控變量超前或滯后。

3.1 事件觸發(fā)機(jī)制ETMs

事件觸發(fā)機(jī)制(Event-triggered Mechanism,ETMs)涵蓋了時(shí)間觸發(fā)的新系統(tǒng)控制和估計(jì)范式,將時(shí)間和空間特征融合為“事件”抽象表述,通過(guò)事件狀態(tài)觸發(fā)系統(tǒng),達(dá)到期望的控制和估計(jì)性能。

ETMs 的基本原理是基于一系列明確定義的事件,而不是在固定設(shè)置的時(shí)間點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行控制過(guò)程。事件的定義取決于過(guò)程的多因子,同時(shí)集成了人為經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)計(jì)算。因此,與TTMs 相比,ETMs 能夠顯著減少數(shù)據(jù)采樣以及或者傳輸?shù)臄?shù)量,同時(shí)保持較高的系統(tǒng)性能。近些年來(lái),動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)機(jī)制(Dynamic Event-triggered Mechanism,DETMs)優(yōu)化了傳統(tǒng)的單一事件觸發(fā)機(jī)制中的靈活性問(wèn)題,尋求更接近于最優(yōu)觸發(fā)的事件,滿足比傳統(tǒng)事件觸發(fā)機(jī)制更為靈活的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

3.2 弧流參數(shù)觸發(fā)事件

本文將動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)機(jī)制引入全流程弧流控制過(guò)程。動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)機(jī)制的關(guān)鍵是給出事件的定義,根據(jù)過(guò)程特征,融合多參數(shù)定義觸發(fā)條件。

在電弧爐冶煉過(guò)程中,技術(shù)人員依靠爐口火焰特征判斷弧流的當(dāng)前階段和是否達(dá)到下一階段目標(biāo)值調(diào)整的觸發(fā)閾值,此過(guò)程可使用數(shù)據(jù)描述。將動(dòng)態(tài)事件定義為隨時(shí)間發(fā)生改變的爐口火焰特征參數(shù),即當(dāng)特征參數(shù)達(dá)到與當(dāng)前弧流參數(shù)對(duì)應(yīng)的閾值后,執(zhí)行觸發(fā)機(jī)制,設(shè)定下一個(gè)弧流的目標(biāo)值?；×髟诳刂破髯饔孟卤平碌哪繕?biāo)值,直到進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段,等待下一次爐焰特征的觸發(fā)信號(hào)。

根據(jù)冶煉過(guò)程特征分析以及目前溫度參數(shù)測(cè)量變化規(guī)律,研究發(fā)現(xiàn),溫度參數(shù)能更好地反映冶煉過(guò)程變化規(guī)律并可量化過(guò)程,是一個(gè)對(duì)冶煉過(guò)程極為重要的單因子,但單一的溫度參數(shù)不足以反應(yīng)整個(gè)流程特征,因此將多參數(shù)按照一定比例約束計(jì)算,通過(guò)火焰參數(shù)特征因素的量化效果直觀描述過(guò)程中特征的動(dòng)態(tài)變化?；鹧嫣卣鲄?shù)(Flame Characteristic Parameters,FCPs)具有人員經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)和時(shí)間溫度等數(shù)據(jù)指標(biāo)的融合特征。隨冶煉過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行FCPs參數(shù)規(guī)律性變化,因此可以作為觸發(fā)事件。

參數(shù)測(cè)量方法為:根據(jù)工藝和經(jīng)驗(yàn)劃分占比進(jìn)行參數(shù)融合,采用視覺(jué)和溫度等傳感器測(cè)量爐焰的大小、顏色、溫度等關(guān)鍵指標(biāo)并量化。定義各參數(shù)所代表的字母:火焰大小(Flame Size,Fs),火焰顏色(Flame Color,Fc),火焰溫度(Flame Temperature,Ft),其他因素(Other factors,O),時(shí)間t。在火焰特征參數(shù)中,各個(gè)指標(biāo)占比為:火焰大小占比20%、火焰顏色占比20%、火焰溫度占比30%、時(shí)間占比20%,其他因素和煙塵等占比10%。

火焰大小等無(wú)數(shù)據(jù)的抽象參數(shù)需要進(jìn)行量化,多因子量化方法為:溫度參數(shù)以長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量多次重復(fù)試驗(yàn)獲取數(shù)值為依據(jù),平均最低溫度量化為1,步長(zhǎng)為1,最高溫量化根據(jù)調(diào)整電弧流次數(shù)而定。火焰大小、顏色等難以量化,但可以通過(guò)分析在反應(yīng)處于開(kāi)始和最強(qiáng)烈階段進(jìn)行量化,起始階段火焰大小和顏色設(shè)定為1,依次按照梯度劃分達(dá)到最強(qiáng)烈反應(yīng)時(shí)為最大值,中間對(duì)應(yīng)不同狀態(tài)。

FCPs作為動(dòng)態(tài)事件是因?yàn)樵搮?shù)的變化以實(shí)際傳感器檢測(cè)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析計(jì)算而來(lái),觸發(fā)點(diǎn)是人工經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)確定的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),采集的爐口火焰圖像組成數(shù)據(jù)集,數(shù)據(jù)集包含5 類火焰特征圖像,每類100 張,共計(jì)500 張標(biāo)注圖像。采用Darknet-53框架對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練,并測(cè)試神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)火焰特征的分類效果,圖6 展示了三類狀態(tài)測(cè)試集圖像。

圖6 三類火焰狀態(tài)檢測(cè)圖像Fig.6 Three types of flame state detection images

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)檢測(cè)數(shù)據(jù)集測(cè)試表明,對(duì)不同爐焰特征檢測(cè)精度為0.7,可區(qū)分5 類不同的火焰特征,即5 個(gè)動(dòng)態(tài)觸發(fā)點(diǎn)。同時(shí),該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是動(dòng)態(tài)的目標(biāo)分類檢測(cè),實(shí)時(shí)分類當(dāng)前時(shí)刻火焰特征及置信度,檢測(cè)單幀平均耗時(shí)0.3 s,適用于冶煉場(chǎng)景。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 爐焰特征檢測(cè)

依據(jù)現(xiàn)有的鈹銅合金冶煉過(guò)程火焰特征指標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng),特征檢測(cè)系統(tǒng)界面如圖7 所示。圖8 展示在引入DETMs 機(jī)制下,某一冶煉全過(guò)程FCPs的動(dòng)態(tài)變化曲線及爐口火焰溫度Ft變化情況。

圖7 爐焰特征參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)Fig.7 Furnace flame characteristic parameter detection system

圖8 鈹銅合金冶煉過(guò)程爐焰特征參數(shù)曲線Fig.8 Curve of FCPs in the smelting process of beryllium copper alloy

檢測(cè)數(shù)據(jù)表明,FCPs數(shù)據(jù)曲線基本與溫度變化趨勢(shì)相匹配,表明通過(guò)多參數(shù)擬合得到的FCPs參數(shù)具有更為豐富的冶煉過(guò)程信息,且保留了基本的參數(shù)變化趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)中觸發(fā)點(diǎn)由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類和檢測(cè)得到,觸發(fā)點(diǎn)間以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)置信度數(shù)值連接。同時(shí),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)人員經(jīng)驗(yàn)及最優(yōu)化冶煉工藝特點(diǎn),建立冶煉過(guò)程事件觸發(fā)機(jī)制表,描述每次觸發(fā)時(shí)的弧流值與爐焰特征參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系。共計(jì)5 次觸發(fā),對(duì)應(yīng)5 個(gè)爐焰參數(shù)及參數(shù)變化。

爐焰特征參數(shù)曲線存在不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)同一參數(shù)情況,因此引入在相同參數(shù)點(diǎn)的變化趨勢(shì)加以區(qū)分。在弧流(580,830)和(830,1 210)階段,對(duì)應(yīng)相同的爐焰特征參數(shù),但參數(shù)變化趨勢(shì)相異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,引入的FCPs參數(shù)由主觀經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換為客觀的觸發(fā)器參數(shù),可完整描述整個(gè)鈹銅合金工藝過(guò)程。

4.2 DETMs 控制效果實(shí)驗(yàn)

在Simulink 中搭建DETMs 控制器模擬弧流受控過(guò)程,并與人工調(diào)控下全流程弧流參數(shù)變化曲線對(duì)比。在火焰特征參數(shù)FCPs觸發(fā)控制下,全流程弧流參數(shù)變化對(duì)比情況如圖9 所示。

圖9 基于火焰特征參數(shù)觸發(fā)全流程弧流參數(shù)曲線Fig.9 Full-flow arc current parameter profile based on FCPs trigger

目標(biāo)值集合為{200 A,300 A,580 A,830 A,1 210 A},實(shí)驗(yàn)揭示以下結(jié)果:①弧流參數(shù)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定階段的持續(xù)時(shí)間受DETMs 的影響較大;②DETMs的作用為在目標(biāo)值改變的時(shí)刻,受FCPs參數(shù)調(diào)控,在某些弧流目標(biāo)值較大的局部變化階段,由觸發(fā)器判斷該局部階段的爐口火焰已達(dá)弧流目標(biāo)值改變的閾值,相比于人工時(shí)序觸發(fā)超前調(diào)整了弧流目標(biāo)值,縮短了局部穩(wěn)態(tài)階段。

4.3 實(shí)際全流程生產(chǎn)效率統(tǒng)計(jì)

以控制方法優(yōu)化前、后冶金全流程耗時(shí)分析作為指標(biāo),評(píng)價(jià)控制器的性能和控制方法的優(yōu)劣。針對(duì)某鈹銅合金冶煉廠的某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)合金冶煉過(guò)程,統(tǒng)計(jì)DETMs 對(duì)多個(gè)局部弧流變化階段控制優(yōu)化后耗時(shí),并與引入DETMs 前達(dá)到穩(wěn)態(tài)升流階段耗時(shí)進(jìn)行對(duì)比,計(jì)算提升效率。

引入DETMs 前,局部弧流變化過(guò)程子階段耗時(shí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 優(yōu)化前過(guò)程耗時(shí)統(tǒng)計(jì)表Table 4 Time consumption statistics of local process sub-stage

根據(jù)實(shí)際冶煉過(guò)程檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),引入DETMs后,局部過(guò)程子階段耗時(shí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 引入動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)機(jī)制的局部過(guò)程子階段耗時(shí)統(tǒng)計(jì)表Table 5 Time consumption statistics of local process sub-stages with DETMs

分析表4、表5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知:①DETMs 對(duì)模型優(yōu)化效果較為明顯,主要表現(xiàn)在升流過(guò)程耗時(shí)縮短,更快達(dá)到目標(biāo)值并進(jìn)入穩(wěn)態(tài),表明在目標(biāo)值改變時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間減少,平均效率提高26.34%;②動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)對(duì)某個(gè)局部弧流變化階段優(yōu)化不具有一致性,主要優(yōu)化觸發(fā)時(shí)間,即穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間,表明動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)機(jī)制對(duì)于局部的PID 控制影響較小;③引入動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)后,全流程弧流變化整體耗時(shí)指標(biāo)降低11.8%,表明動(dòng)態(tài)觸發(fā)機(jī)制提升了鈹銅合金冶煉過(guò)程效率,驗(yàn)證了該方法在鈹銅冶煉工藝上的有效性。

5 結(jié)論

本文在分析電弧爐電弧特性的基礎(chǔ)上,考慮電弧燃燒過(guò)程的熱平衡因素,建立全流程弧流參數(shù)模型,引入DETMs 這一智能化調(diào)控方式對(duì)模型的局部階段進(jìn)行優(yōu)化,改善了人為調(diào)控的模糊性、隨機(jī)性和大滯后問(wèn)題。

1)從熱量傳導(dǎo)和電路約束角度建立電弧爐弧流多目標(biāo)優(yōu)化模型,創(chuàng)新性地將溫度等爐焰特征參數(shù)作為系統(tǒng)弧流最優(yōu)化調(diào)整的約束條件,展示冶煉過(guò)程能量傳導(dǎo)過(guò)程,使多目標(biāo)優(yōu)化模型更為完善。

2)將深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)分類檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于冶金工業(yè),實(shí)現(xiàn)了融合視覺(jué)傳感器和溫度傳感器等檢測(cè)技術(shù)的爐焰特征分類提取,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)精度達(dá)到70%以上,檢測(cè)速度為每幀圖像0.2 s,表明了深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測(cè)在冶金行業(yè)的可行性。

3)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)機(jī)制下的全流程控制,從參數(shù)調(diào)控方法上優(yōu)化整個(gè)冶煉流程,鈹銅合金冶煉整體耗時(shí)降低11.8%,為冶煉生產(chǎn)的效率精細(xì)化和工藝最優(yōu)化提供了新方向。