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1、基于直线电机的电炉电极控制系统的研究第22卷第4期2009年12月出版大学物理实验PHYSICALEXPERIMENTOFCOULEGEVol.22No.4Dec.2oo9文章编号:1007—2934(2009)04—0051一o7基于直线电机的电炉电极控制系统的研究魏来，李楠，朱方义，周明，张峰(1.长春工业大学，长春1300122吉林化工学院，吉林132022)摘要:电炉电极调节器是电炉的核心控制系统.目前吉林铁合金八分厂的10T电炉电极升降系统采用手动控制•针对此问题提出了一种采用直线步进电机控制数字阀调节液压系统位置
2、的方法，使现有系统可以实现电极升降的自动控制,同时对直线步进电机的控制使用Fuzzy-PID的控制方法，达到精密定位控制的目的.阐述和分析了数字阀控制液压系统升降可行性和稳定性.并通过实验验证了该系统调节具有精度高,响应快等优点.关键词:直线电机;数字阀;模糊PID中图分类号.04—33文献标识码:A1引言吉林铁合金厂八分厂的10T电炉主要生产”銘铁合金”和”猛铁合金役电弧炉电极调节器是电炉核心控制系统，它通过控制电极的高度来控制电弧电流，起到控制电炉冶炼效率和用电成本及保护设备的作用•现场用的是液压式电极升降手动控制系统，
3、已不适应当前生产需要，对系统的自动控制，高稳定性，低成木提出了越来越高的要求.智能控制作为一种新兴的理论，为解决复杂系统过程控制提供了一条有效的途径，已成为在电机传动的智能控制领域中的一个新的研究热点.本文基于所开发的直线电机数字阀的自动控制系统，对其能自动控制电炉电极升降的液压系统中采用的闭环摸糊PID控制器的设计方法和实现进行分析.2系统结构木文通过直接数字控制方式，采用数字化液压元件，以直线电机为驰机构,用直线电机位移来控制数字化液压阀阀芯的移动，从而改变液压缸中活塞移动的速度和位移.直线电机控制的数字阀不需要机械转换
4、器，消除了由于机械转换器的制造和安装带来的误差•它可以由微机育•接控制功率阀芯,避免了由于接口的磨损而带来的死区和零漂，因收稿H期:2009—04—0951—而控制精度更高•对于开环控制来说，更有优势.系统结构原理如图1所示.圈1系统结构幽该系统的工作原理如下:控制器输出控制信号，通过功率放大器驱动直线电机，用直线电机作为驱动元件，通过连杆，连轴器组成的传动装置，将肓线电机的肓线运动传递给主控滑阀阀芯.这样，就可以将流量，压力和方向等液压系统的控制量转化为脉冲频率或直线电机的控制电流由微机直接控制.这种直线步进数字阀可作为先
5、导阀,也可以直接控制功率级阀芯，控制较大的流量和压力.3控制系统特性分析考虑到实际直线电机驱动的数字阀来对电极升降控制具有非线性,吋变不确定性的特点，难以建立精确的数学模型，所以应用常规PID控制器通常不能达到理想的控制效果.而模糊控制策略是利用模糊集合论,把人工控制经验转化为计算机能接受的算法语言所描述的算法.它具有不需要了解被控对象的确切模型，控制具有响应速度较快,过度过程时间较短，精度较高以及鲁棒性较好的优点.所以本文将模糊控制器与数字PID控制器相结合,提岀一•种Fuzzy—PID控制算法,即模糊PID控制器结构图如
6、图2所示.广..J―.――•—«—.—t—H_!_•_k«U■11}一I1L=}—1+,rL£J,r卜」匝卜甌壶叫PID控有0器卜J7].r—cFJBrUI『,lcr,模糊控制算法图2控制器结构图3.1电机数学模型的建立典型的直线电机数学表达式如下：u(t)=^(t)+Ri(t)+Ldi(t)/dt(1)f(t)=H成(t)+fad(t)+(文)+ppk(X)+fn(t)(2)式1中u⑴和i(t)分别表示电机两端的电压和电枢电流,x(t)表示电机的位置，式2屮f⑴和fl(t)分别表示电机动力和负载力,.(t)和ppl.(t)
7、分别表示摩擦力和脉动抑制52—力,fn⑴表示在电机运动过程中的随机阻力.根据式1和2,可以得到电机运动的空间状态方程可以表示如下：甜X2(t)lX,(t)—[(x2)+frippl~(x)]+w⑴一K1X2⑴一K2X3⑴+K3u(t)⑶w(t)=-(l/m)(fl.+f(t))(4)式中,K.:KeKf/L,K2:R/L,K:Kf/L,K考虑到L是一个串联到系统中的纯滞后环节，系统的传递函数可以表示为:’式中G(s)=K一..•(一04)cot(°°)一(5)⑹⑺3.2PID参数的选择本系统的位置控制器采用的PID控制器，传
8、递函数如下，Gc(s):Ko(l+专+s)(8)根据式5和式9可以得到系统的闭环传递函数：式中•是系统响应的时间常数，为了能够使•，满足设计要求,PID控制器的参数选择如下：=(lo)去(II)(12)3.3模糊规则的确定在木控制器中，•的模糊子集取八档语言值:{负大，负中，负小，正零，负
