本發(fā)明一種自動燒爐眼的方法，屬于工業(yè)自動控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在電石的工業(yè)生產(chǎn)過程中，電石出爐是指將熔融電石(1600-2000℃)從高溫電石爐中通過電石爐爐眼流出到冷卻成電石塊的整個操作過程，傳統(tǒng)的電石出爐主要以人工進(jìn)行手動操作，主要包括燒眼、開眼、捅眼、清爐舌、修眼和堵眼等工藝流程，存在著工人勞動強度大，工作環(huán)境惡劣(高溫、粉塵)、安全隱患大等問題。其中，燒眼是整個出爐過程中耗時最多的環(huán)節(jié)。人工燒眼，由操作工人手握笨重的燒穿器頂著電石爐爐眼并不斷地調(diào)節(jié)燒穿器的角度及位置，利用燒穿器電極產(chǎn)生的高溫電弧將爐眼中的電石加熱至軟化狀態(tài)或流動狀態(tài)，以便開眼和捅眼。

目前，國內(nèi)外少數(shù)企業(yè)已開發(fā)了出爐作業(yè)機器人(專利201520728419.9)，已能夠?qū)崿F(xiàn)出爐作業(yè)大部分工藝流程的自動化，但均沒有實現(xiàn)電石出爐的完全自動化燒眼?，F(xiàn)有技術(shù)仍然停留在人工參與操作開眼的半自動操作狀態(tài)，如何實現(xiàn)全自動自動燒爐眼仍然是產(chǎn)業(yè)空白。《交流電弧爐電弧模型研究及其應(yīng)用》(王琰，東北大學(xué))等一些論文提出了電弧模型，為利用電弧電流控制燒眼提供了一定的理論依據(jù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了實現(xiàn)電石的工業(yè)生產(chǎn)過程中全自動燒爐眼作業(yè)，本發(fā)明提出一種自動燒爐眼的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)燒爐眼過程中全自動燒爐眼作業(yè)。

一種自動燒爐眼的方法，主要用于電石爐自動燒眼控制，采用以下技術(shù)放案：

包括以下單元：

給定電流設(shè)定單元，用于設(shè)定給定初始電弧電流值；

路徑設(shè)置單元，根據(jù)爐眼表面形狀規(guī)劃燒穿路徑；

控制器單元，給運動執(zhí)行單元運動指令，與路徑設(shè)置單元共同決定運動執(zhí)行單元下一時刻的待運動位置；

運動執(zhí)行單元，根據(jù)路徑設(shè)置單元和控制器單元的指令執(zhí)行運動；

燒穿器單元，燒爐眼的執(zhí)行單元，產(chǎn)生電弧，安裝在運動執(zhí)行單元執(zhí)行端；

供電單元，給燒穿器供電；

電流檢測單元，檢測電弧電流，輸出電弧電流有效值，電弧電流有效值由電弧弧長決定；

電流控制策略單元，處理檢測電弧電流有效值，按照電流控制策略給出反饋電流值；

設(shè)定初始狀態(tài)，給定電流設(shè)定單元設(shè)定給定電流值，路徑設(shè)置單元給定表面形狀規(guī)劃燒穿路徑，運動執(zhí)行單元帶動燒穿器單元運動到燒穿路徑起點；

控制過程，供電單元給燒穿器單元供電產(chǎn)生電弧，電流檢測單元檢測實時電弧電流并輸出電弧電流有效值，電流控制策略單元處理電弧電流有效值，按照電流控制策略給出反饋電流值，反饋電流值與給定電流值疊加得到偏差值e，e輸入控制器單元，控制器單元與路徑設(shè)置單元共同決定運動執(zhí)行單元下一時刻的待運動位置，路徑設(shè)置單元限定燒穿路徑，控制器單元控制運動執(zhí)行單元運動速度，反饋電流值小于給定初始電弧電流值時燒穿器單元沿規(guī)劃燒穿路徑前進(jìn)，反饋電流值大于給定初始電弧電流值時燒穿器單元沿規(guī)劃燒穿路徑后退，反饋電流值與給定初始電弧電流值相等時燒穿器單元運動速度為零，燒穿器單元隨控制器單元一起運動，改變了電弧弧長，電流檢測單元檢測到電弧弧長改變后的電弧電流并輸出電弧電流有效值，重復(fù)控制過程直到燒眼完成。

給定初始電弧電流值為燒穿器產(chǎn)生電弧加熱功率最大時的電流

式中：

u0為變壓器側(cè)的電壓的有效值，r2為線路電阻，xd為短路電抗。

控制器單元使用bp-pid控制器時，其控制步驟包括：

步驟1，設(shè)置規(guī)劃燒穿路徑，控制燒穿器單元運動到規(guī)劃燒穿路徑初始位置；

步驟2，確定bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，給出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始加權(quán)系數(shù)、初始閥值、學(xué)習(xí)速率及動量因子；

步驟3，給定初始電弧電流值，檢測反饋電流值，計算bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入x1，x2，x3：

式中，e(k)、e(k-1)和e(k-2)分別為采樣時刻k、k-1和k-2反饋電流值與給定初始電弧電流值的偏差值；

步驟4，bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)按照設(shè)定程序更新自身的加權(quán)系數(shù)、閥值；

步驟5，將x1，x2，x3輸入bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),得到輸出結(jié)果c1，c2，c3，作為pid控制的三個參數(shù)；

式中，kp，ki，kd分別為比例、積分、微分常數(shù)；

步驟6，由bp-pid控制器給出燒穿器單元運動速度，反饋電流值小于給定初始電弧電流值時燒穿器單元沿規(guī)劃燒穿路徑前進(jìn)，反饋電流值大于給定初始電弧電流值時燒穿器單元沿規(guī)劃燒穿路徑后退，反饋電流值與給定初始電弧電流值相等時燒穿器單元運動速度為零；

步驟7，燒穿器單元按照bp-pid控制器的給定的速度沿規(guī)劃燒穿路徑運動；

步驟8，判斷燒穿器單元是否完成了規(guī)劃燒穿路徑，若完成，燒穿器單元返回規(guī)劃燒穿路徑初始位置；若未完成，重復(fù)步驟3-步驟7，直到燒穿器完成規(guī)劃燒穿路徑。

控制器單元使用pid控制器時，控制步驟包含：

步驟a，設(shè)置規(guī)劃燒穿路徑，控制燒穿器單元運動到規(guī)劃燒穿路徑初始位置；

步驟b，給定初始電弧電流值，檢測反饋電流值，計算x1，x2，x3：

式中，e(k)、e(k-1)和e(k-2)分別為采樣時刻k、k-1和k-2實際電弧電流與給定初始電弧電流的偏差值；

步驟c，將計算結(jié)果x1，x2，x3作為pid控制的三個參數(shù)：

式中，kp，ki，kd分別為比例、積分、微分常數(shù)；

步驟d，由pid控制器給出燒穿器單元運動速度，反饋電流值小于給定初始電弧電流值時燒穿器單元沿規(guī)劃燒穿路徑前進(jìn)，反饋電流值大于給定初始電弧電流值時燒穿器單元沿規(guī)劃燒穿路徑后退，反饋電流值與給定初始電弧電流值相等時燒穿器單元運動速度為零；

步驟e，燒穿器單元按照pid控制器的給定的速度沿規(guī)劃燒穿路徑運動；

步驟f，判斷燒穿器單元是否完成了規(guī)劃燒穿路徑，若完成，燒穿器單元返回初始位置；若未完成，重復(fù)步驟b-步驟e，直到燒穿器單元完成規(guī)劃燒穿路徑。

bp-pid控制器由兩部分組成：a.pid控制器：直接對被控對象進(jìn)行閉環(huán)控制，且kp、ki、kd三個參數(shù)可調(diào)；b.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)bp：通過其自學(xué)習(xí)能力，根據(jù)系統(tǒng)的運行狀態(tài)在線調(diào)整pid控制器的三個參數(shù)。

pid控制的增量型算式為δu(k)＝kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]。

bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有三個輸入節(jié)點，四個隱含節(jié)點和三個輸出節(jié)點。

bp網(wǎng)絡(luò)隱含層第i個神經(jīng)元的輸入netbi和輸出bi為：

bi＝f(netbi-θi)

式中，vhi為輸入層的第h神經(jīng)元個對隱含層第i個神經(jīng)元的加權(quán)系數(shù)；θi為隱含層第i個神經(jīng)元的閾值；f(x)為隱含層和輸出層的激勵函數(shù)：

網(wǎng)絡(luò)輸出層第j個神經(jīng)元的輸入netcj和輸出cj為：

cj＝f(netcj-γj)

式中，wij為隱含層的第i個對輸出層的第j個神經(jīng)元的加權(quán)系數(shù)；γj為輸出層第i個神經(jīng)元的閾值。

運動執(zhí)行單元為開爐眼機器人，電流檢測單元利用羅氏線圈檢測電弧電流。

本發(fā)明的有益效果是：

1、實現(xiàn)了全自動燒爐眼作業(yè)；

2、提供了全自動燒爐眼作業(yè)的自動控制方法；

3、提供了全自動燒爐眼作業(yè)控制器的使用方法。

附圖說明

圖1，自動燒爐眼控制原理圖；

圖2，自動燒爐眼控制流程圖；

圖3，燒穿器規(guī)劃運動路徑示意圖；

圖4，bp-pid控制器基本結(jié)構(gòu)圖；

圖5，三層bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；

圖6，階躍電弧弧長變化；

圖7，正弦電弧弧長變化；

圖8，階躍電弧對應(yīng)pid參數(shù)變化；

圖9，正弦電弧對應(yīng)pid參數(shù)變化；

圖10，階躍電弧電流響應(yīng)；

圖11，正弦電弧電流響應(yīng)。

具體實施方式

結(jié)合附圖說明本發(fā)明一種自動燒爐眼的方法的具體實施方式，本實施方式包括以下單元：

給定電流設(shè)定單元，用于設(shè)定給定初始電弧電流值；

路徑設(shè)置單元，根據(jù)爐眼表面形狀規(guī)劃燒穿路徑；

控制器單元，給運動執(zhí)行單元運動指令，與路徑設(shè)置單元共同決定運動執(zhí)行單元下一時刻的待運動位置；

運動執(zhí)行單元，根據(jù)路徑設(shè)置單元和控制器單元的指令執(zhí)行運動；

燒穿器單元，燒爐眼的執(zhí)行單元，產(chǎn)生電弧，安裝在運動執(zhí)行單元執(zhí)行端；

供電單元，給燒穿器供電；

電流檢測單元，檢測電弧電流，輸出電弧電流有效值，電弧電流有效值由電弧弧長決定；

電流控制策略單元，處理檢測電弧電流有效值，按照電流控制策略給出反饋電流值；

設(shè)定初始狀態(tài)，給定電流設(shè)定單元設(shè)定給定電流值，路徑設(shè)置單元給定表面形狀規(guī)劃燒穿路徑，運動執(zhí)行單元帶動燒穿器單元運動到燒穿路徑起點；

控制過程，供電單元給燒穿器單元供電產(chǎn)生電弧，電流檢測單元檢測實時電弧電流并輸出電弧電流有效值，電流控制策略單元處理電弧電流有效值，按照電流控制策略給出反饋電流值，反饋電流值與給定電流值疊加得到偏差值e，e輸入控制器單元，控制器單元與路徑設(shè)置單元共同決定運動執(zhí)行單元下一時刻的待運動位置，路徑設(shè)置單元限定燒穿路徑，控制器單元控制運動執(zhí)行單元運動速度，反饋電流值小于給定初始電弧電流值時燒穿器單元沿規(guī)劃燒穿路徑前進(jìn)，反饋電流值大于給定初始電弧電流值時燒穿器單元沿規(guī)劃燒穿路徑后退，反饋電流值與給定初始電弧電流值相等時燒穿器單元運動速度為零，燒穿器單元隨控制器單元一起運動，改變了電弧弧長，電流檢測單元檢測到電弧弧長改變后的電弧電流并輸出電弧電流有效值，重復(fù)控制過程直到燒眼完成。

給定初始電弧電流值為燒穿器產(chǎn)生電弧加熱功率最大時的電流

式中：

u0為變壓器側(cè)的電壓的有效值，r2為線路電阻，xd為短路電抗。

控制器單元使用bp-pid控制器，其控制步驟包括：

步驟1，設(shè)置規(guī)劃燒穿路徑，控制燒穿器單元運動到規(guī)劃燒穿路徑初始位置；

步驟2，確定bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，給出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始加權(quán)系數(shù)、初始閥值、學(xué)習(xí)速率及動量因子；

步驟3，給定初始電弧電流值，檢測反饋電流值，計算bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入x1，x2，x3：

式中，e(k)、e(k-1)和e(k-2)分別為采樣時刻k、k-1和k-2反饋電流值與給定初始電弧電流值的偏差值；

步驟4，bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)按照設(shè)定程序更新自身的加權(quán)系數(shù)、閥值；

步驟5，將x1，x2，x3輸入bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),得到輸出結(jié)果c1，c2，c3，作為pid控制的三個參數(shù)；

式中，kp，ki，kd分別為比例、積分、微分常數(shù)；

步驟6，由bp-pid控制器給出燒穿器單元運動速度，反饋電流值小于給定初始電弧電流值時燒穿器單元沿規(guī)劃燒穿路徑前進(jìn)，反饋電流值大于給定初始電弧電流值時燒穿器單元沿規(guī)劃燒穿路徑后退，反饋電流值與給定初始電弧電流值相等時燒穿器單元運動速度為零；

步驟7，燒穿器單元按照bp-pid控制器的給定的速度沿規(guī)劃燒穿路徑運動；

步驟8，判斷燒穿器單元是否完成了規(guī)劃燒穿路徑，若完成，燒穿器單元返回規(guī)劃燒穿路徑初始位置；若未完成，重復(fù)步驟3-步驟7，直到燒穿器完成規(guī)劃燒穿路徑。

pid控制的增量型算式為δu(k)＝kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]。

bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有三個輸入節(jié)點，四個隱含節(jié)點和三個輸出節(jié)點。

bp網(wǎng)絡(luò)隱含層第i個神經(jīng)元的輸入netbi和輸出bi為：

bi＝f(netbi-θi)

式中，vhi為輸入層的第h神經(jīng)元個對隱含層第i個神經(jīng)元的加權(quán)系數(shù)；θi為隱含層第i個神經(jīng)元的閾值；f(x)為隱含層和輸出層的激勵函數(shù)：

網(wǎng)絡(luò)輸出層第j個神經(jīng)元的輸入netcj和輸出cj為：

cj＝f(netcj-γj)

式中，wij為隱含層的第i個對輸出層的第j個神經(jīng)元的加權(quán)系數(shù)；γj為輸出層第i個神經(jīng)元的閾值。

運動執(zhí)行單元為開爐眼機器人，電流檢測單元利用羅氏線圈檢測電弧電流。

實施例

給定下表中的參數(shù)

計算電弧電流為iref＝5.47×10⁴a

以階躍(圖6)或正弦(圖7)的形式模擬電弧長度因加熱等原因而發(fā)生的隨機變化，以bp-pid控制器直接輸出的電弧弧長的改變量模擬實際中機器人控制燒穿器電極以控制器給出的速度沿著已知路徑運動所實現(xiàn)的電弧弧長的改變量。系統(tǒng)的電弧電流響應(yīng)分別為圖10和圖11，kp，ki，kd的變化分別為圖8和圖9。從圖8、圖9可以看出，pid的三個參數(shù)隨系統(tǒng)的變化而變化，實現(xiàn)了實時的整定；從圖10、圖11可以看出，當(dāng)電弧弧長因加熱等原因而發(fā)生改變時，電弧電流會發(fā)生改變，但bp-pid控制器能夠通過直接改變電弧弧長使得電弧電流為恒定值。因此，當(dāng)利用燒穿器單元產(chǎn)生電弧燒眼時，因各種因素導(dǎo)致的電弧長度的隨機變化會導(dǎo)致電弧電流發(fā)生改變，通過對電弧電流的檢測和反饋，機器人能夠通過控制燒穿器電極以bp-pid控制器給出的速度沿著已知的路徑的運動來實現(xiàn)對燒穿器單元電弧的弧長的控制，進(jìn)而實現(xiàn)了自動燒爐眼作業(yè)。