真空自耗电弧炉弧隙智能保持的闭环控制方法与流程

本技术涉及冶金自动化控制，尤其涉及一种真空自耗电弧炉弧隙智能保持的闭环控制方法。

背景技术：

1、真空自耗电弧炉是用于生产活性金属（如钛、锆等）及其合金、高温合金以及特殊钢的重要熔炼设备。其工作原理是在真空或惰性气氛下，利用自耗电极（由被熔炼材料制成）与坩埚内熔池之间产生的电弧热，使自耗电极末端逐渐熔化，熔化的金属液滴以熔滴形式滴入熔池，并在水冷铜坩埚中凝固成铸锭。

2、在熔炼过程中，电弧长度的稳定性直接决定了熔炼产品的质量。电弧过长容易导致电弧发散、热量损失大，甚至损坏坩埚壁；电弧过短则容易发生电极与熔池的直接接触（短路），导致电弧熄灭、熔池温度波动，严重影响铸锭的结晶组织和成分均匀性。因此，必须对电极的进给速度进行精确控制，以保持恒定的弧隙（即电弧长度）。

3、现有的控制方法大多基于恒压控制原理，即通过pi（比例-积分）控制器将电弧电压维持在设定值。然而，电弧电压与弧长之间并非严格的线性关系，且受熔池液面波动、电极缩颈等因素影响较大。单纯的电压反馈控制无法及时响应熔滴短路引起的弧长剧烈变化，容易导致控制震荡或响应迟缓。

4、此外，真空自耗电弧炉的工作环境极其恶劣，电弧电压和电流信号中混杂着大量的电磁干扰、熔滴过渡引起的随机波动以及电网谐波噪声。传统的滤波方法（如简单的低通滤波）往往难以在滤除高频干扰的同时保留熔滴短路的瞬态特征，导致控制信号失真。

5、因此，我们在此提出一种真空自耗电弧炉弧隙智能保持的闭环控制方法。

技术实现思路

1、本技术的主要目的在于解决现有真空自耗电弧炉弧隙控制中存在的信号抗干扰能力差、控制策略单一且滞后、无法有效利用熔滴过渡特征以及工况适应性差的问题。

2、为实现上述目的，本技术提供一种真空自耗电弧炉弧隙智能保持的闭环控制方法，包括以下步骤：

3、s1、实时采集自耗电极与熔池之间的原始电弧电压信号及原始电弧电流信号，并对原始信号进行预处理；

4、s2、根据预处理后的电弧电压信号和电弧电流信号检测熔滴短路事件，确定各熔滴短路事件的持续时间、幅值压降及频率特征，并统计单位时间内的熔滴短路次数，作为熔滴短路率；

5、s3、基于所述持续时间、幅值压降和频率特征中的至少一项熔滴短路判据，对检测到的各熔滴短路事件进行分类，生成熔滴短路分布直方图；将所述直方图划分为若干子区域，利用经历史熔炼数据预先训练完成的深度卷积神经网络对所述直方图进行特征提取，并根据提取的特征自动选取当前工况下的特征性子区域；

6、s4、根据所选特征性子区域所对应的熔滴短路事件，以保持该子区域中熔滴短路数量恒定为控制目标，确定电极进给速度的第一分量；

7、s5、对所述预处理后的电弧电压信号进行滤波平整处理，计算平整后的电压值与预设目标电压值之间的偏差，采用pi控制器根据所述偏差生成电极进给速度的第二分量；

8、s6、将所述电极进给速度的第一分量与第二分量进行加权融合，以当前熔滴短路率与预设目标短路率的偏差为自变量，动态调整加权系数，生成综合修正量；并以预设的基本进给速度为基础叠加所述综合修正量，生成电极进给速度指令；

9、s7、重复执行步骤s1至s6，在每个控制周期内持续更新所述最终电极进给速度指令，直至熔炼过程结束；

10、其中，所述第一分量的权重系数随所述偏差的增大而单调递减，所述第二分量的权重系数随所述偏差的增大而单调递增。

11、优选地，在步骤s1中， 对所述原始信号进行小波变换多尺度分解，提取各频带分量并据此识别电网干扰信号；并对识别出的干扰信号进行滤除，获得预处理后的电弧电压信号和电弧电流信号；

12、其中，所述小波变换多尺度分解采用daubechies小波基函数对所述原始信号进行多层分解，并根据分解后各层细节系数的幅值特征与预设干扰幅值阈值的比较结果识别电网干扰所在的频带；所述滤除采用自适应陷波滤波器。

13、优选地，在步骤s2中，根据所述预处理后的电弧电压信号和电弧电流信号检测熔滴短路事件的具体方式为：

14、采用短时傅里叶变换对所述预处理后的信号进行时频域联合分析，将时频域中幅值下降超过预设幅值阈值且持续时间处于预设短路时长范围内的信号片段识别为一个熔滴短路事件。

15、优选地，所述短时傅里叶变换采用汉宁窗，且窗长根据熔炼阶段自适应调整：在开始阶段和热封顶阶段采用第一窗长，在熔炼阶段采用第二窗长，所述第二窗长短于所述第一窗长。

16、优选地，在步骤s3中，所述深度卷积神经网络以所述直方图的像素矩阵为输入，以前向传播计算得到的各子区域的权重值为输出；

17、其中，所述权重值表征该子区域对弧隙控制的贡献度；所述自动选取当前工况下的特征性子区域为：将输出的权重值最大的子区域选取为所述特征性子区域。

18、优选地，在步骤s5中，还包括：

19、当所述电压偏差超出预设正常范围时，激活并联的辅助pi控制器，将其输出叠加至主pi控制器的输出信号上，且所述辅助pi控制器的最大导通时间被限定为预设的第一时间段；当主pi控制器信号在第二时间段内持续超出基本速度周围的预设带宽时，解除电极进给速度的上限限制。

20、优选地，在步骤s6中，所述预设的基本进给速度具体为：

21、根据称重装置实时测量的电极重量数据，计算单位时间内的电极重量变化量，作为实际熔化率；

22、基于预先输入的电极直径和电极密度计算电极截面积，将所述实际熔化率除以所述电极截面积与电极密度的乘积，得到基本速度。

23、优选地，所述实际熔化率的计算方式为：

24、将实时测量的电极重量数据按时间序列存入移位寄存器；

25、对移位寄存器中当前时刻与预设时间宽度之前的两个重量值求取差值，并将所述差值除以所述预设时间宽度，得到当前实际熔化率。

26、优选地，所述预设时间宽度在开始阶段、熔炼阶段和热封顶阶段分别独立设置。

27、本发明技术方案的有益效果在于：

28、通过小波变换多尺度分解结合自适应陷波滤波器，能够精准识别并滤除电网干扰信号，同时保留电弧电压/电流的有效瞬态特征；同时采用短时傅里叶变换进行时频域联合分析，并根据熔炼阶段（起弧/热封顶阶段与熔炼阶段）自适应调整窗长，实现对熔滴短路事件的准确检测。

29、利用深度卷积神经网络（dcnn）对熔滴短路分布直方图的像素矩阵进行特征提取，以网络输出的权重值自动选取当前工况下对弧隙控制贡献度最大的特征性子区域，从而突破人工设定阈值的局限，能够自适应不同熔炼阶段及不同合金材料的熔滴过渡特性，实现控制策略的智能优化。

30、将基于特征性子区域熔滴短路数量恒定的前馈控制（第一分量）与基于电压偏差的pi反馈控制（第二分量）相结合。第一分量利用熔滴短路这一内在物理现象快速响应弧长变化，第二分量保证稳态电压精度；二者通过加权融合生成综合修正量，叠加于基于实时称重数据计算的基本进给速度之上，兼顾了响应速度与稳态精度。

31、根据当前熔滴短路率与目标短路率的偏差动态调整两个分量的加权系数——当偏差增大时，第一分量权重单调递减、第二分量权重单调递增，从而在异常偏离时强化电压反馈的纠偏能力，在接近目标时增强熔滴短路特征的前馈精细调节。同时，引入辅助pi控制器（限时激活）和超限解除机制（电压偏差持续超限时暂缓速度上限），进一步提升了系统的鲁棒性与安全性。

32、此外，基于称重装置实时计算实际熔化率，并结合电极截面积与密度得到基本进给速度；同时，针对起弧阶段、熔炼阶段和热封顶阶段分别独立设置短路检测窗长、移位寄存器时间宽度等关键参数，确保从起弧到热封顶全过程的弧隙稳定性，从而显著提高铸锭的内部质量和表面质量。