Математическое моделирование управления движением электродов электросталеплавильной печи на основе нечеткой логики

Abstract

Актуальность. Электросталеплавильные печи являются одним из самых энергоемких элементов в технологической цепи металлургических предприятий. Около 50 % от общего объема потребления электроэнергии приходится на процессы, осуществляемые в электросталеплавильной печи. Неуклонный рост спроса на стальную продукцию в мире, ограниченность энергетических ресурсов и низкая энергоэффективность действующих электро сталеплавильных печей обусловливают необходимость внедрения инновационных управленческих решений в этой сфере. Цель. Улучшение управления движением электродов в электросталеплавильной печи, разработка интеллек туальной системы управления на основе нечеткой логики и повышение эффективности управления с её помощью с учётом непоследовательности и высокой динамичности, присущих технологическому процессу. Методы. Метод математического моделирования на основе модели нечеткой логики Мамдани. Выполнена фаззификация основных технологических параметров, и для них определены функции релевантности (гауссовкая и треугольная). Процесс принятия решений был автоматизирован, а дефаззификация была выполнена с помощью метода центра тяжести. Кроме того, проводился визуальный анализ с использованием 3D-графиков и тепловых карт. Результаты. Удалось эффективно управлять скоростью перемещения электродов в электросталеплавильной печи ДСП-30 в диапазоне от -4 до +3 см/с (при этом положительные значения соответствуют движению электродов в сторону металлического расплава, а отрицательные - движению в противоположном направлении). Установлено, что при силе тока дуги более 37 кА необходимо поднимать электроды со скоростью 4 см/с. Благодаря построенной таблице решений и ис пользованию механизма нечеткой логики стало возможным определение скорости электрода в зависимости от тока и напряжения электрической дуги. При этом параметры электрической дуги поддерживались в пределах нормы, и обеспечивалась стабильность технологического процесса. Общая технологическая эффективность возросла за счет снижения энергопотребления на 5,1 % и уменьшения поломок электродов, что доказывает практическую ценность внедрения цифровых интеллектуальных систем управления в электросталеплавильной печи

Relevance. Electric arc furnaces are among the most energy-intensive units in the technological chain of metallur gical enterprises. Approximately 50% of the total electricity consumption is attributed to processes carried out in electric arc furnaces. The steady global increase in demand for steel products, the limited availability of energy resources, and the low energy efficiency of existing electric arc furnaces highlight the need for innovative management solutions in this field. Aim. Improvement of electrode movement control in an electric arc furnace, development of an intelligent control system based on fuzzy logic, and enhancement of control efficiency using this system, taking into account the inconsistency and high dynamics inherent in the technological process. Methods. Mathematical modeling based on the Mamdani fuzzy logic model. The main technological parameters were fuzzified, and corresponding membership functions (Gaussian and triangular) were defined. Decision-making was automated, and defuzzification was performed using the center of gravity method. Additionally, visual analysis was conducted using 3D graphs and heat maps. Results. The research successfully enabled effective control of the electrode movement speed in the EAF-30 within the range of -4 to +3 cm/s (in this case, positive values indicate electrode movement toward the molten metal, whereas negative values indicate movement in the opposite direction). It was estab lished that when the arc current exceeds 37 kA, electrodes should be lifted at a speed of -4 cm/s. With the help of the con structed decision table and the mechanism of fuzzy logic the electrode movement speed could be determined based on arc current and voltage. As a result, arc parameters were maintained within normal ranges, ensuring process stability. Overall technological efficiency improved due to a 5,1% reduction in energy consumption and a decrease in electrode failures, demonstrating the practical value of implementing digital intelligent control systems in electric arc furnaces