1、結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) Abstract : A simple effective intelligent mould level control method is presented. It consistes of a nonlinear controller , for sliding valve and its hydraulic actuator based on model reduction and inner model control , a feed forward tundish weight controller and a mould level predic

2、tive fuzzy controller. Its accuracy and reliability for practical use in continuous casting process are demonstrated by satisfactory experimental and on- line control performances . Key wor ds : mould level ; intelligent control ; cascade control ; fuzzy predictive controlDocument code : A摘要:提出了一種簡單

3、有效的結(jié)晶器液位智能控制控制方法,它包括一個基于模型降階和內(nèi)?？刂频姆蔷€性滑動水口及其液壓機構(gòu)控制器、一個中間包重量前饋控制器和一個結(jié)晶器液位模糊預(yù)測控制器. 實驗和現(xiàn)場使用說明,該方法能夠準(zhǔn)確可靠地應(yīng)用于連鑄過程控制之中.關(guān)鍵詞: 結(jié)晶器液位; 智能控制; 串級控制; 模糊預(yù)測控制1 引言結(jié)晶器液位控制是連鑄過程控制的重要環(huán)節(jié)之一。它是通過液壓伺服系統(tǒng)控制鋼液從中間包流向結(jié)晶器的流量。結(jié)晶器中液位的波動不僅會影響鑄坯質(zhì)量，而且還可能導(dǎo)致澆鑄過程中溢鋼或漏鋼事故。由于連鑄過程對鋼水質(zhì)量要求高，連鑄過程控制存在許多問題，如： 1存在著可測的擾動和未建模動態(tài)； 2具有時變性和非線性特性；3過程本身

4、和執(zhí)行機構(gòu)常有較大的滯后；4用于過程測量的傳感器也常常受到高頻噪聲的影響。由于這些原因，傳統(tǒng)的建模和控制方法難以實現(xiàn)令人滿意的結(jié)晶器液位控制。最近，連續(xù)鑄造過程中采用智能的控制方法，如預(yù)測控制和模糊控制。但沒有一種控制方法可以得到令人滿意的拉坯速度，也不能實現(xiàn)穩(wěn)定的結(jié)晶器液位控制。根據(jù)我們以往的研究，本文將提出一種智能的液位控制方法。這種控制方法在中國九五工程的鋼鐵廠進行的兩個試驗和實時鑄造工藝中得到令人滿意的業(yè)績報告。2 梯級結(jié)晶器液位控制器設(shè)計結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 。其中非線性控制器的目的在于彌補具有流動行為的非線性滑動閥的影響; 給料區(qū)控制器的目的是分散中間包液位波動的影響;

5、它是基于模型降階和內(nèi)?？刂?，可用于滑動閥及其液壓執(zhí)行器;和控制器組成結(jié)晶器液位控制的預(yù)測模糊控制，防止滋干擾拉坯速度和未建模動態(tài)。2.1 非線性的閥流量控制器良好的非線性閥流量控制器應(yīng)考慮的幾點：閥的幾何條件、流動動態(tài)和高溫鋼液所造成的侵蝕。抖動通常用于在實際層面上的控制，以補償這些非線性所帶來的影響。但是，這可能加快閥的磨損，縮短其壽命。因此，根據(jù)閥的結(jié)構(gòu)特點及其行為，下面的非線性控制器專為它設(shè)計了一套解決方法 ， (1)在增益閥流量系統(tǒng)中將顛倒過來，即 (2)而g( xv)是用來補償非線性幾何閥門的，即將g( xv)反過來作用到函數(shù) fxv)以控制閥與閥之間的有效流通領(lǐng)域。通過根本的物理和

6、幾何知識就可以方便的獲得函數(shù)fxv，如 (3)2.2 中間包重量的前饋控制器 這使測量中間包重量更加容易。眾所周知它關(guān)系到結(jié)晶器液位控制的傳遞函數(shù) 。因此，下面的前饋控制器是用來消除其對結(jié)晶器液位控制的影響。 (4)2.3 滑動閥位控制器在開環(huán)系統(tǒng)中，高階系統(tǒng)包括滑動閥及其液壓伺服系統(tǒng)。因此，控制器的設(shè)計如下減少一個模式進程。眾所周知內(nèi)?？刂茍?zhí)監(jiān)委的戰(zhàn)略是在使用的根底上減少模型，以獲取以下自整定PID控制器： (5)通常結(jié)晶器液位真正振蕩是發(fā)生在高頻區(qū)的，因此，它阻礙控制器調(diào)整運動的閥門。為了防止這些不利因素，在該控制器中用閥位輸出代替錯誤的閥門位置的微分項。然后將閥門驅(qū)動器設(shè)置的位置點與結(jié)晶

7、器液位直接有關(guān)排除在微分項外，因此由控制輸出衍生的進一步變化所造成的設(shè)定點是可以防止的。這又使得調(diào)節(jié)閥運動平滑。2.4 結(jié)晶器液位的模糊預(yù)測控制器模具水平控制器是將模糊控制方法和預(yù)測方法的設(shè)計相結(jié)合。模糊控制在這里發(fā)揮的主要作用，而水平預(yù)測的行為僅是一種加固模糊控制的行為。這種控制器是精心設(shè)計，該系統(tǒng)有效地抵抗了過程測量中的干擾噪聲和噪聲所造成的拉坯速度變化以及未建模動態(tài)，并改良了魯棒性和穩(wěn)態(tài)行為。分割宇宙話語中的模糊控制是按照該鋼鐵廠實際進程要求確定的，以及模糊控制規(guī)那么的根底是一種集加權(quán)規(guī)那么的形式：如果錯誤是和速率是，然后輸出是。為調(diào)整模糊控制規(guī)那么，將建立一個結(jié)晶器液位模糊預(yù)測模型 其

8、中是重量。在此模型中參數(shù)是由最小均方 LMS 戰(zhàn)略確定的。最重要的是，這意味著控制規(guī)那么的完善。之后去模糊化，得到模糊控制器輸出u(k)的最后結(jié)果。雖然有完善的規(guī)那么，模糊控制器可能仍然不能令人滿意，因為存在有色噪聲。出于這一原因，設(shè)計了魯棒預(yù)測控制器的，以穩(wěn)固模糊控制器。在設(shè)計這一預(yù)測控制器時，介紹一個均衡CARIMA結(jié)晶器液位控制與有色噪聲模型的過程，如下： (6)其中 , 和 是多項式系數(shù)，這個阻抗代表結(jié)晶器集成的特點，y(t)和u(t-d)項分別是系統(tǒng)輸出和控制信號，w(t)是有色噪聲。前面的預(yù)測水平輸出和最優(yōu)控制法是在改良模型的根底上得到的，根據(jù)顯示定理得到下面的線性關(guān)系 (7)其中

9、，它代表存在有色噪聲的結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)。被定義為 。這個也被稱為是均衡有色噪聲系統(tǒng)中白噪聲的噪音。然后，過程模型 6 如下, (8)其中均衡輸出和控制項為 , (9) . (10)此外，動態(tài)過濾包含在本錢函數(shù)以消除測量噪聲帶來的影響。然后在GPC控制方法中使用均衡模型，以獲取CGPC來控制 。這個過程相當(dāng)于介紹以下本錢函數(shù) (11)通過降低本錢的功能，得到了最優(yōu)控制規(guī)律的均衡系統(tǒng) 。 (12)最后，結(jié)合平衡方程 8 和 9 ，得到最正確的預(yù)測與控制法的初步結(jié)晶器液位控制系統(tǒng) (13) (14)結(jié)合這一預(yù)測控制信號和模糊控制器的輸出u(k)得到最后的結(jié)晶器液位控制器，即 (15)3 實驗和工程

10、實施3.1 實驗在實驗中，將梯級PID控制器和本文提出的控制方法 8 進行了比擬。階躍響應(yīng)如圖.2所示，其中性能1是新方法。從圖.2中我們可以了解到，當(dāng)使用PID控制器時，結(jié)晶器液位振蕩劇烈和大級別的過渡發(fā)生。當(dāng)使用新方法進行控制時，結(jié)晶器液位迅速到達(dá)設(shè)定點。在魯棒控制系統(tǒng)也有明顯改善，無振蕩的發(fā)現(xiàn)。3.2 工程實施 本文研究的是板坯曲面半徑為3000mm的連鑄機。正常的拉坯速度為1 3 m/ min。結(jié)晶器的腳輪截面為150cm× 150cm，長度為30cm。結(jié)晶器的振蕩頻率f = 1.25 6.7Hz，公差為±3mm。最大驅(qū)動力F= 200kN。根據(jù)實際進程的要求，結(jié)晶

11、器液位的偏差應(yīng)小于10mm，并沒有急性波動。圖.3所示的是在本文介紹的控制方法下的實際鑄造性能曲線。很明顯最大偏差在5mm左右，并且一級波動很小。當(dāng)拉坯速度發(fā)生變化或在中間轉(zhuǎn)換時，目前使用的自動控制方法中不具有以下模具水平集點。在這種情況下，運營商通常將其切換到手動控制模式。這反過來又導(dǎo)致結(jié)晶器的液位波動劇烈。通過研究我們對這兩個案例進行了處理，得到了一種新的控制方法。原來當(dāng)拉坯速度增加，結(jié)晶器的液位下降，這使其迅速地返回到設(shè)置點。由于進程的慣性會使這一過程持續(xù)一段時間。但是沒有發(fā)現(xiàn)有較大偏差產(chǎn)生。最大的偏差也小于10mm。在中間包也近乎發(fā)生同樣的現(xiàn)象。為什么大型結(jié)晶器的液位并沒有出現(xiàn)錯誤，這是因為在執(zhí)行過程中被使用的新控制器中包括反積分揮臂戰(zhàn)略，這是最重要要指出的。當(dāng)絕對誤差夠大時，就不使用一體化的滑動閥門控制器。4 結(jié)論這種內(nèi)循環(huán)閥位置自動整定PID控制器是在內(nèi)模控制和模型降階的根底上設(shè)計的。這使閥運動非常平滑且迅速。此外，