（钢铁冶金专业论文）一种基于非线性pid控制的结晶器液位控制系统研究.pdf

毒 b yw a n gz h i y o n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h u m i a o y o n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 2 r。：，ii 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰 写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：王铬旁 日期：眦7 、厂 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 夕 ， i i - 东北大学硕士学位论摘要 一种基于非线性p i d 控制的结晶器液位控制系统研究 摘要 连铸过程实现液面控制是提高铸坯质量和提高铸机效率的重要手段，本文通过对 液位控制系统的研究总结出一种新型的控制方法，实现液位的平稳控制，着重对连铸 结晶器液位控制进行了研究与开发。 结晶器钢水液位控制是连铸过程的关键环节。结晶器液位控制的作用主要表现 为：使结晶器内钢水液位保持稳定，有效地发挥一次冷却的作用，增加连铸机的产量， 改善铸坯表面质量，减轻操作者的劳动强度，减少生产事故。在结晶器液位控制过程 中，由于控制模型的不确定性和时变性，诸如：塞棒的侵蚀、拉速变化、结晶器振动 等干扰因素，以及结晶器所处工作环境的恶劣，给控制过程带来许多困难，采用传统 的p i d 控制技术很难解决上述问题。 本文在分析结晶器液位特点的基础上，以结晶器液位控制系统为对象，建立了结 晶器液位控制系统的模型。研究并开发出一种带有死区环节和饱和环节相结合的非线 性p i d 控制器，并引用积分分离法加以修正，再应用m a t l a b 的s i m u l i n k 模块对控制 系统进行了仿真。结果表明：本文设计的结晶器液位控制系统具有超调量小，过渡时 间短，稳态误差小等特点，从而可以更好地适应连铸液位控制系统中的非线性和时变 性的特点。同时也为提高结晶器的在线控制质量水平提供了一种新的思路。 最后，本文对结晶器液位控制系统的监控软件进行了设计。本监控软件利用面向 对象的方法进行分析和设计，包括用户登录系统、界面显示、界面切换等模块，实现 了液位曲线实时显示、历史数据显示、报警显示、打印报表等主要功能，从而达到系 统监控的目的。 关键词：连铸；结晶器液位；非线性p i d 控制；监控软件 一。 一+ 一一一一一一一 i i i ， t h eq u a l i t yo fs l a ba n dt h ee f f i c i e n c yo ft h ec a s t i n gm a c h i n e w i t ht h es t u d yo nc o n t r o l s y s t e mt or e a l i z et h es t e a d yc o n t r o lo ft h el i q u i d , an e wc o n t r o lm e t h o dw a ss u m m a r i e di n t h i st h e s i s ，a n dt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tf o rt h ec o n t r o lo fm o l dl e v e lh a sw e r ec a r r i e d o u te m p h a t i c a l l y t h em o l dl e v e lc o n t r o li sa l li m p o r t a n tp a r to fc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s s t h em o l d l e v e lc o n t r o ls y s t e mc a ns t a b i l i z el e v e lo fm o l d ，a n de n h a n c ee f f i c i e n c yo ft h ep r i m a r y c o o l i n g , t h u si tw i l li n c r e a s ec a s t i n go u t p u ta n di m p r o v eq u a l i t y , w i l lr e d u c el a b o ri n t e n s i t y a n da c c i d e n t m o l dl e v e lc o n t r o ls y s t e mi n v o l v e su n c e r t a i n t ym o d e la n dt i m e - v a r i a t i o n m o d e l ，s u c ha s ，e r o s i o no ft h et u n d i s hs t o p p e r , c h a n g eo fc a s t i n gs p e e d ，m o l do s c i l l a t i o n , t h eb a dw o r k i n ge n v i r o n m e n ta n ds oo n s oi ti sd i f f i c u l tt os t a b i l i z em o l dl e v e lw i t h t r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e r i nt h i st h e s i s ，al i q u i dl e v e lc o n t r o ls y s t e mf o rm o l dh a sb e e nm a d eb a s e do ni t sl e v e l c h a r a c t e r i s t i c s ，a n do n en o n - l i n e a rp i dc o n t r o l l e rw i t hd e a dz o n et a c h ea n ds a t u r a t i o nt a c h e h a sb e e nd e v e l o p e d ，w h i c hi sm o d i f i e db yu s i n gt h ei n t e g r a ls e p a r a t e dm e t h o d t h e c o n t r o l l e rh a sb e e na p p l i e dt oi m i t a t et h et r u ew i t hs i m u l i r n km o d e li nt h em a t l a b ，a n dt h e r e s u l tm a n i f e s t st h a tt h i sm o l dl e v e lc o n t r o ls y s t e mh a st h ef o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s ：s m a l l o v e r s h o o t , s h o r tt r a n s i e n ta n ds m a l ls t a b i l i z i n ge r r o r t h er e s u l ts h o w st h em o l dl e v e l c o n t r o lm e t h o di se f f e c t i v ea n df e a s i b l e f i n a l l y , t h es o l , w a r eo f t h em o l dl e v e lc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d t h es 0 1 a r e i sa n a l y z e da n dd e s i g n e db yo b j e c t - o r i e n t e dm e t h o d ，i n c l u d i n gu s e rl o g i ns y s t e m s ，i n t e r f a c e d i s p l a y , a n di n t e r f a c es w i t c ha n ds oo n t h es y s t e mc a nr e a l i z et h ed i s p l a yo ft h er e a l - t i m e l i q u i dl e v e lc u r v ea n dh i s t o r i c a ld a t ad i s p l a y , a l a r md i s p l a y , p r i n t i n gs t a t e m e n t sa n do t h e r m a j o rf u n c t i o n s ，i no r d e rt oa c h i e v et h ea i m o fs y s t e ms u p e r v i s i o n k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s s ；m o l dl e v e l ；n o n - l i n e a rp i dc o n t r o l ；m o n i t o r i n g a n dc o n t r o l l i n gs o f t w a r e n 夕 - j 目录 录 i i i i 1 0 r ：i l 1 趋势2 ：； 1 2 连铸自动化控制技术的发展状况4 1 2 1 连铸自动化的发展4 1 2 2 连铸自动化的设计思想和原则5 1 2 3 连铸自动化的分级。6 1 3 结晶器液位控制的作用及发展现状7 1 3 1 结晶器的用途和分类7 1 3 2 结晶器液位控制方法8 1 3 3 结晶器液位控制的意义8 1 3 4 结晶器液位控制技术的发展及要解决的难题9 1 4 本文研究目的及内容1 0 第二章结晶器液位控制方法。1 3 2 1 结晶器液位控制方法的选择1 3 2 2 结晶器液位检测方法的研究与分析1 6 2 3 结晶器液位控制所面临的困难1 8 第三章结晶器液位控制系统的建模1 9 3 1 结晶器液位控制系统的组成1 9 3 2 控制系统建模与分析1 9 3 2 1 交流伺服电动缸模型2 0 3 2 2 塞棒流量特性模型2 1 3 2 3 拉速特性模型2 1 j v i i 东北大学硕士学位论文目录 3 2 4 结晶器模型2 2 3 2 5 结晶器液位检测器模型2 2 第四章非线性p i d 液位控制系统的设计2 3 4 1 常规p i d 控制器的设计2 3 4 2 非线性p i d 控制系统设计2 6 4 2 1 液位的非线性控制的简介2 6 ， 4 2 2 带饱和环节的非线性p i d 控制2 7 4 2 3 带死区环节的非线性p i d 控制。2 9 4 2 4 引用积分分离法的非线性p i d 控制3 0 4 2 5 事故报警处理3 2 4 2 6 控制算法的设定3 2 4 3 系统的仿真设计及分析3 3 4 3 1 常规p i d 控制仿真分析3 4 4 3 2 非线性p i d 控制仿真分析。3 5 第五章结晶器液位控制系统的软件设计4 3 5 1 组态软件简介4 3 5 2 监控系统软件的设计4 5 5 2 1 系统登陆界面的设计4 5 5 2 2 系统主界面的设计4 6 5 2 3 其他子界面的设计4 7 5 3 本章小结4 9 第六章结论与展望5 l 6 1 结论5l 6 2 展望5l 参考文献5 3 致 谢5 7 文中包含图、公式及文献5 9 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 连铸的发展状况 1 1 1 连续铸钢简介 第一章绪论 连铸( 连续铸钢) 是把液态钢用连铸机浇注、冷凝、切割而直接得到铸坯的工艺。 它是连接炼钢和轧钢的中间环节，是炼钢生产厂( 或车间) 的重要组成部分。连铸生产 的正常与否，不但影响到炼钢生产任务的完成，而且也影响到轧材的质量和成材率。 此外连铸自身的发展，还会带动冶金系统其他行业的发展，它对企业结构和产品结构 的简化和优化，有着重要的促进作用【l 】。 一台连铸机主要是由钢包、中间包、结晶器、结晶器振动装置、二次冷却和铸坯 导向装置、拉坯矫直装置、切割装置和铸坯运出装置等部分组成的。如图1 1 所示。 图1 1 连续铸钢的工艺流程图 f i g 1 1f l o wc h a r to f c o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s s 从炼钢炉出来的钢水注入到钢包内，经二次精炼处理后被运到连铸机的上方，钢 水通过钢包底部的水口再注入到中间包内。中间包水口的位置被预先调好以对准下面 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 的结晶器。打开中间包塞棒或滑动水口( 或定径水口) 后，钢水流入下口由引锭杆头 封堵的水冷结晶器内。在结晶器内，钢水沿其周边逐渐冷凝成钢壳。当结晶器下端出 口处坯壳有一定厚度时，同时启动拉坯机和结晶器振动装置，使带有液心的铸坯进入 由若干夹辊组成的弧形导向段。在这里铸坯一边下行，一边经受二次冷却区中许多按 一定规律布置的喷嘴喷出的雾化水的强制冷却继续凝固。当引锭杆出拉坯矫直机后将 其与铸坯脱开。待铸坯被矫直且完全凝固后，由切割装置将其切成定尺铸坯，最后由 ， 出坯装置将定尺铸坯运到指定地点。以上就是把钢水通过连铸机浇铸成钢坯的一般过 程【2 】。 。 1 1 2 连铸技术的发展目标及趋势 连续浇注的技术最早出现于1 8 4 7 年，最初应用于炼钢工业的实验连铸机产生于 二十世纪4 0 年代，并获得成功。5 0 年代连续铸钢设备开始用于工业生产。而真正得 到人们的重视并取得迅速发展是进入上世纪7 0 年代之后。到9 0 年代日本的连铸比已 达到9 5 以上，法国也达到9 0 以上，本世纪初许多国家都实现了全连铸。2 l 世纪 已经来临，钢铁仍然是重要的基础材料。在不少情况下，特别是发展中国家，钢铁甚 至是“必选 的材料。连铸技术帮助钢铁工业度过了石油危机、钢价滞涨等危险区。 日本的经验数据表明，由于连铸的普及和带来了相关工序的技术进步，日本钢厂的成 材率平均提高了约1 6 。与此同时，节约了大量能源和大量的雇员，成本大幅度降低， 这是不言而喻的。 这些成绩的取得归功于人们对连续铸钢的新工艺、新技术的不断追求与不断开 发。高效化、省力化、高质量化的连铸机是当今人们努力追求的目标。 ( 1 ) 高效化 由于浸入式水口长寿化等耐火材料的进步，结晶器振动技术的发展，结晶器在线 调宽技术的发明及异种钢连浇技术的确立。从而提高了机器的运转率，提高了浇注速 度，使之能在7 0 年代广泛应用于转炉炼钢车间。进入8 0 年代，由于中间包内钢水加 热技术，结晶器非正弦振动技术，结晶器钢流控制技术，二冷段凝固末端控制技术， 高温出坯技术，高效保护渣技术等开发的成功，使连铸机的工作拉速得以大幅度提高， 从而使生产效率也大幅度提高，高效连铸已成为连铸的主要发展方向。高效连铸技术 实质上是以高的铸坯质量为前提，以高的拉坯速度、高的作业率、高的连铸率等为手 段，达到提高铸机生产效率的目的。 ( 2 ) 省力化 、 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 7 0 年代，电子技术出现了以微处理器为标志的技术革新，可编程序控制器( p l c ) 、 分布式控制系统( d c s ) 相继出现，并与连铸技术相结合，使得连铸机的自动化水平 得到了飞速的发展。8 0 年代以来，由于钢包渣流检测，钢水连续测温，结晶器保护 渣自动投放装置，渣层厚度检测，拉漏预测技术，高精度液面控制技术，自动启停技 术的诞生和成熟；也由于这些技术的自动化水平的提高，代替了原来的人工操作，不 仅节省了人力，而且也提高了效率，人为的随机质量事件也被排除，连铸机的可靠性 大大提高。 随着设备可靠性的提高和人工智能系统的引入，会更进一步提高连铸的生产率和 自动化水平，同时也促进和推动了生产的发展。 ( 3 ) 高质量化 随着工业的发展，对钢铁材料的要求越来越苛刻，主要表现在高洁净度、化学成 分的稳定性和均匀性及材料的致密性等方面。随着炉外精炼、电磁搅拌、保护浇铸和 自动控制技术在连铸中的应用，高质量的连铸坯得到迅速的发展，在提高效率和降低 成本的基础上，使连铸坯质量稳步提高。 8 0 年代以来，钢水净化处理得到了大力发展，各种精炼设备应运而生，且日趋 完善。为生产无缺陷铸坯提供了洁净钢水。针对夹渣物对铸坯的危害，开发了大容量 中间包，大包下渣检测，结晶器钢水的电磁搅拌，适于不同钢种的高效保护渣，以及 利于夹杂上浮的浸入式水口等新技术。针对铸坯内部裂纹和中心偏析，开发了结晶器 电磁搅拌，二冷段电磁搅拌，低温铸造等新技术。而针对高质量钢种，开发了二冷凝 固末端电磁搅拌技术，轻压下技术，凝固末端控制技术，尤其是凝固末端连续锻造技 术，使方坯的中心偏析，v 型偏析完全消失，很大程度上改善了铸坯的质量。 1 1 3 我国连铸技术的发展 我国连铸经历了起步晚、发展艰难、引进移植、自创体系、快速发展、高效化改 造等阶段。 中国是世界上开发和应用连铸技术较早的国家之一。本世纪5 0 年代中期就进行 过连续铸钢方面的试验研究。1 9 5 6 年，重工业部的钢铁研究所曾在一台简单的半连 续铸机上浇铸8 0 t i n 圆坯。进入6 0 年代，中国连铸技术开发与应用曾掀起一股高潮， 突出表现在对弧形连铸技术的开发上。但是发展一直比较缓慢。进入8 0 年代连铸发 展有了根本性的变化，到了9 0 年代是我国连铸大发展的年代。高效连铸技术是9 0 年 代以来连铸技术发展与完善的主要方向之一。目前，我国国产、引进、合作的高效铸 东北大学硕士学位论文第一章绪论 机已达到5 0 多台，铸机最大作业率大于9 0 。我国自行开发的高效连铸、连续变化 锥度结晶器、调整辅助水膜结晶器、二冷动态控制、连续矫直等关键技术已获突破， 并进行了系统集成与推广。近终形连铸技术是高效连铸技术的一种特殊形式，是今后 连铸生产完善和优化发展的方向。在薄板坯连铸方面，中厚度薄板坯攻关取得成功， 国产化工作已见成效。 连铸生产的迅速发展，使得炼钢、连铸、轧钢的衔接更加紧密，带动了我国钢铁 工业结构优化的步伐。首先是连铸生产的优化，促进了洁净钢的生产，钢液精炼比已 由1 9 9 0 年的2 6 8 提高到1 9 9 8 年的2 0 2 ，出钢温度的控制水平显著提高；其次， 连铸生产的优化使生产品种、规格进一步扩大：高温无缺陷铸坯的生产，使得连铸与 轧制工序的衔接更加精密，生产流程趋于一体化。同时生产流程的紧凑推动了炼钢到 轧钢工序自动控制水平的提高，加快了生产流程管理一体化的进程。连铸在我国得到 了迅速的发展，然而与先进产钢国相比仍然存在较大的差距。主要体现在：传统连铸 的稳定性、近终形连铸、高效连铸、合金钢连铸以及连铸生产自动化控制等方面。全 行业工艺、技术装备落后的比重较大。企业中小型装备偏多，平均规模小，技术水平 低，能耗高，效率低；工艺结构不合理；企业自动化水平不高，严重阻碍了高效连铸 技术的推广与应用。 1 2 连铸自动化控制技术的发展状况 1 2 1 连铸自动化的发展 连铸自动化的目的在于提高生产效率，提高铸坯质量合格率，简化生产人员操作 过程，降低劳动强度，并根据要求提供生产过程监视和各类生产报表，以及指导操作 人员远程控制，从而降低吨钢成本，优化生产过程和生产计划，提供有效的设备维修 计划。连铸自动化的发展大致经历了以下几个阶段： ( 1 ) 继电器逻辑控制 继电器逻辑控制只能实现简单的机旁就地控制。 ( 2 ) 可编程控制器和单回路仪表 可编程控制器和单回路仪表是单体设备，它实现了简单自动化控制过程。 ( 3 ) 系统自动化 系统自动化是按系统较好地控制生产设备，如计算机与仪表组成的配水系统等。 ( 4 ) 网络自动化 4 、 东北大学硕士学位论文第一章绪论 网络自动化能够提供过程监视，实现生产过程自动化，属于高级自动化过程。 连铸自动化的发展与电子技术和计算机技术息息相关，特别是目前计算机c p u 芯片的速度加快和网络技术的应用，渗透到自动化控制领域，成为连铸工艺和设备中 不可缺少的重要组成部分，连铸自动化的高低程度决定了连铸机的控制水平和生产能 力。 1 2 2 连铸自动化的设计思想和原则 连铸自动化的设计是根据不同的生产设备和工艺要求而确定的，随着控制技术和 工艺模型的发展，目前的连铸自动化普遍设计为3 级或4 级自动化系统，控制系统的 结构层次如图1 2 所示。 化级( 设备级) 图1 2 自动化系统结构层次图 f i g 1 2a u t o m a t i o ns y s t e m - l e v e ls t r u c t t 北p l a n s 各级系统内控制设备随着生产现场设备和控制室的位置而分布，各个独立的控制 设备依靠网络传递信息，构成了层次清晰，功能复杂的高效网状自动化组态系统。各 级自动化系统的主要功能如下： ( 1 ) 信息级 信息级是搜集各类生产数据统计分析，构成各类数据库，便于管理人员研究和决 策。 ( 2 ) 管理级 管理级是用来管理和实施生产计划，指挥过程计算机执行生产任务等功能。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 过程控制级 过程控制级能接收基础自动化级提供的各类数据和设备状态，按照数学模型进行 处理，指导基础自动化级优先控制过程。 ( 4 ) 基础自动化级 基础自动化级的控制对象是现场设备，如传动设备，液压设备等，根据工艺要求 驱动机械设备完成相应得生产操作指令。 ， 各级自动化系统将搜集到的设备状态和过程信息，通过h m l 人机界面提供给操 作人员，以监视生产设备和运行数据，同时接受操作人员的命令，并输出生产的各类 报表。 1 2 3 连铸自动化的分级 近年来由于操作经验的不断积累及对连铸过程解析的深入，开始逐步采用计算机 控制对整个连铸过程进行监控和管理。普遍采用集散控制系统( d c s ) 和可编程控制 器( p l c ) 。电气传动控制采用交流调速和矢量控制技术，另外近几年国内外还加强 了重要参量的检测技术的研究，控制系统采用二级和三级自动化系统实现连铸生产的 自动化。 现代连铸机的计算机控制系统，一般是一个三级计算机控制系统。 ( 1 ) 第一级是中央计算机或管理计算机，用于管理和生产调度。 ( 2 ) 第二级是生产过程控制机，用于控制整个生产过程。 ( 3 ) 第三级是电气控制系统或仪表控制系统，用于执行过程机送来的设定值或控 制具体的生产设备。 一 例如：德国东方钢铁公司的连铸机采用的便是一个典型的三级自动控制和信息处 理系统，其中第一级由一个单独的计算机构成，第二级和第三级分别由可编程控制器 和基础自动化系统构成。另外还有一台故障诊断计算机与所有生产设备相连，负责连 铸生产过程的故障诊断。该控制系统主要包括生产计划编制系统、转炉炼钢控制系统、 板坯连铸控制系统、大方坯连铸控制系统、铸坯清理控制系统等。 现今国外有些厂家已经采用四级自动化系统： ( 1 ) 显示控制系统：集散控制系统d c s 、可编程控制系统p l c 和c r t 显示器组 成； ( 2 ) 设备监控系统：过程计算机和c r t 组成； ( 3 ) 协调系统：协调和监视车间各生产设备操作的计算机系统； 矗 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 4 ) 中心数据处理计算机系统：管理和调度连铸及其相关工序，并保存连铸车间 历史数据。 例如：美国内陆钢铁公司连铸机都配备了如上的四级自动化信息系统。该系统可 以根据质量控制系统提供的数据作出关于质量状况、生产数据、收得率等的详细报表， 并为操作员提供操作指导。 连铸自动化系统设备从大包旋转塔到板坯收集装置，根据生产工艺要求提供相应 的自动化控制设备，相关的能源介质也需要过程控制设备，下一级的控制设备除完成 自身的工艺功能外，也借助通讯网络向上下级接受和发送必要的数据。 1 3 结晶器液位控制的作用及发展现状 1 3 i 结晶器的用途和分类 结晶器是连铸机的心脏。中间包的钢水注入到结晶器内，钢水在结晶器中初步凝 结成铸坯的外形，生成一定厚度的坯壳，并被连续地从结晶器下口拉拔出来，进入二 次冷却区。铸坯的外壳尺寸由结晶器的内腔尺寸决定。结晶器浇铸时的内腔尺寸是按 照成品的板坯尺寸要求在浇铸前调整好的。 由于结晶器内壁是直接与铸坯表面接触的，因此结晶器的结构特点、冷却性能、 内壁质量等都会直接影响到铸坯的质量，同时也会影响到结晶器本身的使用寿命，因 此对结晶器的性能有以下几个要求： ( 1 ) 与钢水接触的材质要具有良好的导热性能，能迅速地将热量传导给外侧的冷 却水，以形成有足够厚度的初生坯壳； 一 ( 2 ) 结晶器应具有良好的结构刚性，在经受高温钢水冲击的情况下不易变形： ( 3 ) 应有较好的机械制造工艺性，以便于加工制造、安装及调整。选用的材质应 有较好的耐磨性，以达到较长的使用寿命； ( 4 ) 尽可能减轻重量以减小结晶器振动装置的负荷及惯性造成的冲击力。 按连铸机型式不同，结晶器可分为直形和弧形两大类。按结晶器结构可分为管式、 整体式和组合式三种。一般板坯连铸机使用的结晶器采用弧形结晶器，而目前小方坯 连铸机使用的结晶器绝大多数是管式结晶器；大方坯连铸机的结晶器，可以是铜管式 的，也可以是组合式的，目前国内大方坯连铸机一般是采用组合式结晶器。组合式结 晶器的结构基本与板坯连铸机的结晶器相近，仅是宽度比板坯窄一些。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 2 结晶器液位控制方法 结晶器液位控制的方法【3 5 】主要有三种： ( 1 ) 流量型，即通过控制中间包向结晶器内钢液流入量的方式保持结晶器液位的 稳定。这种方式根据结晶器液位的变化来调节塞棒的位置或滑动水口开度，改变钢水 的流入量，来稳定结晶器的液位。这种控制方式可以保证拉坯速度恒定，因此也就允 许根据工艺要求选择合适的拉速，在液位的调节过程中把拉坯速度作为扰动，这种调 节过程一般比较平稳，给系统的稳定运行带来很多方便，已经成为当今结晶器液位控 制方式的主流。 ( 2 ) 速度型，即用拉速去控制结晶器液位。这种方法喷溅较少，主要用于小方坯 连铸。如首钢三炼钢小方坯连铸采用的就是这种方法。在这种方法中，固定中间包流 入到结晶器中的钢液量，根据液位变化修正拉坯控制系统的设定值，以使结晶器液位 保持恒定。由于拉坯速度的变化会引起铸坯凝固制度、二次冷却制度、定长切割系统 等一系列环节的修正。而合适浇注温度与合适拉速的配合是连铸稳定生产和取得高质 量铸坯的前提，拉坯速度不应该成为控制手段而应该把拉速稳定作为工艺目标。因此， 用调节拉速的方式保持结晶器液位稳定的这种做法已经逐渐被淘汰。 ( 3 ) 混合型，即一般控制拉坯速度来保持液位稳定，但是当拉速超过某一百分比 仍不能保持给定液位时，则控制塞棒或滑动水口，或者两者均控制，以控制流量为主。 这种方法也主要用于小方坯连铸。 1 3 3 结晶器液位控制的意义 钢水从钢包流入中间包，然后通过浸入式水口流入结晶器，中间包的塞棒设置在 浸入水口的开口处，它通过液压一机械塞棒提升装置驱动，而塞棒位置由电驱动的液 压伺服阀调节。进入结晶器的钢水流量和结晶器钢水液位是由塞棒被提升后浸入式水 口被打开的程度所决定的。铸坯从结晶器下方连续拉出，结晶器中的钢水必须得到补 充，以保持液面恒定。结晶器中钢水液面高度所决定的钢水静压力和钢水热容量与铸 速的设定值相关。 结晶器液面在浇铸过程中的稳定性，直接影响铸速的稳定控制和二冷区喷冷水的 稳定控制，从而影响铸坯中各段冷却结晶过程的均衡。结晶器钢水液位必须尽可能控 制在预定位置。结晶器钢水液位波动不但直接影响铸坯的质量( 如夹渣、鼓肚和裂纹 等) ，而且会导致浇注过程中的溢钢和漏钢。结晶器液位波动如果大，就会造成大量 8 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 渣子卷入结晶器中，就会造成拉漏。连铸最大的危害就是拉漏，一旦拉漏，整个生产 被打乱而且烧坏设备，短时十几个小时，长时达几天无法生产；即使不拉漏，由于液 位波动大也会造成铸坯表面和内部质量不好，结果是频频出现废品和残次品。因此， 结晶器钢水液位控制是连铸生产中至关重要的技术，也是历年来各国竞相研究的课 题。 结晶器液位控制的重要意义如t 6 , 7 1 ： ( 1 ) 减少和避免漏钢、溢钢，稳定生产操作。 ( 2 ) 防止浮在结晶器液位上的夹杂物卷入铸坯，避免在铸坯表面和内部产生夹杂 缺陷。 ( 3 ) 防止结晶器保护渣不均匀流入，避免产生裂纹、炉渣条痕等表面缺陷。 “) 使铸坯初期凝固稳定，保证在结晶器内部产生均匀的凝固壳。 1 3 4 结晶器液位控制技术的发展及要解决的难题 连铸的发展过程中，结晶器液位控制大致经历了两个阶段【4 8 】： 第一、用拉速去控制结晶器液位。在这种方法中，固定中间包流入到结晶器中的 钢液量，根据液位变化修正拉坯控制系统的设定值，以使结晶器液位保持恒定。由于 拉坯速度的变化会引起铸坯凝固制度、二次冷却制度、定长切割系统等一系列环节的 修正，而合适浇注温度与合适拉速的配合是连铸稳定生产和取得高质量铸坯的前提， 拉坯速度不应该成为控制手段而应该把拉速稳定作为工艺目标。因此，用调节拉速的 方式保持结晶器液位稳定的做法已经逐渐被淘汰。 第二、通过控制中间包向结晶器内钢液流入量的方式保持结晶器液位的稳定。这 种方式根据结晶器液位的变化调节中间包塞棒位置或滑动水口开度，改变钢水的流入 量，稳定结晶器液位。这种控制方式可以保证拉坯速度恒定，因此也就允许根据工艺 要求选择合适的拉速，在液位的调节过程中把拉坯速度作为扰动，这种调节过程一般 比较平稳，给系统的稳定运行带来很多方便，己经成为当今结晶器液位控制方式的主 流。 结晶器液位控制技术要解决的几个主要难题【9 】： ( 1 ) 摩擦与后冲 塞棒通过一个支撑臂连接在液压驱动的升降杆上，这种机械连接可能包含摩擦和 后冲，致使塞棒在任何情况下都无法准确定位，因此摩擦和后冲降低了受控系统的精 度。 9 - 东 粘 生 液 制 曲 电 与 铸 率上下振动，从而影响结晶器液位的测量，结晶器液位的测量值包含结晶器振幅，因 此减弱结晶器液位的控制精度，结晶器振动频率是常量或随拉速变化的。 ( 7 ) 波动现象 观察表明，结晶器液面会产生波动，结晶器壁反射的表面波动形成驻波，前提是 结晶器宽度必须是波长的整数倍，决定了波动的频率。因为结晶器的振动频率一定是 波动频率的倍数，并且包含在结晶器液位测量中，结晶器振动也能引起控制过程中的 波动。 1 4 本文研究目的及内容 本文着重对连铸结晶器液位系统进行了研究与分析，结晶器液位控制系统是提高 生产效率和产品质量的关键环节，结晶器液位控制的作用主要表现为：使结晶器内钢 水液位保持稳定，有效地发挥一次冷却的作用，增加连铸机的产量，改善铸坯表面质 量，减轻操作者的劳动强度，减少生产事故。本文研究的目的是为了实现结晶器液位 1 0 东北大学硕士学位论文第一章绪论 不仅在稳态浇铸过程中保持高稳定性，而且要在非稳态浇铸条件下及突发较大的扰动 情况下仍能保持结晶器液位的稳定，保证连铸机的浇铸速度、高的连铸机作业率、高 连浇率和高的铸坯质量。 为了达到上述目标，深入分析连铸工艺，本文进行了如下研究工作： ( 1 ) 对结晶器液位控制方法和结晶器液位控制所面临的问题作了概述，为后面的 控制系统的建模做了理论铺垫： ( 2 ) 介绍了结晶器液位控制系统的组成及原理，在对系统被控对象详细分析的基 础上，建立了被控对象模型； ( 3 ) 在总结p i d 控制优缺点的基础上，采用了非线性p i d 的控制理论，开发出带 有死区环节和饱和环节相结合的非线性p i d 结晶器液位控制系统，并引用积分分离的 方法对控制系统的积分饱和现象加以修正，实现了结晶器液位稳定、精确的自动控制， 并利用m a t l a b 中的s i m u l i n k 仿真工具对整个控制系统进行了仿真和分析； “) 采用m c g s ( 监视与控制通用系统) 组态软件开发了监控系统，对控制系统 进行监控。 本论文的后续章节就以上几方面的研究工作内容进行具体的阐述。 东北大学硕士学位论文 第二章结晶器液位控制方法 第二章结晶器液位控制方法 2 1 结晶器液位控制方法的选择 传统的p i d 控制策略只有在指定的工艺条件下才能实现较为有效的结晶器液位 控制。其不足之处在于：( 1 ) 系统开环增益较大，即使很小的扰动也会引起较大的偏 差；( 2 ) 无法克服系统因滑动水口等存在死区或摩擦而具有的非线性特性；( 3 ) 由于拉 速等的扰动作用，系统的鲁棒性较差【。为了适应高效连铸，满足常规连铸提高质量 和减少操作人员的要求，国内外开发了许多种新的控制算法以解决以上问题。 ( 1 ) 基于常规p i d 算法的补正与改良的方法 基于p i d 控制策略的算法如下： ( a ) 高频抖动补偿 克服由塞棒摩擦及死区特性等引起的非平稳非线性的简单而有效的方法是在控 制信号中引入高频抖动信号【1 1 1 ，从而使液位执行机构产生抖动以消除塞棒摩擦和死 区，将液位偏差减小到满足要求的范围之内。直观地看，这种补偿很可取，但实质上 它是一种开环高频补偿因而很容易使整个回路的稳定性变差。而且由于高频抖动信号 的作用，使得滑动水口的磨损较快，且液位波动频率较高，保护渣很容易卷入钢液。 ( b ) 线性串联补偿 试验结果显示，液压系统有明显的滞后特性，于是人们在不改变已有的p i d 控制 器的情况下在其中加入一个高频带线性补偿控制器。在控制信号的变化率发生变化 时，该控制器能够对滞后引起的控制误差进行快速跟踪，使阀门很快达到指定位置。 与高频抖动补偿相比，这时结晶器液位波动的幅值虽然没有改善，但波动的频度明显 减少，且控制动作也大大减少。 ( c ) 非线性串联补偿 流量特性和滑动水口结构具有平稳非线性特性，使得结晶器液位与水口开度之间 具有非线性关系。为了克服这一非线性的影响，主要是开环增益较大和滑动水口等流 量执行机构的非线性，g r a e b esf t 5 , 1 2 】基于阀门的非线性模型设计了一种控制器 g = c k l 。这里，k 用来抵消流量系统的增益，而引入是为了抵消阀门的非线性， 即将阀门流量特性的非线性模型分段线性化，用其逆函数来抵消流量的非线性，c 根 据需要进行设计。这样，结晶器液位闭环控制系统的前向通道总传递函数就成为了一 13 东北大学硕士学位论文 个线性环节。 ( d ) 带死区变增益的非线性控制 对于结晶器液位控制，人们不但希望液位误差较 化，以减少滑动水口的磨损，而且希望当偏差较大时 小。为此，可设计如下的变增益控制器【1 3 】： f 0 k ) l 白时 成为事故区，系统自动停止运行。现场使用表明，采用这种方法时执行机构动作幅度 和频度明显改善，结晶器液位波动幅度和频度也很小。系统稳定时液位最大偏差i m m ， 而未采用这种方法时，稳定时液位偏差高达6 m m 。 ( 2 ) 基于零极点配置的液位控制策略 基于零极点配置的液位控制策略的方法如下： ( a ) 相角超前滞后补偿控制 为满足系统的静态速度偏差系数指标，系统中必须增加一个放大器疋，这使得 液位开环系统得相角裕量和幅值裕量小于正常值。而单一的相角超前或滞后补偿无法 使系统满足指标要求，因此，可采用如下相角超前滞后补偿器【1 4 1 ，其传递函数为： g 胁疋嵩器 ( 2 2 ) 适当选取参数之后，液位系统的相角裕量和幅值裕量就可达到要求的范围之内。 ( b ) 扰动补偿控制 结晶器液位系统中扰动的能量谱密度中有一些主要的频率成分。当干扰的幅值较 大时，主要成份的频率在o 0 5 _ - 0 1 h z 。为了克服扰动的影响，可采用如下传递函数 的滤波器： g ，2 两丽罚磊2 苦2 瓦石丽 2 3 ) 这样虽能克服扰动，问题是系统的相角裕量和幅值裕量却大大减小，用相角超前 之后补偿控制方法也无法使该系统稳定。因此，根据内膜控制原理引入扰动补偿控制 器，其传递函数为： 1 禾 第二章结晶器液位控制方法 啪) = 掣 ( 2 4 ) 77 其中m ( s ) = m ，s ；日( j ) = h ，s 。 i = 0i = 0 除此之外，还可采用观测器对扰动进行估计【1 5 1 ，然后对p i d 控制输出信号做如下 修正： 驴专d 其中d 为估计的流量扰动；k ，为介于0 和1 之间的增益常数； 就可抵消钢水流量扰动对结晶器液位的影响。 ( 3 ) 智能控制 ( 2 5 ) c 位流量系数。这样 ( a ) 主副回路自校正p i d 控制 这种控制策略的主回路为比例控制器，副回路为p i d 控制器。其中，副回路p i d 控制器参数是采用一种有限脉冲响应自校正器【1 6 】获得的，唯一需要校正的参数时主回 路比例控制的比例增益。引入副回路控制器的作用，一是为了部分减少过程增益的变 化，二是为了快速消除拉速扰动的影响。为了克服高频测量噪声的影响，副回路反馈 信号采用当前的液位输出和前一采样时刻的液位值之差。 ( b ) 预测液位控制 k e y s e rd 【1 7 1 通过对结晶器液位单回路p i 控制、双回路自校正p i d 控制和一种基 于过程模型的预测方法的比较研究，采用e p s a c 预测控制策略【l s 】对液位进行控制， 并已将其用于一个连铸机中，结果发现这种方法易于实现控制精度和鲁棒性两方面的 性能要求，这比双回路p i d 策略有较大改善。最近，我们也涉及了一种结晶器液位鲁 棒预测控制器，通过等效变换方法将包含有色噪声项的系统模型化为标准的g p c 模 型，并对输入输出数据进行低通滤波。 ( c ) 模糊液位控制 o m u r ak 等【1 9 】于1 9 9 0 年之前就研制出一种结晶器液位在线实时诊断模糊专家系 统，采用a i 诊断工具i d m o n 作为推理的核心，该系统能用一个模糊隶属度函数经 过复杂的计算和推理，发现可能引起也为波动的异常数据，从而指导浇铸操作以尽量 减少铸坯缺陷。在此之前，p a i u kj 等【2 0 】于1 9 8 9 年研究出一种部分主要参数可调的模 糊控制器。国内柴天佑等【2 1 2 2 】也有很多研究。最早将模糊方法用于实际连铸生产线中 队结晶器液位进行控制的是d u s s u dm 【2 3 】等人，他们成功地解决了诸如喷嘴堵塞等过 1 5 东北大学硕士学位论文 第二章结晶器液位控制方法 程扰动对液位的影响。 ( d ) 自适应液位控制 h e s k e t h t 等【2