（机械电子工程专业论文）结晶器液面控制与振动系统仿真.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 本文对连铸结晶器液位控制提出一种模糊自适应整定p i d 控制方法。这种方 法是在常规p i ：d 控制器的基础上，以误差e 和误差变化率e c 作为输入，采用模糊 推理方法对p i ：d 参数七。、屯和力进行在线自整定，以满足不同的e 和e c 对控制 器参数的要求，从面使被控对象具有良好的动态性能和静态性能。仿真结果表 明，对结晶器液位控制采用模糊自适应整定p i d 控制效果好，系统稳定，其抗于 扰的能力也比较强。与常规p i d 控制相比，模糊自适应整定p d 控制下结晶器 液面的震荡小于+ _ 3 r a m ，满足工程实践要求。这种新型控制器在工厂实践中获得 成功应用。 本文第二部分的工作是设计了驱动结晶器非正弦振动的电液伺服系统，对带 有起瞬时能源作用的蓄能器的非对称缸液压伺服系统，建立了数学模型，并对其 进行仿真。仿真结果表明，由于结晶器的振动方式为非正弦振动，负滑动期间的 速度远大于正滑动的速度，因而在负滑动时间内需要较大流量，在正滑动时间内 只需较小流量，从而可以用蓄能器把系统中来自泵的多余液压能储存起来，然后 在负滑动期间放出这些压力油，以满足系统运动的要求。 最后，设计了具有较高控制精度的变论域模糊控制器，对电液伺服系统进行 控制，并取得了良好的控制效果。 关键词：结晶器，液位控制，模糊自适应整定p i d 控制，非正弦振动，变论域模 糊控制 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t af u z z y a d a p t i v es e l f - t u n i n gp i dc o n t r o lm e t h o df o rt h em 0 1 1 1 dl e v e lc o n t r o l w a sp r o p o s e di nt h i st h e s i s b a s e do nt h en o r m a lp i dc o n t r o l l e r , 、撕t l lt h ee r r o ra n d e r r o rc h a n g ea st h es y s t e mi n p u t s ，t h ef u z z yl o g i c a lm e t h o di s a p p l i e dt oo n l i n e a d j u s t m e n ta n dc o n t r o lo ft h ep i dp a r a m e t e r s ：k 。，k ta n dk d ，s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h ef u z z y - a d a p t i v es e w - t u n i n gc o n t r o l l e rp e r f o r m sw e l la n dh a sp o w e r f u l a b i l i t yt oc o m b a tt h ei n t e r f e r e n c e s t h ef u z z y - a d a p t i v es e l f - t u n i n gc o n t r o l l e rc a l lk e e p t h eo s c i l l a t i o no fm o u l dl e v e lw i t h i nas m a l l e rr a n g ec o m p a r e dt ot h en o r m a lp i d c o n t r o l l e t a ne l e c t r o h y d r a u l i cs e r v es y s t e mw h i c hd r i v e sn o n - s i n u s o i d a lo s c i l l a t i o no f t h e m o l di sd e s i g n e d am a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e df o rt h eh y d r a u l i cs e r v os y s t e m ， w h i c hi sc o n t r o l l e db yt h ea c e m n u l a t o r w i t ht h en o n - s i n u s o i d a lo s c i l l a t i o no ft h e m o l d ，t h ev e l o c i t yd u r i n gt h en e g a t i v es l i d ei sl a r g e rt h a nt h ev e l o c i t yd u r i n gt h e p o s i t i v e s l i d es ot h a tt h el a r g e rf l o wi sn e e d e dd u r i n gt h en e g a t i v es l i d e t h e a c c u m u l a t o rc a ns t o r ea d d i t i o n a lp r e s s u r ef r o mt h ep u m pa n dd i s c h a r g et h eo i lt o s a t i s f yt h es y s t e mm o v e m e n t b a s e do nt h em a l 五锄a t i c a lm o d e lo ft h es y s t e m , af u z z yl o g i c a lc o n t r o l l e rw i t h v a r i a b l eu n i v e r s ea r ed e s i g n e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h el a t t e rc o n t r o l l e r d e m o n s t r a t e sb e t t e rp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：m o u l d ，l e v e lc o n t r o l ，f u z z y a d a p t i v es e l f - t u n i n gc o n t r o l ，n o n - s i n u s o i d o s c i l l a t i o n ，f u z z yc o n t r o lw i t hv a r i a b l eu n i v e r s e i i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特i i i i 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：妣盈日期竺： ：17 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：垃盈导师签名：盥国缝日期：竺： ： 上海大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 连铸是将液体金属连续凝固成型的工艺过程。连铸的最初设想是由英国转炉 发明者h e r r yb e s s e m e r 于1 8 5 6 年提出来的，1 9 3 0 年连铸技术开始用于铜，铝等 有色金属的生产之中。由于钢的熔点高，所以钢的连铸比有色金属更加困难。直 到1 9 3 3 年s j u n g h a n s 的结晶器振动技术才取得突破，1 9 4 3 年连续铸钢实验装置 开发成功，使得在钢铁工业生产中采用连铸技术成为可能。连铸真正在钢铁工业 中的应用开始于2 0 世纪6 0 年代，此后连铸技术不断改进，连铸工艺更是迅速完 善。近年，又先后引进大板坯和小方坯连铸机并己投产。到2 0 0 0 年末，我国共 拥有连铸机3 0 0 多台 2 ，已实现全连铸的工厂有5 2 家，连铸比达9 0 以上的有 7 3 家。2 0 0 0 年，我国连铸比达8 5 7 3 ，到了2 0 0 1 年，已达9 5 3 1 【3 】。但连铸 品种的质量等方面，与国外尚有不少差距，为此仍有必要对连铸工艺和装备作更 深入的研究。 1 2 连铸工艺简介f 4 】 连续铸钢过程是将液态钢水经连续冷却，凝固成固态钢坯的过程。连铸工艺 的基本流程如图1 1 所示。 图1 1 连铸工艺流程示意图 f i g 11f l o wc h a r to fe o n t i n u o u sc a s t i n g 上海大学硕士学位论文 钢包中的高温钢水由中间包流入结晶器，在结晶器内开始结壳凝固，出结晶 器后经二次冷却区继续喷水冷却，直至全部凝固后切断，由出坯辊道送至冷床继 续冷却。 在连铸设备中，结晶器是一个非常重要的部件，被称为是连铸机的心脏。从 中间包注入结晶器内的钢液，通过结晶器壁散热冷却，初步凝固，形成一定厚度 的坯壳。这个过程是在钢液( 铸坯) 与结晶器之间具有连续的相对运动的情况下 进行的。 1 3 选题目的和意义 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) ， 而且会导致浇铸过程中的溢钢甚至漏钢事故。因此，结晶器钢水液位自动控制是 连铸至关重要的问题。目前液位控制中常用的是传统的p i d 方法，只有在特定工 艺条件下才能实现较好的液位闭环控制，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 ) 滑动水口等因存在死区或因摩擦， 腐蚀或堵塞等原因而使系统具有非线性特性；3 ) 由于拉速的扰动作用，p i d 控 制系统的鲁棒性较差，为了克服这些不足，近年来国外已有许多研究人员将预测， 自适应以及模糊控制等先进方法用于结晶器液位控制之中，其控制效果比传统 p i d 方法有较大改善。根据工厂实际的需要，我们对结晶器液位控制系统进行仿 真研究，以保持结晶器液位的稳定性，并将这种控制方法应用于工厂实际中去。 结晶器振动是连铸中的又一个关键技术，连铸过程中，结晶器和坯壳问的相 互作用影响着坯壳的生长与脱膜，其控制因素是结晶器坯壳的拉压和润滑。连铸 在采用固定结晶器浇注时，铸坯直接从结晶器向下拉出，由于缺乏润滑，易与结 晶器发生粘结，从而导致出现拉不动或拉漏事故。结晶器振动对于改善铸坯和结 晶器界面间的润滑是非常有效的。振动结晶器的发明引进，使工业上大规模应用 连铸技术才得以实现。可以说，结晶器振动是浇注成功的先决条件，是连铸发展 的一个重要里程碑。近年来，冶金工业的迅速发展，为连铸进一步提高拉速以增 加连铸机的生产能力，就有必要对结晶器振动系统作进一步研究。 上海大学硕士学位论文 1 4 国内外研究的现状及发展 1 4 1 液位控制的现状及发展 结晶器钢水液面控制的难点是中间包水口塞棒的侵蚀。同样的塞棒位置由 于水口和塞棒粘上凝固钢液或突然脱落以及水口堵塞和烧损等，使常规p i d 系统 难以有效控制，而使结晶器钢水液面波动很大。为此，有关人员开发研究许多方法 来解决这些问题。 1 主副回路自校正p 1 d 控制 在把智能控制理论用于结晶器液位控制的研究方面，国外已取得了可喜的 成就。这种主副回路自校正p d 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，副回路控制器的参数是采用一种有限脉冲响应自校正器 “i 获得的， 唯一需要校正的参数是主回路比例控制器的比例增益。引入副回路控制船的作用 一方面是为了部分减少过程增益的变化，另一方面是为了快速消除拉速扰动韵影 响。值得注意的是，如果该控制器中不对噪声进行滤波，尽管结晶器液位偏差较 小，但控制信号的波动太剧烈，阀门的磨损将十分严重。 2 预测液位控制 d e - k e y s e r f 目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器精度和鲁 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。采用文献【5 1 和【1 1 1 给出的预测控制方法，虽然液位稳态时不存在任何偏差，瞬态液位偏差也较小， 但是在控制响应的初期却伴随着显著的液位波动。 3 模糊液位控制 k o m u r a 等入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，采用舭诊断工具i d m o n 作为推理的核心，该系统能用一个模糊隶属函 数经过复杂的计算和推理，发现可能引起液位波动的异常数据，从而指导浇铸操 作以尽量减少铸坯缺陷。我国也在研究模糊液位控制方法【6 啊方面取得了定的 进展。但最早将模糊方法用于实际连铸生产线中对结晶器液位进行控制的是 进展。但最早将模糊方法用于实际连铸生产线中对结晶器液位进行控制的是 上海大学硕士学位论文 1 4 国内外研究的现状及发展 1 4 1 液位控制的现状及发展 结晶器钢水液面控制的难点是中阅包水口塞棒的侵蚀。同样的塞棒位置由 于水口和塞棒粘上凝固钢液或突然脱落以及水口堵塞和烧损等，使常规p i t ) 系统 难以有效控制，而使结晶器钢水液面波动很大。为此，有关人员开发研究许多方法， 来解决这些问题。 1 主副回路自校正p i d 控制 在把智能控制理论用于结晶器液位控制的研究方面，国外已取得了可喜的 成就。这种主副回路自校正p i d 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，副回路控制器的参数是采用一种有限脉冲响应自校正器 1 1 1 获得的， 唯一需要校正的参数是主回路比例控制器的比例增益。引入副回路控制器的作用 一方面是为了部分减少过程增益的变化，另方面是为了快速消除拉速扰动的影 响。值得注意的是，如果该控制器中不对噪声进行滤波，尽管结晶器液位偏差较 小，但控制信号的波动太剧烈，阀门的磨损将十分严重。 2 预测液位控制 d e - k e y s 0 5 】通过对结晶器液位单回路p 1 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器精度和鲁 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。采用文献【5 】和【1 1 】 给出的预测控制方法，虽然液位稳态时不存在任何偏差，瞬态液位偏差也较小， 但是在控制响应的初期却伴随着显著的液位波动。 3 模糊液位控制 k 。o m u r a 等人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d m o n 作为推理的核心，该系统能用一个模糊隶属函 数经过复杂的计算和推理，发现可能引起液位波动的异常数据，从而指导浇铸操 作以尽量减少铸坯缺陷。我国也在研究模糊液位控制方法1 6 】t t l 方面取得了一定的 进展。但最早将模糊方法用于实际连铸生产线中对结晶器液位进行控制的是 上海丈学硕士学位论文 m d u s s u d 【8 】等人，他们成功地解决了诸如喷嘴堵塞等过程扰动对液位的影响。 4 自适应液位控制 t h e s k e t h 等 9 1 1 9 9 3 年研制出一种自适应液位控制系统r t s ，并已成功地将 其用于方坯连铸中。其特点是在模型中引入了滤波器、噪声模型和其他用于克服 液位系统的非线性、未建模动态等疑难问题的策略。 近年来对结晶器液位控制的研究也越来越多。随着智能控制理论的迅猛发 展，为结晶器波位控制注入了新的活力，一些智能控制理论虽然开始应用到结晶 器液位控制上，但仍然存在着诸多缺陷。采用文献 1 l 】中的主副回路p i d 控制方 法时结晶器液位稳态响应在较大范围内存在着较大的波动。预测控制嘲、自适应 控制9 1 和模糊控制【6 等智能控制方法已经在连铸生产中得到研究应用，但是它们 都尚未能很好地克服拉速等扰动对结晶器液位的影响。 1 4 2 结晶器振动技术在国内外的发展及应用情况 1 9 7 2 年日本钢管厂的福山厂在其5 号机上应用了液压伺服非正弦振动技术， 实现了板坯2 3 m m i n 的平均拉速，并且投入工业应用。 1 9 8 5 年日本神户制钢所对铸坯表面质量的影响进行研究，在实验室用水模 拟实际钢液。采用两台三级响应的伺服阀直接装在液压缸上并联驱动对称液压 缸，为改善结晶器液压振动系统的阻尼，在液压缸上下两腔用节流阀调节泄漏， 工作液采用不易燃的磷酸脂。 1 9 9 2 年德马克的i s p 薄板坯连铸连轧生产线在意大利的阿尔维迪厂建成， 采用的连铸机为弧形，结晶器为上直下弧型。德马克认为在高频小振幅下结晶器 铜板的磨损量最小。结晶器采用非正弦振动的震动机构为液压激振式。 应用液压振动的另一有代表性的研究工作是法国钢铁研究院与c l e c l m 设 计制造的结晶器液压振动系统，并进行了模拟试验研究。结果表明，应用非正弦 振动可以有效地减少结晶器内部的摩擦力，使振痕深度减轻，铸坯表面质量明显 改善。在实验的基础上，又设计制造了两台数字模拟式液压振动工业试验装置， 分别安装在s o l l a c 的2 号板坯连铸机和u n i m e t e ln o r m a n d i e 厂的小方坯连铸 机上。随后，c l e c i m 又为s o l l a c 厂设计制造了一台工业性液压振动装置， 4 上海大学硕士学位论文 采用了全数字控制方式，设备于1 9 9 3 年安装在s o l l a c 的2 号板坯连铸机上。 奥钢联和英国d a v y 联合投资成立了c o n r o l l 公司，c o n r o l l 的第二 条生产线t 9 9 5 年4 月在美国阿姆科公司建成。在这条生产线上，采用了平行平 板式结晶器，结晶器振动形式为采用液压激振式。 意大利的达涅利公司为加拿大a l v o m a 钢铁公司提供的一条薄板坯连铸生 产线也采用了液压激振方式。 国外的上述研究工作主要集中在振动装置的研究方面，而国内对结晶器液压 式振动的研究较少。1 9 9 2 年，北京航空航天大学和钢铁研究总院连铸中心开始 研究连铸机的非正弦振动波形生成问题。1 9 9 9 年，燕山大学为新兴铸管公司炼 钢厂研制开发了一种用于方坯的连铸结晶器液压振动装置。此外，北京科技大学、 武汉科技大学等高校也做了一些相关的研究工作。但总体来说，国内对非正弦液 压振动结晶器的研究尚处于起步阶段。 1 5 研究内容 本课题是科技部重大专项课题“长材连铸连轧生产线”的一部分，本人在此 项目中所做的工作如下： 1 结晶器液位控制系统研究 建立结晶器液位控制系统的数学模型，并通过仿真研究系统的响应及稳定 性。重点研究：1 ) 塞棒和水口结瘤的影响：2 ) 沉积物脱落的影响；3 ) 结晶器 液恧波动的影响；4 ) 塞棒增加固定幅值和固定频率的影响。5 ) 拉速变化的影响。 2 结晶器振动系统研究 建立结晶器电液伺服振动系统的数学模型，重点研究带有瞬时能源作用的蓄 能器的伺服阀控制非对称缸的液压伺服系统，通过仿真研究系统跟踪非正弦振动 波形的特征，设计控制器，比较控制器及液压系统参数相互之间的影响，以提高 系统性能，为结晶器液压伺服振动系统的开发提供依据。 上海大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章结晶器液面控制系统的建模 结晶器液位控制是连铸过程控制的核心环节之一，液位的波动可能使结晶器 保护渣和杂滓大量卷入钢水中，不但严重影响铸坯的质量，甚至导致浇铸过程中 的溢钢和漏钢事故。连铸过程中的液面控制包括结晶器钢水液位和中间包钢水液 位控制，其中后者是通过控制中间包内钢水的重量而间接实现的。中间包重量控 制系统和结晶器波位控制系统中采用液压伺服机构或者电动伺服机构作为执行 机构，在结晶器液位发生变化时，通过执行机构来调节阀门位移或水口开度，从 而使系统输出稳定在设定值。本章以结晶器液位控制问题为主进行讨论。 连铸生产是在高温下进行的，所以不但结晶器液位系统中相关参数的检测和 控制比较困难，而且诸如执行机构、塞棒等元件和设备也易于腐蚀损坏，这使得 结晶器液位控制控制存在以下诸多不利因素： ( 1 ) 存在着可测或不可测的扰动和未建模动态； ( 2 ) 滑动水口因磨损或堵塞而具有时变性和非时变性； ( 3 ) 过程本身和执行机构通常具有较大的滞后； ( 4 ) 用于过程测量的传感器也常常受到高频测量噪声的影响； ( 5 ) 钢水流入结晶器时产生的涡漉以及拉辊对铸坯的压力变化等都使得 结晶器液位难以得到准确有效的控制。 2 2 结晶器液位系统的模型 2 2 1 结晶器液位控制闭环系统【1 0 】 液位控制的目的就是为了使结晶器中的钢水液位保持在要求的液面水平上。 出于这种目的，可以考虑两种不同的方法：改变钢水进入结晶器的流量，或改变 输出流量。由于拉速的变化会影响最终的产品的质量，因此无法改变输出流量。 所以，在恒定的连铸速度下，只有调整输入流量是可行的。在实际应用中，从中 6 上海大学硕士学位论文 间包流入结晶器钢水的流量是由塞棒装置控制的，结晶器钢水液位控制系统包括 控制器、电动伺服驱动器、塞棒水口或滑动水口以及液位检测器等( 如图2 1 所示) 。 图2 1 结晶器液位控制环路 f i g ：2 1l o o po f m o u l dl e v e lc o n t r o l 2 2 2 结晶器液位系统的数学模型 l 塞棒驱动器模型 驱动器模块是位置控制的电动伺服驱动器模块。其特性可用如下传递函数来 描述 ) - 南 q - 1 ) 这里，塞棒开度y 作为输出，而由控制器输出1 1 作为输入。 2 结晶器输入流量与塞棒结构关系 由流体力学知识可知，流速v = c d 2 曲，c d 为流量系数。 对于图2 2 a 所示的塞棒，过流面积么推导如下： 在尺f a 彻中，毛= ) ，s 加口。r t a c f g 中，m = 1 2 - c o s 口= 去y s i n 2 a 。 ( a ) 图2 2 塞棒示意图 f i g 2 2m o d e lo f s t o p p e r 上海大学硕士学位论文 在, , a b c 中，= _ 二二一，则锥台侧面积即过流面积为 z c o s 口 4 啦( 争d 丁+ 2 m ) = 柳s i n 叩+ 警) 对于图2 2 b 所示的塞捧，过流面积彳推导如下 在a 4 d e * ，= 蕊d，f 1 一，= y s i n 球，吐= 孚( ，y s i n 口) ，则锥台侧面积 即过流面积为 “= 石( 1 - ) 半= 咖i n 叩一半) = 磅s i i l 础一警 综上可知，流进塞棒的流量q f = 一v 2 c d t 河西吨s i n a ( 1 y s j i i n 孑2 一a ) 当s d 时，q i 万姊s i n 口厕 3 结晶器液位模型 由物流总量相等原理可以写出结晶器液位与拉速v 及塞棒开度y 间的下 述关系： 一dh：型型坐yv(2-2)dtc 。 其中，d 为塞棒直径；g 为流量系数；h 为中间包液位高度；y 为塞棒开度；” 为特谏：r 为结晶署昂整面积。 被控对象模型 上慢 q i i 竺 匡亟弭征 l液位检测 图2 3 结晶器液位控制系统数学模型 f i g 2 3p r o c e s sm o d e lo f m o u l dl e v e lc o n t r o ls y s t e m 则以塞棒位移y 为输入变量，拉速v 波动为干扰变量，结晶器液位高度日为 输出变量，则有传递函数： 上海大学硕士学位论文 即) = 型骘譬如卜孚 ( 2 _ 3 ) 上述模型与前面给出的各个环节的传递函数模型一起构成了结晶器液位控制系 统的模型( 如图2 - 3 所示) 。 2 2 3 塞棒堵塞变化情况 在连铸过程中，塞棒堵塞变化是经常出现的问题，这个问题通常会影响到结 晶器的钢水液位控制。 本质上，塞棒堵塞可等效在塞棒上施加一个扰动，而改变了开口面积。如图 2 4 所示。 等效的扰动模型 图2 4 塞棒堵塞变化模型 f i g2 , 4c l o g g i n g u n c l o g g i n gm o d e l i z a h o n 卜可叫 图2 5 时变扰动曲线图 f i g2 5t i m ev w y i l l gp c r t u r b a t i o n 从建立模型的角度出发，我们可以把这种扰动幅度一( f ) 假设为斜坡式的输入 信号，如图2 5 所示。堵塞时间( 死) 和堵塞幅度( a c ) 这两个参数难以在模型建立 时得到，而是需要通过统计测量的方法得到。还有一些因素会对塞棒堵塞情况产 9 上海大学硕士学位论文 生影响，如金属的组成成分，环境温度，塞棒的几何形状，组成成分和物件的惯 性等。 1 塞棒粘附物脱落的动力学模型可以用传递函数f ( s ) = _ l 表示，在实际应 l 十f j 用中，f = o 5 s 。 所以通过引入时变扰动模型，可以建立结晶器液位控制系统在塞棒发生堵塞 时的数学模型，如图2 6 所示。 被控对盎模型 匝 莹 j 一1 0 0 0 c | l - 6 n _ 一 q i i 粤 卜岖堕卜压默- 匡垂孤固 l 一 棱位检翱 图2 6 结晶器液位控制系统发生塞棒堵塞时的数学模型 f i g 2 6 p r o c e s s m o d e lo f m o u l d l e v e l c o n t r o ls y s t e m w h e n c l o g g i n g 2 。3 本章小结 本章主要讨论了结晶器液位控制环路的不同组成部分及其各自的作用，建立 了结晶器液位系统的数学模型。同时讨论了塞棒堵塞变化的现象。通过引入时变 扰动模型，建立了结晶器液位控制系统在塞棒发生堵塞时的数学模型。 1 0 上海大学硕士学位论文 第三章结晶器液位模糊控制的仿真研究 3 1 模糊控制系统原理 对于一类缺乏精确数学模型的被控对象，可以用模糊集合的理论，将人对系 统的操作和控制的经验，总结成用模糊条件语句的形式写出的控制规则。这样就 可以根据输入的模糊信息，按照控制规则和推理法则，作出模糊决策，完成控制 动作。 最基本的模糊控制系统结构图如图3 1 所示。图中尺为设定值，y 为系统输 出值，它们都是清晰量。 图3 1 模糊控制系统结构示意图 f i g 3 1f l o wc h a r to f f u z z yl o g i c a lc o n t r o l 从图中可以看出，模糊控制器的输入量是系统的偏差量8 ，它是确定数值的 清晰量。通过模糊化处理，用模糊语言变量e 来描述偏差。模糊推理输出( 厂是模 糊变量，在系统中要求实施控制时，模糊量u 还要转化为清晰值，因此要进行清 晰化处理，得到可操作的确定值z ，这就是模糊控制器的输出值，通过的调整 控制作用，是偏差g 尽量小。 模糊控制器的基本组成如图3 2 所示。 图3 2 模糊控制器组成 r i g3 2c o m p o n e n t so f f u z z yl o g i c a lc o n t r o l l e r 上海大学硕士学位论文 它包括模糊化接口、规则库、模糊推理、清晰化接口等部分。输入变量是过 程实测变量与系统设定值之差值。输出变量是系统的实时控制修正量。模糊控制 的核心部分包含语言规则的规则库和模糊推理。模糊推理就是一种模糊变换，它 将输入变量模糊集变换为输出变量的模糊集，实现论域的转换。 模糊控制器的结构按输入量不同而分为常见的不同结构形式。通常把模糊控 制器的输入量个数称为模糊控制器的维数，如图3 3 所示。 叫野 “) 一维模糊控制器 ( b ) 二维模糊控制器 ( c ) 三维模糊控制器 图3 3 单变量模糊控制器方框图 f i g3 3f l o wc h a r to f f u r yl o g i c a lc o n 拄o l l e rf o rs i n g l ev a r i a b l e 据此可构造二维模糊结构系统如图3 4 所示。 图3 4 模糊控制系统方框图 f i g3 4f l o wc h a r to f f l l z z yl o g i c a lc o n t r o ls y s t e m 3 2 模糊自适应整定p i d 控制原理 由于常规p d 调节器不具有在线整定参数屯、与及的功能，致使其不能 满足在不同e 及e c 对系统对p r o 参数的自整定要求，从而影响其控靠4 效果的进一 步提高。 为了满足在不同偏差b 和偏差变化率8 c 对p i d 参数自整定的要求，利用模糊 1 2 上海大学硕士学位论文 控制规则在线对p i d 参数进行修改，便构成了参数自整定p i d 控制器 1 2 1 3 】。其 结构如图3 5 所示。 图3 5 自适应模糊控制器结构图 f i g3 5 s l r a e t u r e d i a g r a m o f a d a p t i v e f u z z y l o g i c a l e o n 拄o l l e r 其基本思想是先找出p i d 三个参数与偏差p 和偏差变化率e c 之间的模糊关 系，在运行中不断检测e 和8 c ，再根据模糊控制原理对三个参数进行在线修改， 以满足在不同e 和e c 时对控制参数的不同要求，使被控对象具有良好的动、静态 性能，而且计算量小，易于用单片机实现。 p i d 参数的整定必须考虑在不同时刻3 个参数的作用以及相互之间的关联关 系。在一般情况下，在不同的le i 和l l 时，被控对象对参数七。、龟和吻的自整 定要求可简单地总结出如下规律； ( 1 ) 当l e l 较大时，为使系统具有较好的快速跟踪功能，应取较大的七，与较小的 哎，同时为避免系统响应出现较大的超调，应对积分作用加以限制，通常取 舷= 0 。 ( 2 ) 当i e l 处于中等大小时，为使系统具有较小的超调，屯应取得小些；毛和以 的大小要适中，以保持系统的响应速度。其中屯的取值对系统响应的影响较大。 ( 3 ) 当1 8 i 较小时，为使系统具有较好的稳态性能，七。与岛均应取得大些，同时 为避免系统在设定值附近出现振荡，并考虑系统的抗干扰性能，当ie c i 较小时， 吒值可以取得大些，通常取为中等大小；当1b c l 较大时，屯应取小些。 上海大学硕士学位论文 根据各模糊子集的隶属度赋值表和各参数模糊控制模型，应用模糊合成推理设计 p i d 模糊矩阵表，查出修正参数代入下式计算 k p = + q ，e c t p t = 鲜+ k ，e q ， 屯= 呓+ ( e t ，e q d 3 3 结晶器液位模糊自适应整定p i d 控制的仿真研究 为了进一步论证模糊自适应整定p i d 控制在结晶器液位控制中的可行性和 优越性。本节利用m a t l a b 语言进行仿真研究，来比较单纯的p i d 控制器和模糊 自适应整定p i d 控制器的控制效果。其工程流程图如图3 6 所示。 l 入口 取当前采样值 口( = r ( ”一y 忙) e c ( k ) = e ( k ) - e ( k 一1 ) t e ( k 1 ) = 女) e ( k ) ，e c ( k ) 模期化 l 黼整定嘶，她， t l 计算当前 k p , 与，屯 t p i d 控制输出 l 返回1 图3 , 6 工程流程图 f i g 3 6f l o wc l l b r t 上海大学硕士学位论文 3 3 1 输入输出参数量化及模糊集合隶属度的确定 根据上一节中模糊自适应整定p i d 控制原理，模糊逻辑系统为二输入三输出 系统。如图3 7 所示。 却_ 仙啊眭2 峨峨，叫坤棚咖 豳3 ，7 模糊p i d 控制系统构成 f i g 37f u z z yl o g i cs y s t e ms t r l a e l l l l e 取系统误差e ，误差变化e c ，比例系数量。和微分系数易的量化等级都为7 级，即 p ，卵，砟，毛= 一3 ，一2 ，一1 ，0 ，1 ，2 ，3 。 取系统输出的积分系数t 的量化等级为7 级，即 k t = - o 0 6 ，- 0 0 4 ，一0 0 2 ，0 ，0 0 2 ，0 0 4 ，0 ，0 6 。 其模糊子集均为：岛吒，屯，t = 加，n m ，嬲，0 ，p s ，p m ，尸b ) ，子集中元素 分别代表负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。 误差e ，误差变化e g ，比例系数七。和微分系数屯的隶属度曲线如图3 8 所示a 上海大学硕士学位论文 图3 8 e , e c ，吒，的隶属函数 f i g3 8 m e m b e r s h i p f i m e t i o n o fe ，e c ，q ，屯 积分系数毛的隶属度曲线如图3 9 所示。 图3 9 k 。的隶属函数 f i g3 9m e m b e r s h i pf u n c t i o no fk cgo5世o3 gc黑ee葛e哥o 上海大学硕士学位论文 3 3 2 模糊规则表的确定 心 n bn mn sz op sp mp b n b 船孙p m蛳p sz oz o n m糟 p b p mp sp s z on s n s附p m眦p sz on sn s z op mp mp sz on sn m n m p sp sp sz 0n s n sn mn m p mp s z o梆n mn mn mn b p bz oz on mn mn mn bn b 表31k p 的模糊规则表 f i g 3 1f u z z yc o n t r o lr u l e t a n e o f k p 心 n b酬 n sz o p s m 匹p b n bn bn bn mn m n s z oz o n m n bn b麟l 昭n sz 0z o n sn bn mn sn sz op sp s z o n mn mn sz op sp mp m p sn mn sz op sp s p mp b 眦 z oz op sp sp m p bp b p bz oz o p g p m p mp b p b 表3 2 k i 的模糊规贝0 表 f i g 3 2f u z z yc o n n o lr u l et a b l eo f k i 上海大学硕士学位论文 心 n bn mn s z o p s p mp b mp sn s n bn b n m p s 肌p sn sn b烈n mn s2 。 n sz 0n s州 n mn sn s z 0 z oz 0n sn sn smn sz o p sz oz o z o z o z 。z oz o wp bn sp sp sp sp s p b p b 弛p m珊dp sp sp b 3 3 3 仿真结果 表3 _ 3k d 的模糊规则表 f i g 3 3f u z z yc o n 打o lr u l et a b l eo f k d 1 未加任何干扰的系统响应 系统输入的液位设定值为1 0 0 m m ，拉速v 为1 4 m m m ，采样时间0 0 1 s 。控 制器初始参数分别取砟。= 3 ，k = 3 ，墨o = o 2 。控制器输入输出比例因子 疋= 0 0 2 ，疋。= 0 0 2 ，e = 1 4 。相应的响应结果如图3 1 1 所示。图3 ，1 0 为常 规p d 控制的响应结果，其参数为巧= 0 3 ，k = 0 0 6 ，k d = o 1 。 f l 图3 1 0 p i d 控制响应 f i g3 1 0r e s p o n s eo f p i dc o m r o 加 o 重i 上海大学硕士学位论文 f ， f 产 图3 i 1 模糊p i d 控制响应 f i g3 1 1r e s p o n s e o f f u z z y p i dc o n t r o l 图3 1 0 和图3 1 1 分别为常规p i d 和模糊自适应整定p i d 在系统未加任何干 扰下的仿真曲线。从图中可以直观地看到采用常规p i d 控制算法有5 m m 超调量。 而模糊自适应整定p i d 控制算法具有反应速度快，且保证基本无超调量，控制效 果明显好于前者。 2 塞棒堵塞及堵塞物突然脱落 在塞棒堵塞发生变化的干扰下，结晶器液位控制系统数学模型可参见第二章 第三节所分析的堵塞堵塞物脱落的过程及模型。 系统输入的液位设定值为1 0 0 r a m ，拉速v 为1 4 r r d m i n ，采样时间0 0 1 s 。堵 塞时间t c = 2 0 0 s ，堵塞幅度a c = 8 r a m 。控制器初始参数分别取k p o = 3 ，k = 3 ， k s 。= o 8 。控制器输入输出比例因子e = 0 0 1 ，& = 0 0 1 ，鼠= 2 2 。相应的响 应结果如图3 1 3 所示。图3 1 2 为常规p i d 控制的响应结果，其参数为巧= o 3 ， e = 0 0 6 ，k a = o 1 。 1 9 上海大学硕士学位论文 l 、 、 1 1 衢 2 0 0 2 0 62 1 q2 t 52 l i m e ( e ) 图31 2 p d 控制响应 f i g3 1 2r e s p o n s eo f p dc o n t r o l i 八 卜， 弋“ ：， 了 1 9 61 明瑚 2 0 22 0 4 描瑚2 ，02 1 22 1 4 t i m e ( e ) 图3 1 3 模糊p i d 控制响应 f i g3 1 3l 髓s p o n s eo f f u z z y p i dc o n t r o l 从仿真结果中，很容易看出，当塞棒发生堵塞变化时，采用模糊自适应接定 p i d 控制算法是有效的。与常规p i d 控制算法相比，液面高度的超调从6 m m 下 降为3 m m ，恢复时间由1 5 s 下降至1 2 s 。糊自适应整定p d 控制比常规p i d 控制 对过程参数的变化具有更好的鲁棒性。 3 拉速波动对液面波动的影响 系统稳定运行1 0 s 至1 5 s 之间在拉速中加入随机噪声信号。结晶器液位也随 位 阱 明 雏 菪ejabce 叫 位 们 盯 (山山1口g 上海大学硕士学位论文 之出现波动。 系统输入的液位设定值为l o o m m ，拉速v 为1 4 m m i n ，采样时间o0 1 s ，随 机噪声信号与信号拉速的信噪比为2 d b ，其幅值为l m m i n 。控制器初始参数分 别取巧。= 3 ，髟。= 3 ，置o = 0 2 。控制器输入输出比例阂子k s = 0 0 2 ， ，凹= 0 0 2 ， 瓦= 1 2 。相应的响应结果如图3 1 5 所示。图3 1 4 为常规p i d 控制的响应结果， 其参数为硌= 0 3 ，k t = o 0 6 ，k d = o 1 。 ，卜 ：尹 _ ， 图31 4 p i d 控制响应 f i g31 4r e s p o m eo f p i dc o n t r o l f 7 -_ 7 图31 5 模糊p i d 控制响应 f i g3 1 5r e s p o n s eo f f i = z yp i dc o n t r o l 2 l 冒旦，acc 上海大学硕士学位论文 由图3 1 5 可见，结晶器液位在干扰信号下发生波动，但在控制器对塞棒开 度进行调节之后，液位很快便回到了设定值，最大液位偏差约为2 m m ，基本满 足工艺指标要求。 4 拉速发生阶跃变化对液面控制的效果 当拉速发生变化时，现有的连铸机控制系统中结晶器液位常常产生剧烈的波 动。 系统输入的液位设定值为1 0 0 m m ，拉速1 ，在2 0 s 处又1 4 m m i n 变为 1 6 m m i n ，采样时间0 0 1 s 。控制器初始参数分别取k p o = 3 ， = 3 ，k i 。= 0 2 。 控制器输入输出比例因子e = 0 0 2 ，= 0 0 2 ，邑= 1 4 。相应的响应结果如图 3 1 7 所示。图3 1 6 为常规p i d 控制的响应结果，其参数为缉= o 3 ，k t = 0 0 6 ， k d = 0 1 。 | - _ 7 图3 1 6 p i d 控制响应 f i g31 6r e s p o n s eo f p i dc o n t r o l 厂； ， 一l 卜一 f 图3 1 7 模糊p i d 控制响应 f i g31 7r e s p o n s eo f f e wp i dc o n t r o l 上海大学硕士学位论文 由图3 1 7 ，液位由于拉速的突然增大而有所下降，但随后便很快回到稳定值。 只是由于塞棒开度和液位系统的惯性，使得液位回到给定值的过程需要一段时 间，但与图3 1 6 中常规p i d 控制响应曲线相比，几乎没有出现较大的偏差。最 大液位偏差也不超过l m m 。 5 测量噪声 系统输入的液位设定值为1 0 0 r a m ，拉速v 为1 4 m m i n ，采样时间o 0 1 s ，系 统的测量噪声是幅值为o 5 m m 的自噪声信号。控制器初始参数分别取酢。= 3 ，