（机械工程专业论文）包钢连铸结晶器液位控制的研究.pdf

摘要 摘要 在现代连铸生产中，随着工厂自动化水平的提高，对可靠性和铸坯质量的要 求越来越严格，对结晶器液位控制精度的要求也越来越高。 结晶器液位控制是冶金连铸系统中非常重要的环节之一，液位的波动会造成 结晶器保护渣和杂质大量卷入钢水，严重影响铸坯的质量，甚至可能导致浇铸过 程中的溢钢和漏钢事故的发生，因此必须将结晶器液位控制在一个合适的范围 内。但是由于结晶器液位系统具有时变性和非线性特性，而且存在许多不确定扰 动因素，无法建立准确的模型，常规的控制方法已经满足不了越来越高的自动化 生产和高质量的要求。近年来出现了许多智能化液位控制方法，不同程度上改进 了结晶器液位的控制效果。本论文研究的是模糊p d 复合自适应控制系统在包钢 连铸机结晶器液位控制中的设计及应用。 包钢连铸机电气配置采用的是全p l c 组成的集散型控制系统，软件上使用 了模件控制，并且利用简化系统框软件优化了程序结构，使c p u 9 2 8 b 以最佳的 方式工作。本文首先介绍了结晶器的硬件系统，构建了结晶器液位模糊p i d 控制 方法，通过对控制程序的研究，得出了隶属函数和模糊规则，并通过实验对其进 行了验证，同时提出了预先整定p i d 中微分和积分时间常数的依据。本系统采用 模糊p i d 复合式自适应控制器，通过模糊控制运算结果来调节p i d 控制器的放 大系数k 。始终在理想的范围内，从而使控制系统达到对结晶器液位控制的要求。 关键词结晶器；液位控制；模糊控制；p i d 控制； a b s t r a c t a bs t r a c t i nt h em o d e m p r o d u c t i o no f c o n t i n u o u sc a s t i n gm o u l d ，w i t ht h ea u t o m a t i o nl e v e li n c r e a s i n g o ft h ef a c t o r y , t h er e q u i r e m e n t sa b o u tt h er e l i a b i l i t ya n dt h ef o u n d r yq u a l i t yh a v eb e c o m em o r e a n dm o f es t r i c t ，a n dt h er e q u i r e m e n t so fh y d r a u l i cl e v e lc o n t r o lp r e c i s i o nh a v ea l s ob e c o m eh i g h e r m o u 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 td u r i n gt h em e t a l l u r g yc o n t i n u o u sc a s t i n gm o u l d s t h el e v e lf l u c t u a t i o nm a yl e a dt op r o t e c t i v ed r e g sa n dt h ei m p u r i t i e sg e ti n t ot h es t e e lw a t e r , w h i c hc o u l da f f e c tt h eq u a l i t yo ft h es t e e lo re v e nc a b s et h es t e e lw a t e rt ol e a ka n do v e r f l o w s o t h el e v e lm u s tb ec o n t r o l l e dw i t h i nar e a s o n a b l er a n g e h o w e v e rt h em o u l dl e v e ls y s t e mh a st h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h en o n l i n e a ra n dt i m ev a r i a b i l i t y , t h e r ea r em a n yu n s u r ed i s t u r b i n gf a c t o r si n t h i ss y s t e ms ot h ep r e c i s em a t h e m a t i c a lm o d e lc a nn o tb ep r o p o s e d t h ec o n v e n t i o n a lc o n t r o l m e t h o dc o u l dn o tb es a t i s f y i n gw i t ht h er e q u i r e m e n to fh i g h e ra u t o m a t i o na n dq u a l i t y i nr e c e n t y e a r s ，m a n yi n t e l l i g e n tl e v e lc o n t r o lm e t h o d sa p p e a r e dt oi m p r o v et h ec o n t r o l l i n ge f f e c to ft h e m o u l dl e v e l t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c h e st h ed e s i g na n da p p l i c a t i o no ft h ef u z z y p i dc o m p l e x c o m p o u n da d a p t i v ec o n t r o lm e t h o df o rt h ec o n t i n u o u sc a s t i n gm o u l dl e v e lc o n t r o li nb a o t o us t e e l c o r p o r a t i o n t h eb a o t o us t e e l c o r p o r a t i o n s c o n t i n u o u sc a s t i n ge l e c t r i c c o n f i g u r a t i o na d o p t s t h e d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mw h i c hi sc o m p o s e do fp l c t h es t r u c t u r eo ft h ep r o g r a mi so p t i m i z e d b ys i m p l i f y i n gs o f t w a r ef r a m es ot h ec p u 9 2 8 bc a r lw o r ki nt h eb e s ts t a t e t h i sp a p e ri n t r o d u c e s t h em o u l dc o n t r o l l e r sa c t u a lh a r d w a r es y s t e ma n dp r o p o s e st h em e t h o do ft h em o u l dl e v e l f u z z y - p i dc o n t r 0 1 b ya n a l y z i n gt h ea c t u a ls o f t w a r es y s t e mf r a m e w o r k ，m e m b e r s h i pf u n c t i o na n d f u z z yr u l et h ea d j u s t i v em e t h o dw a sp r o v i d e df o rt h ed i f f e r e n t i a lc o e f f i c i e n ta n dt h ei n t e g r a lt i m e c o n s t a n t t h ef u z z y - p i dc o m p o u n da d a p t i v ec o n t r o l l e ri sa d o p t e di nt h i ss y s t e m b ya n a l y z i n g t h eo p e r a t i o nr e s u l to ff u z z yc o n t r o lt h ek 户c a r lk e e pi na l li d e a la r e as ot h er e q u i r e m e n to f c o n t r o ls y s t e mf o rt h em o u l dl e v e lc a nb es a t i s f y i n g k e y w o r d sm o u l d ；l e v e lc o n t r o l ；f u z z yc o n t r o lp i dc o n t r 0 1 i i i 北京工业大学工程硕十学位论文 i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：邋嗍 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期：窿塑墨：唇 第1 章绪论 曼! ! 皇曼! ! ! 曼i _ ： il i i 曼! 曼! ! 蔓 第1 章绪论 连铸机广泛应用于钢铁冶金行业，我国的连铸比已超过9 0 。在研究连铸 技术领域中，控制技术在连铸机中的应用研究最为活跃。而结晶器是连铸机上的 一个关键设备，其液位控制精度对提高钢产量、降低钢坯生产事故率有着重要的 意义。 1 1 连铸控制技术现状 连续铸造是将液体金属经过一组特殊的冷却和支撑装置连续地浇注成一定 断面形状的铸坯的过程。连续铸造的最初设想是由英国转炉发明者h e n r y b 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。由于钢的熔点高而导热性能较差，所以钢的连铸比有色金属的连铸更加困 难。直到1 9 3 3 年s j u n g h a n s 的结晶器震动技术取得突破以及1 9 4 3 年连续铸钢实 验装置开发成功，才使得钢铁工业生产中的连铸技术成为可能。连铸真正在钢铁 工业中的应用开始于6 0 年代，此后连铸技术不断改进，连铸工业更是迅速完善。 我国是较早开始研究连铸技术的国家之一，1 9 5 7 年在上海建成一台高架立式方 坯连铸实验机，次年在重钢三厂建成我国第一台用于工业生产的立式连铸机， 1 9 6 4 年又在该厂建成我国第一台也是世界最早的r 6 m 弧形连铸机。另外，在电 磁搅拌技术、二次冷却水自动控制技术等方面的研究也取得了较大进展，许多连 铸机都已经配备有二级或三级自动化控制系统l l 邡j 。 从本世纪5 0 年代开始到现在，连铸技术已经成为一项很重要的冶金生产技 术。与传统的模铸相比，连铸不但简化了生产工艺流程、提高了生产率和产品质 量，而且金属收得率较高、能耗和生产成本也大大低于模铸。所以连铸在冶金工 业中占有十分重要的位置。连铸机按照机型分为立式、立弯式、垂直多点立弯式、 弧型以及水平型等，其中弧型连铸机占6 0 以上。按照铸坯形状又可分为板坯连 铸机、大方坯连铸机和小方坯连铸机等，其中小方坯连铸机约占5 0 1 4 1 。随着计 算机技术和自动化技术的迅速发展和在连铸生产中的广泛应用，以及诸如铸坯轻 压下技术、电磁搅拌技术等连铸技术的不断涌现，连铸开始向近终型连铸、多炉 连浇、热送、热轧以及炼钢连铸连轧短流程联合生产的方向发展。由于连铸在 北京i ，业大学t 程硕士学位论文 钢铁工业生产中有着十分重要的作用，因此连铸过程的建模与控制已成为目前国 内外自动控制领域的研究热点之一，连铸和炼钢、连轧一起构成了带动钢铁工业 革新和进步的三架马车【5 j 。 连铸过程控制的复杂性体现在：( 1 ) 存在着可测的扰动和未建模动态；( 2 ) 具有时变性和非线性特性；( 3 ) 过程本身和执行机构常有较大的滞后：( 4 ) 用于 过程测量的传感器也常常受到高频噪声的影响：( 5 ) 连铸过程各环节之间相互耦 合；( 6 ) 连铸与连轧、炼钢之间需要协调控制和调度。由于上述复杂性，目前对 于连铸过程从建模和控制角度进行的研究很少，而常用的p i d 控制方法也不能实 现令人满意的控制。因此，国内外一些控制学者和专家不但将诸如自适应控制、 预测控制、模糊专家系统和神经元网络等智能控制方法用到连铸生产过程各环节 的控制之中，而且较好地解决了各环节之间的耦合控制及整个过程的优化和故障 诊断与处理等问题1 6 】。 1 2 传统的p i d 控制理论发展 自动控制是本世纪中形成和发展起来的- f 新兴学科。它是一门涉及到诸如 数学、计算机、信息、电子等众多领域的交叉学学科。它的应用和影响已经遍及 很多的技术和社会领域。如果把1 9 3 2 年奈魁斯特( h n y q u i s t ) 发表的关于反馈 放大器稳定性的经典论文作为起点，自动控制的发展才走过7 0 多年的历程。在 这段时期内，它经历了经典控制理论到现代控制理论，又由现代控制理论发展到 现在的智能控制诸阶段1 j 。 自动控制的研究对象是动态系统，包括线性系统和非线性系统，时不变系统 和时变系统，确定系统和随机系统，集中参数系统和分布参数系统，单变量 ( s i s o ) 系统和多变量( m i m o ) 系统，连续系统和离散系统。自动控制的目的 可以概括为：在给定的指标函数下，利用所有能得到的信息，设计控制器使被控 系统具有稳定性、鲁棒性、快速性( 如机电系统) ，并尽可能的简单和易于实现。 传统控制理论( 包括经典控制理论和现代控制理论) 的共同特点是基于被控 对象的精确数学模型，即控制对象和干扰都要用严格的数学方程和函数表示，控 制任务和目标一般都比较直接明确，控制对象的不确定性和外界变化只允许在一 个很小的范围内。其解决问题的基本思路可以概括为三步：首先建立被控对象的 数学模型；再根据数学模型进行分析；最后根据数学模型和分析结果来设计出合 适的控制器。虽然控制理论发展至今，建立了非常丰富的理论和方法，并成功地 应用于各个领域，但是至今仍有很多问题尚未很好地解决，例如： ( 1 ) 对非线性系统尚没有通用的分析方法； 第1 苹绪论 ( 2 ) 对相当多的被控对象尚不能用机理分析或系统辨识的方法获得足够 精确的数学模型； ( 3 )自适应控制理论和方法对于线性定常未知或慢时变系统比较成熟，对 于非线性系统尚缺乏通用的自适应控制理论和方法。 为了解决以上列举的复杂控制问题，近年来自动控制发展的一个新方向是智 能控制【8 9 】。它将人工智能的理论和技术及运筹学的优化方法与传统控制理论相 结合，能克服被控对象和环境所具有的高度复杂性和不确定性，仿效人类的智能， 实现对系统有效的控制。智能控制系统是以知识为基础的系统，它具有学习功能、 适应功能和组织功能。目前智能控制的理论体系尚未完全建立，但是神经网络控 制、模糊控制、专家系统、遗传算法己成为公认的智能控制方法，并已取得了很 多成功的应用，成为控制领域研究的焦点。 纵观控制学科的发展可以看出，伴随旧问题的解决，新问题不断出现，这又 刺激着新概念、新思想和新方法的诞生。控制领域就是在这样一种良性循环中迅 速发展。而其发展的动力主要来自于三方面的需要： ( 1 ) 处理越来越复杂的系统的需要； ( 2 ) 实现越来越高设计目标的需要； ( 3 ) 在越来越不确定的情况下进行控制的需要。 正是这些需要，使传统的控制方法一次次受到挑战，新思想和新方法应运而 生。 众所周知，p i d 控制就是按偏差的比例p 、积分i 和微分d 现行组合进行控 制的方式。p i d 控制器早在3 0 年代末期就已经出现，经过五十年来不断的更新 换代，p i d 控制算法也在发展，由模拟p i d 控制器发展到数字p i d 控制器，尤其 是近年来，又出现了专家自适应p i d 控制器，或称为智能p i d 控制器。p i d 控制 作为最早发展起来的一种最基本、最常用的控制方式之所以能经久不衰，是因为 这种控制具有算法简单、鲁棒性好等优点，深受现场广大工程技术人员熟悉和喜 爱。 p i d 控制器的核心是其参数的整定。常规的p i d 控制器根据不同的被控对 象适当地整定p i d 的三个参数，可以获得比较满意的控制效果。所以，常规的 p i d 控制器非常适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统【1 0 】 在工业控制过程中经常会碰到大滞后、时变的、非线性的复杂系统，其中 有的参数未知或缓慢变化；有的带有延时和随机干扰；有的无法获得较精确的数 学模型或模型非常粗糙。对于上述这些系统，如果使用常规的p i d 控制器，则较 难以整定p i d 参数，因而比较难以达到预期效果。同时，在实际生产现场中，由 于受到参数整定方法繁杂的困扰，常规p i d 控制器参数往往整定不良、性能欠佳， - 3 北京2 1 业大学工程硕士学位论文 _ 对运行工矿的适应性很差。对此，人们一直寻求p i d 控制器参数的自动整定技术， 以适应复杂的工矿和高指标的控制要求【l l 】。随着微处理机技术的发展和数字智能 控制器的应用，尤其是近年来智能控制理论( 诸如模糊控制、神经网络技术等) 研究和应用的发展和深入，为控制复杂无规则系统开辟了新途径。新的智能型 p i d 自整定控制器的出现，并且对于复杂的控制对象取得了较好的控制效果，从 而使p i d 控制发展到了一个新阶段。 1 3 模糊控制的理论发展 模糊控制技术以1 9 7 4 年英国伦敦大学玛丽皇后学院教授e m a m d a n i 博士的 用于小型蒸汽机控制的模糊控制器为诞生标志，至今已经三十年有余。三十多年 来模糊控制方法方面的研究取得了不少成果与进展。自从1 9 6 5 年美国加利福尼 亚大学的z a d e h 教授创建模糊集理论和1 9 7 4 年英国的e h m a m d a n i 成功的将模 糊控制应用于锅炉和蒸汽机以来，模糊控制得以广泛发展并在显示中得以成功应 用，其根源在于模糊逻辑本身提供了由专家构造语言信息并将其转化为控制策略 的一种系统的推理方法，因而能够解决许多复杂而无法建立精确的数学模型系统 的控制问题，是处理推理系统和控制系统中不精确和不确定性的一种有效方法 【1 2 】。从广义上讲，模糊控制是基于模糊推理，模仿人的思维方式，对难以建立精 确数学模型的对象实旌的一种控制。它是模糊数学同控制理论相结合的产物，同 时也构成了智能控制的重要组成部分。模糊控制的突出特点在于： ( 1 ) 控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型，只需要提供现 场操作人员的经验知识及操作数据。 ( 2 ) 控制系统的鲁棒性强，适应于解决常规控制难以解决的非线性、时变 及滞后系统。 ( 3 )以语言变量代替常规的数学变量，易于构造形成专家的“知识”。 ( 4 ) 控制推理采用“不精确推理 ，推理过程模仿人的思维过程，由于介入 了人类的经验，因而能够处理复杂甚至“病态”系绀1 3 j 。 模糊控制的发展基本上可分为两个阶段：初期的模糊控制器是按一定的语言 控制规则进行工作的，而这些控制规则是建立在总结操作者对过程进行控制的经 验基础上，或设计者对某个过程认识的模糊信息的归纳基础上，因而它适用于控 制不易获得精确数学模型和数学模型不确定或多变类对象。后期的模糊控制器 则是具有控制规则难以描述，过程有较大的非线性以及时滞等特征，试图吸取人 脑对复杂对象进行随机识别和判决的特点，用模糊集理论设计自适应、自组织、 自学习的模糊控制器。 4 第1 章绪论 早期经典的模糊控制器是单变量二维f l c 的结构形式。这种经典的f l c 和 常规的控制器如p i d 调节器相比具有无需建立被控对象的数学模型，对被控对象 的非线性和时变性具有一定的适应能力即鲁棒性好等特点，但它也有一些需要进 一步改进和提高的地方。第一方面的改进是提高模糊控制的稳态控制精度，因为 控制动作欠细腻，稳态精度欠佳是模糊控制的个弱点。模糊控制和p i d 控制相 结合是一个常用的方法。第二个方面的改进是进步提高模糊控制器的适应能 力，提高模糊控制器的智能水平以更好地适应对象的变化，提高控制系统的动态 品质。自适应控制技术、人工智能技术、神经元网络技术和模糊技术相结合，大 大地推动了模糊控制方法的进展，出现了参数自整定模糊控制、自适应模糊控制、 专家模糊控制以及神经模糊控制等等各种智能水平更高的模糊控制方法。第三个 方面的改进是研究多变量模糊控制器，以适用于多变量控制系统【l 4 1 。 模糊控制发展到现阶段，其理论体系明显显现以下几个分支：模糊控制器的 自适应功能研究：模糊控制器的解析结构研究；模糊控制的稳定性分析。 在复杂系统的控制过程中，模糊控制器的自适应功能，一直是控制系统设计 者们所追求的目标。这是因为基本模糊控制源于操作人员的基本知识，不具有适 应对象持续变化的能力。模糊自适应控制器的设计也同样遵循着以下两个目标功 能( 图1 1 ) ： ( 1 ) 根据被控过程的运行状态给出合适的控制规则，即控制功能。 ( 2 ) 根据给出的控制规则的控制效果，对控制器的控制决策进一步改善， 以获得更好的控制效果，即学习能力。 图1 1模糊自适应控制 具有自适应功能模糊控制器的代表为自组织模糊控制器( s o c ) ，s o c 在基 本的模糊控制器基础之上增加了调整控制机构，将控制器分为面向对象的控制级 和面向控制器的规则调整级，规则调整即通过计算系统的性能指标来校正控制规 则的关系矩阵，建立、修改规则库，从而大大提高了系统性能。 量化因子和比例因子的自调整是自适应模糊控制应用于实时控制中最有效 的手段。控制器在线识别控制效果，依据上升时间、超调量、稳态误差和振荡发 散程度等对量化参数进行整定。 北京工业大学工程硕士学位论文 自学习模糊控制器是源于自适应模糊控制器又高于自适应模糊控制器的智 能型控制器。自学习模糊控制器运用模糊推理的手段，在其运行过程中可逐步获 得受控对象及环境的非预知信息，积累控制经验，并在一定的评价标准下进行估 值、分类和决策，从而不断改善系统的品质。相比与依赖于对象的辨识的自适应 模糊控制器，自学习模糊控制器并无本质的区别，它体现了模糊控制器由低级向 高级、由常规向智能化发展的必然趋势，其优势体现在以下两点： ( 1 ) 对系统经验知识要求更少，对系统的非线性、不确定性及时滞等，具 有更强的适应能力。 ( 2 ) 具有实时搜索、特征辨时、特征记忆、知觉推理和多模态控制等仿人 智能的特征。 虽然模糊控制以其自身的优势在实践中取得了巨大的发展，然而，不同于 其它领域，模糊控制理论的发展似乎落后于模糊控制应用的发展。缺乏常规控制 理论指导是阻碍模糊控制理论发展的一个重要因素。模糊控制理论的发展需要建 立一个结构框架，即通过分析模糊控制算法的推理过程，揭示模糊控制器工作的 实质和机理，从而建立模糊控制同常规控制策略之间的内在联系。这种研究也可 促使人们将传统的成熟的控制理论应用于模糊控制理论中，去解决模糊控制理论 发展过程中的难题，从而推动模糊控制理论的发展【l5 1 。 结构分析的方法近年来成为模糊控制领域研究的一个热点，原因在于通过对 模糊控制器结构探索，考察其控制输出特征，将人的思维推理过程表达成控制算 法形式，由此可以揭示其由于常规控制策略的本质。该种研究也使得模糊控制不 仅仅停留在初期的对实践取得满意的结果上，而将模糊控制研究推向了更深的层 次。近年来模糊集理论和模糊逻辑的迅速发展也为这种结构分析提供了强有力的 工具。 模糊控制算法结构研究已取得许多成果。这其中，h n g 给出了最为深刻 的理论分析。文献【1 6 】证明了具有最简单线性控制规则的二维模糊控制器其输出 可等同于一个非线性p i 控制器。文献 1 7 1 、文献 1 8 1 将此方法推广到具有通常线 性控制规则的二维模糊控制器，证明了其输出可等同于一个全局多层次线性关系 式和一个局域非线性p i 控制器。文献 1 9 1 推导出多维模糊控制器的输出可表示为 其多维输入的线性参数函数，由此建立了模糊控制同常规p i d 控制策略间的内在 等价性。文献 2 0 1 对具有非线性规则的模糊控制器进行了结构分析，文献 2 1 1 成 功地建立了两输入两输出模糊控制系统的结构分析。文献 2 2 1 给出的极限结构定 理对近年来的模糊控制器结构分析方法具有一定的概括性。 模糊控制器的结构分析方法多样，在其一步步由浅入深、由局部到全局的发 展过程中，人们对模糊控制器实质的认识也越来越深刻。今后的发展应该在已经 第l 章绪论 皇曼! i 一_ i 一一一； _i i：。aam ! 曼! 曼曼! 鼍皇! ! ! 曼! 曼! ! 曼! ! ! 曼! 皇曼曼曼! 皇篡 建立的模糊控制同常规控制联系的基础上，运用常规的成熟的控制理论去解决模 糊控制发展中的难题，如稳定性、算法收敛性等问题。 稳定性是非线性模糊控制系统的重要指标之一，因为只有对模糊控制系统建 立有效的稳定性指标，才能从理论角度设计基于模型的模糊控制器，才能建立合 理的具有优良性能指标的模糊控制规则。然而，鉴于模糊控制系统的复杂性，控 制环境的不确定性及对系统功能结构和动态行为描述的特殊方式，其稳定性分析 方法也远非传统的基于精确数学模型的稳定性分析方法那样简单和成熟，模糊控 制系统的稳定性分析的困难在于： ( 1 ) 模糊逻辑本身难于表达传统意义下的稳定性。 ( 2 ) 非线性系统的分析和设计要远比线性系统复杂的多。 ( 3 ) 现时还没有建立一套完整的模糊控制理论，模糊控制所具有的巨大潜 力还远远没有发挥出来。 基于语言的模糊模型的稳定性测试有许多种方法，也取得了一些研究成果。 然而，模糊稳定性判定仍然是当今模糊控制界的一个难点，如何更有效的将传统 控制系统稳定分析方法运用到模糊系统稳定判别中，稳定判据所依赖的条件、适 用范围以及稳定性算法的简化，都是值得进一步研究的问题。 1 4 本文主要的研究内容 本文的研究内容主要有以下几个方面： ( 1 ) 查阅国内外相关的文献，了解当前控制领域的发展状况。 ( 2 ) 研究包钢连铸结晶器液位控制系统硬件构成。 ( 3 ) 通过对控制程序的研究，得出了包钢连铸机结晶器液位控制系统中两 个模糊控制器的隶属函数及模糊规则，并通过实验对其进行了验证。 “) 提出了预先整定p d 中积分和微分时问常数的理论依据。 ( 5 ) 提出在对模糊控制器进行设计时，可根据实际情况减弱变量的某一范围对模糊控 制器的影响，即通过乘以一个0 1 范围的系数使相应的语言变量的最大隶属度 小于1 。 中 第2 章连铸结晶器液位控制系统分析 第2 章连铸结晶器液位控制系统分析 随着计算机硬件、软件技术和网络技术的发展，连铸生产过程的基础自动 化系统较为普遍的采用d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 或p l c ( p r o g r a m m a b l e l o g i cc o n t r o l l e r ) 系统。这种基础自动化系统是采用新的控制策略，实现高级综合 控制的系统，从而为提高系统的控制品质提供了很大的便利和灵活性。 2 1 连铸工艺 图2 - 1连铸工艺流程图 如图2 1 所示，高温钢水送到大包回转台，经长水e l 浇入中间包内，再经浸入 式水口连续不断地浇到个或几个用强制水冷带有”活底”( 称引锭头) 的铜模内 ( 叫结晶器) ，钢水很快与”活底”凝结在一起，待钢水凝固成一定厚度的坯壳后， 就从铜模的下端拉出”活底”，这样已凝固成一定厚度的铸坯就会连续不断地从 打号 北京工业大学工程硕士学位论文 水冷结晶器内被拉出来。在二次冷却区( 图中的扇形段) 继续气雾喷水冷却，然后 由拉坯矫直机将弯曲铸坯矫成直型铸坯，等完全凝固后，火焰切割机将其切成需 要的长度，再经输出辊道运到打号机处打上编号运走。由于大包回转台有两个臂 承接钢包可3 6 0 。转动，当钢包浇完时，另一个臂已经准备好了下一炉钢水，只 要转过来，往中间包继续浇钢即可。这种把高温钢水直接浇注成钢坯的新工艺就 叫连续铸钢，简称连铸1 23 。它的出现从根本上改变了一个世纪以来所采用的初轧 开坯艺，大大降低了生产成本，而且质量大幅度提高。 2 1 1 结晶器钢水液位控制的意义和要求 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 设置在浸入式水口的开口处，它通过液压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，就会造成大量渣子卷入结晶器中，必然造成拉漏。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【2 4 1 。因此，结晶器钢水液位控制是连铸生产中至关重要 的技术，也是历年来各国竟相研究的课题。 对于一个高精度系统来说，追求的目标是波动范围在3 m m 5 m m 之间，一旦达到这个精度，铸机不仅不拉漏，且与精炼炉、v d 以及微调站配合 使用后，几乎所有高难度冶炼钢种的钢坯都能连铸出来。 结晶器钢水液位测量的方式有热电偶法、同位素法、激光法、电磁法和涡 流法等。近年来，国内引进项目中较多采用一种捷克v u h z 电磁式检测装置， 它由一个电磁传感器、前置放大器、评估装置组成。v u h z 电磁式检测装置与其 它检测装置相比，在安装方式和检测性能等方面具有很多优点：浇注平台上无需 操作手：传感器为坚固型设计；传感器温度对输出信号的影响可忽略不计；传感 器的视频场( 范围) 比较大；不受熔渣和保护渣深度的影响；不影响动态精度【2 5 1 。 第2 章连铸结t 昂器液位摔制系统分析 ! 曼! 曼曼曼苎! ! ! ! 曼! ! 曼o o 一 一_一；。一m m ；n ；n ；m m 皇鼍苎皇曼! 曼! 曼! ! ! 曼! 曼曼曼曼曼! 曼曼! 皇 2 1 2 结晶器钢水液位模型 结晶器钢水液位模型包括液压机械塞棒提升装置和连铸过程【2 6 1 。该模型如 图2 2 所示。 液压机械塞棒提升装置；j 塞棒结晶器测量装置 连铸过程 图2 2 结晶器钢水液位模型图 液压机械塞棒提升装置的动态行为是通过伺服阀和液压缸进行控制的。伺 服阀的特性可以简单地近似一阶差分微分方程，一阶差分微分方程的输出值为伺 服阀的位置，实际上是伺服阀的开口度。开口度大小控制液压缸油的流量，由于 液压中速度取决于流量，流量的大小控制了液压缸的活塞杆移动的速度，因此液 压缸可以用一个积分器建模，计算塞棒位置，塞棒的位置就决定了流入结晶器的 钢流量。塞棒位置高，开口大，进入结晶器的钢液流量大：塞棒位置低时，浸入 式水口开度小，流入结晶器的钢流量小。结晶器液位由塞棒位置决定，塞棒的动 作可以通过电激励信号控制，输出值是塞棒位置s ，塞棒位置开度s 也可以通过 测量获得。 流入结晶器的钢液q j 。通过控制塞棒位置s 决定结晶器的液位，同时还受塞 棒的几何形状、浸入式水口的内腔尺寸和钢液在水口中的流动状态影响，塞棒特 性曲线能描述这种高度的非线性关系。由结晶器流出的钢流量q 。与拉速成正 比，钢液流入与流出结晶器的流量差构成钢液面变化，其积分即为结晶器液位k 。 测量装置能测得结晶器液位k ，可用一级单元修正测量值，即得到结晶器液 位测量值匕。在实际生产中，还有其它的干扰影响连铸过程，这些因素并没有 列入图2 2 。 北京工业大学工程硕士学位论文 2 1 - 3 传统结晶器液位控制系统 传统的结晶器钢水液位控制，通常采用控制进入结晶器的钢水流量。即改变 塞棒位置，控制钢水流量，以达到液位稳定的目的。传统的结晶器钢水液位控制 系统如图2 3 所示。 液 图2 3 传统的结品器钢水液位控制系统图 面 由图可见，该系统是一个简单的串级负反馈控制系统，内环是位置环，外环 是液位环。当液位偏离给定值时，偏差信号改变位置环的给定值，以改变塞棒位 置，使钢水液位回到给定值。当液位超过某一上、下限时，立即改变系统增益， 以保证钢水液位不超限；达到最高限时，报警甚至关闭中间包塞棒，以避免溢钢； 达到最低时，报警甚至降低拉速或停拉，以避免漏钢【2 7 ，2 引。 然而，连铸生产过程和生产设备决定着控制系统的非线性、时变性。在许多 生产情况下，不同的干扰因素，使传统的液位控制系统并不能得到令人满意的结 果。 2 1 4 结晶器钢水液位控制时的难题 上述的结晶器钢水液位模型仅描述了受控系统的基本特性，许多过程影响因 素根本无法模型化，即使模型化，其精度也达不到控制要求。例如，在模型上有 控制过程的时变性和许多不可测的干扰作用，使模型的精度达不到控制要求。下 面阐述结晶器液位控制中的几个主要难题【2 9 1 。 l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。 2 中间包水口和塞棒 第2 章连铸结晶器液位控制系统分析 ln_ 。li l l iii 中间包水口塞棒的侵蚀，导致同样的塞棒位置，但是钢水流量不同。水口和 塞棒粘上凝固钢液或突然脱落以及水口的堵塞和烧损，均会使塞棒特性曲线中的 工作点发生突变和控制系统的特性变化。 3沉积物的去除 除掉塞棒上和浸入式水口中的沉积物，可扩大流动横截面积，使流入结晶器 的钢液量发生突变，液位升高。去除沉积物还会导致塞棒特性曲线的工作点发生 突变和控制系统的特性变化。 4钢种 钢液在塞棒和浸入式水口间的流动状态取决于钢种的黏度，因此钢种对塞棒 特性曲线和受控系统特性均会产生影响。 5结晶器液面波动 在结晶器以下，热态铸坯通过导向辊的振动会影响结晶器液位和拉坯速度。 电机电流也同样会产生振动。例如：在电机的驱动力矩中，振动发生的频率大约 等于拉速与垂直辊间距的比值，可以视为受铸坯鼓肚的影响，铸坯鼓肚产生的振 动是因为热态铸坯通过导向辊在辊间会发生周期性凸起，随后又被导向辊压辊。 6 结晶器振动 铸坯在结晶器内凝固并粘赋于结晶器壁。为了避免这种情况，结晶器以一 定的频率上下振动，从而影响结晶器液位的测量，结晶器液位的测量值匕( 见 图2 2 ) 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。 难题1 4 改变了受控系统的特性，而难题5 7 属于过程干扰。 由于以上几种原因，采用常规的p i d 控制很难达到令人满意的结果，必须开 发其它方法。包钢连铸机结晶器液位控制系统采用了p i d 和模糊控制相结合的思 想。 2 1 4 1 模糊控制系统的组成和工作原理 模糊控制系统是一种自动控制系统，它以模糊数学、模糊语言形式的知识表 示和模糊逻辑的规则推理为理论基础；采用计算机控制技术构成的一种具有反馈 通道的闭环结构的数字控制系统。它的组成核心是具有智能性的模糊控制器，因 此，模糊控制系统无疑也是种智能控制系统。 北京3 ，业大学r 稃硕士学佗论文 模糊控制技术是一种由模糊数学、计算机科学、人工智能、知识工程等多 门学科领域相互渗透、理论性很强的科学技术，实现这种模糊控制技术的理论， 即称为模糊控制理论【3 0 l 。 模糊控制属于计算机数字控制的一种形式。模糊控制系统框图如图2 4 所示。 图2 4 模糊控制系统框图 模糊控制系统一般可以分为四个组成部分； ( 1 ) 模糊控制器：实际上是一台微型计算机，根据控制系统的需要，即可选用 系统机，又可选用单板机或单片机。 ( 2 ) 输入输出接口装置：模糊控制器通过输入输出接口从被控对象获取数字 信号量，并将模糊控制器决策的输出信号经过数模变换，将其转变为模拟 信号，送给执行机构去控制被控对象。 ( 3 ) 广义对象：包括被控对象的执行机构，被控对象可以是线性或非线性的、 定常或时变的，也可以是单变量或多变量的、有时滞或无时滞的以及有强 干扰的多种情况。 ( 4 ) 传感器：传感器是将被控对象或各种过程的被控制量转换为电信号( 模拟 的或数字的) 的一类装置。被控制量往往是非电量，如温度、压力、流量、 浓度、湿度等。传感器在模糊控制系统中占有十分重要的地位，它的精度 往往直接影响整个控制系统的精度。因此，在选择传感器时，应注意选择 精度高且稳定性好的传感器【3 i 】。 模糊控制的基本原理可由图2 5 表示，它的核心部分为模糊控制器，如图中 虚线框部分所示。 第2 章连铸结晶器液位控制系统分析 i 一簇葙矗翻磊一1 薇菇运两1 计算模糊模糊 模糊 非模 醉删 控制 +量化 -控制- 推理 糊化 变量处理规则处理 一 j 传感器 卜一 被控对象 l 一 执行机构 且 里 图2 5 模糊控制原理框图 模糊控制器的控制规律由计算机的程序实现，实现一步模糊控制算法的过程 是这样的：微机经中断采样获取被控制量的精确值，然后将此值与给定值比较得 到误差信号e ( 在此取单位反馈) 。一般选误差信号e 的作为模糊控制器的一个 输入量。把误差信号e 的精确量进行模糊量化变成模糊量，误差e 的模糊量可用 相应的模糊语言表示。至此，得到了误差e 的模糊语言集合的一个子集e ( p 实 际上是一个模糊向量) 。在由e 和模糊控制规则r ( 模糊关系) 根据推理的合成 规则进行模糊决策，得到模糊控制量“为： 甜= p o r ( 2 - 1 ) 式中“为一个模糊量。 为了对被控对象施加精确的控制，还需要将模糊量甜转换为精确量，即图2 5 中的非模糊化处理( 亦称清晰化) 。得到了精确的数字控制量后，经数模转换变 为精确的模拟量送给执行机构，对被控对象进行第一步控制。然后，中断等待第 二次采样，进行第二步控制。如此循环，就实现了被控对象的模糊控制。 2 1 4 2模糊控制器设计的基本方法 a 模糊控制器的结构设计 模糊控制器的结构设计是指确定模糊控制器的输入变量和输出变量。 在设计模糊控制器时，可以根据不同的被控对象和对系统的性能指标要求作 为结构选型参考的依据。一旦确定好模糊控制器的结构，模糊控制器的输入语言 变量和输出语言变量也就确定下来了。一般用得最多的是将偏差p 和偏差变化 e 作为输入语言变量，对其模糊化后分别用符号亘、墨c 表示，这使得模糊控制器 就类似于一个p d 控制器，从而有利于保证系统的稳定性、减少响应过程的超调量 以及削弱其振荡现象；也有取系统偏差e 及偏差和y p 作为输入语言变量的，经 模糊化后用符号星、星表示，这种结构相当于模糊控制器具有p i 控制作用。 北京t 业大学工程硕士学位论文 输出语言变量一般选用单输出结构，经模糊化后用符号u 表示，这有利于模糊控 制规则的建立，对于多输出控制系统，可以通过解耦等效成单输出结构u i ( i = 1 ， 2 ，) 。 通常将模糊控制器输入变量的个数称为模糊控制器的维数。以单输入单输出 模糊控制器为例，常见的有下面3 种形式，如图2 - 6 所示。 悱 模糊控 制器 ( 1 ) 一维模糊控制器 ( 2 )二维模糊控制器 ec 模糊控制器 ( 3 )三维模糊控制器 图2 - 6 模糊控制器的结构 一般情况下，一维模糊控制器用于一阶被控对象，由于其中控制器输入变量 只选误差信号一个量，它的动态控制性能不佳。所以，目前被广泛采用的均为二 维模糊控制器。 从理论上讲，模糊控制器的维数越高，控制越精细。但是维数越高，模糊控 制规则变得过于复杂，控制算法的实现相当困难。这或许是目前人们广泛设计和 应用二维模糊控制器的原因所在。 在有些情况下，模糊控制器的输出变量可按两种方式给出。例如，若误差“大 时，则以绝对的控制器输出；而当误差为“中”或“小”时，则以控制量的增量 ( 即控制量的变化) 为输出；尽管这种模糊控制器的结构及控制算法都比较复杂， 但是可获得较好的上升特性，改善了控制器的动态品质【3 2 j 。 b 模糊控制规则的设计 控制规则的设计是设计模糊控制器的关键，一般包括三部分设计内容：选择描 述输入输出变量的词集，定义各模糊变量的模糊子集及建立模糊控制器的控制规 第2 章连铸结t 冤器液位控制系统分析 曼曼曼! ! ! ! ! ! ! ! 曼! 曼曼! ! ! ! 曼皇曼曼! ! 皇i jili|iin i 曼! ! 曼 则。 1 、选择描述输入和输出变量的词集 模糊控制器的控制规则表现为一组模糊条件句，在条件旬中描述输入输出 变量状态的一些词汇( 如“正大 、“负小 等) 的集合，成为这些量的词集。 一般多选用“大、中、小”三个词汇来描述模糊控制器的输入、输出变量 的状态。由于人的行