连铸机结晶器液位控制系统的设计.doc

连铸机结晶器液位控制系统的设计柳林林 南昌大学一台连铸机主要是由盛钢桶、中间罐、结晶器、结晶器振动装置、液位控制装置、二次冷却装置、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。浇钢时，把装有钢水的盛钢桶，通过盛钢桶运载装置，运送到连铸机上方，经盛钢桶底部的流钢孔把钢水注入到中间罐内。打开中间罐塞棒(或滑动水口)后。钢水流入到下口用引锭杆头堵塞并能上下振动的结晶器中。钢液沿结晶器周边冷凝成坯壳。当结晶器下端出口处坯壳有一定厚度时，带有液心并和引锭装置连在一起的铸坯在拉坯机驱动下，离开结晶器沿着由弧形排列的夹辊支撑下移。与此同时，铸坯被二次冷却装置进一步冷却并继续凝固。当引锭装置进入拉矫机后脱去引锭装置，铸坯在全部凝固或带有液心状态下被矫直。随后在水平位置被切割成定尺长度，置放于运坯装置上运送到规定地点。上述整个过程是连续进行的4l。弧型连铸机的主要设备包括:铸坯传送刘峰. 连铸结晶器液压伺服振动控制系统研究D 西安：西安建筑科技大学，2005采用低振幅、高频率的正弦振动能减小振痕深度，可有效地防止横向裂纹产生，是提高铸0引言在连铸生产过程中,结晶器的振动可防止铸坯在凝固过程中与铜板发生黏结而出现黏挂拉裂或拉漏事故,而且通过保护渣在结晶器壁的渗透,可改善其润滑状况,减少拉坯时摩擦阻力和黏结可能性 1 。研究表明,对结晶器采用低振幅、高频率振动,能减少铸坯上振痕深度,有效防止横向裂纹产生 2 。因此,不断优化结晶器振动形式具有十分重要的意义1 连铸机结晶器振动现状宝钢分公司炼钢厂现有6台板坯连铸机,其中1# , 5#和6#连铸机结晶器振动装置的结构型式均为机械偏心轮驱动方式,其振幅改变只能在机械维修时通过更换4个偏心轴来实现,仅能实现正弦波振动,不能有效提高连铸坯表面质量, 3#连铸机结晶器采用短杆式液压振动,每根振动连杆都由高精度的减磨轴承支撑,能够对结晶器实现非正弦振动,有效提高了连铸坯表面质量 3 ,但其振动机构较为复杂;在新投产的4#连铸机中,对结晶器采用双缸液压直接振动,具有结构简单、振动灵活的优点,可轻易形成正弦及非正弦波形,生产使用效果较好。24#连铸机结晶器振动装置2. 1基本组成结晶器振动装置主要由4部分组成:结晶器支撑台、运动部件、滚动元件和振动液压缸,其结构如图1所示。由图1可知,结晶器支撑台是一个重型装置,安装在结晶器支撑台架上。运动部件安装在结晶器支撑台的上部,二者通过液压缸及滚动元件的导向装置直接相连,它为结晶器提供安装面,也为工业循环水提供接口。滚动元件用于导向运动部件,通过导向,可使结晶器只作垂直运动,该元件是由Danieli Davy Distington研发的专利产品,是结晶器无弹簧导向的进一步演变。振动液压缸安装在结晶器支撑架内部,为获得快速动态响应,每个缸都装有一套伺服阀。液压伺服驱动连铸结晶器振动计算机控制系统的总体结构如图3.1所示。系统包括计算机和模拟量控制两大部分。计算机部分主要包括人机接口界面的设计和实现非正弦或正弦振动给定波形输出等功能。人机接口主要有人工零位、实验准备、振动开始、停止振动、退出等5个基本功能模块，如图3.2所示。人工零位将伺服阀控制的液压缸的初始位置控制到中位，并将此时的实际位置定为零;实验准备主要提供正弦或非正弦振动曲线的选择、初始振动频率和幅值等参数的输入，实验准备完毕后计算机自动将振动曲线显示在屏幕上，以供使用者参考并决定是否采用这种振动波形。此时若选择“振动开始”，则计算机将所选择的振动波形精确输出，作为位置闭环控制系统的给定。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:“)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祸合;(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PID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祸合控制及整个过程的优化和故障诊断与处理等问题6。LZ传智能控制智能模糊控制器在现代工业控制过程中，被控对象常常带有严重的非线性、时变性、大延时以及种类繁多的干扰，使得基于精确数学模型的常规控制方法已经无法获得满意的动态和静态控制效果，传统PID控制的优势就显得很小II】。智能模糊控制器，其特点是具有非线性和自适应性，因此对控制非线性对象具有良好的效果，特别适用于数学模型未知的、复杂的非线性系统的控制12J。考虑到模糊控制算法在实际应用中的不足曙】，引入变论域算法和增加智能积分过程来对其进行改进设计，以期取得更好的控制效果。的P I D神经元网络控制器设迄今为止，PID控制器因其具有结构简单，容易实现等特点，仍是实际工业过程中广泛采用的一种比较有效的控制方法。但当被控对象存在非线性和时变特性时，传统的PID控制器往往难以获得满意的控制效果。神经网络以其强大的信息综合能力为解决复杂控制系统问题提供了理论基础，许多学者也通过软件仿真的形式验证了神经网络控制的可行性并提出了一些新的算法，但由于目前没有相应的硬件支持，只通过软件编程，利用串行方法来实现神经网络控制必然导致运算速度低，难以保证实时控制。同时传统的多层前向神经元网络也有其缺点，主要缺点是由于网络连接权重初值取随机数使得它的学习收敛速度很慢，这在实时控制中通常是不允许的，另一方面传统的多层前向神经元网络中神经元仅具有Sigmoid形输入输出特性，这是一种静态映射特性，在本质上不适应控制系统对动态特性的要求。另外，传统的多层前向神经元网络中隐含层个数的选取，至今尚无明确的结论，只能在一个大致的范围内，通过仿真和试验来确定，给实际使用带来困难。本文介绍了一种将PID控制规律融合进神经元网络中的方法，即PID神经元网络，它具有神经元网络和PID控制的优点，又克服了传统PID控制方法和一般神经元网络的缺点。同时由于FPGA结构灵活、通用性强、速度快、功耗低，用它来构造神经网络，可以灵活地实现各种运算功能和学习规则，并且设计周期短、系统速度快、可靠性高。因此本文主要介绍了基于FPGA用硬件方式实现PID神经元网络控制器的方法。2 PID神经元网络控制器的基本原理和算法21 PID神经元网络的结构PID神经元网络是将PID控制规律融合进神经元网络之中，它是动态的多层前向网络，但它的动态特性不是通过网络的连接方式或反馈方式实现的，而是通过它内部的PID神经元实现的。它和被控对象构成的控制系统结构图如图1所示。图1 PID神经元控制系统结构图从图中P I D神经元网络的结构可以看到其输入层有两个神经元、隐含层有三个神经元、输出层有一个神经元，其输入层的神经元采用比例神经元，这两个神经元分别接受外部控制系统的给定值和被控变量值，其输出经过连接权重，进入隐含层进行综合和处理，隐含层的三个神经元分别为比例元、积分元和微分元，分别对输人信号进行比例、积分和微分，隐含层的输出再通过连接权重，进入输出层，输出层的神经元也采用比例神经元，从而完成整个网络控制规律的综合和输出。22 PID神经元网络的算法221 PID神经元网络的前向算法PID神经元网络输入层的两个神经元在构成控制系统时可分别输入系统被调量的给定值和反馈值，其输入为neff(忌)=r(k)，netE(k)=y(七)其中“k)为系统给定值，y(k)为输出反馈，之后顺序经过中间的状态函数Ui(足)=g，lneti(k)j=neti(k)，并向后流水传递。隐含层是神经元网络中最重要的层次，有三个神经元，分别是比例元、积分元和微分元，它不仅有具备静态非线性映射功能的比例元，还有可处理动态信息的积分元和微分元。它们的输人为三netj(k)=艺t(足)，式中：j_1，2，3，；为输入层至隐含层的连接权重值，Xl(霓、为输入层神经元的输出。其中比例元的状态为U，(忌)=netI(艮)，积分元的状态为比2(忌)=Uj(忌一1)+net2(k)，微分元的状态为“3(足)=net3(k)-net3(k-1)，输出层包含一个神经元，完成网络的总和输出功能，其输人为net”(j：=)=wjxj(足)，=l式中：t(足)为隐含层各神经元输出值，以为隐含层至输出层的连接权重值。各层神经元的输出均采用比例阈值函数，即u(k)I-1u(k11u(k、 机 组 锅 炉 主 汽 温 度 和 汽 包 水 位 控 制回 路 ，现 场 应 用 表 明 了 该 控 制 策 略 的 有 效 性 。Fuzzy-PID复 合 控 制 方 案采 用 这 种 复 合 控 制 策 略 是 当 偏 差 较 大 时 ，利 用模糊 控 制 迅 速 给 出 适 当 的 控 制 作 用 以 抑 制 干 扰 ，保证 系 统 响 应 的 快 速 性 ；当 偏 差 较 小 时 ，采 用 常 规 PID 控 制 ，保 证 系 统 具 有 足 够 高 的 控 制 精 度 和 稳 定 性 能 。.1.11结晶器振动技术的发展l一4把高温钢水连续不断地浇铸成具有一定断面形状和一定尺寸规格铸坯的生产工艺过程叫做连续铸钢。连续铸钢技术以其较模铸的明显的优越性，自20世纪70年代以后获得了较快发展。到目前为止，无论是在连铸理论、连铸生产，还是在连铸坯质量、产量和连铸比(连铸坯产量/粗钢产量)方面都取得了很大的发展，在钢铁工业中起到了非常重要的作用。结晶器是连铸机的心脏，属于连铸的关键设备。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去，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。最初的连铸机结晶器是静止的，在拉坯过程中坯壳极易与结晶器壁发生粘结，从而导致拉不动或拉漏事故。因此，静止不振动的结晶器限制了连铸生产的工业化。结晶器振动是连铸技术的一个基本特征。连铸过程中，结晶器和坯壳间的相互作用影响着坯壳的生长和脱膜，其控制因素是结晶器的振动和润滑。连铸在采用固定结晶器浇铸时，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者拉漏事故，很难进行浇铸。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，使得工业上大规模应用连铸技术得以实现。可以说，结晶器振动是浇铸成功的先决条件，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，要求连铸提高拉速和增加连铸机的生产能力，人们对结晶器振动的认识也在不断深入和发展。结晶器振动技术早期只应用于有色金属的浇铸，由于没有弄清与结晶器润滑的关系，结晶器振动的概念也经历了各种变化。直到1949年，S容汉斯和I罗西第一次将其应用于钢的浇铸，目的就是为了有效地改善铸坯和结晶器壁间的润滑条件。这一成果对于推动连铸技术的发展，使其从实验室走向工业化应用做出了开拓性的贡献。表1.1示出了连铸结晶器振动技术的发展演变情况。从表1.1结晶器振动技术的发展来看，结晶器振动经历了早期的非正弦振动方式到正弦振动方式，目前又发展到非正弦振动方式的过程。天津钢铁有限公司4#180/200/2501320- 2100 mm板坯连铸机是由奥钢联公司设计, 是直结晶器、连续弯曲、连续矫直、弧形板坯连铸机。连铸机结晶器振动采用液压控制系统。整机均由PLC 系统进行控制, 并由计算机实现远程操作控制, 自动化程度高。4# 板坯连铸机结晶器振动液压控制系统, 采用液压伺服阀作为输入信号的转换与放大元件。该系统能以小功率的电信号输入, 控制大功率的液压流量输出, 以获得很高的控制精度和很快的响应速度、位置控制, 其液压执行机构的运动能够高精度地跟踪随机的控制信号的变化。是机械、液压、电气一体化的电液伺服阀、伺服放大器、传感器系统。2.2 4# 板坯连铸机结晶器振动装置共有两个液压缸,工作时要求两个液压缸同步振动。振动系统原理如图1 所示。液压伺服阀2 共有两个, 每个液压伺服阀控制一个液压缸3 的运动, 当液压伺服阀得到电信号输入后, 液压流量按比例输出, 位置传感器4 将液压缸缸杆的位置信号反馈给PLC, 系统根据控制信号的变化控制液压缸缸杆的伸缩运动, 从而控制结晶器的上下振动, 通过PLC 和计算机实现对结晶器振动远程控制。蓄能器1 和回油蓄能器5 起到了减少系统冲击的作用, 合理调整回油阀块组6 的回油压力, 可以使系统振动比较平稳。宝钢分公司炼钢厂现有6台板坯连铸机,其中1# , 5#和6#连铸机结晶器振动装置的结构型式均为机械偏心轮驱动方式,其振幅改变只能在机械维修时通过更换4个偏心轴来实现,仅能实现正弦波振动,不能有效提高连铸坯表面质量, 3#连铸机结晶器采用短杆式液压振动,每根振动连杆都由高精度的减磨轴承支撑,能够对结晶器实现非正弦振动,有效提高了连铸坯表面质量 3 ,但其振动机构较为复杂;在新投产的4#连铸机中,对结晶器采用双缸液压直接振动,具有结构简单、振动灵活的优点,可轻易形成正弦及非正弦波形,生产使用效果较好 国外采用液压伺服系统允许在浇注期间对振动波形“频率”振幅进行调整，该系统复杂、投资昂贵，对设备的维护和要求高! 国内李宪奎教授开发了机械驱动实现非正弦振动的装置并获得专利!迄今为至，工业中仍在广泛使用直流电动机或交流变频电动机通过偏心轮驱动双摇杆机构实现结晶器振动。和传统的结晶器振动装置相比，电液伺服驱动的连铸机结晶器振动装置可以很方便地产生各种振动规律、实现连铸过程监督、实时显示振动波形并可根据拉坯速度实时修改振动参数、布置方便和可很方便地实现多连铸机共用泵站节能及群控等优点。为了解决传统的电动机驱动偏心凸轮结晶器振动装置存在的难以在线改变振动波形和响应速度慢等问题，本文开发研制了采用电液伺服控制实现的结晶器振动装置及其计算机控制系统。P ID控制由于其算法简单、鲁棒性、可靠性高、稳态无静差等优点, 在工业控制领域得到广泛的应用,尤其是用于可建立精确数学模型的确定控制系统. 而实际生产过程具有非线性、大时滞、时变、不确定性, 难以建立精确的数学模型. 应用基于某一整定原则来确定P ID 参数的常规P ID调节器难以获得满意的控制效果. 而模糊控制算法无须建立被控对象的数学模型, 对被控对象的时滞、非线性、时变性具有一定的适应能力, 即鲁棒性较好. 但模糊控制器本身消除系统误差的性能较差, 难以达到较高的控制精度.本研究结合模糊控制和P ID调节器, 发挥模糊控制鲁棒性强、动态响应好、上升时间快、超调小的特点, 又结合P ID调节器的动态跟踪品质和稳态精度, 即利用模糊逻辑推理, 实时调整P ID参数, 并将其应用于液位控制系统中达到了良好的控制性能 1.1 现代控制理论的产生与发展 同学们，我们都知道：控制理论作为一门科学技术，已经广泛地运用于我们社会生活的方方面面。例如，我们的教学也使用了控制理论的方法。老师在课堂上讲课，大家在课堂上听，本身可看作一个开环函数；而同学们课下做作业，再通过老师的批改，进而改进和提高老师的授课内容和方法，这就形成了一个闭环控制。象这样的例子很多，都是控制理论在生活中的应用。那么控制理论必然有它的产生和发展。我们来学习一下控制理论的产生和发展。控制理论的产生和发展要分为以下几个阶段的发展： 1、经典（古典）控制理论（自动控制理论）的产生和发展 萌芽阶段 如果要追朔自动控制技术的发展历史,早在两千年前就有了控制技术的萌芽。 两千年前我国发明的指南车，就是一种开环自动调节系。 公元10861089年（北宋哲宗元祐初年），我国发明的水运仪象台，就是一种闭环自动调节系统。 起步阶段 随着科学技术与工业生产的发展，到十八世纪，自动控制技术逐渐应用到现代工业中。其中最卓越的代表是瓦特（J.Watt）发明的蒸汽机离心调速器，加速了第一次工业革命的步伐。 发展阶段 1868年马克斯韦尔（J.C.Maxwell）解决了蒸汽机调速系统中出现的剧烈振荡的不稳定问题，提出了简单的稳定性代数判据。 1895年劳斯（Routh）与赫尔维茨（Hurwitz）把马克斯韦尔的思想扩展到高阶微分方程描述的更复杂的系统中,各自提出了两个著名的稳定性判据劳斯判据和赫尔维茨判据。基本上满足了二十世纪初期控制工程师的需要。 由于第二次世界大战需要控制系统具有准确跟踪与补偿能力，1932年尼奎斯特（H.Nyquist）提出了频域内研究系统的频率响应法，为具有高质量的动态品质和静态准确度的军用控制系统提供了所需的分析工具。 1948年伊万斯（W.R.Ewans）提出了复数域内研究系统的根轨迹法。 建立在尼奎斯特的频率响应法和伊万斯的根轨迹法基础上的理论，称为经典（古典）控制理论（或自动控制理论）。 标志阶段 1947年控制论的奠基人美国数学家韦纳（N.Weiner）把控制论引起的自动化同第二次产业革命联系起来，并与1948年出版了控制论关于在动物和机器中控制与通讯的科学，书中论述了控制理论的一般方法，推广了反馈的概念，为控制理论这门学科奠定了基础。 我国著名科学家钱学森将控制理论应用于工程实践，并与1954年出版了工程控制论。 从四十年代到五十年代末，经典控制理论的发展与应用使整个世界的科学水平出现了巨大的飞跃，几乎在工业、农业、交通运输及国防建设的各个领域都广泛采用了自动化控制技术。（可以说工业革命和战争促使了经典控制理论的发展）。 2、现代控制理论的产生和发展 在二十世纪五十年代末开始，随着计算机的飞速发展，推动了核能技术、空间技术的发展，从而对出现的多输入多输出系统、非线性系统和时变系统的分析与设计问题的解决。第一台数字机算计 科学技术的发展不仅需要迅速地发展控制理论，而且也给现代控制理论的发