（钢铁冶金专业论文）基于探极与非线性pid中间包液位检测控制系统研究.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 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 通过对液位检测技术的分析和对控制系统的研究总结出一种新的检测与控制的 方法 实现液位的平稳控制 着重对连铸中间包液位控制进行了研究与开发 中间包钢水液位控制是连铸过程的关键环节 如果液面波动太大 将对铸 坯的质量产生很大影响 由于中间包液面的检测是采取称重法间接的测量 致 使精度不高 另外由于执行机构不允许频繁动作 且带有很强的非线性 导致 控制难度的增大 再有中间包所处的工作环境极其恶劣 这些都给中间包的液 位控制带来了很多的不确定性 工艺过程对液位的要求又十分的苛刻 传统的p i d 控制系统己不能满足控 制精度的要求 本文在认真分析中间包液位特点的基础上以中间包液位控制系 统为对象 建立了整个中间包液位控制系统的模型 研究并开发出一种非线性 带死区变增益的p i d 控制器 它对执行机构的非线性特性做了很好的补偿作用 而且在一定范围内 解决了执行机构频繁抖动的问题 还从检测的角度做了改 进 在原有检测设备的基础上加入了探极检测 用以提高液面的检测精度 并 为控制系统不灵敏区的设定提供了准确的定位 进而提高了液面控制系统的可 靠性和精确性 并且为以后中间包的自动控制系统控制质量的提高提供了一种 很好的思路 另外针对中间包放钢时的最低液面也做出了精确的检测 不但避免了中问 包覆盖渣带入结晶器以便铸坯质量降低 并且有效地提高了钢水的收得率 提 高中间包生产的经济效益 关键词 连铸 中间包液位 非线性变增益p i d 控制器 探极检测 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h er e a l i z a t i o no fl i q u i dl e v e lc o n t r o ld u r i n gt h ec o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s s i m p r o v e st h eq u a l i t yo fs l a bo f a n dt h ee f f i c i e n c yo f t h ec a s t i n gm a c h i n e t h i st e x t s u m m a r i z e sak i n do fn e wm e a s u r i n ga n dc o n t r o lm e t h o dw i t l lt h es t u d yo nc o n t r o l s y s t e mt h r o u g ha na n a l y s i so ft h el i q u i dd e t e c t i o nt e c h n i q u et or e a l i z et h es t e a d y c o n t r o lo f t h el i q u i d 1 1 1 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 f t u n d i s hl e v e l h a sb e e nc a r r i e do u te m p h a t i c a l l y t h et u n d i s hl e v e lc o n t r o li sa ni m p o r t a n tp a r to fc o n t i n u o u s c a s t i n g p r o c e s s t h et o os t r o n gf l u c t u a t i n gl e v e lw i l lm a k eg r e a ti n f l u e n c eo nt h eq u a l i t yo f s l a b t h ep r e c i s i o no fm e a s u r i n gl e v e lb yw e i g h ti sn o th i 曲b e c a u s eo f t h ei n d i r e c t m e a s u r e m e n tm e t h o d s i n c et h ea c t u a t o rw i t hs t r o n gn o n l i n e a r i t yd o e sn o tp e r m i t f r e q u e n ta c t i o n i ti sd i f f i c u l tt o c o n t r o lt h et u n d i s hl e v e l t h eb a dw o r k i n g e n v i r o n m e n to f t h et u n d i s hc a u s e sm u c hu n c e r t a i n t yt ol e v e lc o n t r 0 1 a st h ec a s t i n gp r o c e s sh a sag r e a tr i g i dr e q u i r e m e n tt ot h el i q u i dl e v e lo ft h e t u n d i s h t h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o ls y s t e mc a nn o tg e tt h ec o n t r o lp r e c i s i o n w e m a k eal i q u i dl o c a t i o nc o n t r o ls y s t e mo ft h et u n d i s hw h i c hm a i n l yb a s e do nt h e l i q u i d l o c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o n ep i dc o n t r o l l e rw i t hn o n l n e a rv a r i a b l y i n c r e m e n th a sb e e nd e v e l o p e d w h i c hh a sd o n ev e r yg o o dc o m p e n s a t i o nf u n c t i o no n t h en o n 1 i n e a rc h a r a c t e r i s t i c sa n dw i t h i nt h es p e c i f i cl i m i t s h a ss o l v e dt h ep r o b l e m t h a tt h ee x e c u t i v eb o d yf r e q u e n t l ys h a k e s i na d d i t i o n t h ed e t e c t i o nm e a n so ft h e l i q u i dl o c a t i o nb ye l e c t r o d e sh a sb e e nb a s e do nt h eo r i g i n a ls y s t e mt h a tp r o v i d e s p r e c i s el o c a t i o nf o rt h ei n s e n s i t i v er e g i o no ft h ec o n t r o ls y s t e m t h u si m p r o v e d s y s t e m a t i cd e p e n d a b i l i t ya n da c c u r a c y i na d d i t i o n t h el o w e rl e v e lo fl i q u i ds t e e l i nt h et u n d i s hw a sm e a s u r e d p r e c i s e l y w h i c hn o to n l yp r e v e n t st h et o pf l u xo ft h et u n d i s hf r o me n t r a p p i n gi n t o t h em o u l d b u ta l s oe n h a n c e st h er e c o v e r yr a t i oo f l i q u i ds t e e l 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 t u n d i s h l e v e lo fl i q u i d s t e e l n o n l i n e a r v a r i a b l yi n c r e m e n t a lp i dc o n t r o l l e r p r o b e d e t e c t i o n i i i 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 连铸的发展现状 1 1 1 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 开本的连铸比已达到9 5 以上 法国也达到9 0 阱上 本世纪初许多国家都实 现了全连铸 2 1 世纪已经来临 钢铁仍然是重要的基础材料 在不少情况一f 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 f f 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 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 省力化 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 桃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 东北大学硕士学位论文第一章绪论 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 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 f 1 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 2 我国连铸技术的发展 我国连铸技术的发展同世界上先进国家相比 起步并不晚 五十年代中期 有色金属连铸率先工业化 1 9 5 5 年开始研究连续铸铜技术 六十年代初进入工 业化实用阶段 但是发展一直比较缓慢 进入八十年代连铸发展有了根本性的 变化 到了九十年代是我国连铸大发展的年代 高效连铸技术是九十年代以来 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 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 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 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 l 八 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 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而 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 同趋完善 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 发了人容量巾间包 大包下渣检测 结晶器钢水的电磁搅拌 适于不同钢种的 岛效保护渣 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 丌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 尤其是凝同末端连续锻造技术 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 2 我国连铸技术的发展 我国连铸技术的发展同世界上先进国家相比 起步并不晚 五十年代中期 有色金属连铸率先工业化 1 9 5 5 年开始研究连续铸钢技术 六十年代初进入工 业化实用阶段 但是发展一直比较缓慢 进入八 一年代连铸发展有了根本性的 变化 到了九十年代是我国连铸大发展的年代 高效连铸技术是九十年代以来 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 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i i 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 钢液精炼比己由1 9 9 0 年的2 6 8 提高到1 9 9 8 年的2 02 出钢温度的控制水 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 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 1 3 连铸技术发展对检测及控制的要求 连续铸钢技术的工业化 基本取代了用钢锭模铸钢 不但可以提高成材率 8 1 0 节约能源2 5 5 0 而且使从炼钢到轧制成品材的工艺生产线连续 化成为可能 连铸工艺参数不断优化 设备不断更新换代 生产线自动化程度 的不断提高 生产效率的不断提高 新型连铸技术的不断开发 从连铸技术发 展的历史可以看出 科学技术的发展对我们铸造行业产生了深远的影响 尤其 是自动化技术 计算机技术 传感技术 多媒体技术等应用到连铸生产中 使 得生产线自动化程度进一步提高 生产效率大大提高 1 2 连铸自动化控制技术的发展现状 1 2 1 控制的分类 1 在连铸控制系统中一般根据信息量的大小把控制分为大规模和小规模 控制 大规模控制是指用计算机进行全面控制 小规模控制是指只用计算机作局部控制 如局部控制二次冷却和进行数 据处理或者只用计算机控制多流连铸机的结晶器液位和拉坯速度 2 连铸计算机控制系统的基本结构形式有集中控制和分散控制两种类型 集中控制型系统如图1 1 3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 预置定控制 管理级计算 连铸过程控制计算机 结晶器液面控制 二冷水控制曲线控制 引导辊间隔控制 矫直机加压力控制 炼钢过程控制计算机 闭环控制ll 信息控制 中间包液面控制 中间包预热控制 二冷水全流量控制 二冷水分段控制 切割长度控制 物量管理 时间管理 结晶器管理 中间罐管理 图1 1 集中控制系统功能结构图 f i g 1 1f u n c t i o ns t r u c t u r eo f c o n c e n t r a t e dc o n t r o ls y s t e m 分散型控制系统 d c s 又称为集中分散控制 集散 系统 如图1 2 所示 它由四部分构成 1 1 过程输入 输出接口单元 又称数据采集站 监视站等 是为生产过程 中的非控制变量设置的数据采集装置 它不但能完成数据采集和预处 理 还可以对实时数据作进一步加工处理 供c r t 操作站显示和打印 实现开环监视 2 过程控制单元 又称控制器 控制站等 是d c s 的核心部分 对生产 过程进行闭环控制 可控制数个或数十个回路 还可进行顺序控制 3 c r t 操作站 它是d c s 的人机接口装置 除监视操作 打印报表外 系统的组态 编程也在操作站上进行 4 高速数据通道 又称高速通信总线 大道公路等 是一种具有高速通信 能力的信息总线 一般采用双绞线 同轴电缆或光纤构成 d c s 还可以上挂在上位计算机上 实现集中控制和最佳控制等功能 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 图1 2 分散型系统构成图 f i g 1 2 t h es t r u c t u r eo f d i v e r g i n gt y p es y s t e m 1 2 2 连铸控制的发展及复杂性 连铸过程的控制与自动化 是保证连铸机正常生产 提高连铸生产和改善 铸坯质量的有效手段 随着连铸技术的发展 需要在连铸机上配备精度越来越 高的检测仪表和先进的自动化控制装置 并应用计算机控制系统来实现连铸过 程自动化 在工业控制中采用计算机控制 可以提高产品的产量和质量 节省 能源和人力 提高收得率 降低成本 由于连铸过程对钢水质量要求高 连续 作业设备操作难度大 再加上凝固过程的复杂性 在连续铸钢过程中引入计算 机控制晚于其它计算机机组 近年来 由于操作经验的不断积累及对连铸过程 的解析的深入 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 特 别是连铸连轧工艺流程的开发和应用 要求连铸生产出来的铸坯是高温无缺陷 坯 且要求对生产 物流运转和质量进行高水平管理 因此要求采用计算机技 术对浇铸过程进行自动控制 并且利用计算机对计划进行调整 连铸过程控制是由多个复杂的控制系统组成 主要有中间包液位控制 结 晶器液位控制 结晶器冷却水控制 结晶器振动控制 二次冷却水流量控制 拉矫机液压控制 钢坯切割控制等系统 1 从连铸工艺角度来说 实现控制的难点 1 连铸过程对钢水质量要求高 东北大学硕士学位论文第一章绪论 2 连续作业设备操作难度大 3 凝固过程的复杂性 实现控制难度较大 2从连铸自动化角度 实现控制的复杂性 4 1 3 1 6 1 存在着不可测的扰动和未建模动态 2 过程本身和执行机构常有较大的滞后 3 具有时变性和非线性特性 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 由于以上的控制难点与复杂性 目前对于连铸过程从建模和控制角度进行 的研究还很少 而通常最常用的方法是p i d 控制 但单纯的p i d 控制不能达到 令人满意的效果 因此国内外的一些控制学领域的专家和学者运用各种补偿手 段改善系统性能 并且开始研究诸如自适应控制 9 模糊控带l jr 6 7 1 预测控制 5 和神经元网络等 并且把这方面的研究成果运用到连铸生产的各个环节中 取 得了一定的效果 在实际应用过程中也考虑到了各环节之间的耦合问题 以及 整个过程的优化和故障诊断与处理等问题 8 j 9 1 8 1 9 同时在连铸计划的编制 最优浇次的分配以及炼钢一连铸一体化生产的管理和调度策略等方面进行了许 多工作 3 控制系统的发展 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 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 例如 德国东方钢铁公司的连铸机采用的便是 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 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 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 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 另外还有一些公司的连铸车间采用了能够对工艺流程进行优化的控制系 统 如德国的阿尔佩德公司的所属的一家连铸机厂 采用的对工艺的生产过程 物料跟踪 综合布局 总括控制的整体优化流程 很好的实现了四级自动化控 制的优化与控制的功能 四级自动化控制也是自动化水平提高与系统发展的一 种趋势 4 连铸自动化应考虑解决的问题 我国连铸正处于大发展时期 从目前的现状出发 应考虑解决以下问题 1 必须解决检测技术问题 检测技术是自动化技术的基础 如果测不出被控对象的参数值 要自动控 制该对象是难以想象的 连铸生产过程中的一些重要参数的检测技术 至今还 未很好解决 需要花大力研究 2 大力推广交流调速技术 连铸机使用全交流传动应作为老铸机改造和新建铸机电气传动的发展方 向 因为无论从节省电能 还是从维护检修来看 它都优于直流传动 3 必须首先搞好基础自动化 根据我国的经济条件 管理水平和人员的素质等情况 除少数大型的连铸 机采用了多级自动化控制外 多数工厂应首先搞好基础自动化 逐步地实现过 程自动化和多极自动化 4 必须加强引进技术的消化移植 挖掘国内潜力 开发我国自己的新产品 我国已引进了大板坯 小方坯连铸机 并进行了消化移植 取得了成功的 经验 随着连铸工艺的不断发展 对连铸的一些专用设备在引进硬件的同时 必须引进软件 并充分发展国内的技术潜力 进行消化移植 开发出自己的新 产品 以促进连铸技术的发展 7 东北大学硕士学位论文第一章绪论 5 逐步推广多极计算机系统的应用 连铸生产应用多级计算机系统进行生产管理 过程控制和基础自动化是提 高生产 保证质量的有效措篪 也是发展的必然趋势 实现多极计算机控制的 条件是 生产管理是科学的 有规律的和正常的 生产操作人员具有一定的素 质 具备一定的基础自动化设施和操作水平 就国内绝大多数工厂还没有这样 的条件 需要努力创造条件 争取尽快地逐步实现 5 p l c 技术 可编程控制器 p l c 以二进制逻辑运算为主的 专为工业环境应用而设 计的工业控制器 由于微电子技术的不断发展 可编程控制器的功能不断增强 从最初的逻辑运算发展到能进行各种数学运算 数据处理和程序控制 成为面 对整个生产过程设备控制的多功能控制器 可编程控制器能实现顺序控制 运 动控制 过程控制 数据处理 通讯等 并且它有 抗干扰能力强 可靠性高 控制系统结构简单 通用性强 编程方便 易于使用 功能完善 设计 施工 调试的周期短 体积小 维护操作方便的优点 1 3 中间包综述 1 3 1 中间包在连铸中的地位与作用 以连铸代替模铸是炼钢生产流程中一次重大的变革 其工艺流程如图1 3 所示 模铸的不足在于 其一连铸中钢水与空气接触面积大 使钢水清洁度降 低 其二是钢水进入结晶器后夹杂物上浮排除条件差 尤其是对小断面铸坯 而它的这些不足则主要表现在钢水从大包浇出到下一道的工序中 所以采用中 间包冶金 完全可以改善以上的不足 连铸中间包是连结在钢包和结晶器之间的过渡性容器 用于接受钢包钢水 及向结晶器内注入钢水 连铸过程中它不但具有暂时存储钢液 对钢水实施分 配 实现多炉连浇以及稳定钢液流动 减少钢流对结晶器的冲击和搅动 减小 钢液静压力 稳定浇注操作的功能 而且能够清除钢液再次污染的来源 即防 止二次氧化 减轻耐火材料侵蚀 减少钢包渣的卷入以及渣中不稳定氧化物的 危害 改善钢液流动条件 使脱氧产物和非金属夹杂物上浮 最大可能去除钢 中非金属夹杂物 亦即防止短路流 减小死区 改进流线方向 增加钢液的停 留时间 选择合适的包衬耐火材料和熔池覆盖剂 既减轻热损失又有利于吸收 分离和上浮的夹杂物 多炉连浇换包时还起到缓冲作用 而且还具有钢液成份 的调整 台金化 对低温钢液加热升温 合理改变流场 均匀钢液温度等功能 8 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 所以它是一个重要的冶金反应容器 圈1 3 连铸f t 艺流程图 f i g 1 3f l o wc h a r to f c o n t i n u o u sc a s t i n g p r o c e s s 尽管它有许多无法比拟的优点 但也存在其本身固有的不足 其一是在浇铸 过程中 钢水与非金属材料接触机会多 从中间包水口流出这段时间内 钢水与 空气 渣 耐火材料的接触机会多 并相互作用污染钢水 但它们的这些作用产 物和钢水中的夹杂物有可能聚集长大 上浮出钢液面进入中间包渣中 也有可能 再次被卷入钢中成为夹杂物 因此连铸中间包工序段就是冶金工作者研究较多的 连铸工序段之一 随着人们对中间包作用认识的提高 对中间包参数进行优化和 设计研究的工作也越来越深入 总之 在现代连铸的应用和发展过程中 中间包的作用显得越来越重要 其 内涵也在被不断扩大 从而形成一个独特的领域一中间包冶金 1 3 2 中间包钢液面稳定控制的重要性 进行连铸时 中间包操作是重要的 环 能否准确平稳的向结晶器供给钢水 对于防止漏钢事故以及铸坯表面和内部缺陷的产生关系很大 连铸浇注过程中 中间包内钢水液面高度应保持在一个合适的值 如果液面过高 钢水供给过多 流股动压头增大 注流不易圆整 并增大冲击力 引起飞溅和冲刷初生坯壳 影 东北大学硕士学位论文第一章绪论 晌凝固坯壳的均匀性 还会发生从结晶器上口溢钢的事故 如果包内液面过低 供给钢水太少 则结晶器内钢液面下降 有可能发生拉漏 拉断等事故 给操作 和铸坯质量都会带来不利影响 假如中间包深度为6 0 0 m m 如液面保持在4 0 0 5 0 0 m m 可减少夹杂产生 当液面低于3 0 0 m m 时 夹杂量明显增多 因为液面上的渣子很容易被钢水的紊流 卷入钢液内部 尤其在连浇时 随着连浇炉次的增多 中间包绝热板不断被冲刷浸 蚀 使钢液面上漂浮着大量的渣子 更换钢包时 液面往往会降得更低 这样在f 一包钢水开浇时猛烈冲击就很容易将渣卷入钢液内部进入结晶器 捞渣操作不及 时 将使铸坯产生表面夹杂 保证中间包内钢液面一定高度 及时捞渣 能防止 兴杂的大量出现 中间包内液面低 结晶器内钢水静压力小 钢水补缩能力不足 容易出现折 皱缺陷 实际生产中控制中间包液面6 0 01 0 0 0 m m 能有效控制折皱缺陷的产生 中间包内的钢水液面自动控制系统可提高铸坯的清洁度 还可减少铸坯表面 的横向和纵向裂纹 因此 精确地测量和控制结晶器及中问包内的钢水液面 不 断地监控钢包内钢水的重量是非常重要的 尤其是高效连铸时 拉速高 铸坯质量要求高 不允许形成表面波 尤其是 开浇 浇注末期 不允许钢包注流区形成紊流 以防止卷渣 中间包水口区如 果形成附加环流或旋流 钢水会卷入空气或渣子 加重钢水的二次氧化或将渣子 卷入钢水 这是不允许的 因此 保持中间包液面稳定有很重要的意义 1 3 3 钢水液位控制的方法 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 国外 开发了许多种新的控制算法以代替常规p i d 算法 现介绍如下 1 1 基于常规p i d 算法的补正与改良的方法 如自动调整p i d 参数 带死区变增益的非线性控制 2 l 非线性串联补偿 线性串联补偿 高频抖动补偿 如引入振动信号并自动调整其振幅和周期 以 消除塞棒或滑动水口的摩擦与死区等 2 1 采用现代控制理论的算法 如基于零极点配置的液位控制策略 相角超前滞后补偿控制 扰动补偿控 制 主体回路自校正控制器 预测控制 自适应控制策略以及正幻控制策略和 状态观测器等 3 智能控制 主要有模糊控制和专家系统 其中模糊控制在欧洲许多钢厂采用这种方法 1 0 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 效果良好 使液面的升高减少约4 0 液位受干扰时间缩短8 0 提高了机械 设备的安全性 因为丌堵而改钢号的减少约8 0 法国s e r t 公司成套结晶器 钢水控制系统中采用该方法 作为商品出售 4 1 专家系统 日本住友金属工业公司采取这种方法 它根据各传感器采集的数据 如浇 注速度 结晶器钢水液位 滑动水口的状态 中间包钢水重量等对整个操作过 程的状态 原因以及各参数进行评定与推理 同时确定哪一个参数对波动产生 影响 来决定所需对策 并及时调节 使p i d 控制参数为最佳 整个系统约有 3 0 0 条规则 该系统在和歌山钢铁厂的双流圆坯连铸机上使用获得良好效果 液面波动4 5 m m 5 使用状态观测器 这是日本川崎钢铁公司使用的方法 它已在该公司的4 连铸机 速度2 5 m r a i n 上使用 液面波动小于2 0 r a m 而常规方法波动峰值大于2 0 n m a 且几 分钟后才能稳定 6 使用h o o 控制理论 它使h o o 判据 8 为最小以抑制由于凝固壳局部变形 滑动水口堵塞 水口 开度与钢流量非线性 液位计噪音以及拉速变动等干扰 它还使h o o 判据 岛 输出电势岛 矗 一 就反应水口开度的变化 由于测量电路采用了差动整流 便可以得到水口开度与输出电压的线性关 系 即 甜 k s x f 或 i t x p 3 2 6 即中间包检测系统是线性的 可用一比例环节近似 3 滑动水口的静态流量特性 滑动水口静态流量特性是指水口的开口位置x 与中间包钢液的流入量q 之间的关系 即 q f x 3 2 7 钢包到中间包之间的浸入式水口较长且直径较小 必须考虑水口上的压力 损失 根据控制阀 2 0 1 原理建立滑动水口的工作流量特性模型如下 罴q 厂色l x 式中 q m 一滑动水口处钢液的最大体积流量 r 3 2 8 x 一滑动水口的最大开度 p 一滑动水口全开时滑动水口节流口处压降占总压降的百分比 可通过实验测得 f l 1 滑动水口节流口的理想流量特性 通常也叫设计流量特 l 工m 扰 性 它可以从产品手册中查到 一般为等百分比特性或对数流量特性 由工作流量特性 3 2 8 可以得到滑动水口节流口的流量增益足 驴等 笔 陲 糙肛 式中 c k 滑动水口节流口的流通能力 g 重力加速度 3 2 9 r luin 二吖l l 东北大学硕士学位论文 第三章中间包液住控制系统建模 幽 钥包液位到中间包液位的高度降 模型的参数可由液压机构的设计数据和滑动水口节流口的设计数据得到 4 滑动水口的动态流量特性 滑动水口开口位置到中间包的钢液流入量之间的动态特性主要为延迟特 性 由浸入式水口流量的传输引起 通常用一阶惯性环节来近似 4 髟 q f 2 意 3 l 3 0 式中 丁为滑动水口等效时间常数 一般取 0 4 0 8 s 5 滑动水口的时变特性 滑动水口的时变主要由滑动水口的熔损 浸蚀和钢水温度过低 中间包预 热不良 由三氧化二铝沉积引起的堵塞和开堵现象所造成的 致使中间包水口 的开度位置与钢水流量的关系是变动的l 这一周期性过程如图3 8 7 a 1 一 白 毒 f 1 詹 国 d r 劫 起 r 水口慢慢堵塞 如 图中 a b c 到 达一定的厚度后 d 忽然被冲掉 或被钢棒 从中间包上方插入水口 去除沉积物 这时会突 然间使钢流增大 e 液 位急剧上升 这一过程 难以建模 因为它与金 属的成分 温度 水口 的几何形状等因素有关 系 假定水口处的沉积 图3 8 滑动水口堵塞与开堵过程示意图 f i g 3 8s k e t c ho f c l o g g i n ga n do p e n i n go fs l i d eg a t en o z z l e 物的沉积是均匀的 就可以把水口堵塞和开堵的现象等效为滑动水口的扰动 因此式 3 3 0 变为 绋 羔b 氓 3 3 1 其中 x d 为干扰 东北大学硕士学位论文 第三章中间包液位控制系统建模 3 2 3 中间包特性与建模 因为中间包是一个容器对象的模型 如下式 尝 击 盱q 2 3 3 2 式中 矗一中间包的液面高度 m m v 一中f 司包液面的变化速度 m m s s 一滑动水口的断面积 c m 2 q 0 一流入中间包的钢水流量 c m 3 绞一流出中间包的钢水流量 f 聊3 知 5 3 3 2 4 本文主要研究的是中间液位控制 在这里可以假设q 是不变的 即常量 在控制的过程中 吼的改变可以看作系统的一种扰动 对式 3 3 2 两端进行拉氏变换后 可得 怒 喜 3 3 3 为一积分环节 上式表明 钢水流入速率0 o 和钢水流出速率q 2 之差在采样控制周期t 中的 积累就形成了钢水液位h 的变化 3 2 4 整个中间包液位控制系统模型 以上就建立了整个中间包液位控制系统的被控对象的动态模型 该模型包 括液压执行机构 滑动水口的流量特性和中间包液面高度三个部分 输入是驱 动液压伺服阀的电流信号 通过式 3 1 得到伺服阀的阀芯位置x v 通过求 解式 3 9 式 3 1 1 式 3 1 2 构成的微分方程组可得液压缸活塞的位置 同时也是滑动水口的位置x p 由式 3 3 0 得到流入中间包的钢水流量 由式 3 3 3 加入中间包的控制对象 构成一个串级闭环系统 对象模型总体可由 式 3 1 3 2 3 3 2 9 3 3 1 3 3 3 描述 综上所述 将滑动水h 位置闭环后 再加上滑动水口特性流量模型和中间 包模型 即得到整个中间包液位控制系统的被控对象模型 图3 3 中虚线部分 东北大学硕士学位论文 第四章液位控制器的设计 第四章液位控制器的设计 4 1 常规p i d 控制器的设计 在中间包的液位调节系统中 因为流量控制环节有明显的不确定性和非线 性 所以本系统采用串级控制 外环为液位环 内环为流量环 并且流量环使 用伺服阀和流量闭环控制 钢水流量通过位置检测系统来实现间接的在线实时 检测 以前的很多文献在中间包液位控制系统中 内环都采用非调速液压机构 通过控制液压活塞的运动时间来改变滑动水口的开度 水口开度和钢水流量都 无检测 即内环是开环的 但这种方案通常会导致滑动水口频繁动作 而且由 于对开度大小没有检测 致使无法精确的控制流量和液位 由于是时间控制 有时会造成大的超调或滞后 给系统带来不稳定性 而在本系统中采用带死区 变增益的p i d 控制 从而解决了水口频繁动作的问题 而外环仍采用闭环控制 通过检测中间包重量的增量和与电极补偿的方式来实现液位的闭环控制 具体 的设计方案如下所述 1 p i d 控制器的特点 p i d 控制算法包含三种控制作用 比例 p 积分 i 微分 d 这三 种p i d 控制器的基本控制规律为 删吨卜寺f 伽 掣 式中 f 一调节器的输出 p r p i d 调节器的输入 k 一比例系数 z 一积分时间常数 乃一微分时间常数 简单说来 p i d 控制器各校正环节的控制作用的特点如下 1 比例控制作用 3 7 东北大学硕士学位论文第四章液位控制器的设计 成比例地反映控制系统的偏差信号 系统误差一旦产生 控制器立即产生 控制作用 使控制对象立刻向减小误差的方向变化 控制作用的强弱取决于比 例系数的大小 缺点是对于具有自平衡能力的控制对象存在静差 动态性能和 静差消除不能同时被满足 2 积分控制作用 对误差进行记忆并积分 即利用已产生的误差来控制后继时间误差的产生 有利于消除静差 积分作用的强弱取决于积分时间常数t t i 越大 积分作用 越弱 反之则越强 另外必须注意对积分时间常数的选取 如果t i 过大 会影 响系统的响应速度 但是由于积分的滞后特性 容易使被控对象的动态性能变 化 以至闭环不稳定 3 微分控制作用 对误差进行微分 即利用误差变化趋势 变化速率 控制误差 其作用是使 得控制器的灵敏度增加 它根据偏差的变化率d e d t 进行控制 麓在偏差信号变 得太大之前 在系统中引入一个有效的早期修 f 信号从而起到早期的修正作用 拓宽系统的频带 在一定程度上增加了系统的稳定性 增大微分控制作用 t d 增大 可以加快系统响应 减少调整时间 使超调量减小 但其对干扰同样敏 感 使系统对于扰的抑制能力降低 p i d 控制算法可根据对象不同调整各部分的参数大小 最终得到满意的控 制效果 而且因为p i d 控制器结构简单 参数调制方便 控制精度比较高 在 近8 0 的工业控制过程中使用的都是p i d 控制器 是目前控制系统中最普遍采 用的控制算法 2 p i d 控制算法的局限性 在过程控制领域中 由于控制品质的要求越来越高 而控制对象越来越复 杂 对于一些非线性 变参数 大惯性 大滞后的系统 运用传统的p i d 控制 方法不能达到理想的控制效果 尤其对于时变系统 非线性系统适应能力很差 当一个调节好的控制器应用到模型参数不断变化的系统中 控制效果非常不好 甚至不稳定 另外 在实际生产现场p i d 参数的整定中 参数的整定值有一定 的局限性 可能在这个变化范围内适用的参数在另外的范围中就完全失效了 因此p i d 控制无法在本质上解决时变非线性系统的动态品质和稳态精度矛盾 通常常规的p i d 控制器往往整定不良 性能欠佳 对运行工况的适应性很差 所以必须在p i d 的基础上采取有效的改进与补偿措施 随着微处理技术的发展 数字智能式控制器的实际应用以及智能控制理论 模糊控制和神经网络技术等 研究应用的发展与深入 为控制复杂无规则系统开辟了新途径 有人认为模糊 控制等可以解决问题 其实模糊控制也需要调整 目前智能控制方法已经用于 3 8 东北大学硕士学位论文 第四章液位控制器的设计 连铸液位控制之中 但实践表明它们无法克服拉速等形成的噪声扰动 而且计 算量大 不便于设计和实簏 这就是为什么国夕 大多数连铸仍然使用p t d 系统 的原因 传统的p i d 控制策略只有在特定的工艺下才能实现较为有效的中间包液位 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和摩擦等而引起的非线性特性 3 由于拉速的变化和流量的变化等扰动作用 致使系统的鲁棒性变差 4 由于水口的堵塞与开堵过程流量的显著变化 而导致在开堵时液位突然 升高 在最好的情况下 常规p i d 在经历l m i n 的不稳定期后使液位渐 渐地恢复正常 在某些情况下 会引起结晶器液位的强烈波动 而引起 严重后果 为此 必须进行补偿 例如 当钢水液位超过高位 高高位 时 应加以不同的补偿 以保证钢水液位尽可能平稳和波动最小 这就 需要精心调整补偿量 摸索规律 并随时间的变化随时修正 3 新型的p i d 控制算法 近年来 在常规的p i d 控制算法的基础上 融合智能控制技术 计算机技 术 产生许多新型的p i d 控制算法 现箍介如下 1 不完全微分p i d 算法 微分环节的引入 改善了系统的动态性能 但是纯微分环节对高频噪声有 很大的放大作用 所以在实际应用中一般不用理想微分 而用以超前作用为主 的 超前滞后环节 代替 由此获得的微分作用称为不完全微分 2 微分先行p i d 算法 在实际的工业过程控制系统中 特别是在工业自动调节系统中 输入信号 通常是阶跃变