连铸机结晶器液位控制系统设计

1、连铸机结晶器液位控制系统设计连铸机已广泛应用于钢铁冶金行业，我国的连铸比已超过90%，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。笔者利用模糊控制策略对结晶器液位进行控制，并将设计的模糊控制器应用于实际控制对象。1传统的结晶器液位控制系统1.1概述传统的结晶器液位控制采用的Co-60控制系统1，是采用控制拉矫机的拉速来控制结晶器的液位，但这种控制系统液位控制精度较低。后来采用塞棒控制结晶器的液位，这种方法是人工操作，响应速度慢，系统稳定性差。1.2塞棒控制结晶器液位由于塞棒动作的响应

2、时间长，对液位控制非线性度大，甚至还可能出现无规律现象，从而导致对液位控制的不稳定性，而且控制精度低。主要有以下几个因素：(1)塞棒控制的性状有影响。例如，含铝量较高的钢流浇注时，水口部分容易粘结，从而对钢流的流动起阻塞作用。(2)在浇注过程中，塞棒及水口被逐渐熔融、冲刷、侵蚀而改变钢流通道的尺寸和形状，这些都将改变钢流。(3)由于过程参数的改变，诸如钢液温度、中间罐钢液量，都将对结晶器液位控制产生影响。1.3拉速控制结晶器液位用改变拉速来控制液位，其控制特性曲线是线性的，因此，从理论上说其控制精度是很高的。但拉速是连铸过程中的重要参数，它取决于下列因素：(1)铸坯的质量，拉速应按凝固理论的要

3、求来设计；不同的钢种、断面尺寸、钢液过热度，就决定了相应的冷却度和拉速。因此，在保证铸坯质量的前提下，拉速应有上限值。·(2)为提高铸坯生产效率，拉速应有下限值。为满足上述两个基本要求，拉速应限制在一定范围内。但另一方面，为满足结晶器液位控制的精度要求，拉速应动态地跟踪液位进行调节。因此，应把拉速的调节范围限制在一个较小的动态范围内。1.4塞棒控制和拉速控制结晶器液位的比较当浇注普通炭钢或对质量要求不高的钢种时，两种控制手段2均可采用，且应优先使用控制拉速的办法，因为拉速控制液位是近似线性的。当浇注特殊钢种，应综合采用两种控制方法，因为此时连铸工艺要求液位稳定，也同时要求拉速稳定，但

4、只要当连铸工艺过程状态没有突变或没有很大的扰动时，还是应该采用控制拉速的方法，即使出现较大的扰动，也可在拉速控制回路采用前馈调节来消除扰动。因此，对结晶器液位的控制主要应采用拉速来控制。2模糊控制器设计2.1控制系统结构分析图2-1是以拉速控制液位的系统原理图，将液位传感器检测的液位信号与给定的液位信号比较，计算出液位偏差及偏差变化率，并进行模糊化、模糊推理和决策，经过调节因子计算后，送给实际的拉速液位PI控制器进行运算，其输出控制拉矫机的拉速，从而控制结晶器的液位。模糊控制系统框图如图22所示。2.2精确量的模糊化模糊控制器选用二维输入和一维输出，输入变量为结晶器液位误差正和液位误差变化率E

5、C，输出量Z改变拉速PI控制器的P、I参数。其对应的语言值模糊子集选取为：H，M，Z，S，L其中H=负大；M=负小；Z=零；S=正小；L=正大。并确定偏差月和偏差变化率EC的整数论域为：E：Xe=-2，-1，0，1，2，EC：Xec=-2，-1，0，1，2；输出量Z的整数论域为：Z：-2，-1，0，1，2；P-比例控制，I-积分控制。为了得到平稳地跟踪误差信号，g和EC的隶属函数选用等距离交叉分配的三角形曲线。如图23所示。模糊控制器的输入Z和JC用上述隶属函数模糊离散化后如表21，输出Z的模糊化表具有相同的形式。2.3模糊控制规则的建立根据传统拉速PI控制器控制结晶器液位，依照在MATLAB

6、平台上二阶惯性系统的阶跃响应仿真曲线，并根据月和EC推出拉速PI控制器参数的控制规则，建立了模糊控制规则表，如表2-2和表2-3。表2-2为拉速n控制器的比例作用模糊控制规则表，表2-3为PI控制器的积分作用模糊控制规则表。模糊推理的经验为：当偏差E较大时，需加快系统响应速度，取较大的P，同时为防止积分饱和和系统响应出现超调，取较小的I；当E和EC适中时，取适中的P和较小的I；当E较小时，取较大的P和I。模糊控制规则用模糊条件语句表示为：if E is Ei AND EC is ECi THENP(I)is Pi(Ii)，表中每一元素表示了一条规则。根据控制规则可计算出模糊输出量P和I的隶属度

7、。其中Ei和ECi是E和EC两前提空间的模糊子集，Pi(Ii)是结论P(I)空间的模糊子集，i=1，2，N，N为模糊标记的数目。楔湖控制规则的推理通过编程在计算机中完成，控制规则采用带有调节因子的控制算法：U=aE+(1-a)EC,a0,1，一般a取0.5。从模糊控制器的调试中发现，输入变量的论域不仅表示可能涉及的范围，更重要的是反映了控制器的精度。因此，模糊输出的精确值需乘以一个比较调节因子，才能作为真正的PI控制器输入控制参数，以使系统最终达到偏差E=0。2. 4解模糊解模糊就是求出每一个模糊量输出的精确值，即是对模糊控制信号P或者I的隶属函数图形进行解模糊处理。在此采用质量中心法(COG

8、)，结合加权平均，计算模糊输出量P的精确值。其求解公式3为为输入变量的输出P模糊标记的隶属度。x为各模糊标记值。同理可求出I的精确值。3应用结果分析将上述设计的模糊控制系统应用于小方坯连铸机的控制上，经过现场多次测试，其控制结果如图31所示。由此可以看出：液位控制精度较高，其对应的拉速变化也很平稳。系统采用模糊控制策略后，比常规的拉速液位PI控制效果好，拉速平稳，液位偏差小。4结束语模糊控制技术在国外的连铸机液位控制中已得到应用，通过对结晶器液位控制系统的分析，将模糊控制策略应用于该系统中，克服了常规PI控制系统响应慢、稳定性较差的缺点，取得了比较满意的控制效果。参考文献1连续铸钢手册M.北京：冶金工业出版社，1991.2 Mold Level Control in Continuous Caster如Neural Network Model，WatanabeJ.ISIJ international.1999,