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連鑄機(jī)結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者： 2013年07月18日來(lái)源：瀏覽量：

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　　連鑄機(jī)已廣泛應(yīng)用于鋼鐵冶金行業(yè)，我國(guó)的連鑄比已超過(guò)90%，在研究連鑄技術(shù)領(lǐng)域中，控制技術(shù)在連鑄機(jī)中的應(yīng)用研究最為活躍。而結(jié)晶器是連鑄機(jī)上的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備，其液位控制精度對(duì)提高鋼產(chǎn)量、降低鋼坯生產(chǎn)事故率有著重要的意義。筆者利用模糊控制策略對(duì)結(jié)晶器液位進(jìn)行控制，并將設(shè)計(jì)的模糊控制器應(yīng)用于實(shí)際控制對(duì)象。

　　1、傳統(tǒng)的結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)

　　1.1概述

　　傳統(tǒng)的結(jié)晶器液位控制采用的Co-60控制系統(tǒng)[1]，是采用控制拉矯機(jī)的拉速來(lái)控制結(jié)晶器的液位，但這種控制系統(tǒng)液位控制精度較低。后來(lái)采用塞棒控制結(jié)晶器的液位，這種方法是人工操作，響應(yīng)速度慢，系統(tǒng)穩(wěn)定性差。

　　1.2塞棒控制結(jié)晶器液位

　　由于塞棒動(dòng)作的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)液位控制非線性度大，甚至還可能出現(xiàn)無(wú)規(guī)律現(xiàn)象，從而導(dǎo)致對(duì)液位控制的不穩(wěn)定性，而且控制精度低。主要有以下幾個(gè)因素：

　　(1)塞棒控制的性狀有影響。例如，含鋁量較高的鋼流澆注時(shí)，水口部分容易粘結(jié)，從而對(duì)鋼流的流動(dòng)起阻塞作用。

　　(2)在澆注過(guò)程中，塞棒及水口被逐漸熔融、沖刷、侵蝕而改變鋼流通道的尺寸和形狀，這些都將改變鋼流。

　　(3)由于過(guò)程參數(shù)的改變，諸如鋼液溫度、中間罐鋼液量，都將對(duì)結(jié)晶器液位控制產(chǎn)生影響。

　　1.3拉速控制結(jié)晶器液位

　　用改變拉速來(lái)控制液位，其控制特性曲線是線性的，因此，從理論上說(shuō)其控制精度是很高的。但拉速是連鑄過(guò)程中的重要參數(shù)，它取決于下列因素：

　　(1)鑄坯的質(zhì)量，拉速應(yīng)按凝固理論的要求來(lái)設(shè)計(jì)；不同的鋼種、斷面尺寸、鋼液過(guò)熱度，就決定了相應(yīng)的冷卻度和拉速。因此，在保證鑄坯質(zhì)量的前提下，拉速應(yīng)有上限值。·
(2)為提高鑄坯生產(chǎn)效率，拉速應(yīng)有下限值。

　　為滿足上述兩個(gè)基本要求，拉速應(yīng)限制在一定范圍內(nèi)。但另一方面，為滿足結(jié)晶器液位控制的精度要求，拉速應(yīng)動(dòng)態(tài)地跟蹤液位進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，應(yīng)把拉速的調(diào)節(jié)范圍限制在一個(gè)較小的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。

　　1.4塞棒控制和拉速控制結(jié)晶器液位的比較

　　當(dāng)澆注普通炭鋼或?qū)|(zhì)量要求不高的鋼種時(shí)，兩種控制手段[2]均可采用，且應(yīng)優(yōu)先使用控制拉速的辦法，因?yàn)槔倏刂埔何皇墙凭€性的。當(dāng)澆注特殊鋼種，應(yīng)綜合采用兩種控制方法，因?yàn)榇藭r(shí)連鑄工藝要求液位穩(wěn)定，也同時(shí)要求拉速穩(wěn)定，但只要當(dāng)連鑄工藝過(guò)程狀態(tài)沒(méi)有突變或沒(méi)有很大的擾動(dòng)時(shí)，還是應(yīng)該采用控制拉速的方法，即使出現(xiàn)較大的擾動(dòng)，也可在拉速控制回路采用前饋調(diào)節(jié)來(lái)消除擾動(dòng)。因此，對(duì)結(jié)晶器液位的控制主要應(yīng)采用拉速來(lái)控制。

　　2、模糊控制器設(shè)計(jì)

　　2.1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

　　圖2--1是以拉速控制液位的系統(tǒng)原理圖，將液位傳感器檢測(cè)的液位信號(hào)與給定的液位信號(hào)比較，計(jì)算出液位偏差及偏差變化率，并進(jìn)行模糊化、模糊推理和決策，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)因子計(jì)算后，送給實(shí)際的拉速液位PI控制器進(jìn)行運(yùn)算，其輸出控制拉矯機(jī)的拉速，從而控制結(jié)晶器的液位。模糊控制系統(tǒng)框圖如圖2—2所示。

　　2.2精確量的模糊化

　　模糊控制器選用二維輸入和一維輸出，輸入變量為結(jié)晶器液位誤差正和液位誤差變化率EC，輸出量Z改變拉速PI控制器的P、I參數(shù)。其對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言值模糊子集選取為：{H，M，Z，S，L}其中H=負(fù)大；M=負(fù)小；Z=零；S=正小；L=正大。并確定偏差月和偏差變化率EC的整數(shù)論域?yàn)椋篍：Xe={-2，-1，0，1，2}，EC：Xec={-2，-1，0，1，2}；輸出量Z的整數(shù)論域?yàn)椋篫：{-2，-1，0，1，2}；P--比例控制，I--積分控制。

　　為了得到平穩(wěn)地跟蹤誤差信號(hào)，g和EC的隸屬函數(shù)選用等距離交叉分配的三角形曲線。如圖2—3所示。模糊控制器的輸入Z和JC用上述隸屬函數(shù)模糊離散化后如表2—1，輸出Z的模糊化表具有相同的形式。

　　2.3模糊控制規(guī)則的建立

　　根據(jù)傳統(tǒng)拉速PI控制器控制結(jié)晶器液位，依照在MATLAB平臺(tái)上二階慣性系統(tǒng)的階躍響應(yīng)仿真曲線，并根據(jù)月和EC推出拉速PI控制器參數(shù)的控制規(guī)則，建立了模糊控制規(guī)則表，如表2-2和表2-3。表2-2為拉速n控制器的比例作用模糊控制規(guī)則表，表2-3為PI控制器的積分作用模糊控制規(guī)則表。

　　模糊推理的經(jīng)驗(yàn)為：當(dāng)偏差E較大時(shí)，需加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，取較大的P，同時(shí)為防止積分飽和和系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)超調(diào)，取較小的I；當(dāng)E和EC適中時(shí)，取適中的P和較小的I；當(dāng)E較小時(shí)，取較大的P和I。

　　模糊控制規(guī)則用模糊條件語(yǔ)句表示為：

　　if E is Ei AND EC is ECi THENP(I)is Pi(Ii)，表中每一元素表示了一條規(guī)則。根據(jù)控制規(guī)則可計(jì)算出模糊輸出量P和／I的隸屬度。

　　其中Ei和ECi是E和EC兩前提空間的模糊子集，Pi(Ii)是結(jié)論P(yáng)(I)空間的模糊子集，i=1，2，…，N，N為模糊標(biāo)記的數(shù)目。

　　楔湖控制規(guī)則的推理通過(guò)編程在計(jì)算機(jī)中完成，控制規(guī)則采用帶有調(diào)節(jié)因子的控制算法：U=aE+(1-a)EC,a[0,1]，一般a取0.5。

　　從模糊控制器的調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，輸入變量的論域不僅表示可能涉及的范圍，更重要的是反映了控制器的精度。因此，模糊輸出的精確值需乘以一個(gè)比較調(diào)節(jié)因子，才能作為真正的PI控制器輸入控制參數(shù)，以使系統(tǒng)最終達(dá)到偏差E=0。

　　2. 4解模糊

　　解模糊就是求出每一個(gè)模糊量輸出的精確值，即是對(duì)模糊控制信號(hào)P或者I的隸屬函數(shù)圖形進(jìn)行解模糊處理。在此采用質(zhì)量中心法(COG)，結(jié)合加權(quán)平均，計(jì)算模糊輸出量P的精確值。其求解公式[3]為為輸入變量的輸出P模糊標(biāo)記的隸屬度。x為各模糊標(biāo)記值。同理可求出I的精確值。

　　3、應(yīng)用結(jié)果分析

　　將上述設(shè)計(jì)的模糊控制系統(tǒng)應(yīng)用于小方坯連鑄機(jī)的控制上，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多次測(cè)試，其控制結(jié)果如圖3—1所示。由此可以看出：液位控制精度較高，其對(duì)應(yīng)的拉速變化也很平穩(wěn)。系統(tǒng)采用模糊控制策略后，比常規(guī)的拉速液位PI控制效果好，拉速平穩(wěn)，液位偏差小。

　　4、結(jié)束語(yǔ)

　　模糊控制技術(shù)在國(guó)外的連鑄機(jī)液位控制中已得到應(yīng)用，通過(guò)對(duì)結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)的分析，將模糊控制策略應(yīng)用于該系統(tǒng)中，克服了常規(guī)PI控制系統(tǒng)響應(yīng)慢、穩(wěn)定性較差的缺點(diǎn)，取得了比較滿意的控制效果。

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