連鑄機結晶器液位控制系統設計
作者： 2013年07月18日 來源： 瀏覽量：
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連鑄機已廣泛應用于鋼鐵冶金行業，我國的連鑄比已超過90%，在研究連鑄技術領域中，控制技術在連鑄機中的應用研究最為活躍。而結晶器是連鑄機上的一個關鍵設備，其液位控制精度對提高鋼產量、降低鋼坯生產事故率有著
連鑄機已廣泛應用于鋼鐵冶金行業，我國的連鑄比已超過90%，在研究連鑄技術領域中，控制技術在連鑄機中的應用研究最為活躍。而結晶器是連鑄機上的一個關鍵設備，其液位控制精度對提高鋼產量、降低鋼坯生產事故率有著重要的意義。筆者利用模糊控制策略對結晶器液位進行控制，并將設計的模糊控制器應用于實際控制對象。
1、傳統的結晶器液位控制系統
1.1概述
傳統的結晶器液位控制采用的Co-60控制系統[1]，是采用控制拉矯機的拉速來控制結晶器的液位，但這種控制系統液位控制精度較低。后來采用塞棒控制結晶器的液位，這種方法是人工操作，響應速度慢，系統穩定性差。
1.2塞棒控制結晶器液位
由于塞棒動作的響應時間長，對液位控制非線性度大，甚至還可能出現無規律現象，從而導致對液位控制的不穩定性，而且控制精度低。主要有以下幾個因素：
(1)塞棒控制的性狀有影響。例如，含鋁量較高的鋼流澆注時，水口部分容易粘結，從而對鋼流的流動起阻塞作用。
(2)在澆注過程中，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)由于過程參數的改變，諸如鋼液溫度、中間罐鋼液量，都將對結晶器液位控制產生影響。
1.3拉速控制結晶器液位
用改變拉速來控制液位，其控制特性曲線是線性的，因此，從理論上說其控制精度是很高的。但拉速是連鑄過程中的重要參數，它取決于下列因素：
(1)鑄坯的質量，拉速應按凝固理論的要求來設計；不同的鋼種、斷面尺寸、鋼液過熱度，就決定了相應的冷卻度和拉速。因此，在保證鑄坯質量的前提下，拉速應有上限值。·
(2)為提高鑄坯生產效率，拉速應有下限值。
(2)為提高鑄坯生產效率，拉速應有下限值。
為滿足上述兩個基本要求，拉速應限制在一定范圍內。但另一方面，為滿足結晶器液位控制的精度要求，拉速應動態地跟蹤液位進行調節。因此，應把拉速的調節范圍限制在一個較小的動態范圍內。
1.4塞棒控制和拉速控制結晶器液位的比較
當澆注普通炭鋼或對質量要求不高的鋼種時，兩種控制手段[2]均可采用，且應優先使用控制拉速的辦法，因為拉速控制液位是近似線性的。當澆注特殊鋼種，應綜合采用兩種控制方法，因為此時連鑄工藝要求液位穩定，也同時要求拉速穩定，但只要當連鑄工藝過程狀態沒有突變或沒有很大的擾動時，還是應該采用控制拉速的方法，即使出現較大的擾動，也可在拉速控制回路采用前饋調節來消除擾動。因此，對結晶器液位的控制主要應采用拉速來控制。
2、模糊控制器設計
2.1控制系統結構分析
圖2--1是以拉速控制液位的系統原理圖，將液位傳感器檢測的液位信號與給定的液位信號比較，計算出液位偏差及偏差變化率，并進行模糊化、模糊推理和決策，經過調節因子計算后，送給實際的拉速液位PI控制器進行運算，其輸出控制拉矯機的拉速，從而控制結晶器的液位。模糊控制系統框圖如圖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。其對應的語言值模糊子集選取為：{H，M，Z，S，L}其中H=負大；M=負小；Z=零；S=正小；L=正大。并確定偏差月和偏差變化率EC的整數論域為：E：Xe={-2，-1，0，1，2}，EC：Xec={-2，-1，0，1，2}；輸出量Z的整數論域為：Z：{-2，-1，0，1，2}；P--比例控制，I--積分控制。
為了得到平穩地跟蹤誤差信號，g和EC的隸屬函數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模糊控制規則的建立
根據傳統拉速PI控制器控制結晶器液位，依照在MATLAB平臺上二階慣性系統的階躍響應仿真曲線，并根據月和EC推出拉速PI控制器參數的控制規則，建立了模糊控制規則表，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則表，表2-3為PI控制器的積分作用模糊控制規則表。
模糊推理的經驗為：當偏差E較大時，需加快系統響應速度，取較大的P，同時為防止積分飽和和系統響應出現超調，取較小的I；當E和EC適中時，取適中的P和較小的I；當E較小時，取較大的P和I。
模糊控制規則用模糊條件語句表示為：
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則。根據控制規則可計算出模糊輸出量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)是結論P(I)空間的模糊子集，i=1，2，…，N，N為模糊標記的數目。
楔湖控制規則的推理通過編程在計算機中完成，控制規則采用帶有調節因子的控制算法：U=aE+(1-a)EC,a[0,1]，一般a取0.5。
從模糊控制器的調試中發現，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比較調節因子，才能作為真正的PI控制器輸入控制參數，以使系統最終達到偏差E=0。
2. 4解模糊
解模糊就是求出每一個模糊量輸出的精確值，即是對模糊控制信號P或者I的隸屬函數圖形進行解模糊處理。在此采用質量中心法(COG)，結合加權平均，計算模糊輸出量P的精確值。其求解公式[3]為為輸入變量的輸出P模糊標記的隸屬度。x為各模糊標記值。同理可求出I的精確值。
3、應用結果分析
將上述設計的模糊控制系統應用于小方坯連鑄機的控制上，經過現場多次測試，其控制結果如圖3—1所示。由此可以看出：液位控制精度較高，其對應的拉速變化也很平穩。系統采用模糊控制策略后，比常規的拉速液位PI控制效果好，拉速平穩，液位偏差小。
4、結束語
模糊控制技術在國外的連鑄機液位控制中已得到應用，通過對結晶器液位控制系統的分析，將模糊控制策略應用于該系統中，克服了常規PI控制系統響應慢、穩定性較差的缺點，取得了比較滿意的控制效果。
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