结晶器液位控制系统设计与实现

Abstract : A simple effective intelligent mould level control method is presented. It

consistes of a nonlinear controller , for sliding valve and its hydraulic actuator based on

model reduction and inner model control , a feed forward tundish weight controller and a

mould level predictive fuzzy controller. Its accuracy and reliability for practical use in

continuous casting process are demonstrated by satisfactory experimental and on- line

control performances .

Key wor ds : mould level ; intelligent control ; cascade control ; fuzzy predictive

control

Document code : A

摘要:提出了一种简单有效的结晶器液位智能控制控制方法,它包括一个基于模型降阶和内模控制的非线性滑动水口及其液压机构控制器、一个中间包重量前馈控制器和一个结晶器液位模糊预测控制器. 实验和现场使用表明,该方法能够准确可靠地应用于连铸过程控制之中.

关键词: 结晶器液位; 智能控制; 串级控制; 模糊预测控制

1 引言

结晶器液位控制是连铸过程控制的重要环节之一。它是通过液压伺服系统控制钢液从中间包流向结晶器的流量。结晶器中液位的波动不仅会影响铸坯质量，而且还可能导致浇铸过程中溢钢或漏钢事故。由于连铸过程对钢水质量要求高，连铸过程控制存在许多问题，如： 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；4）用于过程测量的传感器也常常受到高频噪声的影响。由于这些原因，传统的建模和控制方法难以实现令人满意的结晶器液位控制。最近，连续铸造过程中采用智能的控制方法，如预测控制和模糊控制。但没有一种控制方法可以得到令人满意的拉坯速度，也不能实现稳定的结晶器液位控制。根据我们以往的研究，本文将提出一种智能的液位控制方法。这种控制方法在中国九五项目的钢铁厂进行的两个试验和实时铸造工艺中得到令人满意的业绩报告。

2 梯级结晶器液位控制器设计

结晶器液位控制系统的结构如图1 。其中非线性控制器的4C目的在于弥补具有流动行为的非线性滑动阀的影响; 给料区控制器3C的目的是分散中间包液位波动的影响; 2C它是基于模型降阶和内模控制，可用于滑动阀及其液压执行器;和控制器1C组成结晶器液位控制的预测模糊控制，防止滋干扰拉坯速度和未建模动态。

2.1 非线性的阀流量控制器

良好的非线性阀流量控制器应考虑的几点：阀的几何条件、流动动态和高温钢液所造成的侵蚀。

抖动通常用于在实际层面上的控制，以补偿这些非线性所带来的影响。但是，这可能加快阀的磨损，缩短其寿命。因此，根据阀的结构特点及其行为，下面的非线性控制器专为它设计了一套解决办法

)(4xvgKCn ， (1)

在增益阀流量系统中将nK颠倒过来，即

ghccAnvcmK2 (2)

而g( xv)是用来补偿非线性几何阀门的，即将g( xv)反过来作用到函数

f（xv)以控制阀与阀之间的有效流通领域。通过基本的物理和几何知识就可以方便的获得函数f（xv），如

4)(22222)arcsin(2)(vvxqrxqvrrrxf (3)

2.2 中间包重量的前馈控制器

这使测量中间包重量更加容易。众所周知它关系到结晶器液位控制的传递函数)(sGt 。因此，下面的前馈控制器3C是用来消除其对结晶器液位控制的影响

0)()(3sWGsGWCtm。 (4)

2.3 滑动阀位控制器

在开环系统中，高阶系统包括滑动阀及其液压伺服系统。因此，控制器的设计如下减少一个模式进程。众所周知内模控制（执监委）的战略是在使用的基础上减少模型，以获取以下自整定PID控制器2C：

)(~)(~)(1)(~)()(sGsGsFsGsFcinvinvsG (5)

通常结晶器液位真正振荡是发生在高频区的，因此，它阻碍控制器调整运动的阀门。为了避免这些不利因素，在该控制器中用阀位输出代替错误的阀门位置的微分项。

然后将阀门驱动器设置的位置点（与结晶器液位直接有关）排除在微分项2C外，因此由控制输出衍生的进一步变化所造成的设定点是可以避免的。这又使得调节阀运动平滑。

2.4 结晶器液位的模糊预测控制器

模具水平控制器1C是将模糊控制方法和预测方法的设计相结合。模糊控制在这里发挥的主要作用，而水平预测的行为仅是一种加固模糊控制的行为。这种控制器是精心设计，该系统有效地抵制了过程测量中的干扰噪声和噪声所造成的拉坯速度变化以及未建模动态，并改进了鲁棒性和稳态行为。分割宇宙话语中的模糊控制是按照该钢铁厂实际进程要求确定的，以及模糊控制规则的基础是一种集加权规则的形式：如果错误是iE和速率是ejE，然后输出是ijU。

为调整模糊控制规则，将建立一个结晶器液位模糊预测模型

miinAiAiAmiiiinAiAiAyy121121],,,min[}],,,{min[ˆ

其中i是重量。在此模型中参数是由最小均方（ LMS ）战略确定的。最重要的是，这意味着控制规则的完善。之后去模糊化，得到模糊控制器输出u(k)的最后结果。 虽然有完善的规则，模糊控制器可能仍然不能令人满意，因为存在有色噪声。出于这一原因，设计了鲁棒预测控制器的，以巩固模糊控制器。在设计这一预测控制器时，介绍一个均衡CARIMA结晶器液位控制与有色噪声模型的过程，如下：

)()()()()()(111twdtuzBtyzAzC (6)

其中)(1zA , )(1zB和 )(1zC是多项式系数，11z这个阻抗代表结晶器集成的特点，y(t)和u(t-d)项分别是系统输出和控制信号，w(t)是有色噪声。

前面的预测水平输出和最优控制法是在改进模型的基础上得到的，根据显示定理得到下面的线性关系

00,{Ψ)Ψ(tξ(t)H(t)Ψ(t)Ψ(t) (7)

其中)()()(1twzCt，它代表存在有色噪声的结晶器液位控制系统。被定义为)()()(ttt 。这个也被称为是均衡有色噪声系统中白噪声的噪音。然后，过程模型（ 6 ）如下

/)()()()()(11tdtuzBtyzA, (8)

其中均衡输出和控制项为

)()()(tytHty, (9)

)()()(tutHtu. (10)

此外，动态过滤包含在成本函数以消除测量噪声带来的影响。然后在GPC控制方法中使用均衡模型，以获取CGPC来控制 uˆ。

这个过程相当于介绍以下成本函数

}][]ˆˆ[{1022)()(11pudnNdjNjjtjtfreejtzFzfforcjtfuryyEJ

(11)

通过降低成本的功能，得到了最优控制规律的均衡系统

][][ˆ1prGIGGudnFFTT。 (12)

最后，结合平衡方程（ 8 ）和（ 9 ） ，得到最佳的预测与控制法的初步结晶器液位控制系统

pHuGHyHy111ˆˆˆ

(13)

][][ˆˆ111prGIGGHuHudnFFTT (14)

结合这一预测控制信号uˆ和模糊控制器的输出u(k)得到最后的结晶器液位控制器1C，即

2010201010)(,0)( )1(,)(,0)( ,ˆ,)( ,0{)(eykyeykyukeykyeykyueykyku (15)

3 实验和工程实施

3.1 实验

在实验中，将梯级PID控制器和本文提出的控制方法[ 8 ]进行了比较。阶跃响应如图.2所示，其中性能1是新方法。从图.2中我们可以了解到，当使用PID控制器时，结晶器液位振荡剧烈和大级别的过渡发生。当使用新方法进行控制时，结晶器液位迅速到达设定点。在鲁棒控制系统也有明显改善，无振荡的发现。 3.2 工程实施

本文研究的是板坯曲面半径为3000mm的连铸机。正常的拉坯速度为1 〜 3 m/ min。结晶器的脚轮截面为150cm× 150cm，长度为30cm。结晶器的振荡频率f = 1.25 〜 6.7Hz，公差为±3mm。最大驱动力F= 200kN。根据实际进程的要求，结晶器液位的偏差应小于10mm，并没有急性波动。图.3所示的是在本文介绍的控制方法下的实际铸造性能曲线。很明显最大偏差在5mm左右，并且一级波动很小。

当拉坯速度发生变化或在中间转换时，目前使用的自动控制方法中不具有下列模具水平集点。在这种情况下，运营商通常将其切换到手动控制模式。这反过来又导致结晶器的液位波动剧烈。通过研究我们对这两个案例进行了处理，得到了一种新的控制方法。原来当拉坯速度增加，结晶器的液位下降，这使其迅速地返回到设置点。由于进程的惯性会使这一过程持续一段时间。但是没有发现有较大偏差产生。最大的偏差也小于10mm。在中间包也近乎发生同样的现象。为什么大型结晶器的液位并没有出现错误，这是因为在执行过程中被使用的新控制器中包括反积分挥臂战略，这是最重要要指出的。当绝对误差够大时，就不使用一体化的滑动阀门控制器。

4 结论

这种内循环阀位置自动整定PID控制器是在内模控制和模型降阶的基础上设计的。这使阀运动非常平滑且迅速。此外，前馈控制和非线性控制的作用分别是补偿中间包重量和阀的非线性。最总要的是，采用带有CGPC模式的模糊控制器增强了其控制器的作用，可以消除有色噪声的影响，主要是对拉坯速度的影响，这样就得到了令人满意的结晶器液位控制系统。因此，结晶器液位控制系统的鲁棒性和稳定性能有明显的改善。这种新的控制策略不仅可以用在正常情况下的铸造工艺，而且还可以用在启动和整理期的连续铸造。