CN101094738A - 在双辊薄带连铸机中熔钢液位的鲁棒控制法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一个为在双辊薄带连铸过程中让熔钢液位在铸模中保持恒定的鲁棒控制法。在双辊薄带连铸过程中，不管是使用被置于浇口盘(2)中使熔融液进入铸模的塞棒系统(3)，还是使用用于测量铸模中熔钢液位的照相系统，本发明的鲁棒控制法通过使用一个先行控制器和一个反馈控制器来控制熔钢液位，其中先行控制器是在铸造过程的初始阶段或出现扰动时控制熔钢液位的目标值，以使得目标液位符合熔钢液位控制系统的性能特征，反馈控制器是在正常铸造的条件下使熔钢液位保持恒定。

Description

在双辊薄带连铸机中熔钢液位的鲁棒控制法

技术领域

本发明涉及一种在双辊薄带连铸过程中使铸模中的熔钢液位保持恒定的方法。

背景技术

图1用示意图表示了双辊薄带连铸过程。钢包1中的熔钢通过滑动水口被注入浇口盘2，然后再通过塞棒系统3和浸入式水口4被注入铸模中，其中铸模包括压延辊6和边挡板7。注入铸模的熔钢液位可用照相机5来测量。注入的熔钢通过水冷的压延辊6来冷却并且通过辊隙形成钢带8。随后通过张拉辊和辊轧机围绕卷取机11缠绕起来。

这样，用于在双辊薄带铸造过程中把熔钢注入铸模的系统包括一个塞棒和一个浸入式水口。并且，使用照相机的图像处理法是为了测量熔钢液位而被作为一个系统使用。为了确保稳定的铸造条件，在双辊薄带连铸过程中对铸模中熔钢液位的精确控制是必不可少的。如果在双辊薄带连铸过程中熔钢液位有所变化，熔钢与水冷压延辊的接触时间就会有所变化，这样就会降低即将被生产的钢带的质量。并且即使是熔钢液位的单一故障也可能破坏昂贵的压延辊和其他部件，因此必须确保熔钢液位的可靠控制。

关于铸模中熔钢液位的控制方法已经进行了许多研究。例如，在申请号为10-2000-80776和10-1996-57612的韩国专利和申请号为2001-69265、1999-141926、1996-167075和1996-110550的日本专利中提到的几种方法。

在上述公开的论文中(控制技术实践，6(1998)，191-196)，塞棒和浸入式水口的流量系数的快速变化和熔钢注入时间的延迟被视为在铸模中熔钢液位稳定控制的障碍，并且关于它们已经进行了许多的研究。

为了克服上述障碍，(JP-1999-141926)专利中提到了一种方法，即在铸造过程的起始阶段和中间阶段使用性能不同的成比例/整体/有差异的控制器，并且(US-1998-034239)专利中已经提出了一种方法，在该方法中，当使用塞棒和浸入式水口不可能控制熔钢液位时可通过改变压延辊的旋转速度来控制熔钢液位。

然而，在铸造过程的初始阶段会出现过冲量。由于扰动，在铸造过程的中间阶段也可能出现过冲量。并且，过多的过冲量可能会毁坏弯月形遮护板或压延辊并且降低产品的质量和铸造的稳定性。过冲量的主要起因是变化的，可能是熔钢注入硬件，耐火材料加工错误，没有对塞棒高度进行零位调整，浇口盘中熔钢液位的变化和钢带生产速度的变化。

尤其是由下列公式(1)表达的塞棒的流量系数在铸造过程中是变化的，因此为了对由于流量系数变化而导致的扰动做出准备，有效地控制熔钢液位是非常重要的。

塞棒的流量系数＝每小时钢带的生产数量/通过塞棒出口注入熔钢的最大数量                                      ----------(1)

然而，为了控制熔钢液位而主要使用的控制器是PID(成比例/整体/有差异的)控制器，该控制器由于具有结构简单和容易调节的优点而被广泛使用，但是它有一个缺点，即它很难对周围环境的变化和突发事件做出响应。并且，还存在一个问题，即很难把该控制器应用到需要高修复费用的装置上。

同时，鲁棒控制器能够轻松地对周围环境的变化和突发事件做出响应。然而，因为是开发的初始阶段，所以需要各种数学模型和评价标准。并且，在炼钢或者连续铸造领域也没有应用的先例。

在双辊薄带连铸器中，因为熔钢即使仅仅溢流一次，连铸器的部件也会被损坏，所以需要一次也不允许熔钢溢流的鲁棒控制器。

发明内容

本发明将要解决的技术任务

本发明是针对出现在现有技术中的上述问题而开发的，并且它的目的就是提供一个鲁棒控制器，该鲁棒控制器能解决PID控制器的缺点并且一次也不允许失败，因此很容易被应用在钢铁生产过程中。

技术解决方案

为了达到上述目的，本发明提供了一种在双辊薄带连铸过程中的熔钢液位的鲁棒控制法，其中在双辊薄带连铸过程中既使用被置于浇口盘中使熔融液进入铸模的塞棒系统，又使用测量铸模中熔钢液位的照相系统。该鲁棒控制方法包括：通过使用先行控制器和反馈控制器来控制熔钢液位，其中先行控制器在铸造过程的初始阶段或出现扰动时控制熔钢液位的目标值，以致使目标液位符合熔钢液位控制系统的性能特征，反馈控制器在正常铸造的条件下使熔钢液位保持恒定。

在本发明中，在双辊薄带连铸过程中使用的塞棒和浸入式水口的流量系数、熔钢注入时间的延迟和钢带生产的速度从存储的铸造数据中获得，并且据此可以确定它们的变化范围。随后，在已确定的变化范围内，由双辊薄带铸造机的熔钢液位控制系统控制的熔钢液位的目标值被设定。设计鲁棒控制器是为了使熔钢液位能够满足在双辊薄带连铸过程中所需的技术条件，而不管导致塞棒和浸入式水口的流量系数快速变化的出口的关闭/打开事件，这样就实现了熔钢液位的目标值。并且，由鲁棒控制器控制熔钢液位可使得熔钢液位在铸造过程的初始阶段尽可能快的达到目标值，而不管最小限度的过冲量。

根据上述的设计，鲁棒控制器的操作如下。

在铸造过程的初始阶段，由以下几个步骤执行鲁棒控制器的操作：提升塞棒铁芯；启动先行控制器；应用先行控制器直到熔钢液位达到正常值；当熔钢液位达到正常值时运用反馈控制器；并且维持在正常控制状态。

并且，在出现扰动的情况下，由以下几个步骤执行鲁棒控制器的操作：检测扰动；启动先行控制器；当熔钢液位达到正常值时启动反馈控制器；维持在正常控制状态。

有利的效果

在本发明中，从执行双辊薄带铸造的过程中获得的经验基础上，可以确定塞棒和浸入式水口的流量系数、熔钢注入的时间延迟和钢带生产的速度的变化范围。此后，在熔钢液位控制过程中所需的详细技术条件在预设的参数变化范围内被确定。因此本发明有下列优势。

在本发明的双辊薄带铸造过程中，在铸造过程的初始阶段使熔钢液位达到目标值之前需要的时间在8秒至26秒之间的范围。此时，过冲量被控制致使最大过冲量不超过目标值的1％。

在铸造过程的中间阶段，即使塞棒系统的流量系数从0.4变化到0.8或者浸入式水口的流量系数从0.45变化到0.85，熔钢液位被控制致使其变化在目标值的3％之内。

当用于把熔钢注入铸模的塞棒系统3和浸入式水口4的注入时间延迟在0.5秒至0.7秒之间变化时，在铸造过程的初始阶段熔钢液位达到目标值所需的时间在8秒至26秒之间变化，并且最大过冲量不超过目标值的1％。

即使塞棒系统3的流量系数突然从0.4变到0.8或者浸入式水口的流量系数突然从0.45变到0.85，以致轻微关闭的出口被正常地打开，熔钢液位也可以被控制致使其在目标值的3％之内。

因此，假如熔钢液位的控制满足在本发明中的需要，就能保证铸造过程的稳定性和产品的高质量，并且也可以避免导致高费用事件的发生。

附图说明

图1是一张示意图，表示了双辊薄带铸造过程；

图2是一张流程图，表示了本发明的控制系统；

图3是一张示意图，表示了根据本发明在双辊薄带铸造过程中的鲁棒熔钢液位控制法；

图4是分布曲线图，表示了根据本发明在双辊薄带铸造过程中使用的塞棒和浸入式水口的流量系数分布情况；

图5是曲线图，表示了根据本发明在双辊薄带铸造过程的初始阶段执行鲁棒熔钢液位控制的先行控制器的响应特性；

图6是数据图表，表示了根据本发明在双辊薄带铸造过程中出现过冲量的初始阶段鲁棒熔钢液位控制试验的结果；

图7是数据图表，表示了根据本发明在双辊薄带铸造过程中当出现扰动时熔钢液位的响应特征。

具体实施的最佳方式

在下文中，本发明的鲁棒控制器的设计将参照附图加以详细地描述。

图2是一张流程图，表示了本发明的控制系统。

在图1表示的过程中，熔钢液位的目标值被输入先行控制器，反馈控制器接收到关于熔钢液位的反馈并且给塞棒发送一个输出信号，以致通过浸入式水口注入铸模的熔钢的数量被调整，因此控制了铸模中的熔钢液位。由P特指的那一部分表示一个描绘包括塞棒、浸入式水口和铸模硬件的公式模型。鉴于鲁棒控制器，为了开发该系统，该模型可由重要参数的范围来表示。由F特指的先行控制器是软件，设置该软件使得在铸造过程的初始阶段使熔钢液位达到目标值。K代表反馈控制器，它向硬件传递控制信号，使熔钢液位被维持在理想的数值上。

图3是一张放大图，表示了把熔钢注入双辊薄带铸造机中的过程。

塞棒系统3包括一个驱动塞棒上下运动的塞棒电机驱动系统12、塞棒杆13和调节浇口盘中塞棒出口的截面面积A_s的塞棒铁芯14。通过下列公式可以看出，通过塞棒出口注入浸入式水口4中的熔钢的流量Q_s既和浇口盘中的熔钢液位(17，H_T)有关，又和塞棒的水平高度(18，u)有关，并且通过浸入式水口4的出口注入铸模的熔钢的流量Q_i既和浸入式水口中的熔钢液位(24，H_i)有关，又和浸入式水口出口的截面积A_i有关。

$Q_s=C_s\·\sqrt{2g{h}_T}\·A_s\left(u\right)---\left(2\right)$

$Q_i=C_i\·\sqrt{2g{h}_i}\·A_i\left(u\right)---\left(3\right)$

这里的C_s和C_i分别代表塞棒和浸入式水口的流量系数，g代表重力加速度。从500次的双辊薄带铸造试验中，C_s和C_i可由图4的分布图来表示。流量系数被定义为(每小时钢带的生产数量)/(每小时通过塞棒或浸入式水口出口注入熔钢的最大量)。

并且，注入浸入式水口4中的熔钢的总量V_i与液位(24，h_i)和注入铸模中的熔钢的总量(V_m，h_m)与液位(21，h_m)可以由下列公式(4)和公式(5)来表达。

$\frac{{\mathrm{dV}}_i}{{\mathrm{dh}}_i}=f_i\left(h_i\right)=2L_i\left(D_i\frac{h_i}{\tan {\mathrm{\θ}}_o}\right),h_i>0---\left(4\right)$

$\frac{{\mathrm{dV}}_m}{d{h}_m}=f_m\left(h_m\right)=L_R(2R-2\sqrt{R^2-h_m^2}+r_g)-2L_o(D_o+\frac{h_m-H_o}{\tan {\mathrm{\θ}}_o}),h_m>H_o---\left(5\right)$

这里的L_i和D_i代表浸入式水口下端的内部长度和内径25，L_o和D_o代表浸入式水口下端的外部长度和外部宽度26，L_R和R代表每个压延辊的长度和半径22，r_g代表辊距20，θ₀代表浸入式水口轮廓弯曲的角度，H₀代表自压延辊辊距算起的浸入式水口的安装高度27。

在该系统中，在时间t的范围内控制铸模内熔钢液位21的动力学可由下列公式(6)和公式(7)来表达。

$\frac{{\mathrm{dV}}_i}{\mathrm{dt}}=Q_s(t-T_s)-Q_i\left(t\right)---\left(6\right)$

$\frac{{\mathrm{dV}}_m}{\mathrm{dt}}=Q_i(t-\mathrm{Ti})-Q_o\left(t\right)---\left(7\right)$

Q₀代表通过辊隙形成的钢带的生产速度，T_s和T_i分别代表把熔钢从塞棒的出口注入到浸入式水口中所需要的时间延迟和把熔钢从浸入式水口注入到铸模所需的时间延迟。测定每一个时间延迟是困难的，但是从当铸造被中断时塞棒开始关闭的时间与铸模中熔钢液位降低的时间之差中，可以计算出两个时间延迟的总和Td。这样，时间延迟的总和能够从存储的铸造数据中获得。此外，Q₀的变化范围也能够从存储铸造数据中获得。

因此，把塞棒的高度18作为输入量，控制铸模中熔钢液位21的控制模型由下列公式表达。

$\frac{{\mathrm{dV}}_i}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{dV}}_i}{d{h}_i}\·\frac{{\mathrm{dh}}_i}{\mathrm{dt}}\⇒\frac{d{h}_i}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{dh}}_i}{{\mathrm{dV}}_i}\·(Q_s(t-T_s)-Q_i\left(t\right))=\frac{1}{f_i}\·(C_s\sqrt{2g{h}_T}{A}_s\left(u(t-T_s)\right)-C_i\sqrt{2{\mathrm{gh}}_i{A}_i})$

$\frac{{\mathrm{dV}}_m}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{dV}}_m}{{\mathrm{dh}}_m}\·\frac{{\mathrm{dh}}_m}{\mathrm{dt}}\⇒\frac{{\mathrm{dh}}_m}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{dh}}_m}{{\mathrm{dV}}_m}\·(Q_i(t-T_i)-Q_o\left(t\right))=\frac{1}{f_m}\·(C_i\sqrt{2{\mathrm{gh}}_i}{A}_i-L_R\·r_R\left(t\right)\·v_r\left(t\right))$

当该公式变成线性模型并且经过拉普拉斯变换时，它可以由下列公式来表达。应用在公式中的参数具有变化范围，变化范围在下面的表1中给出。

$P_R\left(s\right)=\frac{Y\left(s\right)}{R\left(s\right)}=\frac{{\mathrm{\κ}}_S\·{\mathrm{\κ}}_m}{\left({s+\mathrm{\κ}}_i\right)(s+{\mathrm{\κ}}_o)}\frac{15.29s+21.7}{s^3+8.5s^2+23.78s+21.7}{e}^{-T_{o}s}---\left(8\right)$

Y(s)代表铸模中熔钢液位实测值h_m的拉普拉斯算子，R(s)代表塞棒高度指令值的拉普拉斯算子。该公式右边的第一个多项式是从上述的公式中获得的。第二个多项式是由线性模拟塞棒的高度指令值R(s)和塞棒高度实测值U(s)获得的。因为表示塞棒高度的动力学比用公式右边第一个多项式表达的铸模中熔钢液位的动力学反应地更快，所以为了从动力学中排出不确定因素，表示塞棒高度的动力学是由已知恒定的参数来确定。

表1

参数	平均值	变化范同
			κd	0.33(1/sec2)	0.21～0.44
κi	0.44(1/sec)	0.35～0.52
			κo	0.023(1/sec)	0.019～0.026
Td	0.6(sec)	0.5～0.7

在这个表中，考虑到熔钢液位从410mm变化到450mm、浇口盘中的熔钢液位从375mm变化到425mm、浸入式水口中的熔钢液位从26mm变化到54mm、在辊隙中钢带的生产速度从0.0047变化到0.0116(平方米/秒)、塞棒的流量系数从0.41变化到0.85和浸入式水口的流量系数从0.42变化到0.92时，参数的变化范围如表中所示。

在上述的控制模型的控制器中所需要的性能标准可由下面三个频域性能评价标准来表示。

1.稳定性评价标准：

$\left|\frac{P\left(\mathrm{j\ω}\right)G\left(\mathrm{j\ω}\right)}{1+P\left(\mathrm{j\ω}\right)G\left(\mathrm{j\ω}\right)}\right|\≤1.8,\mathrm{forallP}\∈P_R,\mathrm{\ω}\∈\left[\mathrm{0.1,20}\right]---\left(9\right)$

2.扰动评价标准：

$\left|\frac{P\left(\mathrm{j\ω}\right)}{1+P\left(\mathrm{j\ω}\right)G\left(\mathrm{j\ω}\right)}\right|\≤1.03,\mathrm{forallP}\∈P_R,\mathrm{\ω}\∈\left[\mathrm{0.1,20}\right]---\left(10\right)$

在图2所示的输出量Y(s)和输入量D(s)中传递函数的大小是由公式(10)的左边来表示。

3.起始反应评价标准：

$\left|T_L\left(\mathrm{j\ω}\right)\right|\≤\left|\frac{P\left(\mathrm{j\ω}\right)G\left(\mathrm{j\ω}\right)}{1+P\left(\mathrm{j\ω}\right)G\left(\mathrm{j\ω}\right)}\right|\≤\left|T_U\left(\mathrm{j\ω}\right)\right|,\mathrm{forallP}\∈P_R,\mathrm{\ω}\≥0---\left(11\right)$

在图2所示的输出量Y(s)和输入量R(s)中传递函数的大小是由公式(10)的左边来表示。T_L和T_u的频域和时域响应特征如图5所示。

$T_L\left(\mathrm{jw}\right)=\frac{0.0225}{(s+1)(10s+1)(s^2+0.2036s+1)},---\left(12\right)$

$T_U\left(\mathrm{jw}\right)=\frac{(\frac{s}{0.18}+1)}{(\frac{s}{0.4}+1)(\frac{s}{0.3}+1)(\frac{s}{0.2}+1)}---\left(13\right)$

满足上述评价标准的鲁棒控制器包括下列先行控制器和反馈控制器。

先行控制器：

$F\left(s\right)=\frac{1}{(\frac{s}{0.5}+1)}\frac{0.48}{s^2+1.224s+0.1296}---\left(14\right)$

反馈控制器：

$G\left(s\right)=\frac{0.016(\frac{s}{0.02}+1)(\frac{s}{0.4}+1)}{s(\frac{s}{2}+1)(\frac{s}{9}+1)(\frac{s}{100}+1)}---\left(15\right)$

如上所述，本发明用来在双辊薄带铸造过程中使熔钢液位保持恒定。鲁棒控制器的性能标准被设定为，使其不受下列阻碍熔钢液位恒定的因素的影响，如：塞棒和浸入式水口易变的流量系数、变化的钢带的生产速度和熔钢注入时间延迟的影响，因而塞棒的高度由鲁棒控制器来控制。

在本发明中，用来在双辊薄带铸造过程中使熔钢液位保持恒定的模拟信号处理先行控制器和反馈控制器的可以用数字信号处理控制器来代替。因此它们可用于具有实时操作系统的计算机系统，其中实时操作系统可以精确地实现使用者的应用程序的时间同步。

如图6中所示的在双辊薄带铸造过程中鲁棒控制熔钢液位的测试结果，可以确定的是，铸模中的熔钢液位在铸造过程的初始阶段被控制为，以致需要花8到26秒的时间使熔钢液位升到目标值，并且过冲量不超过目标值的1％。

并且，如图7中所示的在双辊薄带铸造过程中鲁棒控制熔钢液位的测试结果，可以确定的是，当出现扰动时，过冲量不超过目标值的3％并且熔钢液位会立刻回到正常值。

Claims (6)

1.一种既使用塞棒系统又使用照相系统的在双辊薄带连铸过程中熔钢液位的鲁棒控制法，该塞棒系统被置于浇口盘中使熔融液进入铸模，该照相系统测量铸模中熔钢液位，该方法包括：通过使用先行控制器和反馈控制器来控制熔钢液位，其中先行控制器在铸造过程的初始阶段或出现扰动时控制熔钢液位的目标值，以致使目标液位符合熔钢液位控制系统的性能特征，反馈控制器在正常铸造的条件下使熔钢液位保持恒定。

2.如权利要求1所述的在双辊薄带连铸过程中熔钢液位的鲁棒控制法，其中设计先行控制器和反馈控制器的过程包括以下步骤：从存储的铸造数据中获得用在双辊薄带铸造过程中的塞棒和浸入式水口的流量系数、熔钢注入时间延迟和钢带生产速度，并且确定它们的变化范围；在确定的变化范围内设置由双辊薄带铸造机的熔钢液位控制系统来控制的熔钢液位的目标值；以及设计鲁棒控制器使得熔钢液位满足在双辊薄带铸造过程中所需的技术条件，而不管导致塞棒和浸入式水口的流量系数快速变化的出口关闭/打开事件，这样就实现了熔钢液位的目标值。

3.如权利要求1所述的在双辊薄带连铸过程中熔钢液位的鲁棒控制法，其中先行控制器和反馈控制器的应用包括以下步骤：在铸造过程的初始阶段或出现扰动时启动先行控制器；运用先行控制器直到熔钢液位达到正常值；以及当熔钢液位达到正常值时运用反馈控制器。

4.如权利要求1至3的任何一条所述的在双辊薄带连铸过程中熔钢液位的鲁棒控制法，其中先行控制器被设置为，以致在铸造过程的初始阶段熔钢液位达到目标值以前需要8秒至26秒的时间，并且出现在初始阶段的最大过冲量在目标值的1％之内。

5.如权利要求1至3的任何一条所述的在双辊薄带连铸过程中熔钢液位的鲁棒控制法，其中反馈控制器被设置为，以致当塞棒系统的流量系数突然从0.4变到0.8或者浸入式水口的流量系数突然从0.45变到0.85，从而已经轻微关闭的出口变为正常地打开时，熔钢液位在目标值的3％之内。

6.如权利要求1至3的任何一条所述的在双辊薄带连铸过程中熔钢液位的鲁棒控制法，其中反馈控制器被设置为，即使通过塞棒系统和浸入式水口把熔钢注入铸模所需的时间被延迟0.5秒至0.7秒，在铸造过程的初始阶段的最大过冲量也在目标值的1％之内，并且即使塞棒或浸入式水口的流量系数突然从0.4变化到0.8或从0.45变化到0.85，熔钢液位也在目标值的3％之内。

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