CN101596582A - 一种基于Fuzzy-PID的连铸结晶器液位控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于Fuzzy－PID的连铸结晶器液位控制方法属于连铸生产技术领域。本发明提供一种利用模糊控制对自调整参数PID控制中的参数进行在线修正的连铸结晶器液位控制方法。该控制方法在计算机和PLC的控制下，使用自整定参数PID控制和模糊控制混合控制结晶器液位，并加入了流量偏差补偿模块等；其控制过程的具体步骤如下：设定初始液位y₀，通过液位传感器、液位测量装置采集液位y₁和y₂；将采集的数据y₁和y₂输入到PLC中，采用自整定参数PID控制和模糊控制混合控制处理信号，并通过补偿模块进行补偿；PLC的输出为u(k)＝u₁(k)，PLC通过塞棒控制器控制塞棒的位置，从而控制结晶器液位。

Description

一种基于Fuzzy-PID的连铸结晶器液位控制方法

技术领域：

本发明属于连铸生产技术领域，特别涉及一种基于Fuzzy-PID的连铸结晶器液位控制方法。

背景技术：

随着钢铁行业技术的进步，市场对钢材产品质量的要求不断提高，连铸作为钢铁生产流程中承上启下的重要环节，直接影响钢材产品质量。连铸结晶器内钢水液位的变化对铸坯质量有重要影响，稳定结晶器内钢水液位对提高铸坯质量和改善浇铸效果意义重大。连铸过程中，结晶器内钢水液位高度应保持在合适范围内，若钢水液位提高，相当于提高了浇铸水口浸入深度，使结晶器传热负荷增大，影响铸坯凝固进程，液位提高还使钢水静压力变大，增加了对铸坯内液芯的压力，易引起鼓肚现象，影响铸坯质量，液位过高甚至会引起溢钢事故。若钢水液位下降，相当于浇铸水口浸入深度降低，易造成卷渣，也不利于钢水中夹杂物上浮，无法保证钢水的洁净，过低的液位还易导致漏钢事故。稳定结晶器内钢水液位对减少铸坯夹渣和夹杂、改善结晶器润滑条件、维持稳定的钢水凝固条件、改善铸坯质量、降低漏钢率和溢流危险及提高连铸机作业率等均有重要作用。

连铸过程中结晶器内各种行为互相交织，相互影响，一系列无法测量的扰动因素的存在也为结晶器内钢水液位的控制带来了诸多困难，这些因素主要为：(1)拉速的波动；(2)中间包出口内钢水不规则流动；(3)结晶器内钢水紊流；(4)结晶器内熔池扰动；(5)钢种；(6)结晶器振动等。目前基于对上述因素的分析，并结合相应的方法和装置，已有相关技术被开发并应用于结晶器液位的控制。例如，申请号为02266583.8的中国发明专利“结晶器液位检测装置”，即在结晶器周围安置一组线圈，通过连接该线圈与交流电源，设计出一种可达到较高检测精度的结晶器液位检测装置；申请号为92216303.0的中国发明专利“测量金属液位用超声波线阵探头”和申请号为200620096044.X的中国发明专利“嵌入式结晶器液位检测系统”也均提出了相应的结晶器液位检测装置，上述相关专利主要解决了结晶器液位检测装置及检测精度的问题，缺乏对结晶器液位控制方法的研究和开发。现有的结晶器液位控制方法，如“炼钢”中的文章“基于Fuzzy-PID的连铸结晶器液位控制新方法”中记载的控制方法，尽管考虑了电机系统、塞棒特性等对液位的影响，一定程度上解决了传统控制方法控制参数调节的问题，但仍缺乏对实际浇铸工艺过程中流量偏差的考虑，从而导致控制效果和精度不够稳定。

通常结晶器液位控制采用的主要方法为PID控制和模糊控制，具体包括模糊控制器直接控制、改进的PID控制及PID控制器与模糊控制器相互切换控制等方法。模糊控制器直接控制解决了系统暂态特性不好的问题，但模糊控制器难以保证系统同时具有良好的稳态特性，此方法很难应用于实践。改进的PID控制方法，特别是调整PID参数法能够解决系统非稳态和模型不确定等问题，但在非稳态浇铸时，系统超调量和调节时间难于精确控制。PID控制器与模糊控制器相互切换的控制方法在理论上综合利用了PID控制器良好的稳态性能和模糊控制器较好的暂态性能，但在实际生产过程中系统的不确定性使得PID控制器很难适应，且PID控制器和模糊控制器切换过程中带来的扰动冲击也相应增大了系统的干扰，容易引起超调现象频繁发生。

发明内容：

本发明就是针对现有浇铸过程中较大钢水液位波动幅度对浇铸带来的不利，提供一种基于Fuzzy-PID的连铸结晶器液位控制方法，即基于模糊(Fuzzy)控制与自调整参数PID控制并行控制，利用模糊控制对自调整参数PID控制中的参数进行在线修正的连铸结晶器液位控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种基于Fuzzy-PID的连铸结晶器液位控制方法，该控制方法在计算机和PLC的控制下，使用自整定参数PID控制和模糊控制混合控制结晶器液位，并加入了塞棒结瘤与结瘤脱落补偿模块、流量偏差补偿模块、机械死区补偿模块及铸坯鼓肚补偿模块；其控制过程的具体步骤如下：

步骤一：数据的采集

设定初始液位y₀，通过液位传感器、液位测量装置采集液位y₁和y₂，其中，y₁、y₂为不同时间的液位；

步骤二：信号的输入及处理

将采集的数据y₁和y₂输入到PLC中，采用自整定参数PID控制和模糊控制混合控制处理信号，利用模糊控制对自调整参数PID控制中的参数进行在线修正；并通过塞棒结瘤与结瘤脱落补偿模块、流量偏差补偿模块、机械死区补偿模块及铸坯鼓肚补偿模块进行塞棒结瘤与结瘤脱落补偿、流量偏差补偿、机械死区补偿及铸坯鼓肚补偿；

步骤三：信号的输出

PLC的输出为u(k)＝u₁(k)，PLC通过塞棒控制器控制塞棒的位置，从而控制结晶器液位，式中u(k)为最终输出的系统控制信号，u₁(k)为PID控制器的输出。

步骤二中所述的采用自整定参数PID控制和模糊控制混合控制处理信号的具体实现过程如下：

(1)通过公式e₁＝y₀-y₁和L＝(y₂-y₁)/(t₂-t₁)计算液位偏差e₁和液位偏差变化率L，其中t₂、t₁表示采集液位数据时对应的时间，用自整定参数PID控制检测液位偏差e₁和液位偏差变化率L；

(2)通过模糊控制器的输出(K_P，K_i)＝Fuzzy(e₁，L)对自整定参数PID控制器的输出 $u_1\left(k\right)=K_P\×e\left(k\right)+K_i\stackrel{k}{\mathrm{\Σ}}e\left(j\right)$ 中的K_P、K_i进行在线修正，当控制系统在液位标准设定值范围内时，模糊控制器输出为零，此时仅有自整定参数PID控制模块工作，从而实现混合控制；其中K_P为影响系统响应速度和精度的比例系数；K_i为影响系统稳态精度的积分作用系数；e为检测信号；i、k和j为序列号。

本发明的控制过程中，塞棒结瘤与结瘤脱落、流量偏差、机械死区及铸坯鼓肚补偿模块具体原理如下：

1、塞棒流量特性

(1)静态流量特性

$Q_{\mathrm{in}}=C_d\sqrt{2g{H}_{\mathrm{tum}}}\left(k_{s}h\right)$

式中，Q_in为结晶器流入钢水量；C_d为流量比例系数；g为重力加速度；h为塞棒位置(开度)；H_tum为中间包液位高度；K_s为水口有效流通面积与塞棒开度的线性关系系数。

(2)动态流量特性

塞棒位置与钢水流入量间动态特性主要为延迟特性，该特性由水口流量传输引起，采用一阶惯性环节近似为：

$Q_{\mathrm{in}}=\frac{K_Q}{1+\mathrm{Ts}}[h\left(s\right)-d\left(s\right)]$

式中：s为时间；d为扰动；K_Q为流量比例系数；T为滑动水口等效时间常数。

(3)时变特性

时变过程难于建模，因为它与钢水成分、温度、节流口几何形状等多种因素相关，本发明将堵塞和开堵等效为塞棒位置扰动，即：

x_d＝A_cremain(t，T_c)

式中，函数remain为时间t除以Tc的余数，扰动信号幅值Ac和周期Tc可通过现场数据分析得到，x_d为塞棒位置扰动。

2、钢液流入与流出流量特性

考虑到塞棒执行机构的延迟性，在实际控制过程中系统中存在非零时间常数，即结晶器内流入和流出量处于一种动态平衡状态下，为消除塞棒延迟性的影响，控制系统设置了流量偏差补偿环节，其控制函数为：

$h\left(t\right)=h\left(0\right)+\frac{{\∫}_0^{t}q\left(t\right)\mathrm{dt}}{A}$

式中，h(t)为结晶器液位，h(0)为初始时刻设定的原始液位，A为结晶器断面尺寸，q(t)为结晶器瞬态净流量，表示为：

q(t)＝q_out(t)-q_in(t)

q_out(t)＝Av(t)

$q_{\mathrm{in}}\left(t\right)=k\sqrt{a\left(t\right)h_{\mathrm{tundish}}\left(t\right)}$

式中，q_out(t)为结晶器流出流量，q_in(t)为结晶器流入流量，v(t)为拉速，k为塞棒流量增益，a(t)为塞棒开度，h_tundish(t)为中间包液位，表明可消除中间包液位波动对结晶器液位波动的影响。

3、机械死区补偿

由于机械传动机构存在间隙和摩擦，无论如何调节，都会存在空程，即存在调节不灵敏区——死区，使塞棒位置调节无法调节准确，甚至导致系统出现自激振荡而无法工作。死区特性如图3所示，为补偿该环节，控制系统加入饱和特性，函数表达式为：

$N\left(V\right)=\left\{\begin{array}{cc}K\&times;b_1& V<b_1\\ K\&times;V& b_1\&le;V\&le;b_r\\ K\&times;b_r& V>b_r\end{array}\right.$

式中，K为传动的比例系数；V为调节位置的给定信号；b₁和b_r为控制系统动作临界点，N(V)为死区环节模型函数。

4、鼓肚量化

铸坯鼓肚程度与现场浇铸条件有关，铸坯鼓肚可引起液位周期性波动，且拉速与波动周期乘积为常数。本发明将鼓肚量化为正弦波，表示为：

y＝Asin(ωt+b)

式中，A为由鼓肚引起的液位波动幅度；ω为液位波动角频率；b为液位波动相位角，y为鼓肚量。

本发明的控制系统采用等级单位描述液位偏差，将液位模糊观测量、液位变化率模糊观测量、模糊控制量和比例系数和积分系数的输出均分为：正大、正小、零、负小和负大5个模糊集合。

本发明的有益效果：

1.本发明的控制方法具有响应速度快、控制精度高和超调量小等特点，即使在浇铸过程中外界突然加入扰动的情况下也能保证将系统超调量控制在±5mm范围内，同时保证在短时间内将钢水液位控制在±3mm范围内；

2.本发明的控制方法综合考虑了对结晶器液位有重要影响的拉速、钢水紊流和扰动和结晶器振动等因素，解决了更换中间包、更换水口和钢种等非稳态情况下液位波动较大的问题；

3.本发明的控制方法结合连铸实际，加入塞棒结瘤与结瘤脱落、钢液流入和流出的流量差、机械死区和铸坯鼓肚等补偿模块，基于PID参数对系统的影响规律和现场生产经验，编制合理的隶属函数和控制规则，设计出适宜的PID参数调整模块和模糊控制器，能很好的抑制随机扰动，保证控制系统稳定运行。

附图说明：

图1为本发明的控制系统的设备结构示意图；

图2为本发明的控制系统的程序流程图；

图3为传动机构机械死区原理图；

图4为观测量和控制量的隶属函数图，其中，

(a)为液位观测量隶属度函数；

(b)为液位变化率观测量隶属度函数；

(c)为控制量P隶属函数；

(d)为控制量I隶属函数；

图5为本发明的控制系统的原理图；

图6为液位状况的仿真结果图；

图7为系统实际应用的效果图。

图1中，1-PLC，2-现场控制箱，3-液位测量装置，4-塞棒控制器，5-电机传动位置传感器，6-伺服电机，7-连接机构，8-手动操作手柄，9-塞棒，10-中间包，11-液位传感器，12-水口。

具体实施方式：

如图1所示，本发明的控制方法所采用的设备包括PLC1，PLC1分别通过液位测量装置3和塞棒控制器4与液位传感器11和电机传动位置传感器5相连接，从而获得实时的液位信号和电机传动位置信号；塞棒9通过连接机构7与伺服电机6相连接，塞棒9位置由伺服电机6控制；浸入式水口12开度在塞棒9控制下调节钢水流量以稳定液位。

本发明的控制方法在计算机和PLC的控制下，使用自整定参数PID控制和模糊控制混合控制结晶器液位，并加入了塞棒结瘤与结瘤脱落补偿模块、流量偏差补偿模块、机械死区补偿模块及铸坯鼓肚补偿模块；如图2所示，其控制过程的具体步骤如下：

步骤一：数据的采集

设定初始液位y₀，通过液位传感器、液位测量装置采集液位y₁和y₂，其中，y₁、y₂为不同时间的液位；

步骤二：信号的输入及处理

将采集的数据y₁和y₂输入到PLC中，采用自整定参数PID控制和模糊控制混合控制处理信号，利用模糊控制对自调整参数PID控制中的参数进行在线修正；并通过塞棒结瘤与结瘤脱落补偿模块、流量偏差补偿模块、机械死区补偿模块及铸坯鼓肚补偿模块进行塞棒结瘤与结瘤脱落补偿、流量偏差补偿、机械死区补偿及铸坯鼓肚补偿；

步骤三：信号的输出

PLC的输出为u(k)＝u₁(k)，PLC通过塞棒控制器控制塞棒的位置，从而控制结晶器液位，式中u(k)为最终输出的系统控制信号，u₁(k)为PID控制器的输出。

步骤二中所述的采用自整定参数PID控制和模糊控制混合控制处理信号的具体实现过程如下：

(1)通过公式e₁＝y₀-y₁和L＝(y₂-y₁)/(t₂-t₁)计算液位偏差e₁和液位偏差变化率L，其中t₂、t₁表示采集液位数据时对应的时间，用自整定参数PID控制检测液位偏差e₁和液位偏差变化率L；

(2)通过模糊控制器的输出(K_P，K_i)＝Fuzzy(e₁，L)对自整定参数PID控制器的输出 $u_1\left(k\right)=K_P\&times;e\left(k\right)+K_i\stackrel{k}{\mathrm{\&Sigma;}}e\left(j\right)$ 中的K_P、K_i进行在线修正，当控制系统在液位标准设定值范围内时，模糊控制器输出为零，此时仅有自整定参数PID控制模块工作，从而实现混合控制；其中K_P为影响系统响应速度和精度的比例系数；K_i为影响系统稳态精度的积分作用系数；e为检测信号；i、k和j为序列号。

自整定参数PID控制器以常规PID为基础，以液位偏差、液位偏差变化率作为输入，采用模糊控制器对PID参数进行在线修正，以满足不同情况对控制器参数的要求，而使整个系统具有良好的静态性能和动态性能。自整定参数PID控制器主要用于补偿因水口结瘤及结瘤脱落导致的水口模型变化，利用自整定参数法使PID控制参数实时跟踪液位，保证系统性能和误差稳定。

模糊控制器以液位偏差为输入，通过模糊推理输出补偿信号来抑制系统超调量，降低液位超调。模糊控制器主要作用为抑制过大超调量，保证开浇及非稳态浇铸条件下将结晶器液位控制在偏离标准设定值±6mm范围，保证快速换中间包和换水口后再次浇铸时控制钢水液位波动在±5mm范围，保证稳定浇铸过程中控制钢水液位偏离标准设定值小于±3mm，上述控制过程均可在10s内达到稳定工艺要求。

由于浇铸操作中通过伺服电机控制塞棒位置，则传动机构中存在机械死区，其原理图如图3所示。因此，本发明的控制方法中加入了死区补偿模块，以保证准确调整塞棒位置。本发明的控制方法很好的抑制了拉速波动的干扰，使得在较大拉速扰动条件下(如拉速变化率：5mm·s-2)将结晶器液位控制在±5mm范围内。

本发明的控制系统采用等级单位描述液位偏差。将液位模糊观测量分为5个模糊集合：PBE(正大)、PSE(正小)、OE(零)、NSE(负小)、NBE(负大)，对应隶属函数图如图4(a)所示；液位变化率模糊观测量为5个模糊集合：PBEc(正大)、PSEc(正小)、OEc(零)、NSEc(负小)、NBEc(负大)，对应隶属函数图如图4(b)所示；模糊控制量(控制器PI参数调解量)划分为5个模糊集合：PBP(正大)、PSP(正小)、OP(零)、NSP(负小)、NBP(负大)，对应隶属函数图如图4(c)所示；比例系数和积分系数的输出划分为5个模糊集合：PBI(正大)、PSI(正小)、OI(零)、NSI(负小)、NBI(负大)，对应隶属函数图如图4(d)所示。模糊自整定PID参数是在PID算法的基础上，通过计算当前的系统误差E和误差变化率Ec，利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整，模糊控制设计的核心是总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验，建立合适的模糊规则表，本文采用PI控制算法，制定PI参数调节器控制规则如表1和表2，同时给出补偿控制器控制规则如表3。

表1控制量P的控制规则表

表2控制量I的控制规则表

表3补偿控制器控制规则

下面结合附图对本发明的控制方法作进一步的说明：

如图5所示，本发明的控制系统整体呈串级控制，并分为内环和外环两部分，其中内环控制电机位置，外环为液位控制。首先输入初始给定液位，然后将液位传感器采集的液位信号与其进行比较，并通过模糊控制器和PID控制器输出控制信号，即电机位置给定信号。又因机械传动中具有死区特性，则通过电机传动位置传感器进行机械死区补偿，并通过电机控制器准确的控制伺服电机传动位置；同时，伺服电机控制塞棒位置(塞棒开度)，塞棒模块输出中间包流量与系统扰动(拉速等)的差值并进入积分器(PID控制模块)，通过积分得到结晶器液位值。由于浇铸过程中经常出现塞棒结瘤和结瘤脱落等状况，导致整个控制系统不稳定，由此需根据实时情况调整PID模块的参数，即通过PID参数调节器对PID参数实时调整。

如图6所示，当拉速从1.6m/min升至1.8m/min时出现漏钢警报，现场在随后的10s内降低拉速至0.2m/min，并在接下来的6分钟后将拉速升至0.8m/min。从仿真结果图中可以看出，液位超调量约9mm，浇铸异常时系统能很快调节到稳定状态，并且在缓升拉速和基本稳定拉速情况下，控制液位波动在2mm范围内，所采用的模糊控制器与参数自整定PID控制器并行控制的方法，能很好的解决非稳态浇铸过程中稳定性差的问题，同时解决了机械死区和流量偏差等问题，并对鼓肚和拉速等扰动有较好抑制能力。

如图7所示，图中为现场浇铸低碳钢种时从开浇至稳定时的液位波动情况。从图中可以看出，采用本发明的控制方法后的液位波动明显得到改善，开浇时的液位控制在5mm范围内，且液位能较快趋于稳定，稳定浇铸时液位波动控制在2mm范围内，本发明的控制方法在现场取得了很好的控制效果，达到了预期目标。

Claims (5)

1、一种基于Fuzzy-PID的连铸结晶器液位控制方法，其特征在于，该控制方法在计算机和PLC的控制下，使用自整定参数PID控制和模糊控制混合控制结晶器液位，并加入了塞棒结瘤与结瘤脱落补偿模块、流量偏差补偿模块、机械死区补偿模块及铸坯鼓肚补偿模块；其控制过程的具体步骤如下：

步骤一：数据的采集

设定初始液位y₀，通过液位传感器、液位测量装置采集液位y₁和y₂，其中，y₁、y₂为不同时间的液位；

步骤二：信号的输入及处理

将采集的数据y₁和y₂输入到PLC中，采用自整定参数PID控制和模糊控制混合控制处理信号，利用模糊控制对自调整参数PID控制中的参数进行在线修正；并通过塞棒结瘤与结瘤脱落补偿模块、流量偏差补偿模块、机械死区补偿模块及铸坯鼓肚补偿模块进行塞棒结瘤与结瘤脱落补偿、流量偏差补偿、机械死区补偿及铸坯鼓肚补偿；

步骤三：信号的输出

PLC的输出为u(k)＝u₁(k)，PLC通过塞棒控制器控制塞棒的位置，从而控制结晶器液位，式中u(k)为最终输出的系统控制信号，u₁(k)为PID控制器的输出。

2、根据权利要求1所述的一种基于Fuzzy-PID的连铸结晶器液位控制方法，其特征在于步骤二中所述的采用自整定参数PID控制和模糊控制混合控制处理信号的具体实现过程如下：

(1)通过公式e₁＝y₀-y₁和L＝(y₂-y₁)/(t₂-t₁)计算液位偏差e₁和液位偏差变化率L，其中t₂、t₁表示采集液位数据时对应的时间，用自整定参数PID控制检测液位偏差e₁和液位偏差变化率L；

(2)通过模糊控制器的输出(K_P，K_i)＝Fuzzy(e₁，L)对自整定参数PID控制器的输出 $u_1\left(k\right)=K_P\&times;e\left(k\right)+K_i\stackrel{k}{\mathrm{\&Sigma;}}e\left(j\right)$ 中的K_P、K_i进行在线修正，当控制系统在液位标准设定值范围内时，模糊控制器输出为零，此时仅有自整定参数PID控制模块工作，从而实现混合控制；其中K_P为影响系统响应速度和精度的比例系数；K_i为影响系统稳态精度的积分作用系数；e为检测信号；i、k和j为序列号。

3、根据权利要求1所述的一种基于Fuzzy-PID的连铸结晶器液位控制方法，其特征在于步骤二中所述的机械死区补偿模块的死区特性函数表达式为：

$N\left(V\right)=\left\{\begin{array}{cc}K\&times;b_1& V<b_1\\ K\&times;V& b_l\&le;V\&le;b_r\\ K\&times;b_r& V>b_r\end{array}\right.$

式中，K为传动的比例系数；V为调节位置的给定信号；b₁和b_r为控制系统动作临界点，N(V)为死区环节模型函数。

4、根据权利要求1所述的一种基于Fuzzy-PID的连铸结晶器液位控制方法，其特征在于步骤二中所述的流量偏差补偿模块的控制函数为：

$h\left(t\right)=h\left(0\right)+\frac{{\&Integral;}_0^{t}q\left(t\right)\mathrm{dt}}{A}$

式中，h(t)为结晶器液位，h(0)为初始时刻设定的原始液位，A为结晶器断面尺寸，q(t)为结晶器瞬态净流量，表示为：

q(t)＝q_out(t)-q_in(t)

q_out(t)＝Av(t)

$q_{\mathrm{in}}\left(t\right)=k\sqrt{a\left(t\right)h_{\mathrm{tundish}}\left(t\right)}$

式中，q_out(t)为结晶器流出流量，q_in(t)为结晶器流入流量，v(t)为拉速，k为塞棒流量增益，a(t)为塞棒开度，h_tundish(t)为中间包液位。

5、根据权利要求1所述的一种基于Fuzzy-PID的连铸结晶器液位控制方法，其特征在于所述的模糊控制采用等级单位描述液位偏差，将液位模糊观测量、液位变化率模糊观测量、模糊控制量和比例系数和积分系数的输出均分为：正大、正小、零、负小和负大5个模糊集合。

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