CN102059326A - 一种结晶器振动液压缸的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结晶器振动液压缸的控制方法，其特征在于：其采用带校正的预估控制器、积分改进型的PID闭环控制器和阀门正反向控制方法计算伺服阀开度的设定值SPSV，任意t时刻伺服阀开度的设定值SPSV(t)是由下函数计算：SPSV(t)＝K_PN*SPSV₀(t)；SPSV₀(t)＝SPSV₁(t)+SPSV₂(t)；

ER(t)＝SP(t)-PV(t)；SP(t)＝A_set*SP₁(t)+Offset。由于液压系统的跟踪特性好，能使结晶器完全按照预先设定的轨迹运动。本发明具有稳定可靠、控制精度高、动态响应快和易于维护等优点。设定振幅与实际振幅误差小，频率跟踪稳定，波形畸变及机械冲击小。

Description

一种结晶器振动液压缸的控制方法

技术领域

本发明涉及一种液压缸的控制方法，尤其涉及冶金行业连铸机结晶器液压振动装置上的液压缸控制。

背景技术

结晶器振动是连铸机的关键技术之一，它相当于一种脱模的作用，其目的是防止铸坯粘结而发生拉裂或漏钢，同时结晶器做上下振动时，周期性地改变钢液面和结晶器壁的相对位置，有利于改善结晶器内壁表面的润滑状况，减小粘结阻力和摩擦阻力，还可改善铸坯的表面质量。结晶器向上运动时，降低新生的坯壳与铜壁产生粘结，以防止坯壳受到较大的应力，使铸坯表面出现裂纹：而当结晶器向下运动时，借助摩擦在坯壳上施加一定的压力，愈合结晶器上升时拉出的裂痕。为了在拉速高时，保证铸坯质量，减小漏钢事故的发生，需要采用非正弦振动技术，其具体特征是：在一个固定的振动周期内，结晶器向上运动的速度慢，向下运动的速度快，上升时间大于下降时间。目前主要采用液压装置来实现结晶器的非正弦振动。液压元件只是执行元件，其运动的规律完全依靠电气专业的控制，电气专业的控制必须满足安全，平稳，响应快，精度高的要求。由于该系统具有设定值随时间变化，液压元件的非线性等特点，传统的控制方式很难实现系统动态响应快，跟踪精度高和系统稳定性高的要求；而且传统的控制方式存在着振幅偏差大，波形畸变严重的缺点。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种结晶器振动液压缸的控制方法，该方法能使结晶器振动装置处于良好的工作状态，保证振动装置的液压系统具有高动态响应，高跟踪精度和很好的稳定性。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的：一种结晶器振动液压缸的控制方法，其采用带校正的预估控制器、积分改进型的PID闭环控制器和阀门正反向控制方法计算伺服阀开度的设定值SPSV，任意t时刻伺服阀开度的设定值SPSV(t)是由下面函数计算：

SPSV(t)＝K_PN*SPSV₀(t)

SPSV₀(t)＝SPSV₁(t)+SPSV₂(t)

${\mathrm{SPSV}}_1\left(t\right)=K_F\frac{d{\mathrm{SP}}_1\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$

$K_F=K_{\mathrm{FP}}*[A_{\mathrm{set}}\left(t\right)-A_{\mathrm{act}}\left(t\right)]+K_{\mathrm{FI}}*{\∫}_0^t[A_{\mathrm{set}}\left(t\right)-A_{\mathrm{act}}\left(t\right)]\mathrm{dt}$

${\mathrm{SPSV}}_2\left(t\right)=K_P*\mathrm{ER}\left(t\right)+K_I\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{ERIC}\left(k\right)$

ER(t)＝SP(t)-PV(t)

SP(t)＝A_set*SP₁(t)+Offset

$\mathrm{ERIC}\left(k\right)={\∫}_{t=\mathrm{kT}}^{t=\mathrm{kT}+T}\mathrm{ER}\left(t\right)\mathrm{dt}$

SPSV(t)为伺服阀开度设定值；

SPSV₀(t)为控制器计算结果输出值；

K_PN为正反向阀门系数；

SPSV₁(t)，SPSV₂(t)分别对应带校正的预估控制器和闭环控制器的输出值；

K_F为预估控制器增益；

SP₁(t)为振幅为1的设定振动波形，可以为正弦波形或非正弦波形；

K_FP和K_FI分别代表用于计算开环控制器增益K_F的比例和积分常数；

A_set和A_act分别代表设定的振幅和实际振幅；

K_P和K_I分别为闭环控制器比例和积分常数；

ER(t)为位置设定值与实际值的瞬时误差；

SP(t)，PV(t)分别为结晶器运动轨迹的设定值和结晶器实际位置的反馈值；

Offset为振动偏移量，即表征结晶器上下振动中心位置的常数；

ERIC(k)被定义为一个周期的累积误差；

T为振动周期；

N为从t＝0时刻到t时刻经历的振动周期数，满足NT＜t＜(N+1)T；

k为任意非负整数。

进一步，若SPSV₀(t)＞0，K_PN取0.6～1.0之间的值，当SPSV₀(t)≤0，K_PN取1.0～1.5之间的值。

本发明达到的技术效果如下：

本发明系统稳定可靠，动态响应快，控制精度高，可降低事故发生率，减少人工维护量；由于液压系统的跟踪特性好，能使结晶器完全按照预先设定的轨迹运动，实际振动频率和幅度完全满足工艺要求，不会出现振动波形畸变现象，有利于改善铸坯质量。结晶器实际振动轨迹能很好的跟踪预先经过优化的振动曲线，可以有效的减小机械冲击，延长设备使用寿命。

本发明具有稳定可靠、控制精度高、动态响应快和易于维护等优点。实现了设定振幅与实际振幅误差小，频率跟踪稳定，波形畸变及机械冲击小的技术效果。

附图说明

图1为发明的控制原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供了一种连铸机结晶器非正弦振动装置液压缸的控制策略，该控制策略通过采用带校正的预估控制器；采用改进型的PID控制器；应用伺服阀正反向控制概念来计算伺服阀的开度，从而保证结晶器能够精确按照预设的轨迹运动。

下面结合附图及公式对本发明做进一步说明：

一种结晶器振动液压缸的控制方法，：其采用带校正的预估控制器、积分改进型的PID闭环控制器和阀门正反向控制方法计算伺服阀开度的设定值SPSV，任意t时刻伺服阀开度的设定值SPSV(t)是由下面函数计算，公式1-公式4为：

SPSV(t)＝K_PN*SPSV₀(t)    公式1

SPSV₀(t)＝SPSV₁(t)+SPSV₂(t)    公式2

${\mathrm{SPSV}}_1\left(t\right)=K_F\frac{d{\mathrm{SP}}_1\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$ 公式3

$K_F=K_{\mathrm{FP}}*[A_{\mathrm{set}}\left(t\right)-A_{\mathrm{act}}\left(t\right)]+K_{\mathrm{FI}}*{\∫}_0^t[A_{\mathrm{set}}\left(t\right)-A_{\mathrm{act}}\left(t\right)]\mathrm{dt}$ 公式4

为论述方便先阐述以下概念和假设：结晶器位移与液压缸活塞杆位移相同，液压缸活塞杆的位移简称为油缸位移，油缸上升运动时，位移增大，油缸下降运动是，位移减小，实际位移值始终大于零；同时伺服阀开度方向与油缸动作方向为关联方向，即伺服阀正向打开时油缸上升，伺服阀反向打开时油缸下降。

针对结晶器运动轨迹一个周期内上升速度慢，下降速度快的特点，本发明提出伺服阀正反向控制概念，引入阀门正反向控制系数，如公式1-2中描述。公式1所表达的意义是：伺服阀开度的设定值与控制器计算出来的结果不是完全相等，两者间存在一个乘积关系的转换因子KPN，且这个转换因子不为常数，而是根据伺服阀打开的方向，即SPSV(t)或SPSV₀(t)的正负来取值，当SPSV₀(t)＞0时，伺服阀正向打开，从而引起油缸向上运动，由于要求上升速度慢，所以此时K_PN取0.6～1.0之间的值，便可在原有控制器计算得到的阀门开度预设定值的基础上适当减小阀门开度，减少了单位时间内流入液压缸的油量，从而达到了降低了油缸的上升速度的目的；当SPSV₀(t)≤0时，伺服阀反向打开，从而引起油缸向下运动，由于要求下降速度慢，所以此时K_PN取1.0～1.5之间的值，便可在原有控制器计算得到的阀门开度预设定值的基础上适当增大阀门开度，增加了单位时间内流入液压缸的油量，从而达到了加快了油缸的下降速度的目的。从闭环控制原理的角度来看，阀门正反向系数作用实质上是使得整个闭环控制系统在液压缸上升和下降阶段的闭环增益不同，这样一方面使得上升和下降阶段的闭环增益可以分开调整，更重要的一方面是加大了下降过程中的闭环增益，减少了下降过程中的瞬时误差，加快了系统的响应速度，避免了传统控制方式在油缸下降过程中因为系统响应慢，跟踪滞后导致的波形畸变的缺点。

公式3-4描述了带校正的预估控制器的算法，该算法实质上一种开环算法，由于振动的轨迹是预先设定并已知的，所以在不考虑外界干扰的作用下，伺服阀的设定开度是完全可以根据伺服阀及油缸的模型计算出来的。这里采用伺服阀开度与油缸位置的简化模型来预估伺服阀开度，认为在油缸行程范围内，伺服阀的开度与油缸的运动速度，即油缸位移的微分成正比。这里如果考虑伺服阀及油缸的精确模型，不仅模型计算复杂，而且针对不同的油缸和伺服阀，模型参数也有很大差别。同时本系统中还包含闭环控制器，本步骤只做预估处理，所以没有必要采用精确模型。公式3的意义为：在振动轨迹设定值已知的条件下，对伺服阀的设定开度进行预估，伺服阀设定开度的预估值与振动轨迹设定值的微分成正比，比例系数为K_F。公式4表明：比例系数K_F不为定常数，而是根据实际情况不断修正得到，并采用了PI算法根据实际振幅的变化来计算K_F。由于公式3给出的伺服阀开度设定值是一个预估值，本质上是一个开环值，当K_F选取的不合理时，实际振动波形会产生畸变，其主要特征为：实际振幅与设定振幅偏差过大。为此，利用实际振幅值来动态调整K_F，以校正公式3计算的预估值。稳态时，由于A_set(t)＝A_act(t)，根据公式4描述，计算K_F的PI调节器比例部分为0，积分部分不变，K_F也大小保持恒定；当系统还未到达稳态，A_set(t)＞A_act(t)时，由于积分器的作用K_F将不断增大，导致伺服阀开度越来越大，油缸运行速度越来越快，促使实际振幅变大，最终达到A_set(t)＝A_act(t)的稳态；而当A_set(t)＜A_act(t)时，由于积分器的作用K_F将不断减小，导致伺服阀开度越来越小，油缸运行速度越来越慢，促使实际振幅变小，最终达到A_set(t)＝A_act(t)的稳态。总之，只要设定振幅与实际振幅间存在差异，K_F就会发生变化，从而校正伺服阀开度的预估值，引起液压缸运动的变化，最终达到设定振幅与实际振幅相同的稳态。

公式5-8为闭环控制器算法表达式：

${\mathrm{SPSV}}_2\left(t\right)=K_P*\mathrm{ER}\left(t\right)+K_I\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{ERIC}\left(k\right)$ 公式5

ER(t)＝SP(t)-PV(t)        公式6

SP(t)＝A_set*SP₁(t)+Offset     公式7

$\mathrm{ERIC}\left(k\right)={\∫}_{t=\mathrm{kT}}^{t=\mathrm{kT}+T}\mathrm{ER}\left(t\right)\mathrm{dt}$ 公式8

公式5表明闭环控制器算法的主体算法为一种改进的PID算法，该算法在传统PID算法的基础上对积分部分加以改进，不是利用误差的瞬时值作为积分对象，而是利用一个周期内误差的累积值的作为积分对象。公式6-7给出了油缸位移设定值和误差的表达式，公式8为一个周期内误差累积值的计算公式。由于设定值是随动的，瞬时的误差的消除是不可能的，采用传统的PID调节器不但无法消除系统静误差，而且还会因为瞬时误差的不断变化。导致积分结果的不断波动，反而影响系统的稳定性，降低系统的响应速度；考虑到油缸位置设定值具有周期性的特征，采用一个周期误差之和来代替瞬时误差作为积分对象；同时，积分环节的的输出值一个周期改变一次。这样比例环节和积分环节就共同作用产生了一个快拍调节和慢拍调节的效果，比例环节在每个控制周期都起作用，积分环节的作用频率被放缓，一个振动周期才进行一次补偿。由于稳态时，积分环节输出会保持不变，所以ERIC(k)＝0，即一个周期内的误差之和为0。这样相比仅使用比例环节和一般的PID控制方式兼顾考虑了系统的动态响应和控制精度。

综上所述，预测控制器根据控制目标提供了一个伺服阀开度的粗略计算值，闭环控制器利用改进型的PID算法在此粗略计算值的基础上做精确调整，提高系统抗扰动能力，保证实际位置精确跟踪设定值；阀门正反向控制通过判断油缸是做上升或下降运动，对上述计算结果做进一步调整，其目的主要保证非正弦运动时，结晶器能够达到很快下降速度的要求。具体实施步骤按照公式(6)→(7)→(8)→(5)→(4)→(3)→(2)→(1)的的顺序来计算伺服阀开度的设定值，然后模拟量输出模块计算结果转换成伺服阀可以接受的电流信号，伺服阀阀芯移动，并引起液压缸运动。

本发明应用的振动条件：

振动频率：40～400CPM；

振动行程：0～12mm；

偏斜率：0～0.45；

液压缸工作压力：20～25MPa

本发明经过测试，可以达到以下的技术参数：

振幅误差：＜±0.6％；

频率误差：±3ms；

位置精度：＜0.05mm

系统响应时间：12～15ms

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种结晶器振动液压缸的控制方法，其特征在于：其采用带校正的预估控制器、积分改进型的PID闭环控制器和阀门正反向控制方法计算伺服阀开度的设定值SPSV，任意t时刻伺服阀开度的设定值SPSV(t)是由下面函数计算：

SPSV(t)＝K_PN*SPSV₀(t)

SPSV₀(t)＝SPSV₁(t)+SPSV₂(t)

${\mathrm{SPSV}}_1\left(t\right)=K_F\frac{d{\mathrm{SP}}_1\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$

$K_F=K_{\mathrm{FP}}*[A_{\mathrm{set}}\left(t\right)-A_{\mathrm{act}}\left(t\right)]+K_{\mathrm{FI}}*{\∫}_0^t[A_{\mathrm{set}}\left(t\right)-A_{\mathrm{act}}\left(t\right)]\mathrm{dt}$

${\mathrm{SPSV}}_2\left(t\right)=K_P*\mathrm{ER}\left(t\right)+K_I\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{ERIC}\left(k\right)$

ER(t)＝SP(t)-PV(t)

SP(t)＝A_set*SP₁(t)+Offset

$\mathrm{ERIC}\left(k\right)={\∫}_{t=\mathrm{kT}}^{t=\mathrm{kT}+T}\mathrm{ER}\left(t\right)\mathrm{dt}$

其中：

SPSV(t)为伺服阀开度设定值；

SPSV₀(t)为控制器计算结果输出值；

K_PN为正反向阀门系数；

SPSV₁(t)，SPSV₂(t)分别对应带校正的预估控制器和闭环控制器的输出值；

K_F为预估控制器增益；

SP₁(t)为振幅为1的设定振动波形，可以为正弦波形或非正弦波形；

K_FP和K_FI分别代表用于计算开环控制器增益K_F的比例和积分常数；

A_set和A_act分别代表设定的振幅和实际振幅；

K_P和K_I分别为闭环控制器比例和积分常数；

ER(t)为位置设定值与实际值的瞬时误差；

SP(t)，PV(t)分别为结晶器运动轨迹的设定值和结晶器实际位置的反馈值；

Offset为振动偏移量，即表征结晶器上下振动中心位置的常数；

ERIC(k)被定义为一个周期的累积误差；

T为振动周期；

N为从t＝0时刻到t时刻经历的振动周期数，满足NT＜t＜(N+1)T；

k为任意非负整数。

2.如权利要求1所述的结晶器振动液压缸的控制方法，其特征在于：若SPSV₀(t)＞0，K_PN取0.6～1.0之间的值，当SPSV₀(t)≤0，K_PN取1.0～1.5之间的值。

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