CN102127619A - 一种rh真空环流控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种RH真空环流控制方法及装置，该控制方法包括：计算各路环流支管上的流量变送器的流量检测值之和；以环流总管流量设定值为设定输入、以所述流量检测值之和为过程反馈输入进行PID运算得到主输出开度值；将所述主输出开度值分配给多个支路PID控制器作为各路环流支管的支路流量设定值。该控制装置与控制方法对应。使用本发明能够及时准确地跟踪环流总管的设定流量值，缩短响应时间，减少动态偏差和稳态偏差，更好的满足工艺需求，从而保证产品的品质。

Description

一种RH真空环流控制方法及装置

技术领域

本发明涉及冶炼控制领域，尤其涉及一种RH真空环流控制方法及装置。

背景技术

如图1所示的RH真空环流系统示意图，对钢水进行RH处理时，先通过液压系统将钢包顶升使钢水淹没真空槽1的两个浸渍管(上升管2和下降管3)，然后启动真空排气系统，此时真空槽1内的压力就低于外界的大气压。在内外压差的作用下，通过预埋在其中一个浸渍管(上升管2)内的12根气体管道吹入气体，驱动钢水的循环。气体进入钢水，由于压力降低，吸热膨胀，上升逸出钢水而被真空排气系统带走。在驱动气体上升逸出过程的带动下，上升管2内的钢水迅速上升进入真空槽1内并形成很多钢水的珠滴，然后在自重的作用下流向下降管3，形成循环。驱动气体通常为氩气，因为惰性气体不易引起钢水成分的变化。有时在对氮要求不高的钢种处理时，也可用氮气。在不处理的时候，氮气或氩气作为保护气体使用。氮气源201和氩气源101的使用是排斥关系，二者的选择互为联锁，通过切断阀201和切断阀101实现。

氩气或氮气接入真空槽1的环流总管7上设有一个压力变送器8，用于检测环流总管的气体压力。环流总管7设置四路环流支管，每一路上有一个流量调节阀和流量变送器，即第一支路上设置有流量调节阀41和流量变送器51，第二支路上设置有流量调节阀42和流量变送器52，第三支路上设置有流量调节阀43和流量变送器53，第四支路上设置有流量调节阀44和流量变送器54。每一路环流支管上又分为三路分支路，总共12个分支路，在每个分支路上设有一个流量变送器，作为检测管道堵塞之用。

为了对图1所示的RH真空环流系统中的气体流量进行控制，现有技术中提供了一种RH真空环流控制方法，如图2所示的RH真空环流控制方法的控制模型图，将环流总管设定值平均分配或是按照各路环流支管的设计流量进行比例分配(以平均分配给四路环流支管为例，其它情况原理相同)，各路环流支管上的支路PID控制器以分配后的流量值为设定输入(Setpoint Value)、以流量变送器的检测值为过程反馈输入(Process Value)对流量调节阀进行控制，从而调节各个支管的气体流量。

该控制方法是将总流量分配到各支路分别进行独立的PID控制，由于各个PID控制器都会存在动态偏差和稳态偏差，会使总管流量的实际值与设定值存在较大的偏差，一旦有某个环流支管出现问题时(比如堵塞)，该环流支管的流量调节阀不能正确工作，将使环流总管流量的实际值与设定值的差值扩大，不能达到工艺的要求，影响产品质量。

发明内容

鉴于现有技术的上述问题，本发明的目的是提供一种RH真空环流控制方法及装置，使得流量调节能够及时准确地跟踪环流总管的设定流量值，缩短响应时间，减少动态偏差和稳态偏差，更好的满足工艺需求。并且当某个环流支管发生故障时，可以自动地将此环流支管的流量分配给其它环流支管，及时迅速地达到稳态控制，以适应快节奏的生产需求。

为了实现上述目的，本发明提供了一种RH真空环流控制方法，包括：

计算各路环流支管上的流量变送器的流量检测值之和；

以环流总管流量设定值为设定输入、以所述流量检测值之和为过程反馈输入进行PID运算得到主输出开度值；

将所述主输出开度值分配给所述多个支路PID控制器作为各路环流支管的支路流量设定值；

以各路环流支管的支路流量设定值为设定输入、以各路环流支管上的流量变送器的流量检测值为过程反馈输入的多个支路PID控制器分别对各路环流支管上的流量阀进行控制。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种RH真空环流控制装置，包括：

分别对各路环流支管上的流量阀进行控制的多个支路PID控制器，所述多个支路PID控制器以各路环流支管的支路流量设定值为设定输入、以各路环流支管上的流量变送器的流量检测值为过程反馈输入；

求和单元，用于计算各路环流支管上的流量变送器的流量检测值之和；

主PID控制器，用于以环流总管流量设定值为设定输入、以所述求和单元的计算结果为过程反馈输入进行PID运算得到主输出开度值；

分配单元，用于将所述主输出开度值分配给所述多个支路PID控制器作为各路环流支管的支路流量设定值。

本发明的有益效果是，能够及时准确地跟踪环流总管的设定流量值，缩短响应时间，减少动态偏差和稳态偏差，更好的满足工艺需求。并且当某个环流支管发生故障时，可以自动地将此环流支管的流量分配给其它环流支管，及时迅速地达到稳态控制，以适应快节奏的生产需求。

附图说明

图1是现有技术的RH真空环流系统示意图。

图2是现有技术的RH真空环流控制方法的控制模型图。

图3是本发明的RH真空环流控制方法实施例的控制模型图。

图4是图3的控制原理图。

图5是图4的仿真模型图。

图6是图5的第一种仿真效果图。

图7是图5的第二种仿真效果图。

图8是图5的第三种仿真效果图。

图9是本发明RH真空环流控制装置实施例的结构示意图。

图10是使用PLC实现本发明时需要设定的PID控制器参数界面示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施例。为了便于描述，以四路环流支管进行说明，不同环流支管路数量的原理相同。

如图3所示的本发明的RH真空环流控制方法实施例的控制模型图，包括如下步骤：

计算各路环流支管上的流量变送器5的流量检测值之和；

以环流总管流量设定值作为设定输入、以所述流量检测值之和为过程反馈输入进行主PID运算得到主输出开度值；

根据各路环流支管的实际需要对所述主输出开度值进行分配；常用的是比例分配，第一路至第四路环流支管比例系数分别为K1、K2、K3、K4。

以所述主输出开度值分配给各路环流支管的支路流量值为设定输入、以各路环流支管上的流量变送器5的流量检测值为过程反馈输入的多个支路PID控制器分别对各路环流支管上的流量阀进行控制。

PID运算的传递函数公式为(S域)：

$K_p+\frac{\mathrm{Ki}}{S}+K_{d}S$

其中，Kp为比例参数，Ki为积分参数，Kd为微分参数。

如图4所示的图3的控制原理图，假设环流总管流量设定值为x，主PID运算输出值为e_xo，各支路流量调节阀的系数为K_m1、K_m2、K_m3、K_m4，各支路流量变送器反馈的系数为α、β、γ、δ，乘法器的系数K₁，K₂，K₃，K₄就是图3中的各环流支管的比例分配系数，环流总管和各路环流支管PID运算的传递函数记作PID₀、PID₁、PID₂、PID₃、PID₄。

则第一路至第四路环流支管的输出函数f1、f2、f3、f4的计算过程如下：

由(2)得f1＝e_xo K₁ PID₁ K_m1/(1+αPID₁K_m1)          (6)

由(3)得f2＝e_xo K₂ PID₂ K_m2/(1+βPID₂K_m2)          (7)

由(4)得f3＝e_xo K₃ PID₃ K_m3/(1+γPID₃K_m3)          (8)

由(5)得f4＝e_xo K₄ PID₄ K_m4/(1+δPID₄K_m4)          (9)

由(6)(7)(8)(9)得

αf1+βf2+γf3+δf4＝e_xo[αK₁ PID₁ K_m1/(1+αPID₁K_m1)+βK₂ PID₂ K_m2/(1+βPID₂K_m2)+γK₃ PID₃ K_m3/(1+γPID₃K_m3)+δK₄ PID₄ K_m4/(1+δPID₄K_m4)]

记作：αf1+βf2+γf3+δf4＝e_xo∑hi                (10)

将(10)代入(1)中，

e_xo＝[x-(αf1+βf2+γf3+δf4)]PID₀＝(x-e_xo∑hi)PID₀  (11)

由(11)得e_xo＝x PID₀/(1+∑hi PID₀)                    (12)

将(12)式分别代入到(6)(7)(8)(9)得

f1＝e_xo K₁ PID₁ K_m1/(1+αPID₁K_m1)

＝[x PID₀/(1+∑hi PID₀)]K₁ PID₁ K_m1/(1+αPID₁K_m1)      (13)

f2＝e_xo K₂ PID₂ K_m2/(1+βPID₂K_m2)

＝[x PID₀/(1+∑hi PID₀)]K₂ PID₂ K_m2/(1+βPID₂K_m2)      (14)

f3＝e_xo K₃ PID₃ K_m3/(1+γPID₃K_m3)

＝[x PID₀/(1+∑hi PID₀)]K₃ PID₃ K_m3/(1+γPID₃K_m3)      (15)

f4＝e_xo K₄ PID₄ K_m4/(1+δPID₄K_m4)

＝[x PID₀/(1+∑hi PID₀)]K₄ PID₄ K_m4/(1+δPID₄K_m4)      (16)

由(13)得

f1＝[x PID₀/(1+∑hi PID₀)]K₁ PID₁ K_m1/(1+αPID₁K_m1)

＝x(K_p0+K_i0/S+K_d0S)/{1+[αK₁ PID₁ K_m1/(1+αPID₁K_m1)+βK₂ PID₂K_m2/(1+βPID₂K_m2)+γK₃ PID₃ K_m3/(1+γPID₃K_m3)+δK₄ PID₄ K_m4/(1+δPID₄K_m4)](K_p0+K_i0/S+K_d0S)}*k1(K_p1+K_i1/S+K_d1S)K_m1/[1+α(K_p1+K_i1/S+K_d1S)K_m1]                                              (17)

同理

f2＝x(K_p0+K_i0/S+K_d0S)/{1+[αK₁PID₁K_m1/(1+αPID₁K_m1)+βK₂ PID₂K_m2/(1+βPID₂K_m2)+γK₃ PID₃ K_m3/(1+γPID₃K_m3)+δK₄ PID₄ K_m4/(1+δPID₄K_m4)](K_p0+K_i0/S+K_d0S)}*k2(K_p2+K_i2/S+K_d2S)K_m2/[1+β(K_p2+K_i2/S+K_d2S)K_m2]                                              (18)

f3＝x(K_p0+K_i0/S+K_d0S)/{1+[αK₁ PID₁ K_m1/(1+αPID₁K_m1)+βK₂ PID₂K_m2/(1+βPID₂K_m2)+γK₃ PID₃ K_m3/(1+γPID₃K_m3)+δK₄ PID₄ K_m4/(1+δPID₄K_m4)](K_p0+K_i0/S+K_d0S)}*k3(K_p3+K_i3/S+K_d3S)K_m3/[1+γ(K_p3+K_i3/S+K_d3S)K_m3]                                              (19)

f4＝x(K_p0+K_i0/S+K_d0S)/{1+[αK₁ PID₁K_m1/(1+αPID₁K_m1)+βK₂ PID₂ K_m2/(1+βPID₂K_m2)+γK₃ PID₃ K_m3/(1+γPID₃K_m3)+δK₄ PID₄ K_m4/(1+δPID₄K_m4)](K_p0+K_i0/S+K_d0S)}*k4(K_p4+K_i4/S+K_d4S)K_m4/[1+δ(K_p4+K_i4/S+K_d4S)K_m4]                                 (20)

这套控制方法涉及到的参数有环流总管的主PID运算和各路环流支管PID运算的比例、微分、积分参数，这些参数可以通过调试获得。各支路流量调节阀的系数K_m1、K_m2、K_m3、K_m4，以及反馈回路的系数α、β、γ、δ由实际的流量调节阀和流量变送器确定。环流总管流量设定值根据实际需要进行设定。

为了验证上述控制方法的准确性和可靠性，采用Simulink仿真软件进行仿真，如图5所示的图4的仿真模型图，虚拟输入In模拟设定环流总管流量设定值，增益G1、增益G2、增益G3、增益G4分别模拟第一路至第4路环流支管的比例分配，累加器50模拟各个支路反馈之和，显示仪表51、显示仪表52、显示仪表53、显示仪表54分别模拟第一路至第4路环流支管的输出。

当虚拟输入In＝100(阶跃输入)，增益G1＝0.1、增益G2＝0.2、增益G3＝0.3、增益G4＝0.4时(即K1∶K2∶K3∶K4＝1∶2∶3∶4)，显示仪表51、显示仪表52、显示仪表53、显示仪表54的输出结果(阶跃响应)如图6所示，在很短的时间内输出迅速稳定，而且动态偏差和稳态偏差很小，调节稳定后分别为10、20、30、40，达到及时准确地跟踪环流总管的设定流量值的预期目的。

当虚拟输入In＝100，增益G1＝0.25、增益G2＝0.25、增益G3＝0.25、增益G4＝0.25时(即K1∶K2∶K3∶K4＝1∶1∶1∶1)，显示仪表51、显示仪表52、显示仪表53、显示仪表54的输出结果如图7所示，在很短的时间内输出迅速稳定，而且动态偏差和稳态偏差很小，调节稳定后分别为25、25、25、25，实现了稳定控制，达到及时准确地跟踪环流总管的设定流量值的预期目的。

当虚拟输入In＝100，增益G1＝0.25、增益G2＝0.25、增益G3＝0.25、增益G4＝0.25时(即K1∶K2∶K3∶K4＝1∶1∶1∶1)，如果其中的环流支管存在堵塞，如第四路堵塞，相当于图5中的增益G40＝0，显示仪表51、显示仪表52、显示仪表53、显示仪表54的输出结果如图8所示，调节稳定后分别为33.3、33.3、33.3、0，可见，在很短的时间内输出迅速稳定，而且动态偏差和稳态偏差很小，堵塞环流支路上的流量能自动分配给其它环流支路，实现了实际输出值对设定值的及时跟踪，能够及时迅速地达到稳态控制。

由于设置了系数K₁、K₂、K₃、K₄，实际生产过程中，操作人员可以通过微调比例系数进行调节，重新分配个路环流支管的流量，使得真空环流效果达到最佳，保证产品的品质。

实际使用中，根据上述控制模型建立RH真空环流控制装置，仍以四路环流支管为例，如图9所示的RH真空环流控制装置实施例的结构示意图，包括：

求和单元11，用于计算第一路至第四路环流支管上的流量变送器51、流量变送器52、流量变送器53、流量变送器54的流量检测值之和。

主PID控制器12，用于以环流总管流量设定值为设定输入、以所述求和单元的计算结果为过程反馈输入进行PID运算得到主输出开度值；环流总管流量值由输入节点10输入。由于输出并没有实际的被控对象，所以主PID控制器12是一个虚拟的PID控制器。

乘法器131、乘法器132、乘法器133、乘法器134，分别根据第一路至第四路环流支管的实际需要对所述主PID控制器的主输出开度值进行分配。

支路PID控制器121、支路PID控制器122、支路PID控制器123、支路PID控制器124，分别以乘法器131、乘法器132、乘法器133、乘法器134的输出值作为设定输入、以第一路至第四路环流支管上的流量变送器51、流量变送器52、流量变送器53、流量变送器54的流量检测值为过程反馈输入分别控制第一路至第四路环流支管上的流量调节阀41、流量调节阀42、流量调节阀43、流量调节阀44。即支路PID控制器121控制第一路环流支管上的流量调节阀41、支路PID控制器122控制第二路环流支管上的流量调节阀42、支路PID控制器123控制第三路环流支管上的流量调节阀43、支路PID控制器124控制第四路环流支管上的流量调节阀44。

在实际应用中，通常使用PLC实现上述RH真空环流控制，PLC中一般有预设的PID控制器，按照上述RH真空环流控制装置搭建控制模型，根据实际需要进行调试和设置参数。

通常PLC采用数字PID控制方式(即预设的都是数字PID控制器)，根据采用值进行数字PID运算。因此积分和微分项是无法进行准确计算的，而是使用数值计算的方法进行逼近。数字PID运算分为位置式和增量式，应用更多的是增量式，增量式数字PID运算的表达式为：

ΔU(k)＝Kp[E(k)-E(k-1)]+Ki×E(k)+Kd[E(k)-2E(k-1)+E(k-2)]

各路环流支管的PID控制器的量程根据各自支路上的流量变送器设计，各个支路设计量程之和作为主PID控制器的量程。各个参数需根据具体系统不断调试得到。

例如使用日本富士电机的MICREX-AX PLC进行控制时，其需要设定的PID控制器参数界面如图10所示，参数界面30中几个主要参数意义为：PV-过程反馈值，SV-设定值，MV-输出开度值，dMVH-输出变化值高报警，DTI-采样时间，P-比率带，I-积分时间，D-微分时间，GAP-设定值与反馈值差值的带宽，CUT-小信号切除。

PID控制器主要分析计算输出信号(指变化量)ΔMV与偏差信号E(E＝PV-SV)之间的关系，公式为：

式中：

k代表PID控制器已完成的计算次数，一个采样周期计算一次。

E_k＝PV_k-SV_k

P：比率调节系数，1.0~655.3％

I：积分时间，0.2~3276.6秒

D：微分时间，0.0~900.0秒

DTI：采样时间，0.2~3276.6秒

通过调试运行设定各个关键参数，从而调节响应速度和振荡量，使得系统能够快速达到稳定状态，稳定误差较小。

本发明通过提供一种一分多路串级PID控制模型进行RH真空环流控制，能够及时准确地跟踪环流总管的设定流量值，缩短响应时间，减少动态偏差和稳态偏差，更好的满足工艺需求，从而保证产品的品质。并且当某个环流支管发生故障时，可以自动地将此环流支管的流量分配给其它环流支管，及时迅速地达到稳态控制，以适应快节奏的生产需求。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种RH真空环流控制方法，包括以各路环流支管的支路流量设定值为设定输入、以各路环流支管上的流量变送器的流量检测值为过程反馈输入的多个支路PID控制器分别对各路环流支管上的流量阀进行控制，其特征在于，还包括：

计算各路环流支管上的流量变送器的流量检测值之和；

以环流总管流量设定值为设定输入、以所述流量检测值之和为过程反馈输入进行PID运算得到主输出开度值；

将所述主输出开度值分配给所述多个支路PID控制器作为各路环流支管的支路流量设定值。

2.根据权利要求1所述的RH真空环流控制方法，其特征在于，所述分配为比例分配。

3.根据权利要求1或2所述的RH真空环流控制方法，其特征在于，所述多个支路PID控制器均为数字PID控制器。

4.根据权利要求3所述的RH真空环流控制方法，其特征在于，所述数字PID控制器为位置式PID控制器或增量式PID控制器。

5.一种RH真空环流控制装置，包括分别对各路环流支管上的流量阀进行控制的多个支路PID控制器，所述多个支路PID控制器以各路环流支管的支路流量设定值为设定输入、以各路环流支管上的流量变送器的流量检测值为过程反馈输入，其特征在于，还包括：

求和单元，用于计算各路环流支管上的流量变送器的流量检测值之和；

主PID控制器，用于以环流总管流量设定值为设定输入、以所述求和单元的计算结果为过程反馈输入进行PID运算得到主输出开度值；

分配单元，用于将所述主输出开度值分配给所述多个支路PID控制器作为各路环流支管的支路流量设定值。

6.根据权利要求5所述的真空环流控制装置，其特征在于，所述分配单元为乘法器。

7.根据权利要求5或6所述的真空环流控制装置，其特征在于，所述主PID控制器和多个支路PID控制器均为数字PID控制器。

8.根据权利要求7所述的真空环流控制装置，其特征在于，所述数字PID控制器为位置式PID控制器或增量式PID控制器。

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