CN104120211B - 一种氧枪启动控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于冶金行业炼钢技术领域，提供一种氧枪启动控制方法及装置，所述方法包括：建立带限幅值的斜坡模型和一阶惯性模型；将氧枪原始的速度设定信号依次通过所述斜坡模型和一阶惯性模型，输出氧枪速度设定值，以使氧枪电机根据所述氧枪速度设定值相应驱动氧枪。本发明通过建立斜坡模型和一阶惯性模型，一阶惯性模型输出的氧枪速度设定值较为平缓，使得氧枪电机的转速逐渐的增加到手柄设定值，保证启氧枪启动过程中不会有太大的冲击，够满足氧枪快速启动和平稳运行的工艺要求。

Description

一种氧枪启动控制方法及装置

技术领域

本发明属于冶金行业炼钢技术领域，尤其涉及一种氧枪启动控制方法及装置。

背景技术

氧枪是氧气转炉炼钢中的主要工艺设备之一，氧枪向熔池喷射高压氧气射流来实现炼钢脱碳工艺。在吹炼工艺操作中，氧枪需要频繁的移动和定位。氧枪卷扬升降装置负责氧枪的升降和定位。氧枪卷扬电机启动后其设定速度由操作员通过操作手柄给定，从操作手柄给出的信号一般都是上升时间很短的斜坡信号，可以近似看作阶跃信号。这种阶跃信号如果直接作为氧枪电机转速设定值会对设备造成很大冲击。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种氧枪启动控制方法及装置，旨在解决现有氧枪启动时，设备冲击过大的技术问题。

一方面，所述氧枪启动控制方法包括下述步骤：

建立带限幅值的斜坡模型和一阶惯性模型；

将氧枪原始的速度设定信号依次通过所述斜坡模型和一阶惯性模型，输出氧枪速度设定值，以使氧枪电机根据所述氧枪速度设定值相应驱动氧枪。

另一方面，所述氧枪启动控制装置包括：

模型建立单元，用于建立带限幅值的斜坡模型和一阶惯性模型；

转速设定值输出单元，用于将氧枪原始的速度设定信号依次通过所述斜坡模型和一阶惯性模型，输出氧枪速度设定值，以使氧枪电机根据所述氧枪速度设定值相应驱动氧枪。

本发明的有益效果是：本发明通过建立斜坡模型和一阶惯性模型，从操作手柄给出的原始的速度设定信号(阶跃信号)依次通过斜坡模型和一阶惯性模型后，输出的氧枪速度设定值较为平缓，让氧枪电机的转速逐渐的增加到手柄设定值，保证启氧枪启动过程中不会有太大的冲击，够满足氧枪快速启动和平稳运行的工艺要求。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的氧枪启动控制方法的流程图；

图2是本发明第一实施例提供的氧枪启动控制原理图；

图3是a_max随T₁/t_E变化的曲线图；

图4是T₂随T₁/t_E变化的曲线图；

图5是氧枪速度设定值曲线随时间变化的曲线图；

图6是氧枪加速度随时间变化的曲线图；

图7是本发明第二实施例提供的氧枪启动控制装置的结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

实施例一：

图1示出了本发明实施例提供的氧枪启动控制方法的流程，为了便于说明仅示出了与本发明实施例相关的部分。

步骤S101、建立带限幅值的斜坡模型和一阶惯性模型；

步骤S102、将氧枪原始的速度设定信号依次通过所述斜坡模型和一阶惯性模型，输出氧枪速度设定值，以使氧枪电机根据所述氧枪速度设定值相应驱动氧枪。

结合图2所示的氧枪启动控制原理图，当原始的速度设定信号x(即阶跃信号x)通过斜坡模型后，其输出y随时间的关系可以表示：

$y\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& t<0\\ \mathrm{at}& 0\&le;t\&le;T_1\\ x& t\&GreaterEqual;T_1\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，a为斜坡模型的斜率；

T₁为斜坡模型的快速加速时间；

x为原始的速度设定信号，aT₁＝x。

y(t)为在时间t下斜坡模型的输出。

根据传递函数后，当y(t)通过一阶惯性模型后，其输出z满足如下微分方程：

$\frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{T_2}z=\frac{1}{T_2}y---\left(2\right)$

y、z为均为连续函数，联立方程(1)、(2)得到z(t)的表达式为：

$z\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& t<0\\ \mathrm{at}-T_{2}a+T_{2}a{e}^{-t/T_2}& 0\&le;t<T_1\\ x+(1-e^{T_1/T_2})T_2{\mathrm{ae}}^{-t/T_2}& t\&GreaterEqual;T_1\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，T₂为一阶惯性模型的时间常数；

z(t)为y(t)经过一阶惯性模型后的输出，即输出的氧枪速度设定值。

氧枪电机接收到氧枪速度设定值后，对应控制启动氧枪。

由于z(t)为氧枪速度设定值，其倒数即加速度设定值，具体为：

$z^{\&prime;}\left(t\right)=\frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{dt}}=\left\{\begin{array}{cc}0& t<0\\ a-{\mathrm{ae}}^{-t/T_2}& 0\&le;t<T_1\\ (e^{T_1/T_2}-1){\mathrm{ae}}^{-t/T_1}& t\&GreaterEqual;T_1\end{array}\right.---\left(4\right)$

可见z'(t)是连续函数，即设定加速度无跳跃或者突变，则启动过程中要求的设定转矩(即氧枪受力)不会突变，所以本实施例提供的氧枪启动控制方法不会给氧枪带来柔性冲击。

另外在0≤t＜T₁阶段，加速度z'(t)随着t的增大而增大，正好满足设备快速启动的工艺要求，这一阶段被称为快速启动阶段，在t＝T₁时刻，加速度达到最大值在t＞T₁后，z'(t)随着t的增大而逐步减小到0，即设备的运行速度逐渐达到运行设定值，这样能够满足工艺规定的设备平稳运行的要求，也不会使设备产生速度超调现象。

假设在t_E时刻，z(t_E)的值达到原始给定的速度设定信号值x的99.9％，此时即可认为它已经达到给定值，启动加速过程结束，t_E为启动总加速时间。根据公式(1)、(3)，对于确定的T₁和T₂(a变化)，t_E只与T₁，T₂有关系与x无关，即总加速时间与给定速度大小无关。对于确定的a(T₁变化)和T₂，t_E与a、T₂和x都有关系，即总加速时间与给定速度大小有关。在实际应用中需要t_E与x相关，一般x采用被额定速度归一化后的百分数表示，即x＝100％表示当前设定速度为额定速度，那么对应x＝100％时t_E的值为系统额定启动加速时间，T₁＝1/a为额定快速启动时间。从公式(3)可以得到总加速时间的计算公式：

$t_E=-T_2\ln \frac{0.001}{(1-e^{1/\left(a{T}_2\right)})a{T}_2}---\left(5\right)$

一般实际应用中会根据生产工艺要求指定系统额定启动总加速时间t_E，T₁可以在(0,t_E)范围内取值，当t_E确定后，加速过程中的最大加速是关于T₁的减函数，如图3显示的t_E分别等于1，2，3，4时，a_max随T₁/t_E变化的曲线，可见随着T₁/t_E增大a_max减小，实际应用中也是总是希望t_E一定时，a_max尽量小一些，这样可以减小传动装置的容量。一般取T₁/t_E＝0.85～0.95，即快速启动时间占总启动时间的85％～95％。于是有：

T₁＝1/a＝(0.85～0.95)T_E(6)

联立方程(5)、(6)可以求解一阶惯性模型的时间常数T₂。图4示出了t_E分别等于1，2，3，4时，T₂随T₁/t_E变化的曲线。在确定T₁、a、T₂后，根据公式(3)即可得到在各个时间段下氧枪的速度设定值z(t)。

公式(3)中z(t)为连续函数，实际应用时，直接计算z(t)非常麻烦，当采用PLC等数字控制器实现本实施例方法时，将公式(2)的微分用差分代替，并结合公式(1)进行离散化处理即可得到递推形式，如下：

斜坡模型： $y\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{akTs}& k<T_1/\mathrm{Ts}\\ x& k\&GreaterEqual;T_1/\mathrm{Ts}\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中，k为采样步数；

Ts为采样周期；

x为原始的速度设定信号，为常数；

y(k)表示第k步时斜坡模型的输出；

a表示斜坡模型的斜率；

T₁表示斜坡模型的快速环节加速时间，aT₁＝x。

一阶惯性模型： $z\left(k\right)=\frac{T_2}{T_2+\mathrm{Ts}}z(k-1)+\frac{\mathrm{Ts}}{T_2+\mathrm{Ts}}y\left(k\right)---\left(8\right)$

其中，T₂表示一阶惯性环节的时间常数；

z(k)为y(t)经过一阶惯性模型的输出。

一般情况下Ts＝0.01秒，当确定T₁、a、T₂后，根据公式(8)可以计算得到各个采样时刻点下氧枪的速度设定值z(k)。

下面列举一具体实例：

假设某炼钢厂氧枪系统要求的额定启动总加速时间t_E＝1s，并希望其中85％的时间为快速启动时间，则T₁＝0.85s，a＝1/0.85T_E＝1.1765，解方程(5)求得T₂＝0.0392，则a_max＝1.1765；如果希望其中95％的时间为快速启动时间，则T₁＝0.95s，a＝1/0.95T_E＝1.0526，解方程(5)求得T₂＝0.0172，则a_max＝1.0526。当手柄给定的信号为从0-100％的阶跃信号时，最终的氧枪速度设定值曲线和加速度曲线分别如图5、6所示。

实施例二：

图7示出了本发明实施例提供的氧枪启动控制装置的结构，为了便于说明仅示出了与本发明实施例相关的部分。

本实施例提供的氧枪启动控制装置包括：

模型建立单元71，用于建立带限幅值的斜坡模型和一阶惯性模型；

转速设定值输出单元72，用于将氧枪原始的速度设定信号依次通过所述斜坡模型和一阶惯性模型，输出氧枪速度设定值，以使氧枪电机根据所述氧枪速度设定值相应驱动氧枪。

上述功能单元71、72对应实现了实施例一种的步骤S101、S102，通过模型建立单元71建立带限幅值的斜坡模型和一阶惯性模型，然后将氧枪原始的速度设定信号依次通过所述斜坡模型和一阶惯性模型，转速设定值输出单元72输出氧枪速度设定值，氧枪电机根据所述氧枪速度设定值相应驱动氧枪。

本实施例中，所述模型建立单元71建立的斜坡模型为：

$y\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& t<0\\ \mathrm{at}& 0\&le;t\&le;T_1\\ x& t\&GreaterEqual;T_1\end{array}\right.;$

其中，a为斜坡模型的斜率；

T₁为斜坡模型的快速加速时间；

x为原始的速度设定信号，aT₁＝x；

y(t)为在时间t下斜坡模型的输出。

所述模型建立单元71建立的一阶惯性模型，其传递函数为一阶惯性模型具体为：

$z\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& t<0\\ \mathrm{at}-T_{2}a+T_{2}a{e}^{-t/T_2}& 0\&le;t<T_1\\ x+(1-e^{T_1/T_2})T_2{\mathrm{ae}}^{-t/T_2}& t\&GreaterEqual;T_1\end{array}\right.;$

其中，T₂为一阶惯性模型的时间常数；

z(t)为y(t)经过一阶惯性模型后的输出。

在具体实现时，所述氧枪启动控制装置为数字控制器，如PLC等等。此时，所述模型建立单元建立的斜坡模型为：

$y\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{akTs}& k<T_1/\mathrm{Ts}\\ x& k\&GreaterEqual;T_1/\mathrm{Ts}\end{array}\right.;$

其中，k为采样步数；

Ts为采样周期；

x为原始的速度设定信号，为常数；

y(k)表示第k步时斜坡模型的输出；

a表示斜坡模型的斜率；

T₁表示斜坡模型的快速环节加速时间，aT₁＝x。

所述模型建立单元建立的一阶惯性模型，其传递函数为一阶惯性模型具体为：

$z\left(k\right)=\frac{T_2}{T_2+\mathrm{Ts}}z(k-1)+\frac{\mathrm{Ts}}{T_2+\mathrm{Ts}}y\left(k\right);$

其中，T₂表示一阶惯性环节的时间常数；

z(k)为y(t)经过一阶惯性模型的输出。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种氧枪启动控制方法，其特征在于，所述方法包括：

建立带限幅值的斜坡模型和一阶惯性模型；

将氧枪原始的速度设定信号依次通过所述斜坡模型和一阶惯性模型，输出氧枪速度设定值，以使氧枪电机根据所述氧枪速度设定值相应驱动氧枪；

所述斜坡模型为：

$y\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& t<0\\ at& 0\&le;t<T_1\\ x& t\&GreaterEqual;T_1\end{array}\right.;$

其中，a为斜坡模型的斜率；

T₁为斜坡模型的快速加速时间；

x为原始的速度设定信号，aT₁＝x；

y(t)为在时间t下斜坡模型的输出；

所述一阶惯性模型的传递函数为一阶惯性模型具体为：

$z\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& t<0\\ at-T_{2}a+T_2{\mathrm{ae}}^{-t/T_2}& 0\&le;t<T_1\\ x+(1-e^{T_1/T_2})T_2{\mathrm{ae}}^{-t/T_2}& t\&GreaterEqual;T_1\end{array}\right.;$

其中，T₂为一阶惯性模型的时间常数；

z(t)为y(t)经过一阶惯性模型后的输出。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，当采用数字控制器实现时，所述斜坡模型为：

$y\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}akTs& k<T_1/Ts\\ x& k\&GreaterEqual;T_1/Ts\end{array}\right.;$

其中，k为采样步数；

Ts为采样周期；

x为原始的速度设定信号，为常数；

y(k)表示第k步时斜坡模型的输出；

a表示斜坡模型的斜率；

T₁表示斜坡模型的快速环节加速时间，aT₁＝x；

所述一阶惯性模型的传递函数为一阶惯性模型具体为：

$z\left(k\right)=\frac{T_2}{T_2+Ts}z(k-1)+\frac{Ts}{T_2+Ts}y\left(k\right);$

其中，T₂表示一阶惯性环节的时间常数；

z(k)为y(t)经过一阶惯性模型的输出。

3.一种氧枪启动控制装置，其特征在于，所述装置包括：

模型建立单元，用于建立带限幅值的斜坡模型和一阶惯性模型；

转速设定值输出单元，用于将氧枪原始的速度设定信号依次通过所述斜坡模型和一阶惯性模型，输出氧枪速度设定值，以使氧枪电机根据所述氧枪速度设定值相应驱动氧枪；

所述模型建立单元建立的斜坡模型为：

$y\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& t<0\\ at& 0\&le;t<T_1\\ x& t\&GreaterEqual;T_1\end{array}\right.;$

其中，a为斜坡模型的斜率；

T₁为斜坡模型的快速加速时间；

x为原始的速度设定信号，aT₁＝x；

y(t)为在时间t下斜坡模型的输出；

所述模型建立单元建立的一阶惯性模型，其传递函数为一阶惯性模型具体为：

$z\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& t<0\\ at-T_{2}a+T_2{\mathrm{ae}}^{-t/T_2}& 0\&le;t<T_1\\ x+(1-e^{T_1/T_2})T_2{\mathrm{ae}}^{-t/T_2}& t\&GreaterEqual;T_1\end{array}\right.;$

其中，T₂为一阶惯性模型的时间常数；

z(t)为y(t)经过一阶惯性模型后的输出。

4.如权利要求3所述装置，其特征在于，所述装置为数字控制器，所述模型建立单元建立的斜坡模型为：

$y\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}akTs& k<T_1/Ts\\ x& k\&GreaterEqual;T_1/Ts\end{array}\right.;$

其中，k为采样步数；

Ts为采样周期；

x为原始的速度设定信号，为常数；

y(k)表示第k步时斜坡模型的输出；

a表示斜坡模型的斜率；

T₁表示斜坡模型的快速环节加速时间，aT₁＝x；

所述模型建立单元建立的一阶惯性模型，其传递函数为一阶惯性模型具体为：

$z\left(k\right)=\frac{T_2}{T_2+Ts}z(k-1)+\frac{Ts}{T_2+Ts}y\left(k\right);$

其中，T₂表示一阶惯性环节的时间常数；

z(k)为y(t)经过一阶惯性模型的输出。