CN112180997A - 基于ccd液位检测的薄带连铸熔池液位控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CCD液位检测的薄带连铸熔池液位控制方法、装置、存储介质及计算机设备。其中方法包括：通过CCD液位检测系统检测熔池不同位置的液位高度，并将不同位置的液位高度输入到液位高度数据处理模型中，得到熔池内的实时液位高度；将熔池内的实时液位高度和目标液位高度分别输入到熔池液位高度与熔池内钢液体积之间的对应函数中，得到实时钢液体积和目标钢液体积；根据实时钢液体积和目标钢液体积，得到钢液体积变化速率，并在开浇时根据钢液体积变化速率对铸辊拉速进行闭环控制；当铸辊拉速和熔池内的实时液位高度达到预设的稳定状态后，采用过程参数PID控制器控制熔池内的液位高度，使熔池液位保持稳定状态。上述方法可以提高熔池液位控制精确性。

Description

基于CCD液位检测的薄带连铸熔池液位控制方法和装置

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，尤其是涉及一种基于CCD液位检测的薄带连铸熔池液位控制方法、装置、存储介质及计算机设备。

背景技术

与常规连铸相比，薄带连铸省去了铸锭加热、开坯以及多道次轧制等多道工序，节省了大量人力成本以及能源成本，节省了铸锭铣面的流程，减少了热轧后切头切尾的工序，提高了成材率，并且薄带连铸设备占地面积小，简单集中，前期投资较小，此外，薄带连铸还具有独特的亚快速凝固特性，微观组织特殊，性能优越，得到的铸带厚度接近最终产品厚度，对于某些低塑性材料、难加工材料及功能材料的制取存在明显的优势。

薄带连铸的工艺特性要求熔池内钢液流动活跃且流场均匀，从而保证熔池内各区域钢液更新顺畅，避免出现流场死区以及流场死区带来的冷钢凝结。但是在实际的生产过程中发现，在保证钢液流动活跃，流场均匀的同时，还需要保证熔池液位的相对稳定，即熔池液位不能有过大的波动。这是因为：首先液位波动会直接导致铸带厚度的变化，造成最终产品规格的波动。其次在液位波动的过程中，液位的起落在熔池表面各个区域并不是均匀且平稳的，而是以波浪的形式由布流器向外传导，这种波浪一旦传导至熔池与铸辊相接触的部位，就会严重影响凝固坯壳的凝固过程，进而造成局部的铸带厚度变化，其中过厚的部分在经过铸辊辊缝挤压之后，会在过厚部位的周围形成凹陷，这种凹陷即使经过轧制环节也不会消失，最终影响产品的力学性能。

在薄带连铸的生产过程中，熔池表面生成冷钢对于生产的连续性影响也是致命的。一旦冷钢在熔池内形成，如果熔池不能保证稳定，则很有可能会增加冷钢与熔池内气体接触的时间，助长冷钢生成的速度。综上所述，从工艺需求角度出发，铸辊区域的最终控制目标应当是将熔池液位、铸辊拉速、轧制力等参数稳定在工艺需求的某个定值，且误差应尽可能小。

由上述内容可以看出，由于薄带连铸生产工艺的特殊性，生产出质量合格且性能稳定的带钢，需要严格控制生产过程中的各项参数，其中熔池液位的控制更是一个核心环节。对于熔池液位的控制，国内外已经有了较多的研究与尝试，例如发明专利WO2006/071039A1中设计了一种鲁棒控制法，用以保证熔池液位稳定；发明专利CN 101349923A中设计了一种周期波动的熔池液位控制方法，用以避免生产过程中的冷钢形成。

但是，在熔池液位控制的过程中，由于塞棒与熔池之间存在布流水口，塞棒动作与液位变化之间存在较大延迟，属于大滞后环节，虽然可以通过设计算法弥补滞后环节带来的影响，但是在实际生产中由于塞棒、水口制作的偏差，以及耐材冲刷消耗等不可控因素，设计出的熔池液位控制方法往往很难奏效，控制精确性较差。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种基于CCD液位检测的薄带连铸熔池液位控制方法、系统、存储介质及计算机设备，主要目的在于解决薄带连铸熔池液位控制精确性较差的技术问题。

根据本发明的第一个方面，提供了一种基于CCD液位检测的薄带连铸熔池液位控制方法，该方法包括：

通过CCD液位检测系统检测熔池不同位置的液位高度，并将不同位置的液位高度输入到液位高度数据处理模型中，得到熔池内的实时液位高度；

将熔池内的实时液位高度和目标液位高度分别输入到熔池液位高度与熔池内钢液体积之间的对应函数中，得到实时钢液体积和目标钢液体积；

根据实时钢液体积和目标钢液体积，得到钢液体积变化速率，并在开浇时根据钢液体积变化速率对铸辊拉速进行闭环控制；

当铸辊拉速和熔池内的实时液位高度达到预设的稳定状态后，采用过程参数PID控制器控制熔池内的液位高度，使熔池液位保持稳定状态。

根据本发明的第二个方面，提供了一种基于CCD液位检测的薄带连铸熔池液位控制装置，该装置包括：

数据获取模块，用于通过CCD液位检测系统检测熔池不同位置的液位高度，并将不同位置的液位高度输入到液位高度数据处理模型中，得到熔池内的实时液位高度；

数据处理模块，用于将熔池内的实时液位高度和目标液位高度分别输入到熔池液位高度与熔池内钢液体积之间的对应函数中，得到实时钢液体积和目标钢液体积；

数据调整模块，用于根据实时钢液体积和目标钢液体积，得到钢液体积变化速率，并在开浇时根据钢液体积变化速率对铸辊拉速进行闭环控制；

数据控制模块，用于当铸辊拉速和熔池内的实时液位高度达到预设的稳定状态后，采用过程参数PID控制器控制熔池内的液位高度，使熔池液位保持稳定状态。

根据本发明的第三个方面，提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现上述基于CCD液位检测的薄带连铸熔池液位控制方法。

根据本发明的第四个方面，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述基于CCD液位检测的薄带连铸熔池液位控制方法。

本发明提供的一种基于CCD液位检测的薄带连铸熔池液位控制方法、装置、存储介质及计算机设备，首先通过CCD液位检测系统对熔池不同位置上的液位高度进行采集和处理，获得了熔池内的实时液位高度，然后根据熔池内的实时液位高度和目标液位高度，得到了实时钢液体积、目标钢液体积以及钢液体积变化速率，继而根据钢液体积变化速率对铸辊拉速进行闭环控制，最后采用过程参数PID控制器对熔池内的液位高度进行控制，使熔池液位达到稳定状态。上述方法基于CCD液位检测技术，根据得到的实时液位高度对铸辊拉速进行精确控制，最终将熔池液位稳定在工艺需求的范围内。通过使用本方法，能够精确控制熔池液位，为稳定产品性能，以及更精确的工艺调控创造了条件。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明实施例提供的一种基于CCD液位检测的薄带连铸熔池液位控制方法的流程示意图；

图2示出了本发明实施例提供的另一种基于CCD液位检测的薄带连铸熔池液位控制方法的流程示意图；

图3示出了本发明实施例提供的一种浇铸结构示意图；

图4示出了本发明实施例提供的一种CCD液位检测系统的布置示意图；

图5示出了本发明实施例提供的一种开浇调速阶段的控制逻辑示意图；

图6示出了本发明实施例提供的一种稳定连浇阶段PID控制逻辑示意图；

图7示出了本发明实施例提供的一种第一位置熔池液位曲线示意图；

图8示出了本发明实施例提供的一种第二位置熔池液位曲线示意图；

图9示出了本发明实施例提供的一种处理后熔池液位曲线示意图；

图10示出了本发明实施例提供的一种熔池内部尺寸结构示意图；

图11示出了本发明实施例提供的一种熔池液位高度与熔池内钢液体积之间的对应函数的曲线示意图；

图12示出了本发明实施例提供的一种熔池液位控制效果的曲线示意图；

图13示出了本发明实施例提供的一种基于CCD液位检测的薄带连铸熔池液位控制装置的结构示意图。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于CCD液位检测的薄带连铸熔池液位控制方法，以该方法应用于PLC控制器等计算机设备为例进行说明，包括以下步骤：

101、通过CCD液位检测系统检测熔池不同位置的液位高度，并将不同位置的液位高度输入到液位高度数据处理模型中，得到熔池内的实时液位高度。

其中，CCD液位检测系统是一种由CCD(Charge-coupled Device)感光元件构成的液位检测系统，利用CCD液位检测系统进行液位检测是冶金连铸工程技术领域的一项前沿性技术，该项技术可以解决传统液位检测方法存在的技术难点，尤其是在高温、高亮、强干扰等恶劣环境下检测精度不高的问题，同时，该设备体积小，安装方便，耐高温，能够保证该系统在恶劣环境下长期连续稳定运行。

具体的，计算机设备可以通过CCD液位检测系统检测熔池不同位置上的液位高度，并将获取到的不同位置的液位高度传入到自动控制系统中的PLC控制器中，并利用液位高度数据处理模型进行计算，得到熔池内的实时液位高度，在本实施例中，不同位置的液位高度至少包括两个液位检测位置，且至少两个液位检测位置至少包括第一位置和第二位置，在每个液位检测位置上，均设置有CCD液位检测装置，用于测量熔池不同方位上的液位高度，对于第一位置和第二位置的具体设置方位，可以是熔池的传动侧和操作侧，也可以根据实际生产环境进行调整，本实施例在此不做具体限定。在本实施例中，自动控制系统可以包括CCD液位检测系统、PLC控制器、人机交互界面(HMI)和变频传动系统。其中，CCD液位检测系统用于将采集到的液位数据发送至PLC控制器中；PLC控制器用于进行数据处理与计算；人机交互界面(HMI)用于进行数据和设备状态的显示；变频传动系统负责执行PLC控制器输出的铸辊拉速。

102、将熔池内的实时液位高度和目标液位高度分别输入到熔池液位高度与熔池内钢液体积之间的对应函数中，得到实时钢液体积和目标钢液体积。

具体的，计算机设备可以首先获取熔池液位高度与熔池内钢液体积之间的对应函数，然后将熔池内的实时液位高度和目标液位高度分别输入到熔池液位高度与熔池内钢液体积之间的对应函数中，得到实时钢液体积和目标钢液体积。其中，熔池液位高度与熔池内钢液体积之间的对应函数会根据水口形状的不同而有所不同。

103、根据实时钢液体积和目标钢液体积，得到钢液体积变化速率，并在开浇时根据钢液体积变化速率对铸辊拉速进行闭环控制。

具体的，计算机设备可以根据实时钢液体积和目标钢液体积，得到钢液体积变化速率，并在开浇时根据钢液体积变化速率对铸辊拉速进行闭环控制。在本实施例中，在开浇时对铸辊拉速使用开浇调速策略进行闭环控制，可以保证熔池快速形成，使铸辊拉速和熔池液位快速进入基本稳定状态，实现自动开浇。

在实际工作过程中，由于塞棒以及耐材制作存在偏差，会导致开浇时刻的布流包流量是不可预估的，塞棒系统需要整体系统稳定后才能够通过反馈精确控制布流包流量。如果一开始就使用PID控制器精调，则必然会出现长时间的震荡，熔池迟迟无法进入稳态，进而引发铸机后续环节的问题。因此需要在开浇时刻采用上述的控制策略，来弥补塞棒以及耐材制作的误差，使熔池迅速进入稳态。

104、当铸辊拉速和熔池内的实时液位高度达到预设的稳定状态后，采用过程参数PID控制器控制熔池内的液位高度，使熔池液位保持稳定状态。

具体的，当铸辊拉速与熔池液位进入稳定状态后，铸辊拉速闭环控制可以切换为稳定连铸策略，即通过使用过程参数PID控制器，精确控制熔池液位高度，其中，PID控制以铸辊拉速为输出量，以熔池在目标液位下的钢液重量为目标量，以熔池实际钢液重量作为反馈量。因薄带连铸生产自动化程度要求较高，一旦PID参数选取不合适造成生产终止，会造成较大的经济损失，因此在投用PID控制器之前，需大致确定PID参数选取范围，以保证熔池液位大致可控，在PID参数选取得当的情况下，可以使熔池内的液位高度得到精确的控制。

本实施例提供的基于CCD液位检测的薄带连铸熔池液位控制方法，首先通过CCD液位检测系统对熔池不同位置上的液位高度进行采集和处理，获得了熔池内的实时液位高度，然后根据熔池内的实时液位高度和目标液位高度，得到了实时钢液体积、目标钢液体积以及钢液体积变化速率，继而根据钢液体积变化速率对铸辊拉速进行闭环控制，最后采用过程参数PID控制器对熔池内的液位高度进行控制，使熔池液位达到稳定状态。上述方法基于CCD液位检测技术，根据得到的实时液位高度对铸辊拉速进行精确控制，最终将熔池液位稳定在工艺需求的范围内。通过使用本方法，能够精确控制熔池液位，为稳定产品性能，以及更精确的工艺调控创造了条件。

进一步的，作为上述实施例具体实施方式的细化和扩展，为了完整说明本实施例的实施过程，提供了基于CCD液位检测的薄带连铸熔池液位控制方法，如图2所示，该方法包括以下步骤：

201、通过CCD液位检测系统检测熔池不同位置的液位高度，并将不同位置的液位高度输入到液位高度数据处理模型中，得到熔池内的实时液位高度。

体的，计算机设备可以通过CCD液位检测系统检测熔池液位不同位置的液位高度，并将获取到的不同位置的液位高度传入到自动控制系统中的PLC控制器中，并利用液位高度数据处理模型进行计算，得到熔池内的实时液位高度，其中，不同位置的液位高度至少包括两个液位检测位置，且至少两个液位检测位置至少包括第一位置和第二位置，在每个液位检测位置上，均设置有CCD液位检测装置，用于测量熔池不同方位上的液位高度，对于第一位置和第二位置的具体设置方位，可以是熔池的传动侧和操作侧，也可以根据实际生产环境进行调整，本实施例在此不做具体限定。在本实施例中，自动控制系统可以包括CCD液位检测系统、PLC控制器、人机交互界面(HMI)和变频传动系统。其中，CCD液位检测系统用于将采集到的液位数据发送至PLC控制器中；PLC控制器用于进行数据处理与计算；人机交互界面(HMI)用于进行数据和设备状态的显示；变频传动系统负责执行PLC控制器输出的铸辊拉速。

进一步的，在本实施例提出的液位控制方法可以应用于图3所示的浇铸结构中。在图1中，标号1为塞棒，负责调节自中包向布流包的钢液流量；标号2为中包，负责承接自大包浇灌的钢液；标号3为中包水口；标号4为布流包，负责稳定自中包至熔池的流量；标号5为布流水口，负责将钢液均匀地分布至熔池中；标号6为钢液熔池；标号7和标号8为铸辊。如图1所示，中包内的塞棒只控制布流包内钢液的重量，即便塞棒在控制过程中出现了较大的超调，也不会对熔池内液位造成不可控的影响。这样一来，塞棒动作与熔池液位控制不直接相关，对塞棒的控制要求降低，控制更为简单，准确性更高，对耐材生产制造过程中产生的误差有了更高的容错率。而重量稳定后的布流包，可以视为在一定时刻内向熔池浇灌的流量是稳定的，这为通过拉速稳定控制熔池液位提供了条件。

进一步的，在如图3所示的浇铸结构中，CCD液位检测系统的布置示意图可以如图4所示，其中，图中标号1为第一位置的CCD相机，标号2为第二位置的CCD相机，标号3为熔池，标号4和标号5为铸辊。进一步的，本实施例所用的液位高度数据处理模型可以通过如下函数进行表示：

其中，L为处理后的液位高度；L_O为CCD系统发送第一位置液位实测高度，单位为mm；

为第一位置液位对时间的微分，即第一位置液位在一定时间内的波动量；L_D为CCD系统发送第二位置液位实测高度，单位为mm；

为第二位置液位对时间的微分，即第二位置液位在一定时间内的波动量；L_a为CCD系统可信最低液位高度，单位为mm，铸辊自身尺寸决定了熔池一旦低于此液位，CCD检测误差会明显增加，且低液位并不在工艺期望的生产窗口之内，对低液位进行精确控制无意义；L_b为液位波动最大允许值，单位为mm，若计算后液位波动大于此值，视为液面波动剧烈，CCD反馈数据失真；L_c为液位允许最大偏差值，单位为mm，若第一位置与第二位置液位检测大于此值，则视为熔池内存在异物干扰CCD检测；Error表示当前第一位置与第二位置CCD系统反馈值均不可用，控制系统仍使用前一时刻的处理结果，直至Error状态取消。

进一步的，第一位置液位高度在预定时间内的波动量

与第二位置液位高度在预定时间内的波动量

的计算方法为：

其中，L₁，L₂···L_n为前n个时刻CCD液位检测系统发送的液位高度值，通过计算每个时刻变化量绝对值的和，可以量化地反映液位的波动情况。

具体的，如果某一侧变化率计算出的结果为0，则说明此侧CCD检测数据没有变化，这在实际生产中是不可能发生的，这说明可能发生了CCD数据传输中断，导致数据没有更新，也可能是熔池冷钢过多，阻挡了CCD系统的图像采集。对CCD发送的数据进行处理，并不是为了提高CCD检测精度，而是为了排除熔池内异常状况对CCD检测的干扰，减少数据波动，抑制控制过程中的突变，同时避免CCD系统故障造成数据的传输错误。

202、将熔池内的实时液位高度和目标液位高度分别输入到熔池液位高度与熔池内钢液体积之间的对应函数中，得到实时钢液体积和目标钢液体积。

具体的，计算机设备可以将首先获取熔池液位高度与熔池内钢液体积之间的对应函数，然后将熔池内的实时液位高度和目标液位高度分别输入到熔池液位高度与熔池内钢液体积之间的对应函数中，得到实时钢液体积和目标钢液体积。

在本实施例中，熔池液位高度与熔池内钢液体积之间的对应函数会根据水口形状的不同而有所不同，在一种可选的实施方式中，熔池液位高度与熔池内钢液体积之间的对应函数可以通过如下函数进行表示：

其中，V为熔池内钢液体积，单位为mm³；G₁为铸辊长度，即熔池长度，单位为mm；G₂为浸入式水口长度，单位为mm；h为熔池内的液位高度，单位为mm；R为铸辊半径，单位为mm；J为铸辊当前辊缝，单位为mm；E为浸入式水口下端距离铸辊中心线的距离，单位为mm；f(h-E)为浸入式水口进入钢液中的截面积关于液位高度的函数。

203、根据实时钢液体积和目标钢液体积，得到钢液体积变化速率，并在开浇时根据钢液体积变化速率对铸辊拉速进行闭环控制。

具体的，计算机设备可以根据实时钢液体积和目标钢液体积，得到钢液体积变化速率，并在开浇时根据钢液体积变化速率对铸辊拉速进行闭环控制。在本实施例中，在开浇时对铸辊拉速使用开浇调速策略进行闭环控制，可以保证熔池快速形成，使铸辊拉速和熔池液位快速进入基本稳定状态，实现自动开浇。

在实际工作过程中，由于塞棒以及耐材制作存在偏差，会导致开浇时刻的布流包流量是不可预估的，塞棒系统需要整体系统稳定后才能够通过反馈精确控制布流包流量。如果一开始就使用PID控制器精调，则必然会出现长时间的震荡，熔池迟迟无法进入稳态，进而引发铸机后续环节的问题。因此需要在开浇时刻采用上述的控制策略，来弥补塞棒以及耐材制作的误差，使熔池迅速进入稳态。

进一步的，在开浇时对铸辊拉速进行闭环控制的具体方法为：以熔池内钢液体积变化速率

为控制目标，而不是直接控制实时钢液体积V_act。在此阶段中，可以根据不同液位高度、不同钢液体积变化速率

来控制铸辊加速或减速，此阶段最终控制目标为：

|L_aim-L|<L_s

其中，L_aim为目标液位高度；L为熔池内的实时液位高度；L_s为开浇调速阶段目标液位差值，单位为mm；

为熔池内钢液体积变化速率，K_s为开浇调速阶段目标液位变化速率，单位为mm/s，其中，本阶段控制逻辑示意图如图5所示，在图5中，K_min为系统允许最小速度变化率，K_max为系统允许最大速度变化率。

204、当铸辊拉速和熔池内的实时液位高度达到预设的稳定状态后，采用过程参数PID控制器控制熔池内的液位高度，使熔池液位保持稳定状态。

具体的，当铸辊拉速与熔池液位进入稳定状态后，铸辊拉速闭环控制可以切换为稳定连铸策略，即通过使用PID控制器，精确控制熔池液位高度，其中，PID控制以铸辊拉速为输出量，以熔池在目标液位下的钢液重量为目标量，以熔池实际钢液重量作为反馈量。因薄带连铸生产自动化程度要求较高，一旦因PID参数选取不合适造成生产终止，会造成较大的经济损失，因此在投用PID控制器之前，需大致确定PID参数选取范围，以保证熔池液位大致可控。

在本实施例中，确定PID控制器的P参数、I参数和D参数的选取范围的方法如下：

K_p:

其中，K_p为PID控制器中的P参数；t_plc为PID控制器的采样周期，单位为ms；k₁为P参数的调节系数，在0.5～2之间取值；v_max为工艺允许的铸辊最大拉速，单位为m/min；v_min为工艺允许的最小拉速，单位为m/min；v₀为开浇调速闭环结束时铸辊的实时拉速，单位为m/min；M_R为熔池最大钢液承载重量，单位为kg；M_La为CCD液位检测系统在可信最低液位高度时熔池内的钢液重量，单位为kg；M_aim为熔池在目标液位L_aim下的钢液重量，单位为kg；

T_i:

T_i＝k₂t_plca_lim

其中，T_i为PID控制器中的I参数，单位为ms；k₂为I参数的调节系数，在0.05～0.2之间取值；a_lim为铸辊允许的最大加速度，单位为m/(min·s)；

T_d为PID控制器中的D参数，T_d为一个时间常量，其中，T_d可以设置为一个尽量大的时间常量，使其仅在熔池液位剧烈变化时起到保护作用，在正常的生产过程中，尽可能地减弱微分环节对铸辊调速的影响，即使牺牲部分控制系统的相应速度，也要防止因铸辊速度突变，对成带质量以及后续轧制环节造成的不良影响。

具体的，本阶段的PID控制逻辑如图6所示，在图6中，M_act为当前熔池内钢液体积V_act对应的熔池内钢液重量，单位为kg；D_w为根据工艺需求设置的控制死区；I_on和D_on为根据设备状态选择是否投入积分与微分环节；H_lim与L_lim为设置的PID控制器输出限幅，在-100％～100％之间取值；v_temp为此阶段PID控制器的计算中间变量；k_fac为PID输出格式化的格式化系数，k_fac计算方法为：

其中，k₃为格式化系数调整系数，在0.5～2之间取值；图6中的v为最终发送至变频传动系统中执行的速度计算结果，单位为m/min。

通过上述方法，可以选取出非常适当的控制参数，而通过选取出的参数可以使得熔池液位能够得到精确的控制。

205、当熔池液位保持在稳定状态之后，将铸辊拉速输出到变频传动系统中，以使变频传动系统执行铸辊拉速。

具体的，当熔池液位稳定在预定状态之后，可以将铸辊拉速输出到变频传动系统中，使得变频传动系统可以执行该铸辊拉速。

本实施例提供的基于CCD液位检测的薄带连铸熔池液位控制方法，首先通过CCD液位检测系统进行图像采集与处理，获得了熔池内的实时液位高度，然后根据熔池内的实时液位高度和目标液位高度，得到了实时钢液体积、目标钢液体积以及钢液体积变化速率，继而根据钢液体积变化速率对铸辊拉速进行闭环控制，最后采用过程参数PID控制器对熔池内的液位高度进行控制，使熔池液位达到稳定状态。上述方法基于CCD液位检测技术，根据得到的实时液位高度对铸辊拉速进行精确控制，最终将熔池液位稳定在工艺需求的范围内。通过使用本方法，能够精确控制熔池液位，为稳定产品性能，以及更精确的工艺调控创造了条件。

进一步的，作为上述两个实施例的具体描述，下面将结合具体数据对基于CCD液位检测的薄带连铸熔池液位控制方法进行详细说明。

在本实施例中，设定自动控制系统的主要应用参数如下：CCD液位检测系统可信最低液位高度为L_a＝100mm；液位波动最大允许值为L_b＝10mm；液位允许最大偏差值为L_c＝5mm；数据记录时刻数为n＝6；液位高度数据处理模型为：

其中，CCD液位检测系统的第一位置与第二位置的熔池液位样例曲线如图7和图8所示，利用液位高度数据处理模型进行处理后，可以得到处理后的熔池液位曲线如图9所示。

进一步的，熔池内部尺寸结构示意图如图10所示，其中，铸辊长度为G₁＝1200mm；浸入式水口长度为G₂＝1000mm；铸辊半径为R＝250mm；铸辊当前实际辊缝为J＝2mm；浸入式水口下端距离铸辊中心线的距离为E＝150mm；浸入式水口进入钢液中的截面积关于液位高度的函数关系为(单位为mm²)：

进一步的，熔池液位高度与熔池内钢液体积之间的对应函数如下：

计算后熔池液位高度与熔池内钢液体积关系曲线如图11所示。其中，开浇调速阶段目标液位差值为V_s＝10mm；开浇调速阶段目标液位变化速率为K_s＝1.5mm/s；比例环节算式的调节系数为k₁＝1；PID控制器的采样周期为t_plc＝200ms；工艺允许的铸辊最大拉速为v_max＝100m/min；工艺允许的最小拉速为v_min＝10m/min；开浇调速闭环结束时铸辊的实时拉速v₀＝30m/min。取熔池内钢液密度为7.3×10^-6kg/mm³；经熔池液位高度与熔池内钢液体积之间的对应函数进行计算，h＝300mm时，熔池最大钢液承载重量M_R＝88kg；h＝100mm时，可信最低液位高度时熔池内的钢液重量M_La＝10kg；设熔池目标液位为200mm，h＝200mm时熔池目标钢液重量M_aim＝60kg。

PID控制器中P参数为：

设积分环节算式的调节系数k₂＝0.1；正常状态下铸辊允许的最大加速度a_lim＝2m/(min·s)，则PID控制器I参数为：

T_i＝k₂t_plca_lim＝0.1·200·2＝40ms

PID控制器D参数为：T_d＝2000ms。

进一步的，使用以上参数的PID控制器控制效果如图12所示，图中结果显示，使用所选取的参数进行PID控制，系统在5分钟内进入稳态，稳态时误差不大于1.5mm，满足工艺生产需求。如果对PID参数进行微调，还可以进一步提升控制效果。

进一步的，作为图1～图12所示方法的具体实现，本实施例提供了一种基于CCD液位检测的薄带连铸熔池液位控制装置，如图13所示，该装置包括：数据获取模块31、数据处理模块32、数据调整模块33和数据控制模块34。

数据获取模块31，用于通过CCD液位检测系统检测熔池不同位置的液位高度，并将不同位置的液位高度输入到液位高度数据处理模型中，得到熔池内的实时液位高度；

数据处理模块32，用于将熔池内的实时液位高度和目标液位高度分别输入到熔池液位高度与熔池内钢液体积之间的对应函数中，得到实时钢液体积和目标钢液体积；

数据调整模块33，用于根据实时钢液体积和目标钢液体积，得到钢液体积变化速率，并在开浇时根据钢液体积变化速率对铸辊拉速进行闭环控制；

数据控制模块34，用于当铸辊拉速和熔池内的实时液位高度达到预设的稳定状态后，采用过程参数PID控制器控制熔池内的液位高度。

在具体的应用场景中，如图13所示，本装置还包括数据输出模块35，数据输出模块35具体可用于当熔池液位保持在稳定状态之后，将铸辊拉速输出到变频传动系统中，以使变频传动系统执行铸辊拉速。

需要说明的是，本实施例提供的一种基于CCD液位检测的薄带连铸熔池液位控制装置所涉及各功能单元的其它相应描述，可以参考图1至图12中的对应描述，在此不再赘述。

基于上述如图1至图12所示方法，相应的，本实施例还提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述如图1至图12所示的基于CCD液位检测的薄带连铸熔池液位控制方法。

基于这样的理解，本申请的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该待识别软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施场景所述的方法。

基于上述如图1至图12所示的方法，以及图13所示的基于CCD液位检测的薄带连铸熔池液位控制装置实施例，为了实现上述目的，本实施例还提供了一种基于CCD液位检测的薄带连铸熔池液位控制的实体设备，具体可以为个人计算机、服务器、智能手机、平板电脑、智能手表、或者其它网络设备等，该实体设备包括存储介质和处理器；存储介质，用于存储计算机程序；处理器，用于执行计算机程序以实现上述如图1至图12所示的方法。

可选的，该实体设备还可以包括用户接口、网络接口、摄像头、射频(RadioFrequency，RF)电路，传感器、音频电路、WI-FI模块等等。用户接口可以包括显示屏(Display)、输入单元比如键盘(Keyboard)等，可选用户接口还可以包括USB接口、读卡器接口等。网络接口可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如WI-FI接口)等。

本领域技术人员可以理解，本实施例提供的一种基于CCD液位检测的薄带连铸熔池液位控制的实体设备结构并不构成对该实体设备的限定，可以包括更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。

存储介质中还可以包括操作系统、网络通信模块。操作系统是管理上述实体设备硬件和待识别软件资源的程序，支持信息处理程序以及其它待识别软件和/或程序的运行。网络通信模块用于实现存储介质内部各组件之间的通信，以及与信息处理实体设备中其它硬件和软件之间通信。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现，也可以通过硬件实现。通过应用本申请的技术方案，首先通过CCD液位检测系统进行图像采集与处理，获得了熔池内的实时液位高度，然后根据熔池内的实时液位高度和目标液位高度，得到了实时钢液体积、目标钢液体积以及钢液体积变化速率，继而根据钢液体积变化速率对铸辊拉速进行闭环控制，最后采用过程参数PID控制器对熔池内的液位高度进行控制，使熔池液位达到稳定状态。与现有技术相比，上述方法基于CCD液位检测技术，根据得到的实时液位高度对铸辊拉速进行精确控制，最终将熔池液位稳定在工艺需求的范围内。通过使用本方法，能够精确控制熔池液位，为稳定产品性能，以及更精确的工艺调控创造了条件。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施场景的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本申请所必须的。本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的模块可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

上述本申请序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。以上公开的仅为本申请的几个具体实施场景，但是，本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本申请的保护范围。

Claims (11)

1.一种基于CCD液位检测的薄带连铸熔池液位控制方法，其特征在于，所述方法包括：

通过CCD液位检测系统检测熔池不同位置的液位高度，并将所述不同位置的液位高度输入到数据处理模型中，得到熔池内的实时液位高度；

将所述熔池内的实时液位高度和目标液位高度分别输入到所述熔池液位高度与熔池内钢液体积之间的对应函数中，得到实时钢液体积和目标钢液体积；

根据所述实时钢液体积和所述目标钢液体积，得到钢液体积变化速率，并在开浇时根据所述钢液体积变化速率对铸辊拉速进行闭环控制；

当所述铸辊拉速和所述熔池内的实时液位高度达到预设的稳定状态后，采用过程参数PID控制器控制熔池内的液位高度，使熔池液位保持稳定状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不同位置的液位高度包括第一位置液位高度和第二位置液位高度，则所述液位高度数据处理模块包括：

其中，L为所述熔池内的实时液位高度；L_O为所述第一位置液位高度，单位为mm；

为所述第一位置液位高度对时间的微分，即所述第一位置液位高度在预定时间内的波动量；L_D为所述第二位置液位高度，单位为mm；

为所述第二位置液位高度对时间的微分，即所述第二位置液位高度在预定时间内的波动量；L_a为CCD液位检测系统可信最低液位高度，单位为mm；L_b为液位波动最大允许值，单位为mm；L_c为液位允许最大偏差值，单位为mm；Error表示第一位置液位高度和第二位置液位高度均不可用。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

当得到的熔池内的实时液位高度为Error时，所述熔池内的实时液位高度与前一时刻的熔池内的实时液位高度相同。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一位置液位高度在预定时间内的波动量

和所述第二位置液位高度在预定时间内的波动量

的计算方法为：

其中，L₁，L₂…L_n为前n个时刻CCD液位检测系统发送的液位高度值。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述熔池液位高度与熔池内钢液体积之间的对应函数包括：

其中，V为所述熔池内钢液体积，单位为mm³；G₁为铸辊长度，单位为mm；G₂为浸入式水口长度，单位为mm；h为当前时刻的熔池内的液位高度，单位为mm；R为铸辊半径，单位为mm；J为铸辊当前辊缝，单位为mm；E为浸入式水口下端距离铸辊中心线的距离，单位为mm；f(h-E)为浸入式水口进入钢液中的截面积关于液位高度的函数。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据钢液体积变化速率对铸辊拉速进行闭环控制，包括：

根据所述熔池内的实时液位高度和所述钢液体积变化速率，控制铸辊在一定范围内加速或减速，并达到如下控制目标：

|L_aim-L|＜L_s

其中，L_aim为所述目标液位高度；L为所述熔池内的实时液位高度；L_s为开浇调速阶段的目标液位差值，单位为mm；

为熔池内钢液体积变化速率，K_s为开浇调速阶段的目标液位变化速率，单位为mm/s。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述PID控制器的P参数、I参数和D参数的选取范围包括：

K_p：

其中，K_p为PID控制器中的P参数；t_plc为PID控制器的采样周期，单位为ms；k₁为P参数的调节系数，在0.5～2之间取值；v_max为工艺允许的铸辊最大拉速，单位为m/min；v_min为工艺允许的最小拉速，单位为m/min；v₀为开浇调速闭环结束时铸辊的实时拉速，单位为m/min；M_R为熔池最大钢液承载重量，单位为kg；M_La为CCD液位检测系统在可信最低液位高度时熔池内的钢液重量，单位为kg；M_aim为熔池在目标液位L_aim下的钢液重量，单位为kg；

T_i：

T_i＝k₂t_plca_lim

其中，T_i为PID控制器中的I参数，单位为ms；k₂为I参数的调节系数，在0.05～0.2之间取值；a_lim为铸辊允许的最大加速度，单位为m/(min·s)；

T_d为PID控制器中的D参数，T_d为一个时间常量。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

当熔池液位保持在稳定状态之后，将所述铸辊拉速输出到变频传动系统中，以使所述变频传动系统执行所述铸辊拉速。

9.一种基于CCD液位检测的薄带连铸熔池液位控制装置，其特征在于，所述装置包括：

数据获取模块，用于通过CCD液位检测系统检测熔池不同位置的液位高度，并将所述不同位置的液位高度输入到液位高度数据处理模型中，得到熔池内的实时液位高度；

数据处理模块，用于将所述熔池内的实时液位高度和目标液位高度分别输入到所述熔池液位高度与熔池内钢液体积之间的对应函数中，得到实时钢液体积和目标钢液体积；

数据调整模块，用于根据所述实时钢液体积和所述目标钢液体积，得到钢液体积变化速率，并在开浇时根据所述钢液体积变化速率对铸辊拉速进行闭环控制；

数据控制模块，用于当所述铸辊拉速和所述熔池内的实时液位高度达到预设的稳定状态后，采用过程参数PID控制器控制熔池内的液位高度，使熔池液位保持稳定状态。

10.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至8中任一项所述的方法的步骤。

11.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至8中任一项所述的方法的步骤。

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