CN114967771A - 无头连铸连轧产线浊环水系统的水池液位控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种无头连铸连轧产线浊环水系统的水池液位控制方法和系统，涉及自动控制技术领域。所述方法包括以下步骤：获取液位变化的间隔时间T；根据所述液位变化的间隔时间T，调节控制过程的执行间隔时间Ti；设定液位，以液位偏差e和液位变化的间隔时间T作为输出变量，构建模糊控制器，其中，所述液位偏差e＝设定液位‑实际液位；通过所述模糊控制器调节回水阀开度和泵出口阀开度，实现水池液位的自动控制。本发明方法实现了水池液位的自动控制，提升了系统的响应速度和水池液位的控制精度。

Description

无头连铸连轧产线浊环水系统的水池液位控制方法和系统

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，具体来说涉及一种无头连铸连轧产线浊环水系统的水池液位控制方法和系统。

背景技术

无头连铸连轧产线浊环水系统包括浊环冷水池、旋流井水池及稀土磁盘水池。由于这些水池液位控制滞后性大、进水流量变化波动大、轧线运行模式发生改变时水池液位升降较快、液位控制包含较多的控制对象、液位控制精度要求高及安全性等原因，导致无法取得系统精确的数学模型，水池液位难以实现精确的自动控制。

现有技术中，模糊控制算法可根据水池液位偏差和液位变化率，依靠操作人员的经验和直观判断进行控制。但由于水池液位的滞后性，无法获得精确的液位变化率，主要原因是找不到合适的采样周期，导致控制液位时无法实时响应液位快速变化，使得液位骤然升降产生事故风险；此外，当一次控制输出后，由于系统的滞后性，必须设置一定的间隔周期才能再次控制输出，执行间隔周期很难把握，过长不能及时响应液位快速变化带来的风险，过短则无法满足系统滞后性要求。由于上述原因，常规模糊控制算法应用效果不够理想，只能依靠液位偏差进行控制，无法避免液位骤然升降带来的风险，导致液位控制经常出现超调现象，液位稳定性差。

因此，基于现有模糊控制算法在浊环水系统水池液位控制方面存在的不足，本发明提供一种改进的模糊控制算法，提高液位控制的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无头连铸连轧产线浊环水系统的水池液位控制方法和系统，实现水池液位的自动控制，提升系统的响应速度和水池液位的控制精度。

为实现上述目的，本发明公开了如下技术方案：

本发明一方面提供了一种无头连铸连轧产线浊环水系统的水池液位控制方法，所述方法包括以下步骤：

获取液位变化的间隔时间T；

根据所述液位变化的间隔时间T，调节控制过程的执行间隔时间Ti；

设定液位，以液位偏差e和液位变化的间隔时间T作为输出变量，构建模糊控制器，其中，所述液位偏差e＝设定液位-实际液位；

通过所述模糊控制器调节回水阀开度和泵出口阀开度，实现水池液位的自动控制。

优选的，上述的水池液位控制方法，所述液位变化的间隔时间T为正数时，表示水池液位上升；液位变化的间隔时间T为负数时，表示水池液位下降。液位变化的间隔时间T绝对值越小时，水池液位变化率越快；液位变化的间隔时间T绝对值越大时，水池液位变化率越慢。

上述的水池液位控制方法，所述控制过程的执行间隔时间Ti与液位变化的间隔时间T的函数关系，如式(1)所示，

Ti＝(T-T1)/(T2-T1)×(Ti2-Ti1)+Ti1 (1)

其中，T表示液位变化的间隔时间，T1表示液位变化的最短间隔时间，T2表示液位变化的最长间隔时间，Ti1表示控制过程的最短执行间隔时间，Ti2表示控制过程的最长执行间隔时间。

上述的水池液位控制方法，所述构建模糊控制器的步骤，进一步包括：

首先，对液位偏差e和液位变化的间隔时间T进行模糊化；

然后，进行模糊推理；

接下来，采用重心法进行解模糊化，获得输出值U。

优选的，上述的水池液位控制方法，所述输出值U为控制回水阀的开度增减值，输出值U为正值时表示增大要回水阀门开度，输出值U为负值时表示要减少回水阀门开度。当所述输出值U＞0时，回水阀开度＝回水阀上次开度+输出值U。当所述输出值U小于0时，泵出口阀开度＝泵出口阀上次开度-输出值U×f，其中，f＝回水阀直径2/泵出口阀直径2。

本发明另一方面提供了一种无头连铸连轧产线浊环水系统的水池液位控制系统，所述系统包括：

液位变化时间模块，用于获取液位变化的间隔时间T；

控制执行时间模块，用于根据所述液位变化的间隔时间T，调节控制过程的执行间隔时间Ti；

控制器构建模块，用于设定液位，以液位偏差e和液位变化的间隔时间T作为输出变量，构建模糊控制器，其中，所述液位偏差e＝设定液位-实际液位；

自动控制模块，用于通过所述模糊控制器调节回水阀开度和泵出口阀开度，实现水池液位的自动控制。

上述的水池液位控制系统，所述控制过程的执行间隔时间Ti与液位变化的间隔时间T的函数关系，如式(1)所示，

Ti＝(T-T1)/(T2-T1)×(Ti2-Ti1)+Ti1 (1)

其中，T表示液位变化的间隔时间，T1表示液位变化的最短间隔时间，T2表示液位变化的最长间隔时间，Ti1表示控制过程的最短执行间隔时间，Ti2表示控制过程的最长执行间隔时间。

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

在本申请实施例中，一方面，通过采用液位变化的间隔时间代替常规的液位变化率，解决了液位变化率因无法获得准确的采样周期而产生的准确性低的问题；另一方面，系统控制输出的执行间隔时间可根据液位变化的快慢而进行动态调整，解决了现有算法中因固定执行周期而带来的响应慢和滞后性大的问题，提高了液位控制精度。另外，通过改进的模糊控制算法调节回水阀及泵出口阀开度，实现了液位的自动控制，提升了设备运行的安全性。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1为本申请一实施例提供的无头连铸连轧产线浊环水系统的水池液位控制方法流程示意图；

图2为液位变化率按固定间隔时间采样的分析图；

图3为液位变化的间隔时间T的计算分析图；

图4为系统执行间隔时间Ti与液位变化的间隔时间T的函数关系示意图；

图5为本实施例构建的模糊控制器结构原理图；

图6为液位偏差e的隶属函数图；

图7为液位变化的间隔时间T的隶属函数图；

图8为本申请一实施例提供的无头连铸连轧产线浊环水系统的水池液位控制系统结构示意图。

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。

需要说明的，本说明书中针对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”等的引用，指的是描述的该实施例可包括特定的特征、结构或特性，但是不是每个实施例必须包含这些特定特征、结构或特性。此外，这样的表述并非指的是同一个实施例。进一步，在结合实施例描述特定的特征、结构或特性时，不管有没有明确的描述，已经表明将这样的特征、结构或特性结合到其它实施例中是在本领域技术人员的知识范围内的。

此外，在说明书及后续的权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件或部件，所属领域中具有通常知识者应可理解，制造商可以用不同的名词或术语来称呼同一个组件或部件。本说明书及后续的权利要求并不以名称的差异来作为区分组件或部件的方式，而是以组件或部件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及后续的权利要求书中所提及的“包括”和“包含”为一开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。另外，“连接”一词在此系包含任何直接及间接的电性连接手段。间接的电性连接手段包括通过其它装置进行连接。

参考图1，图1示出了本申请一实施例提供的无头连铸连轧产线浊环水系统的水池液位控制方法流程示意图，所述方法包括以下步骤：

S10、获取液位变化的间隔时间T；

在本实施例方法中，采用液位变化的间隔时间T代替常规的液位变化率。

在具体实施中，水池液位检测一般采用12位二进制表示，如果液位量程为0～8米，则液位检测精度＝8m/(2¹²)＝0.01953米，由于水池液位较大，液位升降一般以液位检测精度为单位进行增减。实际应用中，液位变化的间隔时间最短为3s，如果液位按最快速度升降，则在1分钟内，液位可变化0.01953米×60s÷3s＝0.39米，而一台水泵的启动时间需要10s，阀门完全打开或闭合一次需要30s，所以必须保证能检测到液位最快变化，否则液位很容易超调。但是，如果按照最快变化的时间间隔去计算液位变化率，绝大部分时间液位根本没有发生变化，且即使发生变化也不能正确反馈液位变化率。

图2为液位变化率按固定间隔时间采样的分析示意图。如图2所示，按固定间隔时间T₀计算液位变化率D，D在T3～T4时间段，液位发生改变，但实际的液位变化所经历的时间可能为T2～T4，即经历了3个检测周期；而在T4～T5的间隔时间段两端，液位减少了，但实际的液位正在以较高的速度增长，控制上却得出了相反的结论。所以，固定间隔时间T₀无法正确反映实际的液位变化率，也就无法得到液位的精确控制。

由于液位变化的间隔时间T与液位变化率有密切联系，液位变化越快，液位变化的间隔时间越短，反之亦然。所以，可以采用液位变化的间隔时间来表示液位变化率。图3示出了液位变化的间隔时间T的计算分析图。参考图3所示：

在T2时刻，液位发生改变，也就是说液位从T1到T2期间一直保持为同一值，所以在T2时刻，液位发生变化的间隔时间为T2-T1；

从T2时刻起，液位随时可能发生改变，在未发生改变前，间隔时间一直采用T2-T1，直到T2’，这时的时间间隔明显表明间隔时间超过T2时刻，这时的间隔时间一直在增加，直到T3时刻，液位真实发生了改变，在未改变前，间隔时间为当前时间T-T2；

从T1～T3期间，液位一直为增，间隔时间取符号正；

从T3时刻开始，液位变为下降，即方向发生了改变，这时的液位变化值不能采用T3-T2了，因为从这时起液位不能采用前时刻的上升间隔时间，这时我们采用一个默认值Ti，符号取负，表示下降。从T3’时刻起，Ti≤T-T3，从这时起间隔时间取T-T3，直到T4时刻；

Ti表示液位变化方向时默认的间隔时间；

从T4时刻起，这时的间隔时间取-(T4-T3)，直到液位发生改变或T-T4≥T4-T3；

到T6时刻，液位方向又发生改变，这时取默认的间隔时间Ti。

通过上述方法可获得液位发生改变的间隔时间T，并且间接表达了液位变化率，当数值为正数，表示液位上升，负数表示液位下降。间隔时间绝对值的数值越小，液位变化率越快，反之越慢。

S20、根据所述液位变化的间隔时间T，调节控制过程的执行间隔时间Ti；

由于系统的滞后性，根据液位偏差和液位变化的间隔时间去控制泵及阀门动作后，系统需要延时一段时间后，才能表现出效果。如何控制输出的执行间隔时间会影响系统的控制效果，如果间隔时间过长，虽然能获得控制输出在大滞后情况下的效果，但是却无法避免液位快速变化而带来的液位失控；如果间隔时间过短，上次输出的滞后效果无法得到充分体现，致使系统重复输出，导致系统超调。

如上所述，由于系统采用液位变化的间隔时间代替常规的液位变化率，故系统根据液位变化的间隔时间去调整系统的执行间隔时间，液位变化的间隔时间T与系统执行间隔时间Ti的关系采用一次函数表示，函数关系如图4所示，用公式表示如下：

Ti＝(T-T1)/(T2-T1)×(Ti2-Ti1)+Ti1 (1)

其中，T表示液位变化的间隔时间；T1表示液位变化的最短间隔时间，在实际应用中可取值为3s；T2表示液位变化的最长间隔时间，在实际应用中可取值为200s；Ti1表示控制过程的最短执行间隔时间，在实际应用中可取值为30s；Ti2表示控制过程的最长执行间隔时间，在实际应用中可取值为120s。

S30、设定液位，构建模糊控制器；

如图5所示，以液位偏差e和液位变化的间隔时间T作为输出变量，构建模糊控制器，其中，所述液位偏差e＝设定液位-实际液位。

首先，对液位偏差e和液位变化的间隔时间T模糊化；

液位偏差e＝设定液位-实际液位，隶属函数语言值变量个数为5个，如图6所示，分别为NB(负大)、NS(负小)、ZO(零)、PS(正小)、PB(正大)，各变量采用的隶属函数均不相同。

采用液位变化的间隔时间T代替常规液位变化率，该参数对液位控制精度至关重要，故隶属函数语言值变量个数为7个，如图7所示，分别为NB(负大)、NM(负中)、NS(负小)、ZO(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)，各变量采用的隶属函数均不相同。

然后，进行模糊推理；

模糊推理形式为:

前提：IF e is A and T is B

结论：THEN输出(U)＝r_ij

其中，A为液位偏差e论域U上的5个模糊子集，B为液位变化的间隔时间T论域上的7个模糊子集。最终的知识库表现为下表形式：

其中，r11～r57取值根据现场操作工的经验进行归纳总结，并在实践调试中进行调整获得。

接下来，进行解模糊化；

在实行模糊控制时，将许多控制规则进行上述推论演算，然后结合各个由演算得到的推论结果获得控制输出。在本实施例中，解模糊化的方法采用重心法，最终获得输出值U，输出的值U为控制回水阀的开度增减值。输出值为正表示增大回水阀门开度，输出值为负表示减少回水阀门开度。

S40、通过所述模糊控制器调节泵出口阀开度和回水阀开度，实现水池液位的自动控制；

每台泵均有自动/手动切换功能，只有在自动状态下的泵才能进行选择控制。在自动状态下，新增或关闭泵选择规则可通过用户进行选择，包括新增运行泵规则和关闭运行泵规则，系统根据当前泵状态和选择规则，自动找到当前需要新增或停泵的泵号，作为当前控制泵，去调节泵出口阀门开度。

模糊控制输出值U为控制回水阀的开度增减值。该值为正，说明需要减少水池的出水流量，反之需要增加出水量。当回水阀开度调整到极限后，再去调节泵出口阀开度。

由于回水阀和泵出口阀的管道直径不相等，调整泵出口阀开度时，需要对控制输出值U进行调整，即控制泵出口阀开度值需要在输出值U的基础上乘于比例系数f，f的值通过下述公式计算得到：

f＝回水阀直径²/泵出口阀直径² (2)

当控制输出值U＞0时：

回水阀开度V＝回水阀上次控制开度+U

当回水阀开度V超过最大值(100％)时，回水阀控制开度按最大值输出，表明回水阀调节能力已达到极限，水池液位继续偏低，需要减少泵出水量，这时系统根据当前停泵的泵号，去减少停泵出口阀开度，即停泵出口阀开度Vi＝停泵出口阀门上次控制开度-U*f；

当停泵出口阀开度Vi<30％时，按30％开度控制，如果低于该值运行，泵出口阀门开度过小，泵长期处于憋泵运行状态；

如果停泵出口阀开度Vi<10％，则表明该泵可以关闭，系统自动关闭该泵，减少一台泵的运行。

当控制输出值U＜0时：

停泵出口阀开度Vi＝停泵出口阀上次开度-U*f

当停泵出口阀开度>100％时，按100％开度控制，该泵已调节到极限，需要再去调节回水阀开度；

回水阀开度V＝回水阀上次开度-(Vi-100％)/f

当回水阀开度V低于最小值(0％)时，回水阀控制开度按最小值输出，表明回水阀及泵出口阀均已达到极限，水池液位继续增高，需要增加泵运行数量，以增大出水流量。根据新增泵选择规则，找到新增泵号，并启动该泵，该泵启动后，回水阀直接控制开度设置为最大100％，同时该泵出口阀门控制值设置为最小值30％。

本实施例方法通过改进的模糊控制算法调节回水阀及泵出口阀开度，进而达到控制泵运行数量，实现了液位的自动控制，液位控制精度可小于0.2米。水池液位的自动控制解决了人工控制劳动强度大的问题，大大提升了设备运行的安全性。

需要说明的是，对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请实施例并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请实施例，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本申请实施例所必须的。

参考图8，图8示出了本申请一实施例提供的无头连铸连轧产线浊环水系统的水池液位控制系统结构示意图，下文描述的该系统可以与上文描述的方法相互对应参照。所述系统10包括：

液位变化时间模块11，用于获取液位变化的间隔时间T；

控制执行时间模块12，用于根据所述液位变化的间隔时间T，调节控制过程的执行间隔时间Ti；

控制器构建模块13，用于设定液位，以液位偏差e和液位变化的间隔时间T作为输出变量，构建模糊控制器，其中，所述液位偏差e＝设定液位-实际液位；

自动控制模块14，用于通过所述模糊控制器调节回水阀开度和泵出口阀开度，实现水池液位的自动控制。

具体的，上述水池液位控制系统中，所述控制过程的执行间隔时间Ti与液位变化的间隔时间T的函数关系，如式(1)所示，

Ti＝(T-T1)/(T2-T1)×(Ti2-Ti1)+Ti1 (1)

其中，T表示液位变化的间隔时间，T1表示液位变化的最短间隔时间，T2表示液位变化的最长间隔时间，Ti1表示控制过程的最短执行间隔时间，Ti2表示控制过程的最长执行间隔时间。

关于水池液位控制系统各单元及其组合所实现的功能，以及所达到的技术效果，可以参照上述方法实施例相应部分的描述，在此不再赘述。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本申请作了详尽的描述，但在本申请基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本申请精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本申请要求保护的范围。

Claims (10)

1.无头连铸连轧产线浊环水系统的水池液位控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取液位变化的间隔时间T；

根据所述液位变化的间隔时间T，调节控制过程的执行间隔时间Ti；

设定液位，以液位偏差e和液位变化的间隔时间T作为输出变量，构建模糊控制器，其中，所述液位偏差e＝设定液位-实际液位；

通过所述模糊控制器调节回水阀开度和泵出口阀开度，实现水池液位的自动控制。

2.根据权利要求1所述的水池液位控制方法，其特征在于，所述液位变化的间隔时间T为正数时，表示水池液位上升；液位变化的间隔时间T为负数时，表示水池液位下降。

3.根据权利要求2所述的水池液位控制方法，其特征在于，所述液位变化的间隔时间T绝对值越小时，水池液位变化率越快；液位变化的间隔时间T绝对值越大时，水池液位变化率越慢。

4.根据权利要求1所述的水池液位控制方法，其特征在于，所述控制过程的执行间隔时间Ti与液位变化的间隔时间T的函数关系，如式(1)所示，

Ti＝(T-T1)/(T2-T1)×(Ti2-Ti1)+Ti1 (1)

其中，T表示液位变化的间隔时间，T1表示液位变化的最短间隔时间，T2表示液位变化的最长间隔时间，Ti1表示控制过程的最短执行间隔时间，Ti2表示控制过程的最长执行间隔时间。

5.根据权利要求1所述的水池液位控制方法，其特征在于，所述构建模糊控制器的步骤，进一步包括：

首先，对液位偏差e和液位变化的间隔时间T进行模糊化；

然后，进行模糊推理；

接下来，采用重心法进行解模糊化，获得输出值U。

6.根据权利要求5所述的水池液位控制方法，其特征在于，所述输出值U为控制回水阀的开度增减值，输出值U为正值时表示增大要回水阀门开度，输出值U为负值时表示要减少回水阀门开度。

7.根据权利要求6所述的水池液位控制方法，其特征在于，当所述输出值U＞0时，回水阀开度＝回水阀上次开度+输出值U。

8.根据权利要求7所述的水池液位控制方法，其特征在于，当所述输出值U小于0时，泵出口阀开度＝泵出口阀上次开度-输出值U×f，其中，f＝回水阀直径²/泵出口阀直径²。

9.无头连铸连轧产线浊环水系统的水池液位控制系统，其特征在于，所述系统包括：

液位变化时间模块，用于获取液位变化的间隔时间T；

控制执行时间模块，用于根据所述液位变化的间隔时间T，调节控制过程的执行间隔时间Ti；

控制器构建模块，用于设定液位，以液位偏差e和液位变化的间隔时间T作为输出变量，构建模糊控制器，其中，所述液位偏差e＝设定液位-实际液位；

自动控制模块，用于通过所述模糊控制器调节回水阀开度和泵出口阀开度，实现水池液位的自动控制。

10.根据权利要求9所述的水池液位控制系统，其特征在于，所述控制过程的执行间隔时间Ti与液位变化的间隔时间T的函数关系，如式(1)所示，

Ti＝(T-T1)/(T2-T1)×(Ti2-Ti1)+Ti1 (1)

其中，T表示液位变化的间隔时间，T1表示液位变化的最短间隔时间，T2表示液位变化的最长间隔时间，Ti1表示控制过程的最短执行间隔时间，Ti2表示控制过程的最长执行间隔时间。

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