專利名稱：自適應與模糊邏輯pid結晶器液位在線控制系統及方法
技術領域：
本發明屬于結晶器液位控制技術領域，特別涉及模糊邏輯PID結晶器液位在線控制系統及 方法。
背景技術：
傳統的結晶器液位比例、積分、微分(PID)控制適用于穩定的澆注過程，結晶器液位控 制過程和其他冶煉過程一樣也將受到不確定因素的影響，干擾因素主要包括-
(1) 不均勻的拉速
由于各種現場條件的變化，如設備發生故障或存在缺陷，這會造成拉速不均勻。結晶器液 位受此影響，會使控制性能產生偏差。
(2) 中間包出水口通道的不規則流動
在澆注過程中，渣和其他沉淀物會沉積在塞棒、中間包滑動水口之間的通道中以及浸入式 水口的內壁上，使鋼流通道變窄。同時這些結渣物有時會突然脫落，帶來結晶器液位產生波 動。
由于鋼水的長期沖刷和磨蝕，塞棒的形狀會發生不規則的變化，導致結晶器液位不可控。
(3) 結晶器振蕩-
鑄流從結晶器壁上開始凝固，發生黏附。為了防止黏附或使黏附的部位松開，結晶器必須 以一定的頻率振動，這種振動必然會影響到結晶器液位的測量值，對液位調節產生不良影響。
(4) 結晶器內熔池的振動
從結晶器拉出鑄坯很柔軟，在夾送輥之間會產生鼓肚，在下一夾送輥又被壓回，形成鑄坯 內液心周期性振動，從而造成結晶器內熔池的振動，影響結晶器液位的控制。
(5) 結晶器鋼水的紊流和波動
紊流與結晶器的尺寸以及鋼水的流量相關，嚴重時可能導致鋼水在液面形成波動，影響 結晶器的液位控制。
對于這些非線性、時變及滯后系統的控制，傳統的PID控制在動態響應的超調、穩定時 間、控制誤差已無法滿足系統的實時控制的要求。

發明內容
本發明的目的在于，提供一種自適應與模糊邏輯PID結晶器液位在線控制系統及方法， 以解決傳統的PID控制在動態響應的超調、穩定時間、控制誤差己無法滿足系統的實時控制 要求的技術問題。
為實現上述目的，本發明采用如下技術方案
一種自適應與模糊邏輯PID結晶器液位在線控制系統，包括
計算模塊，接收輸入的結晶器液位設定值與液位測量模塊測量的實際值，計算出兩值的
偏差e;
在線參數調整模塊，接收e，在線調整PID控制器應使用的參數Kp、 Tn和Tv并輸出；
模糊邏輯模塊，與所述在線參數調整模塊相連接，接收e,根據e判定水口磨損、結渣及 結渣脫落情況，接收拉速調整輸入參數，接收所述在線參數調整模塊輸入的KP、 Tn和T"輸出 調整的Kp、 T。和Tv至PID控制器；
PID控制器，與所述模糊邏輯模塊相連接，接收e、所述模糊邏輯模塊輸出KP、 L和i;， 進行PID控制，輸出PID控制信號；
P控制器，與所述PID控制器相連接，接收PID控制信號，根據該PID控制信號輸出調節 塞棒或滑板位置的控制信號；
液壓機械裝置，接受所述P控制器輸出的控制信號，對澆注過程中的塞棒或滑板位置進 行調節；
液位測量模塊，與所述計算模塊相連接，用于測量當時液位的實際值并輸出至所述計算 模塊。
進一步地，所述模糊邏輯模塊為判斷是否存在拉速突變、磨損、結渣和結渣掉落的現象 發生，并分別進行以下處理的模塊
拉速突變因現場原因導致拉速突變，所述模糊邏輯模塊根據結晶器液位的期望值和實 際檢測的液位對PID參數Kp進行調整，在調節范圍內保證實際的結晶器液位穩定在期望值范 圍內；
磨損對于相同的液位設定值，其實際液位值低于設定值，此時需要升高液位值；所述 模糊邏輯模塊根據結晶器液位的期望值和實際檢測的液位對PID參數Kp， T 和T,進行調整，
保證實際的結晶器液位穩定在期望值范圍內；
結渣對于相同的液位設定值，其實際液位值高于設定值，此時需要降低液位值。所述 模糊邏輯模塊根據結晶器液位的期望值和實際檢測的液位對PID參數Kp, Tn和L進行調整，
保證實際的結晶器液位穩定在期望值范圍內；
結渣掉落結晶器液位值將發生波動，所述模糊邏輯模塊根據實際液位的波動調節PID 參數Kp。
進一步地，還包括連接于所述PID控制器與所述P控制器之間的補償調節模塊，用于接 收液壓機械裝置的摩擦力、機械間隙信號，并對PID控制器輸出的控制信號進行摩擦力、機
械間隙補償。
進一步地，還包括在線參數P優化模塊，用于在線優化增益Kp，在測量時間范圍內間隔 連續采樣兩次結晶器的實際液位，計算兩次測量液位差A o和兩次測量液位時的Kp差AKP， 得到c^Ao/AKp,將IU-lWn + c作為最新的調節參數增益輸出至所述PID控制器，所述 PID控制器接收e、所述模糊邏輯模塊輸出KP、 T。和T,以及在線參數P優化模塊輸出的Kp，進 行PID控制。
進一步地，還包括連接于所述計算模塊與液位測量模塊之間的結晶器振動頻率過濾模塊， 用于過濾結晶器振動時測量的實際值的影響。
本發明還提供一種自適應與模糊邏輯PID結晶器液位在線控制方法，包括以下步驟
計算步驟，接收輸入的結晶器液位設定值與液位測量模塊測量的實際值，計算出兩值的 偏差e;
在線參數調整步驟，接收e，在線調整PID控制步驟應使用的參數Kp、 L和L并輸出； 模糊邏輯步驟，接收e，根據e判定水口磨損、結渣及結渣脫落情況，接收拉速調整輸入
參數，接收所述在線參數調整模塊輸入的Kp、 Tn和Tv，輸出調整的Kp、 T。和T"
PID控制步驟，接收e、所述模糊邏輯步驟輸出的Kp、 Tn和Tv，進行PID控制，輸出PID
控制信號；
P控制步驟，接收PID控制信號，根據該PID控制信號輸出調節塞棒或滑板位置的控制信
號；
液壓機械步驟，接受所述P控制步驟輸出的控制信號，對澆注過程中的塞棒或滑板位置 進行調節；
液位測量步驟，用于測量當時液位的實際值并輸出至所述計算步驟。 進一步地，所述模糊邏輯步驟為判斷是否存在拉速突變、磨損、結渣和結渣掉落的現象 發生，并分別進行以下處理
拉速突變因現場原因導致拉速突變，根據結晶器液位的期望值和實際檢測的液位對PID
參數Kp進行調整，在調節范圍內保證實際的結晶器液位穩定在期望值范圍內；
磨損對于相同的液位設定值，其實際液位值低于設定值，此時需要升高液位值,根據結
晶器液位的期望值和實際檢測的液位對PID參數Kp, T。和T.進行調整，保證實際的結晶器液 位穩定在期望值范圍內；
結渣對于相同的液位設定值，其實際液位值高于設定值，此時需要降低液位值，根據結 晶器液位的期望值和實際檢測的液位對PID參數Kp, T。和L進行調整，保證實際的結晶器液 位穩定在期望值范圍內；
結渣掉落結晶器液位值將發生波動，根據實際液位的波動調節PID參數Kp。
進一步地，還包括補償調節步驟，用于接收液壓機械步驟的摩擦力、機械間隙信號，并 對PID控制步驟輸出的控制信號進行摩擦力、機械間隙補償。
進一步地，還包括在線參數P優化步驟，用于在線優化增益Kp，在測量時間范圍內間隔 連續采樣兩次結晶器的實際液位，計算兩次測量液位差A o和兩次測量液位時的Kp差AKP， 得至U c=A o/AKp,將Kpw-Kp(^ + c作為最新的調節參數增益輸出至所述PID控制器，所述 PID控制步驟中接收e、所述模糊邏輯步驟輸出的Kp、 L和Tv以及在線參數P優化步驟輸出的 KP，進行PID控制。
進一步地，還包括結晶器振動頻率過濾步驟，用于過濾結晶器振動時測量的實際值的影響。 本發明與常規PID結晶器液位控制系統相比，提高了控制系統控制精度和復雜澆注條件下 控制系統穩定性。并且將模糊控制和PID有機地結合起來，揚長避短，使其既具有模糊控制 的靈活和適用性強的優點，又具有PID控制精度高的特點，有效地解決了生產中結晶器液位 波動問題。


圖1為本發明實施例自適應與模糊邏輯PID結晶器液位在線控制系統框圖。
具體實施方式
實施例一
如圖1所示， 一種自適應與模糊邏輯PID結晶器液位在線控制系統，包括 差值計算模塊，接收輸入的結晶器液位設定值與液位測量模塊測量的實際值，計算出兩 值的偏差e;
在線參數調整模塊，根據澆注不同的鋼種、不同的板坯規格，以及不同的澆注參數，如 澆注鋼種、澆注板坯斷面、結晶器尺寸等，接收e，在線調整PID控制器應使用的參數Kp(PID 比例系數)、Tn (PID積分系數)和L (PID微分系數)并輸出；
模糊邏輯模塊，與所述在線參數調整模塊相連接，接收e，根據e判定水口磨損、結渣及 結渣脫落情況，并接收拉速調整等輸入參數和所述在線參數調整模塊輸入的KP、 Tn和L，輸出 調整的Kp、 L和T,至PID控制器；
在線參數P優化模塊，用于在線優化增益Kp。優化的具體方法可以是在一定的測量時 間范圍內，以10ms左右為間隔，連續采樣兩次結晶器的實際液位，計算兩次測量液位差△ o 和兩次測量液位時的Kp差AKP,可以計算到c-A o/AKP，此時將Kp^IU-,) + c作為最新的 調節參數增益輸出至PID控制器。這樣可快速有效地使結晶器液位逼近穩定的設定值，減少 結晶液位的振蕩時間；
PID控制器，與所述在線參數P優化模塊和所述模糊邏輯模塊相連接，接收e、所述模糊 邏輯模塊輸出Kp、 Tn和L以及在線參數P優化模塊輸出的Kp，進行PID控制，輸出PID控制 信號至所述補償調節模塊；
補償調節模塊，與所述PID控制器相連接，接收液壓機械裝置的摩擦力、機械間隙信號， 對PID控制器輸出的控制信號進行摩擦力、機械間隙補償，補償值為圖1中的S;為使補償更 加及時，在直接對P控制器發出的控制信號進行預先補預選補償，補償值為圖1中的S-Pre。
P控制器，與所述補償調節模塊相連接，接收經過所述補償調節模塊補償后的PID控制信 號，根據該PID控制信號輸出調節塞棒或滑板位置的控制信號；
液壓機械裝置，接受所述控制信號，對澆注過程中的塞棒或滑板位置進行調節；
液位測量模塊，用于測量當時液位的實際值并輸出；
結晶器振動頻率過濾模塊，與所述液位測量模塊的輸出相連接，用于過濾結晶器振動時 測量的實際值的影響；
在穩定的澆注過程中，結晶器液位維持在一個穩定的水平，結晶器液位的設定值和實際 值的偏差e恒定。當拉速因生產過程的要求增加或減小，所述模糊邏輯模塊調節PID的澆注 參數Kp，保證結晶器液位穩定在設定值的范圍。
在澆注幾個爐次后，判斷是否存在拉速突變、磨損、結渣和結渣掉落的現象發生，并分 別進行相應的處理。判斷和處理方法分別如下
拉速突變因現場原因導致拉速突變，所述模糊邏輯模塊根據結晶器液位的期望值和實 際檢測的液位對PID參數Kp進行調整，在調節范圍內保證實際的結晶器液位穩定在期望值范 圍內；拉速突變可通過單位時間內兩次測量液位差A o的大小進行判定。
磨損的判定方法對于相同的液位設定值，其實際液位值低于設定值，此時需要升高液 位值；所述模糊邏輯模塊根據結晶器液位的期望值和實際檢測的液位對PID參數Kp, T。和T,
進行調整，保證實際的結晶器液位穩定在期望值范圍內。
結渣的判定方法對于相同的液位設定值，其實際液位值高于設定值，此時需要降低液 位值。所述模糊邏輯模塊根據結晶器液位的期望值和實際檢測的液位對PID參數Kp， Tn和T, 進行調整，保證實際的結晶器液位穩定在期望值范圍內。
結渣掉落的判定方法當浸入式水口結渣到一定程度后，在澆注過程中會發生結渣掉落 現象，此時結晶器液位將發生波動。所述模糊邏輯模塊根據實際液位的波動調節PID參數Kp，
實現瞬時調節塞棒或滑板的開度，以保證結晶器液位的穩定。 實施例二
一種自適應與模糊邏輯PID結晶器液位在線控制方法，采用實施例一所述的系統，包括 以下步驟
計算步驟，接收輸入的結晶器液位設定值與液位測量模塊測量的實際值，計算出兩值的
偏差e;
在線參數調整步驟，接收e，在線調整PID控制步驟應使用的參數Kp、 Tn和T,并輸出； 模糊邏輯步驟，接收e，根據e判定水口磨損、結渣及結渣脫落情況，接收拉速調整輸入
參數，接收所述在線參數調整模塊輸入的KP、 Tn和T"輸出調整的Kp、 Tn和L;
PID控制步驟，接收e、所述模糊邏輯步驟輸出的Kp、 T。和Tv，進行PID控制，輸出PID 控制信號；
P控制步驟，接收PID控制信號，根據該PID控制信號輸出調節塞棒或滑板位置的控制信
號；
液壓機械步驟，接受所述P控制步驟輸出的控制信號，對澆注過程中的塞棒或滑板位置 進行調節；
液位測量步驟，用于測量當時液位的實際值并輸出至所述計算步驟。 其中，所述模糊邏輯步驟為判斷是否存在拉速突變、磨損、結渣和結渣掉落的現象發生， 并分別進行以下處理-
拉速突變因現場原因導致拉速突變，根據結晶器液位的期望值和實際檢測的液位對PID 參數Kp進行調整，在調節范圍內保證實際的結晶器液位穩定在期望值范圍內；
磨損對于相同的液位設定值，其實際液位值低于設定值，此時需要升高液位值，根據結 晶器液位的期望值和實際檢測的液位對PID參數Kp, L和T,進行調整，保證實際的結晶器液
位穩定在期望值范圍內；
結渣對于相同的液位設定值，其實際液位值高于設定值，此時需要降低液位值,根據結
晶器液位的期望值和實際檢測的液位對PID參數Kp, Tn和L進行調整，保證實際的結晶器液
位穩定在期望值范圍內；
結渣掉落結晶器液位值將發生波動，根據實際液位的波動調節PID參數Kp。
其中，還包括補償調節步驟，用于接收液壓機械步驟的摩擦力、機械間隙信號，并對PID
控制步驟輸出的控制信號進行摩擦力、機械間隙補償。
其中，還包括在線參數P優化步驟，用于在線優化增益Kp，在測量時間范圍內間隔連續
采樣兩次結晶器的實際液位，計算兩次測量液位差A o和兩次測量液位時的Kp差AKP，得到
C=A o/AKP,將K一-Kp(n—,) + c作為最新的調節參數增益輸出至所述PID控制器，所述PID控
制步驟中接收e、所述模糊邏輯步驟輸出的Kp、 T。和T.以及在線參數P優化步驟輸出的Kp，進
行PID控制。
其中，還包括結晶器振動頻率過濾步驟，用于過濾結晶器振動時測量的實際值的影響。 以上實施例僅用于說明本發明的技術思想和特點，其目的在于使本領域內的技術人員能
夠了解本發明的內容并據以實施，本發明的專利范圍不限于上述實施例，凡依本發明所揭示
的原理、設計思路所作的等同變化或修飾，均在本發明的專利范圍之內。
權利要求
1、一種自適應與模糊邏輯PID結晶器液位在線控制系統，其特征在于包括計算模塊，接收輸入的結晶器液位設定值與液位測量模塊測量的實際值，計算出兩值的偏差e；在線參數調整模塊，接收e，在線調整PID控制器應使用的參數Kp、Tn和Tv并輸出；模糊邏輯模塊，與所述在線參數調整模塊相連接，接收e，根據e判定水口磨損、結渣及結渣脫落情況，接收拉速調整輸入參數，接收所述在線參數調整模塊輸入的Kp、Tn和Tv，輸出調整的Kp、Tn和Tv至PID控制器；PID控制器，與所述模糊邏輯模塊相連接，接收e、所述模糊邏輯模塊輸出Kp、Tn和Tv，進行PID控制，輸出PID控制信號；P控制器，與所述PID控制器相連接，接收PID控制信號，根據該PID控制信號輸出調節塞棒或滑板位置的控制信號液壓機械裝置，接受所述P控制器輸出的控制信號，對澆注過程中的塞棒或滑板位置進行調節；液位測量模塊，與所述計算模塊相連接，用于測量當時液位的實際值并輸出至所述計算模塊。
2、 根據權利要求1所述的自適應與模糊邏輯PID結晶器液位在線控制系統，其特征在于 所述模糊邏輯模塊為判斷是否存在拉速突變、磨損、結渣和結渣掉落的現象發生，并分別進行以下處理的模塊拉速突變因現場原因導致拉速突變，所述模糊邏輯模塊根據結晶器液位的期望值和實 際檢測的液位對PID參數Kp進行調整，在調節范圍內保證實際的結晶器液位穩定在期望值范 圍內；磨損對于相同的液位設定值，其實際液位值低于設定值，此時需要升高液位值，所述模 糊邏輯模塊根據結晶器液位的期望值和實際檢測的液位對PID參數Kp， T。和T,進行調整，保 證實際的結晶器液位穩定在期望值范圍內；結渣對于相同的液位設定值，其實際液位值高于設定值，此時需要降低液位值，所述模 糊邏輯模塊根據結晶器液位的期望值和實際檢測的液位對PID參數Kp, L和T,進行調整，保 證實際的結晶器液位穩定在期望值范圍內；結渣掉落結晶器液位值將發生波動，所述模糊邏輯模塊根據實際液位的波動調節PID 參數Kp。
3、 根據權利要求2所述的自適應與模糊邏輯PID結晶器液位在線控制系統，其特征在于- 還包括連接于所述PID控制器與所述P控制器之間的補償調節模塊，用于接收液壓機械 裝置的摩擦力、機械間隙信號，并對PID控制器輸出的控制信號進行摩擦力、機械間隙補償。
4、 根據權利要求2所述的自適應與模糊邏輯PID結晶器液位在線控制系統，其特征在于 還包括在線參數P優化模塊，用于在線優化增益KP，在測量時間范圍內間隔連續采樣兩次結晶器的實際液位，計算兩次測量液位差Ao和兩次測量液位時的Kp差AKP，得到 c=A 0/AKp,將K。w-K。(^+c作為最新的調節參數增益輸出至所述PID控制器，所述PID控 制器接收e、所述模糊邏輯模塊輸出KP、 T。和T,以及在線參數P優化模塊輸出的Kp,進行PID 控制。
5、 根據權利要求2所述的自適應與模糊邏輯PID結晶器液位在線控制系統，其特征在于 還包括連接于所述計算模塊與液位測量模塊之間的結晶器振動頻率過濾模塊，用于過濾結晶器振動時測量的實際值的影響。
6、 一種自適應與模糊邏輯PID結晶器液位在線控制方法，其特征在于包括以下步驟-計算步驟，接收輸入的結晶器液位設定值與液位測量模塊測量的實際值，計算出兩值的偏差e;在線參數調整步驟，接收e，在線調整PID控制步驟應使用的參數Kp、 Tn和T,并輸出； 模糊邏輯步驟，接收e，根據e判定水口磨損、結渣及結渣脫落情況，接收拉速調整輸入參數，接收所述在線參數調整模塊輸入的Kp、 Tn和L，輸出調整的Kp、 Tn和T,;PID控制步驟，接收e、所述模糊邏輯步驟輸出的Kp、 T。和T"進行PID控制，輸出PID控制信號；P控制步驟，接收PID控制信號，根據該PID控制信號輸出調節塞棒或滑板位置的控制信號；液壓機械步驟，接受所述P控制步驟輸出的控制信號，對澆注過程中的塞棒或滑板位置 進行調節；液位測量步驟，用于測量當時液位的實際值并輸出至所述計算步驟。
7、 根據權利要求6所述的自適應與模糊邏輯PID結晶器液位在線控制方法，其特征在于 所述模糊邏輯步驟為判斷是否存在拉速突變、磨損、結渣和結渣掉落的現象發生，并分別進行以下處理拉速突變因現場原因導致拉速突變，根據結晶器液位的期望值和實際檢測的液位對PID 參數Kp進行調整，在調節范圍內保證實際的結晶器液位穩定在期望值范圍內；磨損對于相同的液位設定值，其實際液位值低于設定值，此時需要升高液位值,根據結 晶器液位的期望值和實際檢測的液位對PID參數Kp, T。和Tv進行調整，保證實際的結晶器液 位穩定在期望值范圍內；結渣對于相同的液位設定值，其實際液位值高于設定值，此時需要降低液位值，根據結 晶器液位的期望值和實際檢測的液位對PID參數KP， L和T,進行調整，保證實際的結晶器液 位穩定在期望值范圍內；結渣掉落結晶器液位值將發生波動，根據實際液位的波動調節PID參數Kp。
8、 根據權利要求7所述的自適應與模糊邏輯PID結晶器液位在線控制方法，其特征在于 還包括補償調節步驟，用于接收液壓機械步驟的摩擦力、機械間隙信號，并對PID控制步驟輸出的控制信號進行摩擦力、機械間隙補償。
9、 根據權利要求7所述的自適應與模糊邏輯PID結晶器液位在線控制方法，其特征在于 還包括在線參數P優化步驟，用于在線優化增益Kp，在測量時間范圍內間隔連續采樣兩次結晶器的實際液位，計算兩次測量液位差Ao和兩次測量液位時的Kp差AKP，得到 c=A o/AKP,將1(1)( ) = 1(。( _1) + (;作為最新的調節參數增益輸出至所述？10控制器，所述？10控 制步驟中接收e、所述模糊邏輯步驟輸出的Kp、 T。和L以及在線參數P優化步驟輸出的Kp，進 行PID控制。
10、 根據權利要求7所述的自適應與模糊邏輯PID結晶器液位在線控制系統，其特征在 于還包括結晶器振動頻率過濾步驟，用于過濾結晶器振動時測量的實際值的影響。
全文摘要
自適應與模糊邏輯PID結晶器液位在線控制系統及方法，包括計算模塊，接收輸入的結晶器液位設定值與液位測量模塊測量的實際值，計算出兩值的偏差e；在線參數調整模塊，模糊邏輯模塊，與所述在線參數調整模塊相連接，接收e，根據e判定拉速的異常波動、水口磨損、結渣及結渣脫落情況，接收所述在線參數調整模塊輸入的K_p、T_n和T_v，輸出調整的K_p、T_n和T_v至PID控制器；PID控制器；P控制器，液壓機械裝置，液位測量模塊。本發明提高了控制系統控制精度和復雜澆注條件下控制系統穩定性。并且將模糊控制和PID有機地結合起來，揚長避短，使其既具有模糊控制的靈活和適用性強的優點，又具有PID控制精度高的特點，有效地解決了生產中結晶器液位波動問題。
文檔編號G05B13/02GK101364114SQ20081004068
公開日2009年2月11日 申請日期2008年7月17日 優先權日2008年7月17日
發明者徐永軍, 云 金, 錢衛東, 陳在根 申請人:上海寶信軟件股份有限公司