專利名稱：：一種基于Fuzzy-PID的連鑄結晶器液位控制方法
技術領域：
：本發明屬于連鑄生產
技術領域：
，特別涉及一種基于Fuzzy-PID的連鑄結晶器液位控制方法。
背景技術：
：隨著鋼鐵行業技術進步，市場對鋼材產品質量的要求不斷提高，連鑄作為鋼鐵生產流程中承上啟下的重要環節，直接影響鋼材產品質量。連鑄結晶器內鋼水液位的變化對鑄坯質量有重要影響，穩定結晶器液位對提高鑄坯質量和改善澆鑄效果意義重大。連鑄過程中，結晶器液位高度應保持在合適范圍，若鋼水液位升高，相當于提高了澆鑄水口浸入深度，使結晶器傳熱負荷增大，影響鑄坯凝固進程，液位提高還使鋼水靜壓力變大，增加了對鑄坯內液芯的壓力，易引起鼓肚現象，影響鑄坯質量，液位過高甚至會引起溢鋼事故。若鋼水液位下降，相當于水口浸入深度降低，易造成巻渣，也不利于鋼水中夾雜物上浮，無法保證鋼水的潔凈，過低的液位還易導致漏鋼事故。穩定結晶器液位對減少鑄坯夾渣和夾雜、改善結晶器潤滑條件、維持穩定的鋼水凝固條件、改善鑄坯質量、降低漏鋼率和溢流危險及提高連鑄機作業率等均有重要作用。連鑄過程中結晶器內各種行為互相交織，相互影響，一系列無法測量的擾動因素的存在也為結晶器液位的控制帶來了諸多困難，這些因素主要為(1)拉速的波動；(2)中間包出口內鋼水不規則流動；(3)結晶器內鋼水紊流；(4)結晶器內熔池擾動；(5)鋼種；(6)結晶器振動等。目前基于對上述因素的分析，并結合相應的方法和裝置，已有相關技術被開發并用于結晶器液位的控制，如發明專利"結晶器液位檢測裝置"(申請號02266583.8)即在結晶器周圍安置一組線圈，通過連接該線圈與交流電源，設計出一種可達到較高檢測精度的結晶器液位檢測裝置，發明專利"測量金屬液位用超聲波線陣探頭"(申請號92216303.0)和發明專利"嵌入式結晶器液位檢測系統"(申請號200620096044.X)也均提出了相應的結晶器液位檢測裝置，上述相關專利主要解決了結晶器液位檢測裝置及檢測精度的問題，缺乏對結晶器液位控制方法的研究和開發。本發明目的在于開發新的結晶器液位控制方法，解決傳統控制方法無法滿足系統響應特性和控制參數難以精確調節等問題，實現結晶器液位的穩定控制。通常結晶器液位控制采用的主要方法為PID控制和模糊控制，具體包括模糊控制器直接控制、改進PID控制及PID控制器與模糊控制器相互切換控制等方法。模糊控制器直接控制解決了系統暫態特性不好的問題，但模糊控制器難以保證系統同時具有良好的穩態特性，此方法很難應用于實踐。改進的PID控制方法，特別是調整PID參數法能夠解決系統非穩態和模型不確定等問題，但在非穩態澆鑄時，系統超調量和調節時間難于精確控制。PID控制器與模糊控制器相互切換的控制方法在理論上綜合利用了PID控制器良好的穩態性能和模糊控制較好的暫態性能，但實際生產過程中系統的不確定性使得PID控制器很難適應，且PID控制和模糊控制切換過程中帶來的擾動沖擊也相應增大了系統的干擾，容易引起超調現象頻繁發生。
發明內容針對澆鑄過程中較大鋼水液位波動幅度對澆鑄帶來的不利，本發明提供一種基于Fuzzy-PID的連鑄結晶器液位控制方法，即基于自調整參數PID控制與模糊(Fuzzy)控制并行控制的連鑄結晶器液位控制方法。本發明的連鑄結晶器液位控制系統包括計算機、PLC、機械執行機構、傳感器、塞棒控制器、信號處理裝置和電機，PLC通過液位測量裝置與液位傳感器相連，PLC通過塞棒控制器與電機傳動位置傳感器相連；塞棒通過連機結構與伺服電機相連。本發明的PLC包括PID控制、模糊控制和死區補償，采用自整定參數PID控制與模糊控制并行控制液位，采用PID參數調節器補償由機械傳動引起的不靈敏造成的機械死區。本發明的自整定參數PID控制以常規PID算法為基礎，以液位偏差和液位偏差變化率作為輸入，采用模糊推理方法對PID參數進行在線自整定。自整定參數PID控制主要用于補償因水口結瘤及結瘤脫落導致的水口模型變化，利用自整定參數法使PID實時跟蹤液位，保證系統的性能和誤差的穩定。本發明的模糊控制以液位偏差為輸入，通過模糊推理輸出補償信號來抑制系統超調量，降低液位超調。模糊控制主要抑制過大超調量，保證開澆及非穩態澆鑄條件下結晶器液位控制在偏離標準設定值土6mm范圍，保證快速換中間包和換水口后再次澆鑄時控制鋼水液位波動在土5mm范圍，保證穩定澆鑄過程中鋼水液位控制在偏離標準設定值小于士3mm，該控制過程均可在10s內達到穩定工藝要求。本發明的控制系統采用等級單位描述液位偏差。將液位模糊觀測量、液位變化率模糊觀測量、模糊控制量(控制器PI參數調解量)和比例系數和積分系數的輸出均分為正大、正小、零、負小和負大5個模糊集合，并設計了相應的隸屬函數。自整定參數PID是在PID算法的基礎上，通過計算當前的系統誤差E和系統誤差變化率Ec，利用模糊規則進行模糊推理，査詢模糊矩陣表進行參數調整，模糊控制設計的核心是總結工程設計人員的技術知識和實際操作經驗，建立模糊規則表，本發明采用PI控制算法，制定PI參數調節控制規則，并給出補償控制規則。本發明的死區補償用于補償傳動機構中存在的塞棒結瘤與結瘤脫落、機械死區和鑄坯鼓肚等造成的機械死區，從而保證準確調整塞棒位置。本發明的結晶器液位控制方法按以下步驟進行步驟一數據采集設定初始液位y。，通過液位控制器和液位傳感器采集液位y！和y2，其中》、y2為不同時間的液位。步驟二信號輸入并處理通過信號處理裝置將采集的數據yi和》輸入PLC，采用自整定參數PID控制和模糊控制混合控制處理信號；并通過調整PID參數來補償由機械傳動引起的不靈敏造成的機械死區。混合控制具體實現過程如下1.用模糊自整定參數PID控制檢測液位誤差e!和液位誤差變化率為L，并通過公式e產yo-y,和L-(y2-yi)/(tHi)進行計算處理，其中t2、t！表示采集液位數據時對應時間，根據模糊控制原理對參數進行在線修改，同時模糊控制也檢測液位誤差en但是當控制系統在液位標準設定值范圍內時，模糊控制器輸出為零，此時僅有自整定參數PID控制工作。2.通過模糊控制規則(Kp，K^Fuzzy(epL)，輸出控制信號=Kp*&玄"力抑制超調情況，提高系統暫態性能；其中《p為影響系統響應速度和精度的比例系數；尺i為影響系統穩態精度的積分作用系數；u為模糊化后的系統控制信號；e為檢測信號；i、k和j為序列號。步驟三信號輸出，PLC輸出u(k)=從而通過塞棒控制器控制塞棒位置，從而控制液位，式中u(k)為最終輸出的系統控制信號，W(^為時間ti對應的模糊化后的系統控制信號，w""為時間t2對應的模糊化后的系統控制信號。本發明的控制過程中塞棒結瘤與結瘤脫落、機械死區和鑄坯鼓肚等補償模塊具體原理如下1.塞棒流量特性(l)靜態流量特性式中，0n為結晶器流入鋼水量；Cd為流量比例系數；g為重力加速度；A為塞棒位置(開度)；i/tum為中間包液位高度；^為水口有效流通面積與塞棒開度線性關系系數。(2)動態流量特性塞棒位置與鋼水流入量間動態特性主要為延遲特性，該特性由水口流量傳輸引起，采用一階慣性環節近似為e,7^rto-)]式中^為時間；^為擾動；《Q為流量比例系數；r為滑動水口等效時間常數。(3)時變特性時變過程難于建模，因為它與鋼水成分、溫度、節流口幾何形狀等多種因素相關，本發明將堵塞和開堵等效為塞棒位置擾動，艮P:xd=4remain",T"c)式中，函數remian為時間f除以7;的余數，擾動信號幅值Ac和周期T^可通過現場數據分析得到，Xd為塞棒位置擾動。2.機械傳動死區補償由于機械傳動機構存在間隙和摩擦，無論如何調節，都會存在空程，即存在調節不靈敏區——死區，使塞棒位置調節無法調節準確，甚至導致系統出現自激振蕩而無法工作。"死區"特性如圖3所示，為補償該環節，控制系統加入飽和特性，函數表達式為式中，《為傳動的比例系數；F為調節位置的給定信號；^和6r為控制系統動作臨界點，iv(r)為"死區"環節模型函數。3.鼓肚量化鑄坯鼓肚程度與現場澆鑄條件有關，鑄坯鼓肚可引起液位周期性波動，且拉速與波動周期乘積為常數。本發明將鼓肚量化為正弦波，表示為_y=爿sin(紐+6)式中，^為由鼓肚引起的液位波動幅度；w為液位波動角頻率；6為液位波動相位角，y為鼓肚量。本發明在綜合分析傳統控制方法基礎上，采用自調節參數PID控制和模糊控制并行的控制方法，通過合理設計模糊控制規則和參數整定規則，保證系統在時變狀態下既擁有良好的穩態特性，又具有很好的暫態特性。本發明具有以下優點1.本發明的基于Fuzzy-PID的連鑄結晶器鋼水液位控制方法具有響應速度快、控制精度高和超調量小的特點，即使在澆鑄過程中外界突然加入擾動的情況下也能保證將系統超調量控制在士5mm范圍內，同時保證在短時間內將鋼水液位控制在士3mm范圍內。2.本發明的基于Fuzzy-PID的連鑄結晶器鋼水液位控制方法綜合考慮了對結晶器液位有重要影響的拉速、鋼水紊流和擾動和結晶器振動等因素，解決了更換中間包、更換水口和鋼種等非穩態情況下液位波動較大的問題。3.本發明的基于Fuzzy-PID的連鑄結晶器鋼水液位控制方法結合連鑄實際，加入塞棒結瘤與結瘤脫落、機械死區和鑄坯鼓肚等補償模塊，基于PID參數對系統的影響規律和現場生產經驗，編制隸屬函數和控制規則表，設計出的PID參數調整和模糊控制，能很好的抑制隨機擾動，保證控制系統穩定運行。圖1為本發明的系統設備結構示意圖；圖2為本發明的控制原理圖；圖3為PID控制與模糊控制的混合控制流程圖；圖4為傳動機構機械死區原理圖圖5為液位模糊控制隸屬函數圖，其中，(a)為液位觀測量隸屬度函數(b)為液位變化率觀測量隸屬度函數；(c)為控制量P隸屬函數；(d)為控制量I隸屬函數；圖6為液位狀況的仿真結果圖；圖7為系統實際應用效果圖；圖中1PLC，2現場控制箱，3液位測量裝置，4塞棒控制器，5位置傳感器，6伺服電機，7連接機構，8手動操作手柄，9塞棒，IO中間包，ll液位傳感器，12水口，13模糊控制器，14自整定參數PID控制器，15PID參數調節器，16結晶器，17電機控制器。具體實施方式結合附圖進一步說明本發明的基于Fuzzy-PID的連鑄結晶器鋼水液位控制方法。圖1中PLC1通過液位測量裝置3與液位傳感器11相連，PLC1通過塞棒控制器4與電機傳動位置傳感器5相連，用以采集實時的液位信號和電機傳動位置信號；塞棒9通過連接機構7與伺服電機6相連，伺服電機6控制塞棒9位置；(浸入式)水口開度在塞棒9控制下調節鋼水流量以穩定液位。圖2中控制系統整體呈串級控制，并分為內環和外環兩部分，其中內環控制電機位置，外環控制液位。如圖2所示，首先輸入給定液位，先與液位傳感器采集的液位信號進行比較，并通過模糊控制器13和自整定參數PID控制器14輸出控制信號，即電機位置給定信號，又因機械傳動中具有死區特性，死區原理如圖4所示，則通過電機調節位置傳感器(補償器)5和電機控制器17準確的控制電機傳動位置，同時電機位置傳感器5控制塞棒位置(塞棒開度)，塞棒9模塊輸出中間包10的流量與系統擾動(拉速等)的差值并進入PID控制模塊，通過積分得到結晶器16液位值。由于澆鑄過程中經常出現水口結瘤和結瘤脫落等狀況，導致整個控制系統不穩定，由此需根據實時情況通過PID參數調節器15對自整定參數PID實時調整。PLC中模糊控制與PID控制并行工作，通過模糊控制規則使得在超調量大的時候做出快速反應，并抑制超調量，使得系統具有良好的暫態性能，而當液位在給定液位值附近波動時，模糊控制器輸出很小，這時充分發揮PID控制良好的穩態特性，其參數的實時調節也保證了系統的穩定和良好的技術指標。如圖2所示，結合附圖3、4和5對液位控制進行說明，其液位控制按以下步驟進行步驟一給定液位yo，并先與圖1中液位傳感器采集的液位信號y!和y2進行比較；由于澆鑄過程中經常出現水口結瘤和結瘤脫落等狀況，導致整個控制系統不穩定，由此需根據實時情況調整PID模塊參數，即通過PID參數調節器15對PID參數實時調整。步驟二信號輸入并處理通過信號處理裝置將采集的數據yt和y2輸入PLC，并由自整定參數PID控制和模糊控制混合控制處理數據，控制流程圖如圖3所示。具體實現過程如下1.用模糊自整定參數PID控制檢測液位誤差ei和誤差變化率L,并通過公式el=y0-yi和匕=(y2-yi)/(t2-t,)進行計算處理，其中t2、ti表示采集液位數據時的時間。根據模糊控制原理對參數進行在線修改，同時模糊控制也檢測液位誤差e"但是當控制系統在液位標準設定值范圍內時，模糊控制輸出為零，此時僅有模糊自整定參數PID控制工作。2.通過模糊控制規則(Kp，fOFuzzy(ei，L)，輸出控制信號^藝e(/)抑制超調情況，提高系統暫態性能。采用等級單位描述液位偏差，將液位模糊觀測量分為5個模糊集合PBE(正大)、PSE(正小)、OE(零)、NSE(負小)、NBE(負大)，對應隸屬函數如圖5(a)所示；液位變化率模糊觀測量為5個模糊集合PBEc(正大)、PSEc(正小)、OEc(零)、NSEc(負小)、NBEc(負大)，對應隸屬函數如圖5(b)所示；模糊控制量(控制器PI參數調解量)劃分為5個模糊集合PBP(正大)、PSP(正小)、OP(零)、NSP(負小)、NBP(負大)，對應隸屬函數如圖5(c)所示；比例系數和積分系數的輸出劃分為5個模糊集合PBI(正大)、PSI(正小)、01(零)、NSI(負小)、NBI(負大)，對應隸屬函數如圖5(d)所示。模糊自整定PID參數是在PID算法的基礎上，通過計算當前的系統誤差E和系統誤差變化率Ec，利用模糊規則進行模糊推理，査詢模糊規則表進行參數調整，模糊控制設計的核心是總結工程設計人員的技術知識和實際操作經驗，建立合適的模糊規則表，模糊規則表包括比例系數控制規則表、積分系數控制規則表和補償控制器控制規則，采用PI控制算法，對應PI參數調節器控制規則如表1和表2，同時給出補償控制器控制規則表3。表1比例系數控制規則表<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表3補償控制器控制規則<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>3.信號輸出，PLC輸出uOO-t^O+M""，從而通過塞棒控制器控制塞棒位置控制液位。步驟三通過模糊控制和PID控制輸出控制信號，PLC輸出u(k卜w,(A:)+W2(A:)，由于機械傳動中具有死區特性，通過電機調節位置傳感器(補償器)和電機控制器準確的控制電機傳動位置，同時電機位置控制塞棒位置(塞棒開度)，塞棒模塊輸出中間包流量與系統擾動(拉速等)的差值并進入積分器(結晶器模塊)，通過積分得到結晶器液位值，從而通過塞棒控制其控制塞棒位置來控制液位。如圖6所示，拉速從1.6m/min升至1.8m/min時出現漏鋼警報，現場在隨后的10s內降低拉速至0.2m/min，并在接下來的6分鐘后將拉速升至0.8m/min情況下的仿真結果。由圖7看出，本發明的液位超調量約9mm，澆鑄異常時系統能很快調節到穩定狀態，并且在緩升拉速和基本穩定拉速情況下，控制液位波動在2mm范圍內。由此可見所采用的模糊控制器與參數自整定PID控制器并行控制的方法，能很好的解決非穩態澆鑄過程中穩定性差的向題，同時解決了機械死區和塞棒侵蝕等問題，并對鼓肚和拉速等擾動有較好抑制能力。如圖7所示，現場澆鑄低碳鋼種時從開澆至穩定時的液位波動情況。采用本發明的基于Fuzzy-PID的連鑄結晶器液位控制方法后的液位波動明顯得到改善，開澆時的液位控制在5mm范圍內，且液位能較快趨于穩定，穩定澆鑄時液位波動控制在2mm范圍內。權利要求1.一種基于Fuzzy-PID的連鑄結晶器液位控制方法，其特征在于該控制方法在計算機和PLC的控制下，使用自整定參數PID控制和模糊控制混合控制液位，并對機械死區進行補償，其具體步驟包括步驟一數據采集設定初始液位y0，通過液位控制器和液位傳感器采集液位y1和y2，其中y1、y2為不同時間的液位；步驟二信號輸入并處理通過信號處理裝置將采集的數據y1和y2輸入PLC，采用自整定參數PID控制和模糊控制混合控制處理信息，并通過調整PID參數來補償由機械傳動引起的不靈敏造成的機械死區；步驟三信號輸出，PLC輸出u(k)＝u1(k)+u2(k)，從而通過塞棒控制器控制塞棒位置控制液位；式中u(k)為最終輸出的系統控制信號，u1(k)為時間t1對應的模糊化后的系統控制信號，u2(k)為時間t2對應的模糊化后的系統控制信號。2.根據權利要求1所述的一種基于Fuzzy-PID的連鑄結晶器液位控制方法，其特征在于步驟二所述的自整定參數PID控制和模糊控制混合控制步驟包括(1)、用模糊自整定參數PID控制檢測液位誤差ei和液位誤差變化率L，并通過公式e尸yo-yi和I^(y2-yi)/(trh)進行計算處理，其中t2、h表示采集液位數據時對應時間；根據模糊控制原理對參數進行在線修改，同時模糊控制器也檢測液位誤差ei;當控制系統在液位標準設定值范圍內時，模糊控制器輸出為零，此時僅有模糊自整定參數PID控制工作；(2)、通過模糊控制規則(Kp，Ki)=FuZZy(ei，L)，輸出控制信號Wl(0=*^^>(J)抑制超調情況，提高系統暫態性能，其中Kp為影響系統響應速度和精度的比例系數；《為影響系統穩態精度的積分作用系數；u為模糊化后的系統控制信號；e為檢測信號；i、k和j為序列號。3.根據權利要求1所述的一種基于Fuzzy-PID的連鑄結晶器液位控制方法，其特征在于步驟二所述的死區補償用于補償由調節不靈敏區造成的塞棒位置無法調節準確的弊端，死區特性函數表達式為式中，J為傳動的比例系數；K為調節位置的給定信號；A和&為控制系統動作臨界點；W(K)為"死區"環節模型函數。4.根據權利要求2所述的一種基于Fuzzy-PID的連鑄結晶器液位控制方法，其特征在于所述的模糊規則采用等級單位描述液位偏差，將液位模糊觀測量、液位變化率模糊觀測量、模糊控制量和比例系數和積分系數的輸出均分為正大、正小、零、負小和負大5個模糊集合。5.根據權利要求l所述的一種基于Fuzzy-PID的連鑄結晶器液位控制方法，其特征在于所述的自整定參數PID控制以常規PID算法為基礎，以液位偏差和液位偏差變化率為輸入，采用模糊推理方法，并查詢模糊規則表進行參數調整，對PID參數進行在線自整定。6.根據權利要求1所述的一種基于Fuzzy-PID的連鑄結晶器液位控制方法，其特征在于所述的模糊控制以液位偏差為輸入，通過模糊推理輸出補償信號來抑制系統超調量，降低液位超調。全文摘要本發明涉及的一種基于Fuzzy-PID的連鑄結晶器液位控制方法，該控制方法是在計算機和PLC的控制下，使用自整定參數PID控制和模糊控制混合控制液位，并對機械死區進行補償，步驟包括步驟一設定初始液位y₀，通過液位控制器和液位傳感器采集液位y₁和y₂；步驟二通過信號處理裝置將采集的數據y₁和y₂輸入PLC，采用自整定參數PID控制和模糊控制混合控制處理信息，通過調整PID參數來補償由機械傳動引起的不靈敏造成的機械死區；步驟三PLC輸出u(k)＝u₁(k)+u₂(k)，從而通過塞棒控制器控制塞棒位置控制液位。本發明通過合理設計模糊控制規則和參數整定規則，保證了系統在時變狀態下既擁有良好的穩態特性，又具有很好的暫態特性。文檔編號G05B13/02GK101403930SQ200810228739公開日2009年4月8日申請日期2008年11月13日優先權日2008年11月13日發明者孟祥寧,張會祥,朱苗勇申請人:東北大學