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1、冶金自动4 9 2 0 0 6 年增刊( S 1 ) 模糊P I D 在结晶器液位控制系统上的应用 徐永军 ( 上海宝信软什股份有限公叫自动化事业部，上海2 0 1 2 0 3 ) 【摘妻 介绍连铸控制系统的核心功能、结晶器液位控制系统的控制结构和控制实现方法、模糊控制+ P I t ) 的 控制策略以及投入后控制效果。 关键词 结品器液位控制；模糊逻辑；塞棒或滑板的位置控制 0 前言 板坯连铸三电控制系统中，其主要的控制功 能有：中间包液位控制；结晶器液位控制；结晶器 液压振动；结晶器远程调宽；扇形段辊缝蒯节( 轻 压下) ；二次玲却控制系统( 带气雾冷却) ；长度跟 踪系统；负载均衡控制等
2、。 其中结晶器液位控制系统为连铸自动化控制 系统的核心功能，板坯的产量和质量直接取决于 限于篇幅，本文将重点描述结晶器液位控制 系统的控制结构与控制实现方法，以及模糊控制 + P I D 控制策略投入后的控制效果。 1 相关检测和控制系统的接口 结晶器液位控制系统控制器硬件为S i e m e a s 的$ 7 - 4 ( X ) ，系统软件为P c s 7 监控平台。结晶器液 位由涡流电磁计I M Z 束检测，与P L C 的接口为4 。2 0m A 的电流信号，寒棒的位置设定值与位置反 结晶器液位控制系统的稳定性和精度。馈值均以4 2 0 n A 信号进P I C 。见图1 。 略j 翻
3、自动化系统 位置设定值增加 位置垃定值减少 卜- * 一产。 一o 塞棒关闭 液佛异常鸣叫 卜电 渣位检测故障 o 一 渡位高高 S 7 - 4 0 0 涡流液位检测 涟位低低 卜毋结晶器渍位 h 卜 一 释放白动 酉图 灯测试 确认键 紧急停止 阿 1 液位设定值- 一 | 液位实际值 闭环位霄 车l 操作盘 控制系统 卜。一一J 测试键 _ 1 塞棒位冒增加 塞棰_ | c 置减少卜一 ；1l 一 目测试 车2 操作盘 中间包车1 j 一毋，测试键 i 塞棒位霄增加 塞棒位置减少中间包车2 灿刺试 圈1 结晶器液位控制系统结构固 收穑日期 2 0 ( Y o - 0 1 1 0 ) 【修改
4、稿收到口期 2 0 0 6 X ) 2 - 1 6 作者简介 徐永军( 1 , r m - ) ，男，湖北仙桃人，工程师硕士，现从事基础自动化工程工作o - 5 8 冶金自动4 e ) 2 0 0 6 年增刊( s 1 ) 2 控制实现方法 2 1 控制结构 结晶器液位控制主要由两层带负反馈的闭环 控制环叠加，其中，外控制环为液位控制环，其中 带模糊控制的P I D 控制器，调节结晶器液位；内控 结 制环为位置控制环( 塞棒或滑板) ，其中带摩擦力 补正的P 控制器，调节塞棒位置。见图2 。 2 2 结晶器液位控制环 为了使结晶器液位在各种复杂的浇注条件下 维持稳定的目标设定值，根据工艺诀窍，
5、通过下列 图2 结晶器液位控制系统框图 模块来辅助li D 控制器实现液位控制：在线参数 调整；模糊逻辑模块；在线优化P I D 增益K p ；结晶 器振动频率过滤；干扰监视处理。 2 2 1 在线浇注参数涮整 模块收集了S M S D E M A G 过去l o 年中近3 0 条 连铸机的生产经验数据，输人条件为不同的浇注 参数，如浇注钢种、浇注板坯断面、结晶器尺寸等， 输出条件为浇注中P I D 控制器应使用的参数K 。 ( P I D 比例系数) ，L ( P I D 积分系数) 和0 ( P I D 微 分系数) 。该模块能根据浇注不同的钢种、不同的 板坯规格，自动在线调整P I D
6、参数足。，L 和L 。 2 2 2 模糊逻辑模块 模糊逻辑控制示意图见图3 。 在稳定的浇注过程中，结晶器液位维持在一 个稳定的水平，结晶器液位的设定值和实际值的 偏差e 恒定。如果此时拉速因生产过程的要求增 加或减小，该模块能自适应调节P I D 的浇注参数 民，保证结晶器液位稳定在设定值的范围。 浇注几个炉次后，浸入式水口存在磨损和结 渣现象。如果仅考虑磨损，对于相同的液位设定 值，则实际液位要升高；如果仪考虑结渣，对于相 同的液位设定值，则实际液位要降低。此模块能 根据结晶器液位的期望值和实际检测的液位对 P I D 参数民，L 和鼻进行调整，保证实际的结晶 器液位稳定在期望值范围内。
7、当浸入式水u 结渣到一定程度后，在浇注过 程中会发生结渣掉落现象，此时结品器液位将发 生波动。模块能根据实际液位的波动自动凋节 P I D 参数K 。，瞬时调节塞棒( 或滑板) 的开度，保证 结晶器液位稳定。 圈3 模糊逻辑控制示意围 寸 2 2 3 在线优化P I D 增益K 。 在一定的测量时问范围内( 1 0 m 左右) ，连续 采样两次结晶器的实际液位，计算两次测量液位 差口和两次测量液位时眄K 。差K p ，I 玎以计算 到c = d K p ，此时将K 。( 。) = K ( 。一1 ) + c 作为最 新的调节参数增益没定到P I D 控制器。实践证明 5 9 ，台金自动4 E
8、) 2 0 0 6 年增刊( S 1 ) 用此方法可快速有效地使结晶器液位逼近稳定的 设定值，减少结晶液位的振荡时间。 在线优化P I D 增益控制示意图见图4 。 图4 在线优化P I D 增益控制示意图 2 2 4 结品器振动频率过滤 结晶器的断面尺寸和结晶器的实际振动频率 作为参数输入到结晶器振动频率过滤器，对于可 能引起结晶器液位无阻尼振动的结晶器振动频率 进行过滤，保证液位始终处于阻尼振动状态，即短 时间内液位趋于稳定。 2 ，2 5 干扰监视处理 在实际浇注过程中，由于鼓肚的影响会导致 结晶器液位波动，此时结晶器液位的波动和搏速 的大小成正比，这种情况下的波动直接影响热流 内部质量
9、。设定了一个干扰观察处理器，其工作 原理是： 鼓肚时，检测塞棒( 或滑板) 的实际位置和实 际的结晶器液位，此时实际液位比目标液位异常 低。考虑拉速的关联，在发生鼓肚时刻干扰观察 处理器产生一个瞬时的结晶器液位设定值补偿， 此补偿作为负反馈将液位的设定值瞬时调大。从 而使塞棒的开口度瞬时偏大，最大程度地维持结 晶器液位稳定。 在现场热负荷调试时，干扰观察处理器将在 现场进行参数凋整。 2 3 塞棒或滑板的位置控制环 结晶器液位的设定值转化为塞棒的位置控制 由P 控制器来进行调节控制，此P 控制器带摩擦 和机械问隙的补偿漏节，控制方框图见图1 所示。 因为摩擦力和执行机构机械问隙的原因，中 间包
10、塞棒机械装置易短暂地粘接或滞动，此时会 引发结晶器液位波动。摩擦力和机械间隙补偿调 节能识别这种机械粘接和机械滞后，对塞棒的位 置控制产生一个前馈信号，此信号作用于塞棒执 6 0 行机构，能大大减少结晶器液位波动。 对于摩擦力和间隙补偿调节器，输人条件为 结晶器的液位设定值和实际的结晶器液位值的差 值、塞棒或滑板的实际位置，据此，调节器产生前 馈控制信号s P r e 直接作用于塞棒或滑板，同时 产生。一作用于P 控制器。 摩擦力和间隙补偿补偿时问一般为1 0r n 8 ，但 也可通过H M I 凋整补偿时问。 3 控制效果比较 图5 为根据本项目的传递函数进行M a t l a b 仿 真的
11、结果。 二 图中曲线1 为系统仿真时的阶跃输入，曲线2 为普通P I D 控制器对阶跃输人的响应，曲线3 为模 糊P I D 控制器对阶跃输入的响应。 ：八 舷3 1 f 、“y 7 f f i f l2 3 456 t A 图5 参数优化后的偏差情况 可以看到，模糊P I D 对阶跃输入的响应与普 通P I D 相比具有超凋小，稳态响应时间短等优点。 在实际应刚中，结晶器液位控制的诀窍在于： ( 1 ) 通过模糊控制( 在线参数调整、模糊逻辑 模块、在线优化P I D 增益P ) 对P I D 的参数进行调 整和优化，以保证稳定的结晶器液位。 ( 2 ) 通过摩擦力补偿来减少机械执行机构的 机械问隙和摩擦力对结晶器液位的影响。， ( 3 ) 通过干扰处理观察器来补偿鼓肚对结晶 器液位的影响。 ( 4 ) 通过滤波器束阻断结晶器振动对结晶器 液位引起的振荡。 编辑：张胜】 = | 蚴 吣 o
