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1、2022年-2023年建筑工程管理行业文档 齐鲁斌创作自动控制原理课题研究课题名称：描述一个自动控制原理实例并建立其数学模型 连铸机结晶器液位控制系统及其数学模型摘要：在国内，结晶器液位控制系统已成功地应用在了板坯连铸机上，但小方坯连铸机还都是手动开浇，人工控制结晶器液面高度，自动控制技术远远落后于发达国家，钢坯质量很难得到改善。这是我国连铸机工业面临的一大问题。本文通过文献检索，总结了一种适用于小方坯连铸机的结晶器液位自动控制系统，根据液位控制的机理建立了各个环节的数学模型，并且该系统具有结构简单、抗干扰能力强，调整时间短等优点，可同时兼顾控制系统的动静态性能。关键词：连铸机，结晶器液位控制
2、，数学模型正文一 连铸工艺原理和连铸设备概况连铸是连续铸钢的简称，是使钢水不断地通过水冷结晶器，凝成硬壳后从结晶器下方出口连续拉出，经喷水冷却，全部凝固后切成坯料的铸造工艺。连铸的一般生产工艺流程，如图1.1所示。由炼钢炉炼出的合格钢水，经钢包运送到浇铸位置，通过中间包铸入强制水冷结晶器内。铸入结晶器的钢水在迅速冷却凝固形成铸坯的同时，其前部与伸入结晶器底部的引锭杆头部凝结在一起。当结晶器内钢水升到要求的高度后，开动拉坯机，以一定速度把引锭杆从结晶器中拉出。铸坯被拉出后，通过二次冷却区域，使其更快的散热冷却并继续逐渐凝固。然后经过矫直机矫直后，完全凝固的直铸坯由切割设备切成定尺，经运输辊道进入
3、下道工序。连铸生产所用的设备，实际上是包括在连铸作业线上的一整套机械电气及控制设备。其主要设备包括钢包及其运送设备、中间包、结晶器及其振动装置、二次冷却装置、拉坯矫直装置、铸坯切割装置、铸坯运输装置以及各部分电气和自动化控制装置等。炼钢炉炼出的连铸用合格钢水装入钢包，经过炉外精炼设备处理后，由钢包运送设备运送到连铸机浇铸位置，供给中间包所必需的钢水。目前，生产上使用的主要有四种型式的设备:专用起重机、固定式座架、浇铸车和旋转台。连铸机工艺流程中间包是钢包与结晶器间的一个中间容器。钢包中的钢水先注入中间包，然后再通过中间包内的水口装置铸入结晶器中。中间包在连铸过程中起到减压、稳流、除渣、储钢、分
4、流和中间包冶金等重要作用。结晶器是连铸机非常重要的部件，是连铸设备的“心脏”。钢水在结晶器内冷却，初步凝固成一定坯壳厚度的铸坯外形，并被连续地从结晶器下口拉出，进入二冷区。结晶器按照其内壁形状分为弧形和直形两种;按铸坯规格和形状来分，有圆坯、矩形坯、方坯、板坯和异型坯结晶器;按其结构形式，可分为整体式、套管式及组合式等。结晶器振动装置的目的是，使结晶器内壁获得良好的润滑条件，防止钢水与结晶器内壁粘结，避免铸坯拉断或者拉漏。二次冷却装置直接接受来自结晶器的高温薄壳(10一15Inm)铸坯，但内部仍为液态钢水。设置它的目的是，可采用直接喷水冷却带有液芯的铸坯，使其迅速冷却至完全凝固，避免铸坯产生鼓
5、肚变形。二冷装置的夹辊则起到支撑和导向铸坯和引锭杆的作用，防止其跑偏。拉坯矫直机位于二次冷却区尾部，起到对铸坯拉出、矫直和脱引锭杆的作用。在连铸中，由于浇铸钢种不同，要求的浇铸的速度不同，拉坯矫直机的拉速也不同。切割装置根据用户或下道工序的不同，将铸坯切成定尺或倍尺。由于铸坯在拉出过程中是不断运动的，要求切割装置在切割过程中要与铸坯实现严格的同步运动。连铸机采用的切割方法有火焰切割和机械切割两种。铸坯运输装置的任务是把切成定尺的铸坯冷却、精整、出坯，以保证连铸机的连铸生产。二 结晶器液位控制技术的重要性精确的结晶器液位控制被认为是提高连铸坯质量的关键。连铸生产过程中，对于结晶器液位控制的一个基
6、本要求是稳定生产操作，避免拉漏和溢钢。其次要尽可能的保持液位稳定，提高铸坯的质量，而能否满足这个要求是目前衡量连铸控制水平的一个重要标志。结晶器液位波动是铸坯产生纵裂的重要原因，而结晶器液位的稳定性是与钢水流量、水口堵塞、水口结构、插入深度以及由钢水再循环引起的弯月面产生的波浪有关的，这是一个复杂的体系。法国S10mer工厂试验指出，结晶器液位波动大于10rnm，发生纵裂的几率占30%;浸入式水口插入深度的变化大于40mm，发生纵裂的几率占20%。说明结晶器液位波动对铸坯质量的影响较大。因此结晶器液位控制的重要性在于减少或避免漏钢、溢钢，稳定生产操作;防止浮在结晶器液面上的杂质卷入铸坯，避免铸
7、坯表面和内部产生加渣缺陷;防止结晶器保护渣不均匀流入，避免产生裂纹、炉渣条痕等表面缺陷;使铸坯初期凝固稳定，保证在结晶器内产生均匀的凝固壳;改善操作人员的工作环境，减轻劳动强度;优化生产过程和生产计划，降低生产成本。特别是高效连铸时，拉速较高，如果不使用结晶器液位检测与控制装置控制浇铸过程，就不能保证连铸机正常生产。三结晶器液位控制技术的现状及趋势结晶器液位自动控制技术是连铸基础自动化的一部分，控制部分可以是PLC或DCS，也可以是一个独立的工业计算机控制系统。其相关的硬件除结晶器、中间包等对象系统外，还应包括液位检测系统、执行机构、模型辨识、控制策略及控制器等几个方面。结晶器液位检测系统是控
8、制液位稳定的前提，也是制约我国连铸过程自动化和生产自动化的瓶颈之一。目前已经开发并得以应用的结晶器液位检测方法主要有:热电偶法、涡流法、放射性同位素法、电磁感应法、浮子法、工业电视摄像法、红外线法、超声波法、激光测量法等。目前世界上广泛采用的测量方法主要有放射性同位素法、涡流法等。目前，奥钢联、我国鞍钢、攀钢、马钢、济钢等都采用放射性同位素法检测结晶器液位，日本新日铁公司、我国宝钢、武钢、包钢等采用涡流检测法。本钢则根据检测方法的不同性能特点，在薄板坯铸机长漏斗HZ型结晶器上将放射性同位素法和涡流法结合使用，其控制精度达到了国外先进检测水平。关于模型辨识和控制方法，常用的阶跃信号激励的辨识方法
9、并不适用于结晶器液位控制系统的模型辨识，传统的方法是在正弦信号激励下采用现场中的PID控制器进行闭环辨识。但这种辨识方法的鲁棒性能较差，同时，由于结晶器液位系统随即干扰因素多，非线性和时变性强，系统开环增益较大，无法满足越来越高的自动化生产要求和越来越高的对铸坯质量的要求。随着对结晶器液位控制系统的不断深入研究，智能PID控制、预测控制、自适应控制、模糊控制、H，控制、专家系统和神经元网络等智能控制方法在结晶器液位控制上的应用，使控制系统的鲁棒性大大加强并能够很好的克服了系统中有色噪声的影响。结晶器液位控制系统的执行机构是用来控制塞棒或滑动水口的位置，最终控制结晶器中钢水的流入量。目前在国内外
10、连铸机上应用的执行机构包括:液压执行机构、电气交流无刷伺服电机执行机构、高精度数字气动缸、低惯量交流无刷伺服电动缸以及高精度数字电动缸，其中后两种由于抗干扰性能强和便于维护已得到越来越广泛的使用。由于连铸车间工作环境恶劣，目前国内外的结晶器控制系统控制器几乎全部采用PLC，西门子公司的S系列的PLC以其可靠的稳定性、强大的可扩展性、先进的控制软件在该领域占有绝对统治地位。总之，结晶器液位控制系统涉及到传感检测技术、信息处理技术、机电设备制造技术、计算机控制技术、工业网络技术等多个领域。目前，国内外一些高拉速浇铸的连铸机可将钢液面波动控制在士3以内，最好的已达到了士120。作为连铸控制系统的重要
11、组成部分，智能化和网络化已经成为结晶器液位控制系统发展的必然趋势。四 液位控制系统方案及控制原理根据综合比较，SG一8小方坯连铸机结晶器液位控制系统的设计，采用放射性同位素检测技术与高精度数字电动缸技术相结合来实现结晶器钢水液位的闭环自动控制。控制系统控制方案如图所示。该系统主要包括:放射性同位素检测系统、PLC控制器、塞棒驱动器、高精度数字电动缸执行器、塞棒机构、现场操作箱及实现数据采集和监视的上位机系统组成。控制原理:系统采用放射性同位素检测装置对结晶器液位进行检测，通过Cs137传感器能够测出结晶器内钢水液位的高度信号，经液位计转换成420mA的电流信号，实时地传送到PLC中央控制单元，
12、PLC读取液位测量值并经模/数转换和数字滤波处理，将处理后的测量值与系统的设定值进行比较，其差值经控制器运算后，将输出的脉冲信号转换成控制数字电动缸的数字信号输出，控制数字电动缸驱动中间包塞棒执行机构，调节塞棒，改变水口开度，以实现对钢水的流量控制，保证结晶器内钢水液位稳定。结晶器液位控制系统控制方案图五 结晶器液位控制系统控制器的数学模型1 结晶器液位串级控制2 简化后的结晶器液位控制框图本系统主要包括:液位控制器、数字电动缸、塞棒流量特性、拉速特性、结晶器、同位素液位检测传感器及干扰等环节。液位控制器根据液位偏差信号输出电信号U;数字电动缸将U信号转换成塞棒的位置输出信号戈;塞棒流量特性根
13、据戈转换成浸入式水口流入结晶器的流量Qin，再结合拉速的流出流量Qout，最后经结晶器特性输出液位信号Y;同位素液位检测传感器采集带有干扰的液位信号PV返回给控制器;从而实现结晶器钢水液位的闭环控制。3. 液位控制系统建模1）、高精度数字电动缸模型本系统中高精度数字电动缸采用混合式高扭矩步进电机作为驱动装置。步进电机的传递函数是一个典型的二阶系统，它与电流、输出角位置、角速度、转动惯量、齿数及粘滞阻尼系数有关。这里可以简化为一阶惯性环节:其中，2)、塞棒流量特性模型(1)、静态流量特性塞棒流量特性是指塞棒位置与结晶器钢水流入量之间的关系，即:式中，为结晶器钢水流入量。中间包到结晶器之间的浸入式
14、水口较长且之直径较小，必须考虑水口上的压力损失，塞棒的工作流量特性可用如下模型表示:其中:为塞棒的最大开度，为塞棒处于最大开度时钢水的最大体积流量，Pv表示塞棒全开时塞棒节流口处压降占总压降的百分比，f()为塞棒节流口的理想流量特性(也称设计流量特性)，可从产品手册中查到，一般为百分比或对数流量特性，Pv可通过实验测定。(2)、动态流量特性塞棒位置到结晶器钢水流入量之间的动态特性主要为延迟特性，由浸入式水口的流量传输引起，用一阶惯性环节代替：其中:取结晶器截面积，一般取0.4一0.8s，本系统取0.5s.3)、拉速特性模型拉速V决定了流出结晶器的钢水流量Qout:其中K为结晶器截面积.4)、结
15、晶器模型结晶器液位是一个典型的积分环节，由钢水输入流量、输出流量及增益共同决定，其关系如下:如果考虑到结晶器有很小的延时，故可用一阶惯性环节表示，其中:为结晶器截面积的倒数，取01s。5)、同位素液位检测传感器模型同位素液位检测传感器的数学模型比较复杂，受到噪声等因素影响比较多，而且存在非线性和时滞性，因此液位检测传感器是一个时滞环节。对于时滞时间很小的时滞环节，可以简化成为惯性环节。其中=1;取0.3s.6)、结晶器振动参数结晶器振动是液位检测的主要周期性干扰，用表示。振动主要有同步振动、负滑动振动和正弦振动三种，运动参数主要是振幅(s)和频率(f)。从工艺上看，频率高，铸坯处在一个运动状态中，这对防止粘结，脱模都有利;振幅小，结晶器内的钢液面波动小，浇注时容易控制又能减少拉裂。对于小方坯铸机，f=75 一 240次 /min(1.25一4Hz);s=3mm。本系统中横截面130mmXl30mm结晶器振动为正弦振动，f=100次 /min(l.7Hz)，S=8mm传递函数六 课题研究总结
