《北京交通大学自动控制原理课题研究--液位控制(数学模型)bdtd》由会员分享，可在线阅读，更多相关《北京交通大学自动控制原理课题研究--液位控制(数学模型)bdtd（15页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、自动控制制原理课题研究究课题名称称：描述述一个自自动控制制原理实实例并建建立其数数学模型型连铸机结结晶器液液位控制制系统及及其数学学模型摘要：在在国内，结结晶器液液位控制制系统已已成功地地应用在在了板坯坯连铸机机上，但小方方坯连铸机还还都是手手动开浇浇，人工工控制结结晶器液液面高度度，自动动控制技技术远远远落后于于发达国国家，钢钢坯质量量很难得得到改善善。这是是我国连连铸机工工业面临临的一大大问题。本文通通过文献献检索，总总结了一一种适用用于小方方坯连铸铸机的结结晶器液液位自动动控制系系统，根根据液位位控制的的机理建建立了各各个环节节的数学学模型，并并且该系系统具有有结构简简单、抗抗干扰能能力
2、强，调调整时间间短等优优点，可可同时兼兼顾控制制系统的的动静态态性能。关键词：连铸机机，结晶晶器液位位控制，数数学模型型正文一 连铸工艺艺原理和和连铸设设备概况况连铸是连连续铸钢钢的简称称，是使使钢水不不断地通通过水冷冷结晶器器，凝成成硬壳后后从结晶晶器下方方出口连连续拉出出，经喷喷水冷却却，全部部凝固后后切成坯坯料的铸铸造工艺艺。连铸铸的一般生产产工艺流流程，如如图1.1所示示。由炼炼钢炉炼炼出的合合格钢水水，经钢钢包运送送到浇铸铸位置，通通过中间间包铸入入强制水水冷结晶晶器内。铸铸入结晶晶器的钢钢水在迅迅速冷却却凝固形形成铸坯坯的同时时，其前前部与伸伸入结晶晶器底部部的引锭锭杆头部部凝结在
3、在一起。当当结晶器器内钢水水升到要要求的高高度后，开开动拉坯坯机，以以一定速速度把引引锭杆从从结晶器器中拉出出。铸坯坯被拉出出后，通通过二次次冷却区区域，使使其更快快的散热热冷却并并继续逐逐渐凝固固。然后后经过矫矫直机矫矫直后，完完全凝固固的直铸铸坯由切切割设备备切成定定尺，经经运输辊辊道进入入下道工工序。连铸生产产所用的的设备，实实际上是是包括在在连铸作作业线上上的一整整套机械械电气及及控制设备。其其主要设设备包括括钢包及及其运送送设备、中中间包、结结晶器及及其振动动装置、二二次冷却装装置、拉拉坯矫直直装置、铸铸坯切割割装置、铸铸坯运输输装置以以及各部部分电气气和自动化控制制装置等等。炼钢炉
4、炼炼出的连连铸用合合格钢水水装入钢钢包，经经过炉外外精炼设设备处理理后，由由钢包运送设备备运送到到连铸机机浇铸位位置，供供给中间间包所必必需的钢钢水。目目前，生生产上使使用的主要有有四种型型式的设设备:专专用起重重机、固固定式座座架、浇浇铸车和和旋转台台。连铸机工工艺流程程中间包是是钢包与与结晶器器间的一一个中间间容器。钢钢包中的的钢水先先注入中中间包，然然后再通过过中间包包内的水水口装置置铸入结结晶器中中。中间间包在连连铸过程程中起到到减压、稳稳流、除渣渣、储钢钢、分流流和中间间包冶金金等重要要作用。结晶器是是连铸机机非常重重要的部部件，是是连铸设设备的“心脏”。钢水水在结晶晶器内冷却，初初
5、步凝固固成一定定坯壳厚厚度的铸铸坯外形形，并被被连续地地从结晶晶器下口口拉出，进进入二冷区区。结晶晶器按照照其内壁壁形状分分为弧形形和直形形两种;按铸坯坯规格和和形状来来分，有圆坯、矩矩形坯、方方坯、板板坯和异异型坯结结晶器;按其结结构形式式，可分分为整体体式、套管式及及组合式式等。结结晶器振振动装置置的目的的是，使使结晶器器内壁获获得良好好的润滑滑条件，防止止钢水与与结晶器器内壁粘粘结，避避免铸坯坯拉断或或者拉漏漏。二次冷却却装置直直接接受受来自结结晶器的的高温薄薄壳(110一一15IInm)铸坯，但但内部仍仍为液态钢钢水。设设置它的的目的是是，可采采用直接接喷水冷冷却带有有液芯的的铸坯，使
6、使其迅速速冷却至完完全凝固固，避免免铸坯产产生鼓肚肚变形。二二冷装置置的夹辊辊则起到到支撑和和导向铸铸坯和引锭锭杆的作作用，防防止其跑跑偏。拉坯矫直直机位于于二次冷冷却区尾尾部，起起到对铸铸坯拉出出、矫直直和脱引引锭杆的的作用。在连铸中中，由于于浇铸钢钢种不同同，要求求的浇铸铸的速度度不同，拉拉坯矫直直机的拉拉速也不不同。切割装置置根据用用户或下下道工序序的不同同，将铸铸坯切成成定尺或或倍尺。由由于铸坯坯在拉出过程程中是不不断运动动的，要要求切割割装置在在切割过过程中要要与铸坯坯实现严严格的同同步运动。连连铸机采采用的切切割方法法有火焰焰切割和和机械切切割两种种。铸坯运输输装置的的任务是是把切
7、成成定尺的的铸坯冷冷却、精精整、出出坯，以以保证连连铸机的连铸生生产。二 结晶器液液位控制制技术的的重要性性精确的结结晶器液液位控制制被认为为是提高高连铸坯坯质量的的关键。连连铸生产产过程中中，对于结晶晶器液位位控制的的一个基基本要求求是稳定定生产操操作，避避免拉漏漏和溢钢钢。其次次要尽可能的的保持液液位稳定定，提高高铸坯的的质量，而而能否满满足这个个要求是是目前衡衡量连铸铸控制水平平的一个个重要标标志。结晶器液液位波动动是铸坯坯产生纵纵裂的重重要原因因，而结结晶器液液位的稳稳定性是是与钢水流量、水水口堵塞塞、水口口结构、插插入深度度以及由由钢水再再循环引引起的弯弯月面产产生的波浪有关关的，这
8、这是一个个复杂的的体系。法法国S110meer工厂厂试验指指出，结结晶器液液位波动动大于110rnnm，发发生纵裂裂的几率率占300%;浸浸入式水水口插入入深度的的变化大大于400mm，发发生纵裂裂的几率率占200%。说说明结晶晶器液位位波动对对铸坯质质量的影影响较大大。因此结晶晶器液位位控制的的重要性性在于减减少或避避免漏钢钢、溢钢钢，稳定定生产操操作;防止浮在在结晶器器液面上上的杂质质卷入铸铸坯，避避免铸坯坯表面和和内部产产生加渣渣缺陷;防止结晶器器保护渣渣不均匀匀流入，避避免产生生裂纹、炉炉渣条痕痕等表面面缺陷;使铸坯坯初期凝固稳定定，保证证在结晶晶器内产产生均匀匀的凝固固壳;改改善操作
9、作人员的的工作环环境，减减轻劳动强度度;优化化生产过过程和生生产计划划，降低低生产成成本。特特别是高高效连铸铸时，拉拉速较高，如如果不使使用结晶晶器液位位检测与与控制装装置控制制浇铸过过程，就就不能保保证连铸铸机正常生产产。三结晶晶器液位位控制技技术的现现状及趋趋势结晶器液液位自动动控制技技术是连连铸基础础自动化化的一部部分，控控制部分分可以是是PLCC或DCSS，也可可以是一一个独立立的工业业计算机机控制系系统。其其相关的的硬件除除结晶器器、中间包等对对象系统统外，还还应包括括液位检检测系统统、执行行机构、模模型辨识识、控制制策略及及控制器等等几个方方面。结晶器液液位检测测系统是是控制液液位
10、稳定定的前提提，也是是制约我我国连铸铸过程自自动化和生产自自动化的的瓶颈之之一。目目前已经经开发并并得以应应用的结结晶器液液位检测测方法主主要有:热电电偶法、涡涡流法、放放射性同同位素法法、电磁磁感应法法、浮子子法、工工业电视视摄像法法、红外外线法、超超声波法法、激光光测量法法等。目目前世界界上广泛泛采用的的测量方方法主要有放放射性同同位素法法、涡流流法等。目目前，奥奥钢联、我我国鞍钢钢、攀钢钢、马钢钢、济钢等都采采用放射射性同位位素法检检测结晶晶器液位位，日本本新日铁铁公司、我我国宝钢钢、武钢钢、包钢等采采用涡流流检测法法。本钢钢则根据据检测方方法的不不同性能能特点，在在薄板坯坯铸机长长漏斗
11、HZZ型结晶晶器上将将放射性性同位素素法和涡涡流法结结合使用用，其控控制精度度达到了了国外先先进检测测水平。关于模型型辨识和和控制方方法，常常用的阶阶跃信号号激励的的辨识方方法并不不适用于于结晶器液位控控制系统统的模型型辨识，传传统的方方法是在在正弦信信号激励励下采用用现场中中的PIID控制制器进行行闭环辨辨识。但但这种辨辨识方法法的鲁棒棒性能较较差，同同时，由由于结晶晶器液位位系统随随即干扰扰因素多多，非线线性和时时变性强强，系统统开环增增益较大大，无法法满足越越来越高高的自动动化生产产要求和和越来越越高的对对铸坯质质量的要要求。随随着对结结晶器液液位控制制系统的的不断深深入研究究，智能能P
12、IDD控制、预预测控制制、自适适应控制制、模糊糊控制、HH，控制制、专家家系统和和神经元元网络等等智能控控制方法法在结晶晶器液位位控制上上的应用用，使控控制系统的鲁鲁棒性大大大加强强并能够够很好的的克服了了系统中中有色噪噪声的影影响。结晶器液液位控制制系统的的执行机机构是用用来控制制塞棒或或滑动水水口的位位置，最最终控制结晶器器中钢水水的流入入量。目目前在国国内外连连铸机上上应用的的执行机机构包括括:液压压执行机构、电电气交流流无刷伺伺服电机机执行机机构、高高精度数数字气动动缸、低低惯量交交流无刷刷伺服电动动缸以及及高精度度数字电电动缸，其其中后两两种由于于抗干扰扰性能强强和便于于维护已已得到
13、越越来越广广泛的使使用。由于连铸铸车间工工作环境境恶劣，目目前国内内外的结结晶器控控制系统统控制器器几乎全全部采用PLLC，西西门子公公司的SS系列的的PLCC以其可可靠的稳稳定性、强强大的可可扩展性性、先进进的控制制软件在在该领域域占有绝绝对统治治地位。总之，结结晶器液液位控制制系统涉涉及到传传感检测测技术、信信息处理理技术、机机电设备备制造技术术、计算算机控制制技术、工工业网络络技术等等多个领领域。目目前，国国内外一一些高拉拉速浇铸的的连铸机机可将钢钢液面波波动控制制在士33以内内，最好好的已达达到了士士120。作为连铸铸控制系系统的重重要组成成部分，智智能化和和网络化化已经成成为结晶晶器
14、液位位控制系系统发展的的必然趋趋势。四 液位控制制系统方方案及控控制原理理根据综合合比较，SSG一88小方坯坯连铸机机结晶器器液位控控制系统统的设计计，采用用放射性性同位素素检测技技术与高高精度数数字电动动缸技术术相结合合来实现现结晶器器钢水液液位的闭闭环自动动控制。控控制系统统控制方方案如图图所示。该系统主主要包括括:放射射性同位位素检测测系统、PPLC控控制器、塞塞棒驱动动器、高高精度数数字电动动缸执行行器、塞塞棒机构构、现场场操作箱箱及实现现数据采采集和监监视的上上位机系系统组成成。控制原理理:系统统采用放放射性同同位素检检测装置置对结晶晶器液位位进行检检测，通通过Css137传传感器能
15、能够测出出结晶器器内钢水水液位的的高度信信号，经经液位计计转换成成420mmA的电电流信号号，实时时地传送送到PLLC中央央控制单单元，PPLC读读取液位位测量值值并经模模/数转转换和数数字滤波波处理，将将处理后后的测量量值与系系统的设设定值进进行比较较，其差差值经控控制器运运算后，将将输出的的脉冲信信号转换换成控制制数字电电动缸的的数字信信号输出出，控制制数字电电动缸驱驱动中间间包塞棒棒执行机机构，调调节塞棒棒，改变变水口开开度，以以实现对对钢水的的流量控控制，保保证结晶晶器内钢钢水液位位稳定。结晶器液液位控制制系统控控制方案案图五 结晶器液液位控制制系统控控制器的的数学模模型1 结晶器液液位串级级控制2 简化后的的结晶器器液位控控制框图图本系统主主要包括括:液位位控制器器、数字字电动缸缸、塞棒棒流量特特性、拉拉速特性性、结晶器、同同位素液液位检测测传感器器及干扰扰等环节节。液位位控制器器根据液液位偏差差信号输输出电信号UU;数字字电动缸缸将U信信号转换换成塞棒棒的位置置输出信信号戈;塞棒流流量特性性根据戈转换换成浸入入式水口口流入结结晶器的的流量QQin，再再结合拉拉速的流流出流量量Qouut，最最后经结结晶器特特性输出出液位信信号Y;同位素素液
