[发明专利]一种基于Fuzzy-PID的连铸结晶器液位控制方法

说明书

技术领域

本发明属于连铸生产技术领域，特别涉及一种基于Fuzzy-PID的连铸结晶器液位控制方法。

背景技术

随着钢铁行业技术进步，市场对钢材产品质量的要求不断提高，连铸作为钢铁生产流程中承上启下的重要环节，直接影响钢材产品质量。连铸结晶器内钢水液位的变化对铸坯质量有重要影响，稳定结晶器液位对提高铸坯质量和改善浇铸效果意义重大。连铸过程中，结晶器液位高度应保持在合适范围，若钢水液位升高，相当于提高了浇铸水口浸入深度，使结晶器传热负荷增大，影响铸坯凝固进程，液位提高还使钢水静压力变大，增加了对铸坯内液芯的压力，易引起鼓肚现象，影响铸坯质量，液位过高甚至会引起溢钢事故。若钢水液位下降，相当于水口浸入深度降低，易造成卷渣，也不利于钢水中夹杂物上浮，无法保证钢水的洁净，过低的液位还易导致漏钢事故。稳定结晶器液位对减少铸坯夹渣和夹杂、改善结晶器润滑条件、维持稳定的钢水凝固条件、改善铸坯质量、降低漏钢率和溢流危险及提高连铸机作业率等均有重要作用。

连铸过程中结晶器内各种行为互相交织，相互影响，一系列无法测量的扰动因素的存在也为结晶器液位的控制带来了诸多困难，这些因素主要为：(1)拉速的波动；(2)中间包出口内钢水不规则流动；(3)结晶器内钢水紊流；(4)结晶器内熔池扰动；(5)钢种；(6)结晶器振动等。目前基于对上述因素的分析，并结合相应的方法和装置，已有相关技术被开发并用于结晶器液位的控制，如发明专利“结晶器液位检测装置”(申请号：02266583.8)即在结晶器周围安置一组线圈，通过连接该线圈与交流电源，设计出一种可达到较高检测精度的结晶器液位检测装置，发明专利“测量金属液位用超声波线阵探头”(申请号：92216303.0)和发明专利“嵌入式结晶器液位检测系统”(申请号：200620096044.X)也均提出了相应的结晶器液位检测装置，上述相关专利主要解决了结晶器液位检测装置及检测精度的问题，缺乏对结晶器液位控制方法的研究和开发。本发明目的在于开发新的结晶器液位控制方法，解决传统控制方法无法满足系统响应特性和控制参数难以精确调节等问题，实现结晶器液位的稳定控制。

通常结晶器液位控制采用的主要方法为PID控制和模糊控制，具体包括模糊控制器直接控制、改进PID控制及PID控制器与模糊控制器相互切换控制等方法。模糊控制器直接控制解决了系统暂态特性不好的问题，但模糊控制器难以保证系统同时具有良好的稳态特性，此方法很难应用于实践。改进的PID控制方法，特别是调整PID参数法能够解决系统非稳态和模型不确定等问题，但在非稳态浇铸时，系统超调量和调节时间难于精确控制。PID控制器与模糊控制器相互切换的控制方法在理论上综合利用了PID控制器良好的稳态性能和模糊控制较好的暂态性能，但实际生产过程中系统的不确定性使得PID控制器很难适应，且PID控制和模糊控制切换过程中带来的扰动冲击也相应增大了系统的干扰，容易引起超调现象频繁发生。

发明内容

针对浇铸过程中较大钢水液位波动幅度对浇铸带来的不利，本发明提供一种基于Fuzzy-PID的连铸结晶器液位控制方法，即基于自调整参数PID控制与模糊(Fuzzy)控制并行控制的连铸结晶器液位控制方法。

本发明的连铸结晶器液位控制系统包括计算机、PLC、机械执行机构、传感器、塞棒控制器、信号处理装置和电机，PLC通过液位测量装置与液位传感器相连，PLC通过塞棒控制器与电机传动位置传感器相连；塞棒通过连机结构与伺服电机相连。

本发明的PLC包括PID控制、模糊控制和死区补偿，采用自整定参数PID控制与模糊控制并行控制液位，采用PID参数调节器补偿由机械传动引起的不灵敏造成的机械死区。

本发明的自整定参数PID控制以常规PID算法为基础，以液位偏差和液位偏差变化率作为输入，采用模糊推理方法对PID参数进行在线自整定。自整定参数PID控制主要用于补偿因水口结瘤及结瘤脱落导致的水口模型变化，利用自整定参数法使PID实时跟踪液位，保证系统的性能和误差的稳定。

本发明的模糊控制以液位偏差为输入，通过模糊推理输出补偿信号来抑制系统超调量，降低液位超调。模糊控制主要抑制过大超调量，保证开浇及非稳态浇铸条件下结晶器液位控制在偏离标准设定值±6mm范围，保证快速换中间包和换水口后再次浇铸时控制钢水液位波动在±5mm范围，保证稳定浇铸过程中钢水液位控制在偏离标准设定值小于±3mm，该控制过程均可在10s内达到稳定工艺要求。