基于模糊控制决策的连铸机结晶器液位控制的系统设计

    连铸机已广泛应用于钢铁冶金行业，我国的连铸比已超过90％，在研究连铸技术领域中，控制技术在连铸机中的应用研究最为活跃。而结晶器是连铸机上的一个关键设备，其液位控制精度对提高钢产量、降低钢坯生产事故率有着重要的意义。笔者利用模糊控制策略对结晶器液位进行控制，并将设计的模糊控制器应用于实际控制对象。

1 传统的结晶器液位控制系统

1．1 概述

    传统的结晶器液位控制采用的Co-60控制系统[1]，是采用控制拉矫机的拉速来控制结晶器的液位，但这种控制系统液位控制精度较低。后来采用塞棒控制结晶器的液位，这种方法是人工操作，响应速度慢，系统稳定性差。传统的结晶器液位控制系统如图1—1所示。

1．2 塞棒控制结晶器液位

由于塞棒动作的响应时间长，对液位控制非线性度大，甚至还可能出现无规律现象，从而导致对液位控制的不稳定性，而且控制精度低。主要有以下几个因素：

    (1)塞棒控制的性状有影响。例如，含铝量较高的钢流浇注时，水口部分容易粘结，从而对钢流的流动起阻塞作用。E和EC模糊离散化表

    (2)在浇注过程中，塞棒及水口被逐渐熔融、冲刷、侵蚀而改变钢流通道的尺寸和形状，这些都将改变钢流。

    (3)由于过程参数的改变，诸如钢液温度、中间罐钢液量，都将对结晶器液位控制产生影响。

1．3 拉速控制结晶器液位

    用改变拉速来控制液位，其控制特性曲线是线性的，因此，从理论上说其控制精度是很高的。但拉速是连铸过程中的重要参数，它取决于下列因素：

    (1)铸坯的质量，拉速应按凝固理论的要求来设计；不同的钢种、断面尺寸、钢液过热度，就决定了相应的冷却度和拉速。因此，在保证铸坯质量的前提下，拉速应有上限值。 ·

    (2)为提高铸坯生产效率，拉速应有下限值。

    为满足上述两个基本要求，拉速应限制在一定范围内。但另一方面，为满足结晶器液位控制的精度要求，拉速应动态地跟踪液位进行调节。因此，应把拉速的调节范围限制在一个较小的动态范围内。

1．4 塞棒控制和拉速控制结晶器液位的比较

    当浇注普通炭钢或对质量要求不高的钢种时，两种控制手段[2]均可采用，且应优先使用控制拉速的办法，因为拉速控制液位是近似线性的。当浇注特殊钢种，应综合采用两种控制方法，因为此时连铸工艺要求液位稳定，也同时要求拉速稳定，但只要当连铸工艺过程状态没有突变或没有很大的扰动时，还是应该采用控制拉速的方法，即使出现较大的扰动，也可在拉速控制回路采用前馈调节来消除扰动。因此，对结晶器液位的控制主要应采用拉速来控制。

2 模糊控制器设计

2．1 控制系统结构分析

    图2--1是以拉速控制液位的系统原理图，将液位传感器检测的液位信号与给定的液位信号比较，计算出液位偏差及偏差变化率，并进行模糊化、模糊推理和决策，经过调节因子计算后，送给实际的拉速液位PI控制器进行运算，其输出控制拉矫机的拉速，从而控制结晶器的液位。模糊控制系统框图如图2—2所示。

2．2 精确量的模糊化

    模糊控制器选用二维输入和一维输出，输入变量为结晶器液位误差正和液位误差变化率EC，输出量Z改变拉速PI控制器的P、I参数。其对应的语言值模糊子集选取为：{H，M，Z，S，L}其中H=负大；M=负小；Z=零；S=正小；L=正大。并确定偏差月和偏差变化率EC的整数论域为：E：Xe={-2，-1，0，1，2}，EC：Xec={-2，-1，0，1，2}；输出量Z的整数论域为：Z：{-2，-1，0，1，2}；P--比例控制，I--积分控制。

    为了得到平稳地跟踪误差信号，g和EC的隶属函数选用等距离交叉分配的三角形曲线。如图2—3所示。模糊控制器的输入Z和JC用上述隶属函数模糊离散化后如表2—1，输出Z的模糊化表具有相同的形式。

2．3 模糊控制规则的建立

    根据传统拉速PI控制器控制结晶器液 位，依照在MATLAB平 台上二阶惯性系统的阶跃响应仿真曲线，并根据月和EC推出拉速PI控制器参数的控制规则，建立了模糊控制规则表，如表2-2和表2-3。表2-2为拉速n控制器的比例作用模糊控制规则表，表2-3为PI控制器的积分作用模糊控制规则表。

表2-1

表2-2 P模糊离散化表

表2-3 I模糊离散化表

    模糊推理的经验为：当偏差E较大时，需加快系统响应速度，取较大的P，同时为防止积分饱和和系统响应出现超调，取较小的I；当E和EC适中时，取适中的P和较小的I；当E较小时，取较大的P和I。

    模糊控制规则用模糊条件语句表示为：

if E is Ei AND EC is ECi THENP(I)is Pi(Ii)，表中每一元素表示了一条规则。根据控制规则可计算出模糊输出量P和／I的隶属度。

    其中Ei和ECi是E和EC两前提空间的模糊子集，Pi(Ii)是结论P(I)空间的模糊子集，i=1，2，…，N，N为模糊标记的数目。

    楔湖控制规则的推理通过编程在计算机中完成，控制规则采用带有调节因子的控制算法：U=aE+(1-a)EC,a[0,1]，一般a取0.5。

    从模糊控制器的调试中发现，输入变量的论域不仅表示可能涉及的范围，更重要的是反映了控制器的精度。因此，模糊输出的精确值需乘以一个比较调节因子，才能作为真正的PI控制器输入控制参数，以使系统最终达到偏差E=0。

2. 4 解模糊

解模糊就是求出每一个模糊量输出的精确值，即是对模糊控制信号P或者I的隶属函数图形进行解模糊处理。在此采用质量中心法（COG），结合加权平均，计算模糊输出量P的精确值。其求解公式[3]为为输入变量的输出P模糊标记的隶属度。x为各模糊标记值。同理可求出I的精确值。

3 应用结果分析

    将上述设计的模糊控制系统应用于小方坯连铸机的控制上，经过现场多次测试，其控制结果如图3—1所示。由此可以看出：液位控制精度较高，其对应的拉速变化也很平稳。系统采用模糊控制策略后，比常规的拉速液位PI控制效果好，拉速平稳，液位偏差小。

4 结束语

    模糊控制技术在国外的连铸机液位控制中已得到应用，通过对结晶器液位控制系统的分析，将模糊控制策略应用于该系统中，克服了常规PI控制系统响应慢、稳定性较差的缺点，取得了比较满意的控制效果。

[参考文献]

[1] 连续铸钢手册[M]．北京：冶金工业出版社，1991．

[2] Mold Level Control in Continuous Caster如Neural Network Model，Watanabe[J]．ISIJ international．1999,39(10)．

[3] 丛 爽．神经网络、模糊系统及其在运动控制中的应用[M]．合肥：中国科学技术出版社，2001．

[4] 牛振冬，等译．控制工程基础[M]．北京：中央广播电视大学出版社，1988．

作者简介：李祖林(1966-)，男，硕士，讲师，主要从事自动检测技术、智能控制方面的研究。