連鑄機(jī)已廣泛應(yīng)用于鋼鐵冶金行業(yè)，我國的連鑄比已超過90%，在研究連鑄技術(shù)領(lǐng)域中，控制技術(shù)在連鑄機(jī)中的應(yīng)用研究zui為活躍。而結(jié)晶器是連鑄機(jī)上的一個關(guān)鍵設(shè)備，其液位控制精度對提高鋼產(chǎn)量、降低鋼坯生產(chǎn)事故率有著重要的意義。筆者利用模糊控制策略對結(jié)晶器液位進(jìn)行控制，并將設(shè)計的模糊控制器應(yīng)用于實(shí)際控制對象。
1傳統(tǒng)的結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)
1.1概述
傳統(tǒng)的結(jié)晶器液位控制采用的co-60控制系統(tǒng)[1]，是采用控制拉矯機(jī)的拉速來控制結(jié)晶器的液位，但這種控制系統(tǒng)液位控制精度較低。后來采用塞棒控制結(jié)晶器的液位，這種方法是人工操作，響應(yīng)速度慢，系統(tǒng)穩(wěn)定性差。
1.2塞棒控制結(jié)晶器液位
由于塞棒動作的響應(yīng)時間長，對液位控制非線性度大，甚至還可能出現(xiàn)無規(guī)律現(xiàn)象，從而導(dǎo)致對液位控制的不穩(wěn)定性，而且控制精度低。主要有以下幾個因素：
（1）塞棒控制的性狀有影響。例如，含鋁量較高的鋼流澆注時，水口部分容易粘結(jié)，從而對鋼流的流動起阻塞作用。
（2）在澆注過程中，塞棒及水口被逐漸熔融、沖刷、侵蝕而改變鋼流通道的尺寸和形狀，這些都將改變鋼流。
（3）由于過程參數(shù)的改變，諸如鋼液溫度、中間罐鋼液量，都將對結(jié)晶器液位控制產(chǎn)生影響。
1.3拉速控制結(jié)晶器液位
用改變拉速來控制液位，其控制特性曲線是線性的，因此，從理論上說其控制精度是很高的。但拉速是連鑄過程中的重要參數(shù)，它取決于下列因素：
（1）鑄坯的質(zhì)量，拉速應(yīng)按凝固理論的要求來設(shè)計；不同的鋼種、斷面尺寸、鋼液過熱度，就決定了相應(yīng)的冷卻度和拉速。因此，在保證鑄坯質(zhì)量的前提下，拉速應(yīng)有上限值。·
（2）為提高鑄坯生產(chǎn)效率，拉速應(yīng)有下限值。
為滿足上述兩個基本要求，拉速應(yīng)限制在一定范圍內(nèi)。但另一方面，為滿足結(jié)晶器液位控制的精度要求，拉速應(yīng)動態(tài)地跟蹤液位進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，應(yīng)把拉速的調(diào)節(jié)范圍限制在一個較小的動態(tài)范圍內(nèi)。
1.4塞棒控制和拉速控制結(jié)晶器液位的比較
當(dāng)澆注普通炭鋼或?qū)|(zhì)量要求不高的鋼種時，兩種控制手段[2]均可采用，且應(yīng)優(yōu)先使用控制拉速的辦法，因?yàn)槔倏刂埔何皇墙凭€性的。當(dāng)澆注特殊鋼種，應(yīng)綜合采用兩種控制方法，因?yàn)榇藭r連鑄工藝要求液位穩(wěn)定，也同時要求拉速穩(wěn)定，但只要當(dāng)連鑄工藝過程狀態(tài)沒有突變或沒有很大的擾動時，還是應(yīng)該采用控制拉速的方法，即使出現(xiàn)較大的擾動，也可在拉速控制回路采用前饋調(diào)節(jié)來消除擾動。因此，對結(jié)晶器液位的控制主要應(yīng)采用拉速來控制。
2模糊控制器設(shè)計
2.1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析
圖2--1是以拉速控制液位的系統(tǒng)原理圖，將液位傳感器檢測的液位信號與給定的液位信號比較，計算出液位偏差及偏差變化率，并進(jìn)行模糊化、模糊推理和決策，經(jīng)過調(diào)節(jié)因子計算后，送給實(shí)際的拉速液位pi控制器進(jìn)行運(yùn)算，其輸出控制拉矯機(jī)的拉速，從而控制結(jié)晶器的液位。模糊控制系統(tǒng)框圖如圖2—2所示。
2.2量的模糊化
模糊控制器選用二維輸入和一維輸出，輸入變量為結(jié)晶器液位誤差正和液位誤差變化率ec，輸出量z改變拉速pi控制器的p、i參數(shù)。其對應(yīng)的語言值模糊子集選取為：{h，m，z，s，l}其中h=負(fù)大；m=負(fù)?。粃=零；s=正小；l=正大。并確定偏差月和偏差變化率ec的整數(shù)論域?yàn)椋篹：xe={-2，-1，0，1，2}，ec：xec={-2，-1，0，1，2}；輸出量z的整數(shù)論域?yàn)椋簔：{-2，-1，0，1，2}；p--比例控制，i--積分控制。
為了得到平穩(wěn)地跟蹤誤差信號，g和ec的隸屬函數(shù)選用等距離交叉分配的三角形曲線。如圖2—3所示。模糊控制器的輸入z和jc用上述隸屬函數(shù)模糊離散化后如表2—1，輸出z的模糊化表具有相同的形式。
2.3模糊控制規(guī)則的建立
根據(jù)傳統(tǒng)拉速pi控制器控制結(jié)晶器液位，依照在matlab平臺上二階慣性系統(tǒng)的階躍響應(yīng)仿真曲線，并根據(jù)月和ec推出拉速pi控制器參數(shù)的控制規(guī)則，建立了模糊控制規(guī)則表，如表2-2和表2-3。表2-2為拉速n控制器的比例作用模糊控制規(guī)則表，表2-3為pi控制器的積分作用模糊控制規(guī)則表。
模糊推理的經(jīng)驗(yàn)為：當(dāng)偏差e較大時，需加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，取較大的p，同時為防止積分飽和和系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)超調(diào)，取較小的i；當(dāng)e和ec適中時，取適中的p和較小的i；當(dāng)e較小時，取較大的p和i。
模糊控制規(guī)則用模糊條件語句表示為：
if e is ei and ec is eci thenp（i）is pi（ii），表中每一元素表示了一條規(guī)則。根據(jù)控制規(guī)則可計算出模糊輸出量p和／i的隸屬度。
其中ei和eci是e和ec兩前提空間的模糊子集，pi（ii）是結(jié)論p（i）空間的模糊子集，i=1，2，…，n，n為模糊標(biāo)記的數(shù)目。
楔湖控制規(guī)則的推理通過編程在計算機(jī)中完成，控制規(guī)則采用帶有調(diào)節(jié)因子的控制算法：u=ae+（1-a）ec,a[0,1]，一般a取0.5。
從模糊控制器的調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，輸入變量的論域不僅表示可能涉及的范圍，更重要的是反映了控制器的精度。因此，模糊輸出的值需乘以一個比較調(diào)節(jié)因子，才能作為真正的pi控制器輸入控制參數(shù)，以使系統(tǒng)zui終達(dá)到偏差e=0。
2. 4解模糊
解模糊就是求出每一個模糊量輸出的值，即是對模糊控制信號p或者i的隸屬函數(shù)圖形進(jìn)行解模糊處理。在此采用質(zhì)量中心法（cog），結(jié)合加權(quán)平均，計算模糊輸出量p的值。其求解公式[3]為為輸入變量的輸出p模糊標(biāo)記的隸屬度。x為各模糊標(biāo)記值。同理可求出i的值。
3應(yīng)用結(jié)果分析
將上述設(shè)計的模糊控制系統(tǒng)應(yīng)用于小方坯連鑄機(jī)的控制上，經(jīng)過現(xiàn)場多次測試，其控制結(jié)果如圖3—1所示。由此可以看出：液位控制精度較高，其對應(yīng)的拉速變化也很平穩(wěn)。系統(tǒng)采用模糊控制策略后，比常規(guī)的拉速液位pi控制效果好，拉速平穩(wěn)，液位偏差小。
4結(jié)束語
模糊控制技術(shù)在國外的連鑄機(jī)液位控制中已得到應(yīng)用，通過對結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)的分析，將模糊控制策略應(yīng)用于該系統(tǒng)中，克服了常規(guī)pi控制系統(tǒng)響應(yīng)慢、穩(wěn)定性較差的缺點(diǎn)，取得了比較滿意的控制效果。
[參考文獻(xiàn)]
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[4]牛振冬，等譯.控制工程基礎(chǔ)[m].北京：*廣播電視大學(xué)出版社，1988.
作者簡介：李祖林（1966-），男，碩士，講師，主要從事自動檢測技術(shù)、智能控制方面的研究。