基于扰动观测器的连铸结晶器液面控制

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1、基于扰动观测器的连铸结晶器液面控制摘要：在连续铸造中调节钢液的液位是困难的，因为它受到各种干扰，其中胀形扰动最为突出。此外，由于连续铸造速度的加快，系统延迟的增加导致了相位滞后。为了在系统延迟的存在下消除胀形扰动，我们提出了一种基于扰动观测器的自适应正弦估量和相位超前的自适应模糊控制器。我们测试了该方法使用1:1规模硬件模拟器和证实的方法成功地降低了胀形扰动在钢水液位上的扰动影响。关键字：自适应模糊控制器、自适应正弦估量、胀形扰动、连续铸造、时滞补偿1、介绍连铸钢水液位控制之所以重要是因为它决定着铸坯的表面质量。然而，调节钢水的液位很难，因为

2、它受到各种扰动，包括铸造速度和中间包的重量变化，喷嘴的堵塞和疏通，还有胀形扰动[10]。其中，胀形的干扰最为严重[11]。它是在支撑辊周期性地向上推动钢水时产生的。胀形干扰几乎呈正弦形，降低了钢水的质量水平。因此，我们专注于消除钢水液位的胀形扰动影响。各种控制策略已被提出，其中包括消除干扰的扰动观测器[1]，从PID控制回路在主PID控制回路内的主从式PID控制器用来降低对扰动的敏感度[2]，基于模型的控制器用来稳定调节结晶器和中间包液位[3]，塞棒控制的神经网络模型用来减少铸件的速度变化[4]，用于消除干扰的模糊逻辑控制器[5]，陷波滤波器

3、，PID和模糊逻辑控制器用来消除干扰[6]，H∞控制器用来平衡抗干扰性和鲁棒稳定性[7],陷波滤波器和H∞控制器用于减少表面波的振幅[8],和减少胀形扰动的迭代学习控制器[17]。然而,在这些论文中,钢水液位动力学描述为只有一个积分器和一阶转移函数,而在现实中,动态更为复杂，主要是由于钢水液位系统的时间延迟。在过去，铸造速度和胀形的频率都比较低，因此，系统延迟的影响，其中主要是执行器和传感器延迟的影响，没有那么严重。然而，随着快速铸造工艺要求的提高，由于系统的胀形频率增大，系统延迟导致的相位滞后也在增加。比如，给定结晶器液位变为Am∙sinω

4、td+t+θ=Am∙sinωtd+ωt+θ，其中，Am是结晶器液位的反应幅度，ωtd是系统延迟td导致的相位滞后。所以，每当铸造速度增加，增加，ωtd增加即使系统延迟Td被固定相位滞后。因此，系统延迟已经成为稳定钢水液位的关键阻碍。自适应模糊估算器已经提出以除去凸出干扰取系统延迟考虑[9]，但其性能降解显著当应用于钢水级别系统具有随时间变化的胀形扰动。在本文中，我们提出了一个自适应的正弦基于估计干扰观测，这用于消除在随时间变化的隆起干扰系统延迟的存在。此外，我们补充这一观测用相位超前自适应模糊控制器拒绝剩下的骚乱。2、系统模型2.1铸造过程连

5、铸大方坯的铸造是一个钢水浇铸进模型成为实心的过程。这篇论文的细节来自特定的铸造工，但主要的特点是很多设备类似并遍及全世界。这些连铸机生产的钢板厚210毫米，宽度从1200毫米到2500毫米。过程如图Fig.1所示：中间包作为一个蓄水池，输送钢水到模具中，中间包的体积远大于模具的体积。中间包的阀（塞子）作为执行器来控制钢水流入模具经过锻造的金属经过两次冷却过程。主要冷却发生在模具中，并在可流动的中心产生一个壳状支撑面。这个有部分弹性的钢板连续不断的脱离模具，并在一系列的支承辊上继续第二次冷却。待凝固后形成的钢被切割成每个10米长的钢板。通常认定

6、轧钢的表面质量取决于模型中钢水液位的稳定性。尤其是，通常能观察到结晶器振动会带来外来杂质颗粒和焊渣进入钢水中，导致产品的表面有瑕疵。公司通常每年要花费百万美元去处理这些次品，即通过一个严格的程序来大幅减少。现有的典型稳态控制是PI类型，工业控制系统展示的事实是结晶器液位在设定值上下振荡（Fig.4）它的周期在10~20秒之间，振幅在5~15毫米之间。类似的振动在世界上其他的连铸机也有很多。专家们并不完全认可这些振动的来源，尽管是有些潜在的问题（如塞棒堵塞磨损导致对结果的影响；阀的几何形状影响了非线性；液压旋转影响流入模型的钢）是来自这里。通过

7、一些铸造专家了解到，其中一个重要的因素可能来自模型输出后滚轴周期性的压力变化。这与Kong和DeKeyer的实验是一致的，这说明即使阀位保持不变振荡也会持续，表明这些振荡不仅仅是反馈的效果。2.2过程辨识和仿真模型铸造厂为了获得确定的实验数据，经过大量的测试，给出了详细的结果，这是由图2的生成的。实际上，企业的目标是用更加先进的控制方法来取代现有的PI调节器，感兴趣的过程（如控制器，即操纵和控制变量之间）是由图3的方框图生成的。具体如下：u：被控变量（塞棒位置单位%）y：控制变量（结晶器液位单位mm）n：测量噪声（白噪声相对标准的偏差单位1m

8、m）d：流量ι/s输出d（t）包含：-标定（常量）流出量为10l/s，公式v*C中v为拉坯速率（m/min），C为铸模的横截面（0.21m*2m）-窄频带的随机过程