CN106270468A - 一种自动控制钢水浇铸与监测的方法 - Google Patents

Abstract

一种自动控制钢水浇铸与监测的方法，包括如下步骤:确定系统运行流程，设定流量给定参数，启动钢水浇铸；改进PID控制算法；根据PID算法中的误差采样值，控制区间调整对控制器的控制；计算浇铸重量差、浇铸速率与时间，实时检测及调控，可随时了解钢水浇铸过程中机械与生产状态，完成铸流过程自动控制钢水浇铸与监测，该方法利用虚拟仪器技术完成系统控制流程与过程计算，结合数据库技术实现整个浇铸过程中关键参数的文本存储并生成钢水浇铸系统监测报告，便于技术人员分析产生质量问题的原因，并及时调整与改进生产工艺，避免了重大安全事故与经济损失的发生，满足了实际工业应用中的生产需要。

Description

一种自动控制钢水浇铸与监测的方法

技术领域

本发明属于铸造系统控制与监测领域，特别涉及一种自动控制钢水浇铸与监测的方法。

背景技术

浇铸是铸造生产过程中的一个重要环节，而随着微电子技术与自动控制理论的快速发展，PID算法控制在工业控制浇铸系统中得到广泛的应用，在冶金工业中，PID算法控制的使用率高达82.9％，是冶金企业所采用的最主要的控制方式之一：浇铸监测主要依靠重量传感器实时采集在浇铸过程中吊钩秤上钢水的重量值，通过无线或有线数据传输的方式将数据信息传递到数据处理终端计算出浇铸速率、时间等参数，从而实现浇铸过程的监测。虽然大多数冶金企业采用吊包浇铸方式，通过重量传感器来实现钢水浇铸重量的检测，但并没有找到能够满足浇口中钢水的液位高度检测的传感器件，从而限制了浇铸自动化水平的发展。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种自动控制钢水浇铸与监测的方法，结合数据库技术实现整个浇铸过程中关键参数的文本存储并生成钢水浇铸系统监测报告，便于技术人员分析产生质量问题的原因，并及时调整与改进生产工艺，避免了重大安全事故与经济损失的发生，以传统钢水浇铸为基础，提出了一种基于改进PID算法的钢水浇铸控制与浇铸流量监测系统，便于技术人员分析产生质量问题的原因，并及时调整与改进生产工艺，避免了重大安全事故与经济损失的发生。

实现本发明目的的技术方案是

一种自动控制钢水浇铸与监测的方法，包括如下步骤:

1)确定系统运行流程，设定流量给定参数，启动钢水浇铸；

2)改进PID控制算法

3)根据步骤2)中的误差采样值，控制区间调整对控制器的控制；

4)根据步骤3)计算浇铸重量差、浇铸速率与时间，实时检测及调控，可随时了解钢水浇铸过程中机械与生产状态，完成铸流过程自动控制钢水浇铸与监测。

步骤1)中工控机控制步进电机快速驱动浇铸流量伺服控制组合，使得吊钩秤运动控制浇铸流量，从而在浇口中以给力流量值建立液位。当浇口中的钢水液面建立后，系统进入稳态阶段，通过从图像传感器上反馈回来的液面状态对原控制算法进行补偿，通过浇铸流量伺服控制组合位置将钢水液位维持在浇口高度值附近，从而保持浇铸过程的稳定性。当钢水液位达到浇口高度时，工控机控制步进电机快速关闭浇铸流量伺服控制组合，浇铸停止。

步骤2)中对于钢、铁、铜、铝、锡等液态金属浇铸对象，其浇铸流量大致如下式

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\mathrm{\π}}{4}{k}_1{h}^2\left(t\right)\frac{\mathrm{dh}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=Q_1(t-\mathrm{\π})-k_2\sqrt{h\left(t\right)}\\ k_1=\mathrm{\π}{\tan }^2\mathrm{\α}\\ r=\sqrt{\frac{2(h_2-h_0)}{g}},h_0=0.8h\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：Q₁(t)为浇口的浇铸流量；k₁为浇口形状相关的系数；2α为浇口杯口夹角；k₂砂型直浇道形状相关系数；r为砂型直浇道半径；h₂为吊钩秤到浇口底之间的距离；h₀为浇口液态合金液位设定值；h(t)为砂型浇口的实时液位高度。

从式中可以看出，浇铸流量对象是一个具有时变参数、时滞、非线性的控制过程，且浇铸过程中浇口液态合金液位误差具有二阶系统单位阶跃响应的误差曲线特性，需将该误差补偿到PID控制算法中。

假设e(n)为钢水浇铸过程中当前液位采样时刻离散化的误差采样值，则：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δe}\left(n\right)=e\left(n\right)-e(n-1)\\ \mathrm{\Δe}(n-1)=e(n-1)-e(n-2)\end{array}\right.---\left(2\right)$

将上代入至控制器输出状态方程中得到n次误差采集值反馈后控制器输出值：

U(n)＝N₁[e(n)-e(n-1)]+N₂₁e(n)+N₂[e(n)-2e(n-1)-e(n-2)] (3)

式中：N₁与N₂控制器输出前后的放大系数，N₁>1，N₂<1，N₂₁为抑制系数。根据实际工程经验，通过区段不同算法调节的方式可有效地解决时变、时滞、非线性系统的控制问题，该方法即有鲁棒控制的快速性，又有时滞控制的稳定抗干扰能力。

步骤3)中假设误差采样值以最大值、中间值与最小值设为参考界限分别用e_max，e_mid，e_min表示，e(n)Δe(n)>0，e(n)Δe(n)<0分别表示误差向绝对值增大与减小区段的方向变化。

当|e(n)|>e_max，液位误差绝对值很大，即控制器输出量超过最大值或低于最小值，控制区间对控制器施加最大输出量或最小输出量。

$U\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}{U}_{\max },& e\left(n\right)>0\\ U_{\min },& e\left(n\right)<0\end{array}\right.---\left(4\right)$

当e_mid≤|e(n)|<e_max，液位误差仍处于较大状态，控制器施加较高的输出值从而迅速减小 液位误差。

$U\left(n\right)=\left\{\begin{array}{c}U(n-1)+N_1\mathrm{\&Delta;U}\left(n\right),e\left(n\right)\mathrm{\&Delta;e}\left(n\right)\&GreaterEqual;0\\ U(n-1)+\mathrm{\&Delta;U}\left(n\right),e\left(n\right)\mathrm{\&Delta;e}\left(n\right)<0\end{array}\right.---\left(5\right)$

当e_min≤|e(n)|<e_mid，液位误差处于较低状态，控制器施加一般输出值来微调液位高度。

$U\left(n\right)=\left\{\begin{array}{c}U(n-1)+\mathrm{\&Delta;U}\left(n\right),e\left(n\right)\mathrm{\&Delta;e}\left(n\right)\&GreaterEqual;0\\ U(n-1)+N_2\mathrm{\&Delta;U}\left(n\right),e\left(n\right)\mathrm{\&Delta;e}\left(n\right)<0\end{array}\right.---\left(6\right)$

当|e(n)|<e_min，此时的液位误差非常小，保持控制器平稳输出。

U(n)＝U(n-1) (7)

步骤4)中重量传感器采集吊钩秤上的钢水重量，以该值为基准值G₁，之后每隔一定时间Δt采集一次钢水重量G_i，则浇铸重量差值为ΔG＝G_i-G_i-1，钢水浇铸流速为：

$\mathrm{\&upsi;}=\frac{\mathrm{\&Delta;G}}{\mathrm{\&Delta;t}}---\left(8\right)$

式中：i≥2。由于系统设定采样间隔时间与软件采样时间存在一定的误差k：

则最终的浇铸速度为：

$\mathrm{\&upsi;}=k\frac{\mathrm{\&Delta;G}}{t_i-t_{i-1}}---\left(10\right)$

本发明的有益效果是，一种自动控制钢水浇铸与监测的方法，利用虚拟仪器技术完成系统控制流程与过程计算，结合数据库技术实现整个浇铸过程中关键参数的文本存储并生成钢水浇铸系统监测报告，便于技术人员分析产生质量问题的原因，并及时调整与改进生产工艺，避免了重大安全事故与经济损失的发生，满足了实际工业应用中的生产需要。

具体实施例

下面对本发明做进一步的阐述，但不是对本发明的限定。

实施例

一种自动控制钢水浇铸与监测的方法，包括如下步骤:

1)确定系统运行流程，设定流量给定参数，启动钢水浇铸；

2)改进PID控制算法

3)根据步骤2)中的误差采样值，控制区间调整对控制器的控制；

4)根据步骤3)计算浇铸重量差、浇铸速率与时间，实时检测及调控，可随时了解钢水浇铸过程中机械与生产状态，完成铸流过程自动控制钢水浇铸与监测。

步骤1)中工控机控制步进电机快速驱动浇铸流量伺服控制组合，使得吊钩秤运动控制浇铸流量，从而在浇口中以给力流量值建立液位。当浇口中的钢水液面建立后，系统进入稳态阶段，通过从图像传感器上反馈回来的液面状态对原控制算法进行补偿，通过浇铸流量伺服控制组合位置将钢水液位维持在浇口高度值附近，从而保持浇铸过程的稳定性。当钢水液位达到浇口高度时，工控机控制步进电机快速关闭浇铸流量伺服控制组合，浇铸停止。

步骤2)中对于钢、铁、铜、铝、锡等液态金属浇铸对象，其浇铸流量大致如下式

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}{k}_1{h}^2\left(t\right)\frac{\mathrm{dh}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=Q_1(t-\mathrm{\&pi;})-k_2\sqrt{h\left(t\right)}\\ k_1=\mathrm{\&pi;}{\tan }^2\mathrm{\&alpha;}\\ r=\sqrt{\frac{2(h_2-h_0)}{g}},h_0=0.8h\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：Q₁(t)为浇口的浇铸流量；k₁为浇口形状相关的系数；2α为浇口杯口夹角；k₂砂型直浇道形状相关系数；r为砂型直浇道半径；h₂为吊钩秤到浇口底之间的距离；h₀为浇口液态合金液位设定值；h(t)为砂型浇口的实时液位高度。

从式中可以看出，浇铸流量对象是一个具有时变参数、时滞、非线性的控制过程，且浇铸过程中浇口液态合金液位误差具有二阶系统单位阶跃响应的误差曲线特性，需将该误差补偿到PID控制算法中。

假设e(n)为钢水浇铸过程中当前液位采样时刻离散化的误差采样值，则：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;e}\left(n\right)=e\left(n\right)-e(n-1)\\ \mathrm{\&Delta;e}(n-1)=e(n-1)-e(n-2)\end{array}\right.---\left(2\right)$

将上代入至控制器输出状态方程中得到n次误差采集值反馈后控制器输出值：

U(n)＝N₁[e(n)-e(n-1)]+N₂₁e(n)+N₂[e(n)-2e(n-1)-e(n-2)] (3)

式中：N₁与N₂控制器输出前后的放大系数，N₁>1，N₂<1，N₂₁为抑制系数。根据实际工程经验，通过区段不同算法调节的方式可有效地解决时变、时滞、非线性系统的控制问题，该方法即有鲁棒控制的快速性，又有时滞控制的稳定抗干扰能力。

步骤3)中假设误差采样值以最大值、中间值与最小值设为参考界限分别用 e_max，e_mid，e_min表示，e(n)Δe(n)>0，e(n)Δe(n)<0分别表示误差向绝对值增大与减小区段的方向变化。

当|e(n)|>e_max，液位误差绝对值很大，即控制器输出量超过最大值或低于最小值，控制区间对控制器施加最大输出量或最小输出量。

$U\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}{U}_{\max },& e\left(n\right)>0\\ U_{\min },& e\left(n\right)<0\end{array}\right.---\left(4\right)$

当e_mid≤|e(n)|<e_max，液位误差仍处于较大状态，控制器施加较高的输出值从而迅速减小液位误差。

$U\left(n\right)=\left\{\begin{array}{c}U(n-1)+N_1\mathrm{\&Delta;U}\left(n\right),e\left(n\right)\mathrm{\&Delta;e}\left(n\right)\&GreaterEqual;0\\ U(n-1)+\mathrm{\&Delta;U}\left(n\right),e\left(n\right)\mathrm{\&Delta;e}\left(n\right)<0\end{array}\right.---\left(5\right)$

当e_min≤|e(n)|<e_mid，液位误差处于较低状态，控制器施加一般输出值来微调液位高度。

$U\left(n\right)=\left\{\begin{array}{c}U(n-1)+\mathrm{\&Delta;U}\left(n\right),e\left(n\right)\mathrm{\&Delta;e}\left(n\right)\&GreaterEqual;0\\ U(n-1)+N_2\mathrm{\&Delta;U}\left(n\right),e\left(n\right)\mathrm{\&Delta;e}\left(n\right)<0\end{array}\right.---\left(6\right)$

当|e(n)|<e_min，此时的液位误差非常小，保持控制器平稳输出。

U(n)＝U(n-1) (7)

步骤4)中重量传感器采集吊钩秤上的钢水重量，以该值为基准值G₁，之后每隔一定时间Δt采集一次钢水重量G_i，则浇铸重量差值为ΔG＝G_i-G_i-1，钢水浇铸流速为：

$\mathrm{\&upsi;}=\frac{\mathrm{\&Delta;G}}{\mathrm{\&Delta;t}}---\left(8\right)$

式中：i≥2。由于系统设定采样间隔时间与软件采样时间存在一定的误差k：

则最终的浇铸速度为：

$\mathrm{\&upsi;}=k\frac{\mathrm{\&Delta;G}}{t_i-t_{i-1}}---\left(10\right)$ 。

Claims (5)

1.一种自动控制钢水浇铸与监测的方法，其特征在于，包括如下步骤:

1)确定系统运行流程，设定流量给定参数，启动钢水浇铸；

2)改进PID控制算法

3)根据步骤2)中的误差采样值，控制区间调整对控制器的控制；

4)根据步骤3)计算浇铸重量差、浇铸速率与时间，实时检测及调控，可随时了解钢水浇铸过程中机械与生产状态，完成铸流过程自动控制钢水浇铸与监测。

2.根据权利要求1所述的自动控制钢水浇铸与监测的方法，其特征在于，步骤1)中工控机控制步进电机快速驱动浇铸流量伺服控制组合，使得吊钩秤运动控制浇铸流量，从而在浇口中以给力流量值建立液位。当浇口中的钢水液面建立后，系统进入稳态阶段，通过从图像传感器上反馈回来的液面状态对原控制算法进行补偿，通过浇铸流量伺服控制组合位置将钢水液位维持在浇口高度值附近，从而保持浇铸过程的稳定性。当钢水液位达到浇口高度时，工控机控制步进电机快速关闭浇铸流量伺服控制组合，浇铸停止。

3.根据权利要求1所述的自动控制钢水浇铸与监测的方法，其特征在于，步骤2)中对于钢、铁、铜、铝、锡等液态金属浇铸对象，其浇铸流量大致如下式

式中：Q₁(t)为浇口的浇铸流量；k₁为浇口形状相关的系数；2a为浇口杯口夹角；k₂砂型直浇道形状相关系数；r为砂型直浇道半径；h₂为吊钩秤到浇口底之间的距离；h₀为浇口液态合金液位设定值；h(t)为砂型浇口的实时液位高度。

从式中可以看出，浇铸流量对象是一个具有时变参数、时滞、非线性的控制过程，且浇铸过程中浇口液态合金液位误差具有二阶系统单位阶跃响应的误差曲线特性，需将该误差补偿到PID控制算法中。

假设e(n)为钢水浇铸过程中当前液位采样时刻离散化的误差采样值，则：

将上代入至控制器输出状态方程中得到n次误差采集值反馈后控制器输出值：

U(n)＝N₁[e(n)-e(n-1)]+N₂₁e(n)+N₂[e(n)-2e(n-1)-e(n-2)] (3)

式中：N₁与N₂控制器输出前后的放大系数，N₁>1，N₂<1，N₂₁为抑制系数。根据实际工程经验，通过区段不同算法调节的方式可有效地解决时变、时滞、非线性系统的控制问题，该方法即有鲁棒控制的快速性，又有时滞控制的稳定抗干扰能力。

4.根据权利要求1所述的自动控制钢水浇铸与监测的方法，其特征在于，步骤3)中假设误差采样值以最大值、中间值与最小值设为参考界限分别用e_max，e_mid，e_min表示，e(n)Δe(n)>0，e(n)Δe(n)<0分别表示误差向绝对值增大与减小区段的方向变化。当|e(n)|>e_max，液位误差绝对值很大，即控制器输出量超过最大值或低于最小值，控制区间对控制器施加最大输出量或最小输出量。

当e_mid≤|e(n)|<e_max，液位误差仍处于较大状态，控制器施加较高的输出值从而迅速减小液位误差。

当e_min≤|e(n)|<e_mid，液位误差处于较低状态，控制器施加一般输出值来微调液位高度。

当|e(n)|<e_min，此时的液位误差非常小，保持控制器平稳输出。

U(n)＝U(n-1) (7)。

5.根据权利要求1所述的自动控制钢水浇铸与监测的方法，其特征在于，步骤4)中重量传感器采集吊钩秤上的钢水重量，以该值为基准值G₁，之后每隔一定时间Δt采集一次钢水重量G_i，则浇铸重量差值为ΔG＝G_i-G_i-1，钢水浇铸流速为：

式中：i≥2。由于系统设定采样间隔时间与软件采样时间存在一定的误差k： (9)

则最终的浇铸速度为：

。