基于可编程控制的单容控制系统设计说明.doc

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1、第1章 文献综述基于可编程控制的单容系统1.1液位控制思想类型1.1.1单回路控制单回路控制系统调节器采用PID控制,利用给定信号与反馈信号作为偏差,偏差信号为PID调节器的输入信号,调节器输出信号控制调节阀开度,以此来调节液位高度。比例控制作用可使系统快速达到稳定,但是不能消除系统余差,比例系数增大,余差会减小,但随着比例系数的增大,系统的稳定性会逐渐下降。积分控制作用能消除系统余差,使系统成为无差系统,但降低了系统的稳定性,并增加了调节时间。微分作用无法消除余差,但是提高了系统的稳定性。因此PID调节器是一种很理想的控制规律,它在比例的基础上引入积分可以消除余差,再加入微分作用,又能提高系

2、统的稳定性,对于大部分控制问题PID调节器都能解决,但是当系统中的负荷或干扰变化比较剧烈或比较频繁,或调节质量要求更高时,仅采用单回路反馈的PID调节方案就不太合适了1。1.1.2前馈控制前馈控制可以获得显著的控制效果。前馈控制是按照扰动作用的大小进行控制, 所以控制是及时的。如果补偿作用完善可以使被控变量不产生偏差。前馈控制是减少被控制动态偏差的最有效的方法之一。根据不变性原理,前馈控制有可能得到完善的控制效果。在动态时,则依靠前馈控制能有效的减少被调参数的动态偏差,从而提高控制质量。1.1.3自适应控制自适应控制和常规的反馈控制和最优控制一样,也是一种基于数学模型的控制方法,所不同的只是自

3、适应控制所依据的关于模型和扰动的先验知识比较少,需要在系统的运行过程中去不断提取有关模型的信息,使模型逐步完善。具体地说,可以依据对象的输入输出数据,不断地辨识模型参数,这个过程称为系统的在线辩识。随着生产过程的不断进行,通过在线辩识,模型会变得越来越准确,越来越接近于实际。既然模型在不断的改进,显然,基于这种模型综合出来的控制作用也将随之不断的改进。在这个意义下,控制系统具有一定的适应能力。比如说,当系统在设计阶段,由于对象特性的初始信息比较缺乏,系统在刚开始投入运行时可能性能不理想,但是只要经过一段时间的运行,通过在线辩识和控制以后,控制系统逐渐适应,最终将自身调整到一个满意的工作状态。再

4、比如某些控制对象,其特性可能在运行过程中要发生较大的变化,但通过在线辩识和改变控制器参数,系统也能逐渐适应2。1.1.4模糊控制模糊控制是以模糊集合理论、模糊语言及模糊逻辑为基础的控制,它是 模糊数学在控制系统中的应用,是一种非线性智能控制。模糊控制是以模糊集合理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。模糊控制同常规的控制方案相比,主要特点有：模糊控制只要求掌握现场操作人员或有关专家的经验、知识或操作数据,不需要建立过程的数学模型,所以适用于不易获得精确数学模型的被控过程,或结构参数不很清楚等场合。模糊控制是一种语言变量控制器,其控制规则只用语言变量的形式定性的表达,不用传递

5、函数与状态方程,只要对人们的经验加以总结,进而从中提炼出规则,直接给出语言变量,再应用推理方法进行观察与控制。系统的鲁棒性强,尤其适用于时变、非线性、时延系统的控制。 从不同的观点出发,可以设计不同的目标函数,其语言控制规则分别是独立的,但是整个系统的设计可得到总体的协调控制。 它是处理推理系统和控制系统中不精确和不确定性问题的一种有效方法,同时也构成了智能控制的重要组成部分。1.2液位控制系统类型1.2.1 PLC控制系统PLC控制特点：第一,可靠性高、抗干扰能力强,平均故障时间为几十万小时。而且PLC采用了许多硬件和软件抗干扰措施。第二,编程简单、使用方便目前大多数PLC采用继电器控制形式

6、的梯形图编程方式,很容易被操作人员接受。一些PLC还根据具体问题设计了如步进梯形指令等,进一步简化了编程。第三,设计安装容易,维护工作量少。第四,适用于恶劣的工业环境,采用封装的方式,适合于各种震动、腐蚀、有毒气体等的应用场合。第五,与外部设备连接方便,采用统一接线方式的可拆装的活动端子排,提供不同的端子功能适合于多种电气规格。第六,功能完善、通用性强、体积小、能耗低、性能价格比高3。1.2.2 DCS控制系统可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向 。目前的计算机集散控制系统DCS 中已有大量的可编程控制器应用。PLC+DCS分布式计算机控制系统结合

7、,采用集散控制多台PLC分担了系统功能,并将危险性分散,人机界面友好、操作方便,并通过输入设备对工艺过程进行控制和调节,确保生产过程的安全可靠、高质高效。1.2.3单片机控制系统单片机可以构成各种各样的应用系统,从微型、小型到中型、大型都可,PLC是单片机应用系统的一个特例。单片机应用系统则是八仙过海,各显神通,功能干差万别,质量参差不齐,学习、使用和维护都很困难。对于量大的配套项目,采用单片机系统具有成本低、效益高的优点,但这要有相当的研发力量和行业经验才能使系统稳定、可靠地运行。最好的方法是单片机系统嵌入PLC的功能,这样可大大简化单片机系统的研制时间,性能得到保障,效益也就有保证。1.2

8、.4 FCS控制系统随着核能科学的发展,核动力装置系统越来越复杂,需要自动控制的子系统也越来越多,传统的模拟信号传输,已经很难满足自动化发展的要求,数字化仪控系统在核动力装置上的运用将成为主流,现场总线控制能很好地满足数字化仪控的要求。通过对蒸汽发生器给水系统数学模型的分析和蒸汽发生器水位控制的要求,建立了基于PROFIBUS现场总线的蒸汽发生器水位控制系统。通过变频器改变电动给水泵转速的方式来控制水位,能够提高能源的利用率；用PLC来进行控制,控制效果比较好,能满足蒸汽发生器水位控制的要求；运用现场总线技术,可以节省系统的布线,对系统的扩充也非常的方便；运用上位机画面显示,能够使操作员在控制

9、室既可以了解现场设备或现场仪表的工作状况,也能对设备进行参数调整,还可以预测或寻找故障,使设备始终处于操作员的远程监视和可控状态之中。论文的研究对实现现场无人操作有重要的意义,在实际中有广泛的应用价值,可以在动力装置子系统上运用,能使系统控制的经济性和可靠性得到很好的保证4。 PLC是以微处理器为基础,综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。今天的PLC在处理模拟量、数字运算、人机接口和网络的各方面能力都已大幅提高,成为工业控制领域的主要控制设备,在各行各业发挥着越来越大的作用。PLC通过模拟量I/O模块实现模拟量与数字量之间的A/D,D/A 转换,并对模

10、拟量进行闭环PID控制,可用PID子程序来实现,也可使用专用的PID模块。PLC的模拟量控制功能已经广泛应用于塑料挤压成型机、加热炉、热处理炉、锅炉等设备,还广泛地应用于轻工、机械、冶金、电力等行业6。 为了解决人工控制的控制准度低、控制速度慢、灵敏度低等一系列问题。从而我们现在就引入了工业生产的自动化控制。在自动化控制的工业生产过程中,一个很重要的控制参数就是液位。一个系统的液位是否稳定,直接影响到了工业生产的安全与否、生产效率的高低、能源是否能够得到合理的利用等一系列重要的问题。随着现在工业控制的要求越来越高,一般的自动化控制已经也不能够满足工业生产控制的需求,所以我们就又引入了可编程逻辑

11、控制又称PLC。引入PLC使控制方式更加的集中、有效、更加的及时。针对液位控制系统中较为基础的单容水箱作为控制对象,单容液位控制系统具有非线性,滞后,耦合等特征,而且主要干扰可以通过流量变送器测得,能够很好的模拟工业过程特征。而对于控制系统的选择为前馈反馈系统。一般的控制系统都属于反馈控制, 这种控制作用总是落后于扰动作用。对于时滞较大、扰动幅度大而频繁的过程控制往往不能满足生产要求。引入前馈控制可以获得显著的控制效果。前馈控制是按照扰动作用的大小进行控制, 所以控制是及时的。这种控制方式的优点是：既有前馈控制对主要扰动进行补偿,又有闭环负反馈消除其他的小的扰动5。参考文献1 王树青工业过程控

12、制工程M：化学工业,20022 施仁,文江,辑自动仪表与过程控制M：电子工业,19953 邵裕森过程控制及仪表M：交通大学,19954 宏业可编程控制器应用M：航天,19985 吴丽电气控制与PLC实用教程M：黄河水利,20056 顾战松可编程控制器原理及应用M：国防工业,19967 尤田涑参数检测与过程控制M：大学,19978 黄俊饮静、动态数学模型的实用建模过程M：机械工业,19889 金以慧过程控制M：青华大学,199310 汪仁先自动控制原理M：兵器工业,199611 俞金寿过程控制系统和应用主编M：机械工业,200312 朱麟章过程控制系统与设计M：机械工业,199613 慰,俞金寿

13、过程控制工程M第二版,199914 J.RichaletIndustrail Applications Of Model Based Predictive Control AutomaticaJ1993,29,1251-127415 MacGregor J FOn-line Statistical Process ControlJ1988,84,21-2816 Jhon E.RijndorpIntegrated Process Control and AutomationMElsevier Science Publishers BV,1991第2章 开题报告基于可编程控制的单容系统2.1 设计

14、目标单容水箱的液位控制,就是控制进水量,使其与出水量相同,控制水箱液位,使其与设定值相差在5%以,并对干扰有比较快的响应速度,能在较短的时间克服扰动,达到理想的控制效果。管路流量上产生的扰动,会导致液位出现超调,被控量在相应时间上落后,由于单回路控制在时间上滞后较大,所以扰动出现后的调节时间较长。2.2 设计方案2.2.1工艺简介2-1水箱液位实验装置图系统包括电磁流量计,电动调节阀,一个液位测量仪表。可以用控制手阀v4的方式模拟流量上产生的扰动干扰,从而会导致液位出现不稳定,破坏了稳态。在扰动进入水箱改变液位之前,电磁流量计能检测到的流量信号,即干扰的流量可以测得。水箱液位可以通过压力液位传

15、感器测得,手阀v1通道的流量可以测得,手阀v3是总控制开关,v5是电动控制阀。水箱量程0-250毫米,管道外径20毫米,径16毫米。2.2.1方案选择前馈控制是减少被控制动态偏差的最有效的方法之一。根据不变性原理,前馈控制有可能得到完善的控制效果。但是,在实际生产过程中,单独使用前馈控制是很难满足生产工艺要求的。这是由于前馈控制是一种开环控制,无法检验补偿效果。其次,在实际的生产过程中,一般总有各种干扰,通常不能对每一个干扰都用一个前馈调节器实行前馈控制来补偿,而只能用前馈控制来补偿其中主要干扰的影响；而且,有些干扰往往是难以测量的,对于这些干扰就无法实行前馈控制。另外,要实现完全补偿是比较困

16、难的,由于对象特性受负荷和温度等因素的影响而产生漂移,从而影响前馈控制模型。为了克服上诉问题,在实际生产过程中采用前馈-反馈控制系统。在该系统中,将反馈控制不易克服的主要干扰进行前馈控制而对其他干扰则进行反馈控制,这样,既发挥了前馈校正及时的特点,又保持了反馈控制能克服多种干扰并对被控变量给予检验的优点。利用反馈控制使系统在稳态时能准确地使被调参数等于给定值；而在动态时,则依靠前馈控制能有效的减少被调参数的动态偏差,从而提高控制质量。通过对实验装置的分析,选择前馈反馈的控制方案8。2.3 具体实现2.3.1控制方案单回路控制系统调节器采用PID控制,利用给定信号与反馈信号作为偏差,偏差信号为P

17、ID调节器的输入信号,调节器输出信号控制调节阀开度,以此来调节液位高度。比例控制作用可使系统快速达到稳定,但是不能消除系统余差,比例系数增大,余差会减小,但随着比例系数的增大,系统的稳定性会逐渐下降。积分控制作用能消除系统余差,使系统成为无差系统,但降低了系统的稳定性,并增加了调节时间。微分作用无法消除余差,但是提高了系统的稳定性。因此PID调节器是一种很理想的控制规律,它在比例的基础上引入积分可以消除余差,再加入微分作用,又能提高系统的稳定性,对于大部分控制问题PID调节器都能解决,但是当系统中的负荷或干扰变化比较剧烈或比较频繁,或调节质量要求更高时,仅采用单回路反馈的PID调节方案就不太合

18、适了。 根据要求,为了保证控制精度,将水箱液位作为被控对象。水箱液位是通过压力液位传感器测得,将检测到的液位信号与给定液位值进行比较后送入调节器,在PLC中经过PID运算后,其输出信号作为调节器电动调节阀阀门的开度信号,控制进水量的大小,从而控制液面高度9。前馈反馈控制就是在单回路反馈控制的基础上,在扰动量支路中加入检测元件,并通过前馈补偿器在扰动产生影响前减小或消除扰动。在前馈反馈控制系统中,扰动进水支路为扰动量,在扰动支路过涡轮流量计检测支路进水量,在扰动进入水箱改变液位之前,通过前馈补偿器的计算减小电动调节阀的开度,使液位不会出现过大的改变,使扰动在产生偏差之前消除偏差。可达到更好的控制

19、精度。2.3.2硬件选择一压力液位传感器 KYB18G01M1P1C2扩散硅压力变送器采用无中介液的压力测量技术,发挥了传感器的技术优势,使变送器具有优异的性能。具有抗过载和抗冲击能力强,温度漂移小,稳定性高,测量精度高的优点。KYB18G01M1P1C2扩散硅压力变送器由传感器和信号处理电路组成。其中传感器压面设有惠斯顿电桥,当增加压力时,电桥各桥臂电阻值发生变化,通过信号处理电路,转换成电压变化,最终将其转换成标准420mA信号输出,所以设计采用KYB18G01M1P1C2型扩散硅压力变送器压力液位变送器采KYB18G01M1P1C2型,量程：010Kpa ,输出信号：420mA DC,

20、输出：420maDC许负载电阻为0750欧姆,基本误差：输出信号量程的0.5%。二流量变送器 流量传感器用来对电动调节阀的主流量和干扰回路的干扰流量进行检测。主要优点：1采用整体焊接结构,密封性好；2结构简单可靠,部无活动部件,几乎无压力损失；3采用低频矩形波励磁,抗干扰性能好,零点稳定；4仪表反映灵敏,输出信号与流量呈线性关系,量程比宽；所以采用GYB03131型电磁流量传感器, 量程：010Kpa,系数K：610.53 供电：24v DC,环境温度：-20+60,输出：420ma。三电动调节阀1合理选用阀型和阀体、阀件的材质。主要从被控流体的种类、腐蚀性和粘度、流体的温度、压力、最大和最小

21、流量及正常流量时的压差等因素来确定。2正确确定控制阀的口径。阀的口径确定是根据工艺提供的有关参数,计算出流量系数来确定。3选择合适的流量特性。控制阀的流量特性,考虑对系统的补偿及管路阻力情况来确定。4控制阀的开闭形式确定。开闭形式的确定主要是从生产安全角度出发来考虑。当阀上控制信号或气源中断时,应避免损坏设备和伤害人员。如事故情况下控制阀处于关闭位置时危害较小,则选用气开式,反之,应选用气闭式。 综上所述,采用电动调节阀对控制回路的水的流量进行调节。采用德国PS公司进口的PSL202型智能电动调节阀,无需配伺服放大器,驱动电机采用高性能稀土磁性材料制造的同步电动机,运行平稳,体积小,力矩大,抗

22、堵转,控制精度高。控制单元与电动执行机构一体化,可靠性高、操作方便,并可与计算机配套使用,组成最佳调节回路。有输入控制信号4-20mA及单相电源即可控制运转实现对压力、流量、温度、液位等参数的调节,具有体积小,重量轻,连线简单,泄露量少的优点10。四PLC采用西门子公司的PLC,型号为s7-300。控制台右边为信号I/O接口部分,从上到下依次有开关量I/O信号通道借口、模拟量输入通道接口、模拟量输出通道接口。控制台左边为PLC控制器。从左到又分别为24VDC电源模块、CPU315主机模块、8块模拟量SM331模块、2路模拟量输入SM331模块2块、4路模拟量输入SM332模块。2.3.3软件设

23、计一前馈控制器设计单回路控制器,即PID控制器的传递函数为。被控对象一阶单容水箱的传递函数为。前馈控制器的设计依据是不变性原理。作为一个前馈控制系统,在扰动发生后,必将经过过程的扰动通道引起被控量变化,与此同时,前馈控制器根据扰动的性质及大小对过程的控制通道施加控制,使被控量发生与前者相反的变化,以抵消扰动对被控量的影响。为前馈控制器,为过程扰动通道传递函数,为过程控制通道传递函数,为系统可测不可控扰动,为被控参数。典型的前馈反馈控制系统框图,如图2-1,它是由一个反馈回路和一个开环补偿回路叠加而成的复合系统。图 2-2 前馈反馈控制系统原理图由图2-2知,在扰动作用下,系统输出为： 21上式

24、中,等式右方第一项是扰动量对被控量的影响；第二项是前馈校正作用,第三项是反馈校正作用。 图2-2所示单回路前馈反馈恒值系统闭环传递函数为： = 22根据绝对不变性原理,应有=0,从而可知,前馈模型为： Wm= 23是前馈控制器z传递函数,是对象干扰通道的z传递函数,是对象控制通道的z传递函数。 设对象干扰通道和控制通道的传递函数分别为 = 经推导可 = 24式中,= 为静态放大系数； 微分方程为 25 若选择采样频率足够高,也即采样周期足够短,则可对微分方程离散化,得到差分方程为 26式中,取整整理得 27式中,；静态前馈控制只能保证被调参数的静态偏差接近或等于零,而不能保证被调参数的动态偏差

25、接近或等于零。当要求严格控制动态偏差时,就要采用动态前馈控制。动态前馈控制必须根据过程干扰通道和控制通道的动态特性,采用专用前调节器13。 型前馈调节器,这是一种超前滞后动态前馈模型。当T1T2时,前馈补偿具有超前特性,适用于控制通道滞后指时间常数大于干扰通道滞后的对象。当T1T2时,前馈补偿具有滞后特性,适用于控制通道滞后小于干扰通道滞后的对象。这种模型可较好的实现对干扰的补偿,目前得到广泛的应用。所以,整理得 28式中,；根据式2.8便可编制前馈控制程序,从而实现计算机前馈控制。控制算法程序流程图如图2-3所示：图 2-3 控制算法流程图二PID控制算法PID控制算法采用增量式算式,增量算

26、式带来如下优点： 1.当计算机输出增量时,误动作影响少。 2.当使用增量控制时,计算机输出的是增量,执行机构已经跟踪了阀门的原始开度,增量只与本次的偏差值有关,与阀门原来的位置无关,执行机构的位置不会有大幅度的改变。因而增量算法易于实现手动、自动的无扰动切换。 3.算式不需累加,只需记住3个历史数据,占用存较少,计算方便。其控制算式如下：,上述算式中,为比例系数,为积分时间,为微分时间,以作为计算机当前的输出值,以作为给定值,作为反馈值,即A/D设备的转换值,作为偏差11。 PID控制算法程序程图如图2-4所示：图2-4 PID控制算法程序流程图2.3.3.3 系统原理图前馈反馈控制系统如下：

27、图 2-5 前馈反馈控制系统原理图系统有自动和手动模式。当设置系统工作方式为自动时,可以设置水箱液位高度,通过PID控制器的设置,控制调节阀的开度,从而保持水箱的液位高度稳定。对于前馈控制,如果管路流量出现变化,过电磁流量计反馈,并与设定值进行比较,如果反馈值大于设定值,通过反作用方式控制器,使控制器输出为正,调节阀开度增大,使流量输出增大,保证了管路流量保持稳定值不变。如果反馈值小于设定值,通过反作用方式控制器时控制器的输出为负,减小调节阀的开度,从而使水箱液位减小,同样能保证管路流量保持稳定值不变。对于反馈控制,如果液位出现变化,通过水箱液位检测器反馈,并与设定值进行比较,如果反馈值大于设

28、定值,通过反作用方式控制器,使控制器输出为正,调节阀开度增大,使水箱液位输出增大,保证了液位高度保持稳定值不变。如果反馈值小于设定值,通过反作用方式控制器时控制器的输出为负,减小调节阀的开度,从而使水箱液位减小,同样能保证液位保持稳定值不变。前馈控制信号和反馈控制信号通过一个加法器连接,通过调节阀的控制, 使液位稳定12。2.5 预期目标 单容水箱的液位控制,就是控制进水量,使其与出水量相同,控制水箱液位,使其与设定值相差在5%以,并对干扰有比较快的响应速度,能在较短的时间克服扰动,达到理想的控制效果。2.6 进度安排 起始年月 进度目标要求2012.12.052013.01.05查阅文献,撰

29、写报告和文献综述的初稿2013.01.062013.03.05对开题报告和文献综述初稿进行修改,外文翻译2013.03.062013.03.15准备PPT,开题报告答辩2013.03.162013.04.15完成系统分析设计和原型开发2013.04.162013.05.15系统实现与集成,建立完整、详细的技术文档2013.05.162013.06.10论文的撰写与整理,提交毕业论文,答辩第3章 外文翻译结晶器液位控制的开关策略节选Wiesaw Krajewski, Stefano Miani, Aurelio Carlos Morassutti, and Umberto Viaro摘要：考虑结

30、晶器液位控制在连续铸造过程中的问题。本质上,系统工作在两种不同的模式：a其中一个是该系统工作在仅通过小振幅的高频干扰的影响；b另一个是该系统工作在与突然畅通现象有关的一个比较大的干扰的影响。为了要配合第一种情况,控制系统必须表现出窄的带宽,而第二种情况下需要一个更大的带宽。这两个相互矛盾的要求自然地导致要设计两个不同的控制器和一个激活任一控制器的开关。根据操作条件,由于所得的控制系统随时间变化的性质,应以保证稳定性为前提正确实现控制器的设计。为了此目的,最近的一个交换系统的结果在15中被调用。由于突然之间切换控制器会导致控制器和执行器的输出出现颠簸,提出了软开关可保证稳定的策略。实验室进行的一

31、个电子模拟过程的实验表明所提出的控制方案的有效性。图 1 连续铸造法一 引言 连续铸造厂允许以较低的成本实现更好质量的金属材料的大批量生产。在整个过程中,各种专用的控制回路帮助实现这一结果。为了取得良好的产品,被控制的主要阶段,对应于浇注铁水从炉中的钢水包,从钢水包到中间包,和从中间包到所述模具参照图1,和最后的金属传输都是至关重要的。特别是,应保持模具中的液态金属的水平恒定,尽量不造成偶尔扰动以及持续的金属的波动。例如,由于执行器的非线性,导致模具振荡以防止粘到墙壁上的金属和动态变化。动态变化导致的低频率的周期性扰动,其效果,通过小直径和短节距的分割铸坯导向可以大大减少。无论如何,相关的铸造

32、速度,其频率大约是已知的,前馈干扰补偿通道可以有效地拒绝这种低频扰动,或由一个附加的部模型通过闭环来补偿。本文重点研究的其他类型的扰动,特别是关于连接喷嘴与模具的浇口盘的表面上沉积的材料进入模具的突然下降的干扰。 因此,模具电平控制器,除了必须确保双方高频干扰的鲁棒稳定性,还要良好的抑制持续影响测量装置和突然的喷嘴畅通所造成的干扰。这两个要求的导致需要转化为相关的闭环控制系统的大带宽。 为了实现这两个相互矛盾的要求之间的一个合理的折中,建议其部分利用一个单一的控制器,可能用模糊逻辑来调整控制器参数的。然而,很显然,一个独特的控制器,例如,在执行实际铸造设备过程中,一个PID控制器,不能完全适合

33、不同的情况下,即使它的参数允许改变的。为了避免这一缺点,本文提出两个控制器结构。准确地说,采用两个功能控制器：一是在畅通的现象的情况下,在当时的工作条件,能保证了小的带宽和良好的降噪,另一方面,确保一个更大的带宽。因此,喷嘴畅通扰动应快速瞬态响应。所需和实际的液面之间的差异取决于在两个控制器之间的切换1。 由于控制器切换可能会引起不稳定,两个控制器都必须以适当的方式来实现。为了达到这个目的,所采用的切换逻辑应实现控制器的状态空间派生,以确保整体时变系统的渐近稳定。此外,为了避免控制器随之而来的突然性转换这导致止动器杆机构的加速磨损,提出一个新的切换策略,在两个控制器之间轻轻通勤。在该情况下,整

34、体的闭环系统的稳定性得到保障已被证明。本文其余部分安排如下：介绍连铸过程的轮廓后,第二部分描述了它的各个组成部分的模型,并演示了如何畅通现象。第三节说明了控制系统的设计过程的主要阶段,特别是有关系统的鲁棒稳定性问题。在第四节描述了该过程以找到一个实现的两个交替运作的控制器,以这样的方式,将所得的交换系统是稳定的。第五节提出了上述的稳定,维护软交换政策。仿真结果和实验室进行了电子模拟的铸造工艺实验第VI和VII显示,开关控制政策比传统的控制技术有更好的表现。二 连续铸造设备2.1 过程概要 图1表示为在整体连续铸造过程中,与结晶器液面控制回路一起。钢水横置进入钢包,然后从炉铸造机的顶部的浇口盘流

35、入动议。一个喷嘴连接到模具的浇口盘。通过喷嘴的熔融金属流,由执行器驱动的一止动杆机构来调节。 在冷却水系统中,壳薄的金属凝固到模具壁的旁边,大部分的金属仍处于熔融状态。通过间隔紧密的水冷式绘图辊速度作用于凝固壳,从模具中提取某一个固定的金属。然后,将金属进行进一步冷却和加工。 模具中的测得的电平被反馈到一个控制器,用于驱动执行器的止动杆机构,以便保持所需的金属电平。基本上,结晶器液面控制系统必须：1.确保未建模系统动态的鲁棒稳定性；2.拒绝干扰所造成的堵塞/畅通的现象；3.衰减测量噪声2。2.2模型系统零部件 在经验和过去的文献的基础上,止动杆机构与执行器可以一起仿照那些特征的控制过程来建模,

36、其一阶系统的时间常数是可以忽略不计的。在下面的模拟中,执行器的时间常数被设置为0.04 s和它的直流增益为1。 流量进入模具可以借助于一阶传递函数：再次对执行器的输出之间的关系进行建模,在以下的标称值的增益和时间常数的假设是：和。然而,塞连杆机构的磨损会导致这些参数发生变化。因此,为了保持测试系统的鲁棒稳定,它是强制性的这种分析是在第III 中0.7k1.3和0.6t1.3围。图2 模型的堵塞/畅通的现象 假设模具具有恒定的横截面,液面仅仅是在模具中,根据相关的提取速度,提取的金属之间的差异和流量的积分,这意味着净流量之间的传递函数和模具水平。第六节,和,在模拟的是一个高超过200毫米厚的板坯

37、连铸机,其提取的速度薄板坯连铸机可以达到提取速度高达8米/分钟。从本质上讲,影响模具水平测量的噪声结晶器振动可以合理地建模,作为一个零均值的噪声,其方差被设置为1第VI节中。然而,在这种植物中贝特霍尔德模具液位计LB 452,电平的测量设备的滤波特性,通过自然衰减读者可以参考用于连续铸造的详细概述仪器仪表。因此,考虑到传感器的动力学,在控制系统中,一个低通滤波器被用在反馈路径中如框图所示3,在下面的模拟中,其截止频率被假定为20弧度/秒4。2.3 堵塞/畅通现象 如果没有发生突然畅通, 钢水流经喷嘴,铝氧化物会沉积在其部的墙壁,会阻塞液体的通道。阻塞过程可以通过一个随时间变化的情况来模拟： 1

38、其中是止动器杆的位置,一个时间常数,增益,和通过浸入式水口的流量。不适合经典的控制设计。 在过程中已经提出了阻塞的有效替代方法的数学模型,其中的堵塞/畅通表示装置的锯齿波信号Pt的斜坡状部分为一部分沉淀物和其跳跃占到突然释放的沉积材料;等于时间常数为0.05秒的的一阶滤波器,这是一种理想的干扰参见图2中的右上部分。可以推断出从历史数据中的干扰信号的频率和其振幅。在第六节的模拟中假设Ac=0.01m和Tc=510s5。三 控制系统的设计A.控制系统框图 图 3 反馈控制系统框图 已经指出,该系统的操作条件建议使用两个不同的控制器,其特征在于不同的带宽。他们的传递函数通过来表示。 图3表示模型的堵

39、塞/畅通现象整体控制系统的框图。根据第二节的考虑,首先测得模具中液位,然后减去参考输入rt,以产生误差信号e,用开关逻辑来激活一个或多个控制器。B.控制器的设计过程 步骤1在正常的操作条件下,确定具有较小的带宽称为慢控制器的控制器的传递函数。 步骤2通过每次使用一个发生大的模具水平的突然增加,来确定的更宽的带宽控制器称为快速控制器的传递函数。 步骤3两个控制器的反馈系统的稳定性测试。 步骤4选择开关规则。 步骤5实现两个传递函数,以便确保的切换控制系统的稳定性。第3步是简要的讨论在下一小节中,步骤4和5处理在第四节。C.鲁棒稳定性 由于过程的参数可以在很宽围变化,既稳定控制器必须确保相当大的稳

40、定裕度。在第二节中已经给出的参数值已满足要求,例如,以下的控制器的传递函数： 2具有标准的PID结构,可物理实现添加远程极。事实上,这样的选择控制器参数,导致的增益交叉频率为1弧度/秒,的增益交叉频率为4弧度/秒,对应循环函数的伯德图绘于图4。图 4 缓慢的控制器下线和快速的控制器上线的循环函数的伯德图 为了测试闭环系统的稳定性,可以用奈奎斯特准则结合哈利托诺夫定理。从本质上讲,需要验证慢速和快速控制器的循环函数的奈奎斯特图。如图5所示为系统循环函数的奈奎斯特图,其中的多边形值集对应于在第II-B中指定的所有允许的参数值即和,绘制的若干等间距的角频率每个值集旁边标明。确保所选择的控制器的每一个

41、值集稳定裕度的临界点是合适的6。 图5 缓慢左和快速右控制器的循环函数的奈奎斯特图参考文献1 T. F. Walters, Fundamentals of Manufacturing for Engineers. London, U.K.: Taylor and Francis, 2001.2 S. F. Graebe, G. C. Goodwin, and G. Elsley, Control design and implementation in continuous steel casting, IEEE Contr. Syst. Mag., vol. 15, no. 4, pp. 6

42、471, 1995.3 B. G. Thomas, Modeling of the continuous casting of steelPast, present and future, in Proc. 59th Electric Furnace Conf., Phoenix, AZ, Nov. 1114, 2001, pp. 330.4 Danieli Library, Danieli Davy Distington new slab caster at Baotou, P.R. of China, DaNews, no. 145, p. 9, 2006.5 K. Jabri, B. Ble, A. Mouchette, D. Dumur, and E. Godoy, Suppression of periodic disturbances in the continuous casting process, in Proc. IEEE Int. Conf. Control Applications, San Antonio, TX, USA, Sep. 35, 2008, pp. 9196.