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连铸机结晶器液位控制系统的设计与应用研究

作　者: 李刚
导　师: 郑艳
学　校: 东北大学
专　业: 控制工程
关键词: 结晶器 液位控制 同位素检测 可编程控制器 电动缸 模糊PID PID
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要


结晶器液位自动控制已经成功应用在铸坯截面为150 mm×150 mm以上的板坯连铸机上,而在小方坯连铸机(铸坯截面为130mm×130 mm)上的应用效果不佳。虽然首钢是国内领先的连铸大企业,但小方坯铸机还都是手动开浇,人工控制结晶器液面高度,自动控制技术远远落后于发达国家,钢坯质量很难得到改善。为了进一步提高小方坯的质量,同时也为了积累连铸机自动化改造经验,在消化吸收国内外其他钢铁厂连铸机结晶器液位控制理念的基础上,设计了适用于小方坯连铸机的结晶器液位自动控制系统。本文首先根据液位控制的机理建立了各个环节的数学模型。并分析了模糊控制方法和PID控制方法各自的特点,将模糊控制和PID控制有机结合起来,设计了Fuzzy-PID复合控制器。该控制器综合了模糊和PID两种控制方式的优点,既具有模糊控制对非线性系统控制的有效性,又具有PID控制的精确性。在系统建模和控制器设计的基础上,采用Matlab仿真软件对PID控制和Fuzzy-PID复合控制两种控制算法进行仿真研究,仿真结果表明Fuzzy-PID复合控制较常规PID控制具有更好的稳定性和控制精度,该系统具有结构简单、抗干扰能力强,调整时间短等优点,可同时兼顾控制系统的动静态性能。在理论研究的基础上,采用西门子S7-300系列PLC、STEP7编程软件和WinCC4.0组态软件,对控制系统的上、下位机的软、硬件进行了设计、编程及调试,实现了结晶器液位的Fuzzy-PID复合控制。液位检测使用放射性同位素(CS137)检测法；在塞棒执行机构上使用了高精度数字电动缸,将液位串级控制结构简化为一阶闭环控制,缩短了系统响应时间,将结晶器液位误差控制在±5mm之间,基本达到要求。应用表明,Fuzzy-PID复合控制器具有良好的动态、静态特性和一定的鲁棒性,而且控制算法简单,实现方便,有效地提高了铸坯质量。

全文目录


中文摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第1章 绪论  11-25
  1.1 连铸工艺及控制技术发展概况  11-15
  1.2 结晶器液位控制技术的现状和趋势  15-16
  1.3 液位控制基本策略  16-20
  1.4 液位控制基本方法和特点  20-21
  1.5 结晶器液位检测基本方法  21-23
  1.6 本论文的背景和主要工作  23-25
第2章 结晶器液位控制系统总体方案设计  25-35
  2.1 液位控制方法的选择  25-26
  2.2 液位检测方法的选择  26-27
  2.3 液位控制系统执行机构的选择  27-30
    2.3.1 执行机构种类与选择  27-28
    2.3.2 系统执行机构配置  28-30
  2.4 小方坯连铸机结晶器液位控制系统方案设计  30-33
    2.4.1 液位控制系统的设计要求  30-31
    2.4.2 液位控制系统方案及控制原理  31-32
    2.4.3 液位控制系统工艺实现描述  32-33
  2.5 小结  33-35
第3章 结晶器液位控制系统控制器设计与仿真  35-53
  3.1 结晶器液位串级控制的简化  35-36
  3.2 PID控制方法简介  36-40
    3.2.1 PID控制液位原理  36-37
    3.2.2 数字PID控制算法  37-39
    3.2.3 PID控制的特点  39-40
  3.3 模糊控制算法  40-41
    3.3.1 模糊控制的特点  40-41
    3.3.2 结晶器液位Fuzzy-PID复合控制算法  41
  3.4 液位控制系统建模  41-43
  3.5 结晶器钢水液位控制时的难题  43-44
  3.6 模糊控制器的设计  44-49
    3.6.1 精确量模糊化  45
    3.6.2 模糊控制规则及模糊推理  45-47
    3.6.3 反模糊化处理  47-48
    3.6.4 结晶器液位Fuzzy-PID复合控制器  48-49
  3.7 结晶器液位控制系统仿真研究  49-52
  3.8 小结  52-53
第4章 结晶器液位控制系统实现  53-75
  4.1 控制系统硬件设计  53-59
    4.1.1 上位机系统配置及功能  54-55
    4.1.2 PLC原理及系统选型  55-59
  4.2 控制系统软件设计  59-71
    4.2.1 STEP7及下位机软件设计  59-66
    4.2.2 WinCC及上位机软件设计  66-71
  4.3 系统实现及应用研究  71-72
  4.4 小结  72-75
第5章 结论与展望  75-77
参考文献  77-81
致谢  81

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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