本發(fā)明屬于鑄造系統(tǒng)控制與監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，特別涉及一種自動(dòng)控制鋼水澆鑄與監(jiān)測(cè)的方法。
背景技術(shù)：
：澆鑄是鑄造生產(chǎn)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，而隨著微電子技術(shù)與自動(dòng)控制理論的快速發(fā)展，PID算法控制在工業(yè)控制澆鑄系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，在冶金工業(yè)中，PID算法控制的使用率高達(dá)82.9％，是冶金企業(yè)所采用的最主要的控制方式之一：澆鑄監(jiān)測(cè)主要依靠重量傳感器實(shí)時(shí)采集在澆鑄過程中吊鉤秤上鋼水的重量值，通過無線或有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)信息傳遞到數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算出澆鑄速率、時(shí)間等參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)澆鑄過程的監(jiān)測(cè)。雖然大多數(shù)冶金企業(yè)采用吊包澆鑄方式，通過重量傳感器來實(shí)現(xiàn)鋼水澆鑄重量的檢測(cè)，但并沒有找到能夠滿足澆口中鋼水的液位高度檢測(cè)的傳感器件，從而限制了澆鑄自動(dòng)化水平的發(fā)展。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種自動(dòng)控制鋼水澆鑄與監(jiān)測(cè)的方法，結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)整個(gè)澆鑄過程中關(guān)鍵參數(shù)的文本存儲(chǔ)并生成鋼水澆鑄系統(tǒng)監(jiān)測(cè)報(bào)告，便于技術(shù)人員分析產(chǎn)生質(zhì)量問題的原因，并及時(shí)調(diào)整與改進(jìn)生產(chǎn)工藝，避免了重大安全事故與經(jīng)濟(jì)損失的發(fā)生，以傳統(tǒng)鋼水澆鑄為基礎(chǔ)，提出了一種基于改進(jìn)PID算法的鋼水澆鑄控制與澆鑄流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，便于技術(shù)人員分析產(chǎn)生質(zhì)量問題的原因，并及時(shí)調(diào)整與改進(jìn)生產(chǎn)工藝，避免了重大安全事故與經(jīng)濟(jì)損失的發(fā)生。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是一種自動(dòng)控制鋼水澆鑄與監(jiān)測(cè)的方法，包括如下步驟:1)確定系統(tǒng)運(yùn)行流程，設(shè)定流量給定參數(shù)，啟動(dòng)鋼水澆鑄；2)改進(jìn)PID控制算法3)根據(jù)步驟2)中的誤差采樣值，控制區(qū)間調(diào)整對(duì)控制器的控制；4)根據(jù)步驟3)計(jì)算澆鑄重量差、澆鑄速率與時(shí)間，實(shí)時(shí)檢測(cè)及調(diào)控，可隨時(shí)了解鋼水澆鑄過程中機(jī)械與生產(chǎn)狀態(tài)，完成鑄流過程自動(dòng)控制鋼水澆鑄與監(jiān)測(cè)。步驟1)中工控機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)快速驅(qū)動(dòng)澆鑄流量伺服控制組合，使得吊鉤秤運(yùn)動(dòng)控制澆鑄流量，從而在澆口中以給力流量值建立液位。當(dāng)澆口中的鋼水液面建立后，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段，通過從圖像傳感器上反饋回來的液面狀態(tài)對(duì)原控制算法進(jìn)行補(bǔ)償，通過澆鑄流量伺服控制組合位置將鋼水液位維持在澆口高度值附近，從而保持澆鑄過程的穩(wěn)定性。當(dāng)鋼水液位達(dá)到澆口高度時(shí)，工控機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)快速關(guān)閉澆鑄流量伺服控制組合，澆鑄停止。步驟2)中對(duì)于鋼、鐵、銅、鋁、錫等液態(tài)金屬澆鑄對(duì)象，其澆鑄流量大致如下式π4k1h2(t)dh(t)dt=Q1(t-π)-k2h(t)k1=πtan2αr=2(h2-h0)g,h0=0.8h---(1)]]>式中：Q1(t)為澆口的澆鑄流量；k1為澆口形狀相關(guān)的系數(shù)；2α為澆口杯口夾角；k2砂型直澆道形狀相關(guān)系數(shù)；r為砂型直澆道半徑；h2為吊鉤秤到澆口底之間的距離；h0為澆口液態(tài)合金液位設(shè)定值；h(t)為砂型澆口的實(shí)時(shí)液位高度。從式中可以看出，澆鑄流量對(duì)象是一個(gè)具有時(shí)變參數(shù)、時(shí)滯、非線性的控制過程，且澆鑄過程中澆口液態(tài)合金液位誤差具有二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的誤差曲線特性，需將該誤差補(bǔ)償?shù)絇ID控制算法中。假設(shè)e(n)為鋼水澆鑄過程中當(dāng)前液位采樣時(shí)刻離散化的誤差采樣值，則：Δe(n)=e(n)-e(n-1)Δe(n-1)=e(n-1)-e(n-2)---(2)]]>將上代入至控制器輸出狀態(tài)方程中得到n次誤差采集值反饋后控制器輸出值：U(n)＝N1[e(n)-e(n-1)]+N21e(n)+N2[e(n)-2e(n-1)-e(n-2)](3)式中：N1與N2控制器輸出前后的放大系數(shù)，N1>1，N2<1，N21為抑制系數(shù)。根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，通過區(qū)段不同算法調(diào)節(jié)的方式可有效地解決時(shí)變、時(shí)滯、非線性系統(tǒng)的控制問題，該方法即有魯棒控制的快速性，又有時(shí)滯控制的穩(wěn)定抗干擾能力。步驟3)中假設(shè)誤差采樣值以最大值、中間值與最小值設(shè)為參考界限分別用emax，emid，emin表示，e(n)Δe(n)>0，e(n)Δe(n)<0分別表示誤差向絕對(duì)值增大與減小區(qū)段的方向變化。當(dāng)|e(n)|>emax，液位誤差絕對(duì)值很大，即控制器輸出量超過最大值或低于最小值，控制區(qū)間對(duì)控制器施加最大輸出量或最小輸出量。U(n)=Umax,e(n)>0Umin,e(n)0---(4)]]>當(dāng)emid≤|e(n)|<emax，液位誤差仍處于較大狀態(tài)，控制器施加較高的輸出值從而迅速減小液位誤差。U(n)=U(n-1)+N1ΔU(n),e(n)Δe(n)≥0U(n-1)+ΔU(n),e(n)Δe(n)0---(5)]]>當(dāng)emin≤|e(n)|<emid，液位誤差處于較低狀態(tài)，控制器施加一般輸出值來微調(diào)液位高度。U(n)=U(n-1)+ΔU(n),e(n)Δe(n)≥0U(n-1)+N2ΔU(n),e(n)Δe(n)0---(6)]]>當(dāng)|e(n)|<emin，此時(shí)的液位誤差非常小，保持控制器平穩(wěn)輸出。U(n)＝U(n-1)(7)步驟4)中重量傳感器采集吊鉤秤上的鋼水重量，以該值為基準(zhǔn)值G1，之后每隔一定時(shí)間Δt采集一次鋼水重量Gi，則澆鑄重量差值為ΔG＝Gi-Gi-1，鋼水澆鑄流速為：υ=ΔGΔt---(8)]]>式中：i≥2。由于系統(tǒng)設(shè)定采樣間隔時(shí)間與軟件采樣時(shí)間存在一定的誤差k：則最終的澆鑄速度為：υ=kΔGti-ti-1---(10)]]>本發(fā)明的有益效果是，一種自動(dòng)控制鋼水澆鑄與監(jiān)測(cè)的方法，利用虛擬儀器技術(shù)完成系統(tǒng)控制流程與過程計(jì)算，結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)整個(gè)澆鑄過程中關(guān)鍵參數(shù)的文本存儲(chǔ)并生成鋼水澆鑄系統(tǒng)監(jiān)測(cè)報(bào)告，便于技術(shù)人員分析產(chǎn)生質(zhì)量問題的原因，并及時(shí)調(diào)整與改進(jìn)生產(chǎn)工藝，避免了重大安全事故與經(jīng)濟(jì)損失的發(fā)生，滿足了實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中的生產(chǎn)需要。具體實(shí)施例下面對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的闡述，但不是對(duì)本發(fā)明的限定。實(shí)施例一種自動(dòng)控制鋼水澆鑄與監(jiān)測(cè)的方法，包括如下步驟:1)確定系統(tǒng)運(yùn)行流程，設(shè)定流量給定參數(shù)，啟動(dòng)鋼水澆鑄；2)改進(jìn)PID控制算法3)根據(jù)步驟2)中的誤差采樣值，控制區(qū)間調(diào)整對(duì)控制器的控制；4)根據(jù)步驟3)計(jì)算澆鑄重量差、澆鑄速率與時(shí)間，實(shí)時(shí)檢測(cè)及調(diào)控，可隨時(shí)了解鋼水澆鑄過程中機(jī)械與生產(chǎn)狀態(tài)，完成鑄流過程自動(dòng)控制鋼水澆鑄與監(jiān)測(cè)。步驟1)中工控機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)快速驅(qū)動(dòng)澆鑄流量伺服控制組合，使得吊鉤秤運(yùn)動(dòng)控制澆鑄流量，從而在澆口中以給力流量值建立液位。當(dāng)澆口中的鋼水液面建立后，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段，通過從圖像傳感器上反饋回來的液面狀態(tài)對(duì)原控制算法進(jìn)行補(bǔ)償，通過澆鑄流量伺服控制組合位置將鋼水液位維持在澆口高度值附近，從而保持澆鑄過程的穩(wěn)定性。當(dāng)鋼水液位達(dá)到澆口高度時(shí)，工控機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)快速關(guān)閉澆鑄流量伺服控制組合，澆鑄停止。步驟2)中對(duì)于鋼、鐵、銅、鋁、錫等液態(tài)金屬澆鑄對(duì)象，其澆鑄流量大致如下式π4k1h2(t)dh(t)dt=Q1(t-π)-k2h(t)k1=πtan2αr=2(h2-h0)g,h0=0.8h---(1)]]>式中：Q1(t)為澆口的澆鑄流量；k1為澆口形狀相關(guān)的系數(shù)；2α為澆口杯口夾角；k2砂型直澆道形狀相關(guān)系數(shù)；r為砂型直澆道半徑；h2為吊鉤秤到澆口底之間的距離；h0為澆口液態(tài)合金液位設(shè)定值；h(t)為砂型澆口的實(shí)時(shí)液位高度。從式中可以看出，澆鑄流量對(duì)象是一個(gè)具有時(shí)變參數(shù)、時(shí)滯、非線性的控制過程，且澆鑄過程中澆口液態(tài)合金液位誤差具有二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的誤差曲線特性，需將該誤差補(bǔ)償?shù)絇ID控制算法中。假設(shè)e(n)為鋼水澆鑄過程中當(dāng)前液位采樣時(shí)刻離散化的誤差采樣值，則：Δe(n)=e(n)-e(n-1)Δe(n-1)=e(n-1)-e(n-2)---(2)]]>將上代入至控制器輸出狀態(tài)方程中得到n次誤差采集值反饋后控制器輸出值：U(n)＝N1[e(n)-e(n-1)]+N21e(n)+N2[e(n)-2e(n-1)-e(n-2)](3)式中：N1與N2控制器輸出前后的放大系數(shù)，N1>1，N2<1，N21為抑制系數(shù)。根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，通過區(qū)段不同算法調(diào)節(jié)的方式可有效地解決時(shí)變、時(shí)滯、非線性系統(tǒng)的控制問題，該方法即有魯棒控制的快速性，又有時(shí)滯控制的穩(wěn)定抗干擾能力。步驟3)中假設(shè)誤差采樣值以最大值、中間值與最小值設(shè)為參考界限分別用emax，emid，emin表示，e(n)Δe(n)>0，e(n)Δe(n)<0分別表示誤差向絕對(duì)值增大與減小區(qū)段的方向變化。當(dāng)|e(n)|>emax，液位誤差絕對(duì)值很大，即控制器輸出量超過最大值或低于最小值，控制區(qū)間對(duì)控制器施加最大輸出量或最小輸出量。U(n)=Umax,e(n)>0Umin,e(n)0---(4)]]>當(dāng)emid≤|e(n)|<emax，液位誤差仍處于較大狀態(tài)，控制器施加較高的輸出值從而迅速減小液位誤差。U(n)=U(n-1)+N1ΔU(n),e(n)Δe(n)≥0U(n-1)+ΔU(n),e(n)Δe(n)0---(5)]]>當(dāng)emin≤|e(n)|<emid，液位誤差處于較低狀態(tài)，控制器施加一般輸出值來微調(diào)液位高度。U(n)=U(n-1)+ΔU(n),e(n)Δe(n)≥0U(n-1)+N2ΔU(n),e(n)Δe(n)0---(6)]]>當(dāng)|e(n)|<emin，此時(shí)的液位誤差非常小，保持控制器平穩(wěn)輸出。U(n)＝U(n-1)(7)步驟4)中重量傳感器采集吊鉤秤上的鋼水重量，以該值為基準(zhǔn)值G1，之后每隔一定時(shí)間Δt采集一次鋼水重量Gi，則澆鑄重量差值為ΔG＝Gi-Gi-1，鋼水澆鑄流速為：υ=ΔGΔt---(8)]]>式中：i≥2。由于系統(tǒng)設(shè)定采樣間隔時(shí)間與軟件采樣時(shí)間存在一定的誤差k：則最終的澆鑄速度為：υ=kΔGti-ti-1---(10)]]>。當(dāng)前第1頁1 2 3