引言：結(jié)晶器液位控制精度是連鑄生產(chǎn)的一個(gè)重要工藝指標(biāo)，直接影響最終產(chǎn)片的質(zhì)量。整個(gè)結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)的被控對(duì)象由液壓伺服系統(tǒng)、水口執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩部分組成，機(jī)理復(fù)雜難于建模。系統(tǒng)中存在塞棒粘結(jié)、結(jié)晶器液位無阻尼振動(dòng)、拉速、鼓肚效應(yīng)等各種干擾，對(duì)結(jié)晶器液位產(chǎn)生錯(cuò)綜復(fù)雜的影響。本系統(tǒng)通過摩擦力補(bǔ)償器、控制參數(shù)自適應(yīng)的模糊控制、在線模糊自適應(yīng)、增益在線優(yōu)化、結(jié)晶器振動(dòng)截止頻率過濾器等進(jìn)行功能補(bǔ)償以優(yōu)化控制，有效地降低了上述干擾對(duì)結(jié)晶器液位的影響，取得了良好的效果。 1 工藝對(duì)控制系統(tǒng)的要求 為了保證恒拉速澆注，必須嚴(yán)格控制結(jié)晶器鋼水液位。寶鋼股份不銹鋼分公司連鑄機(jī)結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)通過位置傳感器檢測(cè)塞棒位置信號(hào)，通過渦流傳感器檢測(cè)結(jié)晶器中的鋼水液位。利用鋼水液位調(diào)節(jié)塞棒位置以控制鋼水進(jìn)入結(jié)晶器的鋼水流量，使鋼水液位維持在恒定位置。 澆注操作模式有：手動(dòng)方式（操作工操作塞棒控制桿）、塞棒關(guān)閉方式、自動(dòng)方式、測(cè)試方式、自動(dòng)開始澆鑄方式等。 1）手動(dòng)方式： 在開始澆鑄之前，在HMI主畫面或者OS4上的“＋/－”按鈕設(shè)定結(jié)晶器液位設(shè)定值，此設(shè)定值必須大于等于MLC投入自動(dòng)的最小液位值。按下“手動(dòng)”按鈕投入手動(dòng)方式，此時(shí)可以通過操作現(xiàn)場(chǎng)塞棒液壓缸控制塞棒的開度，當(dāng)實(shí)際液位值到達(dá)MLC投入自動(dòng)的最小液位值時(shí)，“自動(dòng)”按鈕燈閃，表示此時(shí)可以切換到自動(dòng)方式。手動(dòng)方式控制級(jí)別高于自動(dòng)開始澆注方式和自動(dòng)方式。 有下列情況之一時(shí)MLC自動(dòng)切換到手動(dòng)方式工作  塞棒位置反饋信號(hào)故障  塞棒控制閥故障  結(jié)晶器液位為高報(bào)警液位、低報(bào)警液位 2）塞棒關(guān)閉方式： 按下“塞棒關(guān)閉”按鈕，塞棒立刻關(guān)閉。在控制器發(fā)生故障時(shí)，塞棒也立刻關(guān)閉。塞棒關(guān)閉方式控制級(jí)別高于其他所有操作方式。在自動(dòng)方式時(shí)，結(jié)晶器液位為高高液位或者低低液位時(shí)，塞棒自動(dòng)關(guān)閉。 3）自動(dòng)方式： 按下OS4 上“自動(dòng)”按鈕，MLC切換為自動(dòng)方式，在自動(dòng)方式時(shí)仍然可以操作現(xiàn)場(chǎng)塞棒控制桿手動(dòng)控制結(jié)晶器液位，直到實(shí)際液位值到達(dá)MLC投入自動(dòng)的最小液位值后，控制方式自動(dòng)地從手動(dòng)切換到自動(dòng)。當(dāng)前的液位值就作為用于自動(dòng)控制的初始設(shè)定值，通過預(yù)設(shè)定的上升斜率到達(dá)結(jié)晶器液位的預(yù)設(shè)定值。結(jié)晶器液位設(shè)定值可以通過HMI或者OS4上的“＋/－”按鈕設(shè)定一般設(shè)定為50%。 4）測(cè)試方式： 此方式用于檢測(cè)塞棒位置控制系統(tǒng)和液壓執(zhí)行元件。只有中間包在預(yù)熱位時(shí)，才能啟動(dòng)測(cè)試方式。其中包括兩種測(cè)試方式： 開環(huán)測(cè)試方式：在OS5.1/5.2上操作塞棒打開/關(guān)閉按鈕。 中間包小車1/2在預(yù)熱位置，按下OS5.1/5.2上測(cè)試按鈕開始測(cè)試，通過增大、減小按鈕控制塞棒開口度。按下按鈕5秒內(nèi)設(shè)定值慢速增加/減小±1％/s，超過5秒設(shè)定值高速增加/減小±10％/s。再次按下測(cè)試按鈕測(cè)試完畢。 閉環(huán)測(cè)試方式：在HMI上設(shè)定塞棒的開度。 中間包小車1/2在預(yù)熱位置，按下OS5.1/5.2上測(cè)試按鈕開始測(cè)試，在HMI上設(shè)定塞棒的開度控制塞棒開口度。再次按下測(cè)試按鈕測(cè)試完畢。 5）自動(dòng)開始澆鑄方式： 自動(dòng)開始澆鑄方式與自動(dòng)方式或者手動(dòng)方式自鎖，包括兩種操作方式： 帶曲線自動(dòng)開始澆鑄方式：首先操作工在HMI畫面選擇開始澆鑄曲線和預(yù)選擇帶曲線開始澆鑄方式，然后按下“自動(dòng)開始澆鑄”按鈕，塞棒按照設(shè)定的開始澆鑄曲線動(dòng)作，當(dāng)結(jié)晶器液位實(shí)際值到達(dá)MLC投入自動(dòng)的最小液位值，MLC切換為自動(dòng)方式，當(dāng)前的液位值就作為初始設(shè)定值用于自動(dòng)控制，通過預(yù)設(shè)定的上升斜率到達(dá)結(jié)晶器液位的預(yù)設(shè)定值。在結(jié)晶器液位上升過程中時(shí)，當(dāng)結(jié)晶器液位實(shí)際值到達(dá)流澆注開始液位值時(shí)，流驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)。 無曲線自動(dòng)開始澆鑄方式：首先操作工在HMI畫面預(yù)選擇無曲線開始澆鑄方式，然后按下“自動(dòng)開始澆鑄”按鈕，此時(shí)不管是否在自動(dòng)方式，塞棒開度通過操作現(xiàn)場(chǎng)塞棒液壓缸控制，當(dāng)結(jié)晶器液位實(shí)際值到達(dá)MLC投入自動(dòng)的最小液位值，MLC切換為自動(dòng)方式，當(dāng)前的液位值就作為初始設(shè)定值用于自動(dòng)控制，通過預(yù)設(shè)定的上升斜率到達(dá)結(jié)晶器液位的預(yù)設(shè)定值。在結(jié)晶器液位上升過程中時(shí)，當(dāng)結(jié)晶器液位實(shí)際值到達(dá)流澆注開始液位值時(shí)，流驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)。 通過按“自動(dòng)開始澆鑄按鈕”，從手動(dòng)方式或者塞棒關(guān)閉方式切換為自動(dòng)開始澆鑄方式，同時(shí)塞棒關(guān)閉位置被校正。假如在本次自動(dòng)開始澆鑄時(shí)塞棒自動(dòng)控制發(fā)生故障，則塞棒自動(dòng)關(guān)閉或者切換到手動(dòng)，而且不能繼續(xù)自動(dòng)開始澆鑄。為了繼續(xù)開始澆鑄，塞棒必須為手動(dòng)方式。 2 結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)組成 系統(tǒng)主要由上位Siemens 公司提供的PLC、WinCC HMI(人機(jī)界面)及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備、液壓系統(tǒng)等組成。 a: PLC硬件配置： MLC PLC硬件配置如圖2-1所示。由電源PS 405 10A（1只） 、CPU 416-3（1只）、CP通訊擴(kuò)展模塊（1只）、ET200站（5只）構(gòu)成。 圖2-1 MLC PLC硬件配置圖 b: WinCC HMI(人機(jī)界面)： MLC HMI畫面共有7個(gè)畫面。  MLC主畫面包含以下功能：結(jié)晶器自動(dòng)開始澆鑄曲線選擇；MLC操作方式的顯示；中間包車狀態(tài)指示；VUHZ狀態(tài)指示；結(jié)晶器液位和塞棒控制的數(shù)據(jù)；結(jié)晶器液位和塞棒控制數(shù)據(jù)的曲線等。  MLC Hydraulic畫面主要用于顯示MLC液壓系統(tǒng)工作狀態(tài)。  MLC Stopper畫面可以選擇開始澆鑄時(shí)塞棒開度曲線（供選擇的輸入開始澆鑄時(shí)塞棒開度曲線共8組），輸入MLC投入自動(dòng)時(shí)的液位值（Take over controller）、流驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)時(shí)的液位值（Start strand drive）及投入到自動(dòng)后設(shè)定的開度加速值（Setpoint Ramp Auto Cast）。  MLC Teststand畫面用于顯示塞棒控制模式、開口度及輸入開口度設(shè)定值。  MLC Parameter1畫面用于顯示及輸入MLC及塞棒控制參數(shù)。  MLC Parameter2畫面用于顯示及輸入在線優(yōu)化、在線模糊優(yōu)化、在線優(yōu)化的局部補(bǔ)償?shù)瓤刂乒δ軈?shù)。  MLC Parameter3畫面用于顯示及輸入拉速補(bǔ)償、模糊控制、結(jié)晶器振蕩過濾等控制功能參數(shù)。 c: 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備： 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備主要有結(jié)晶器液位檢測(cè)設(shè)備VUHZ（渦流傳感器、成套設(shè)備）、塞棒液壓缸位置傳感器（2只）、壓力傳感器等。 d: 液壓系統(tǒng)： 結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)為成套系統(tǒng)。在液壓系統(tǒng)中存在著電能、液壓能、機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換過程中受到較多的非線性的影響。這些非線性不能包含在簡(jiǎn)單的傳遞函數(shù)中，因此必須采用信號(hào)流圖的方式建立液壓系統(tǒng)的被控對(duì)象模型。液壓系統(tǒng)主要由伺服閥、比例閥、塞棒液壓缸、蓄能器等組成。其作用如下：  伺服閥：按給定電壓的極性和大小改變液壓缸進(jìn)油方向和流量，進(jìn)而調(diào)節(jié)活塞的運(yùn)動(dòng)方向和速度。  液壓缸：通過活塞將液壓能轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)塞棒的機(jī)械能。 3 結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)（MLC）基本控制原理及功能 結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)（MLC）采用串級(jí)控制，有2個(gè)控制環(huán)，一個(gè)控制環(huán)用于結(jié)晶器液位控制;另一個(gè)控制環(huán)為塞棒位置控制。結(jié)晶器液位控制器是一個(gè)PID控制器。結(jié)晶器液位控制增加控制參數(shù)自適應(yīng)的模糊控制、在線模糊自適應(yīng)、增益在線優(yōu)化、結(jié)晶器振動(dòng)截止頻率過濾器等進(jìn)行功能補(bǔ)償以優(yōu)化控制，在澆注過程中具有自適應(yīng)功能。塞棒位置控制器為P控制器。塞棒位置控制器增加摩擦力補(bǔ)償器進(jìn)行前饋補(bǔ)償。如圖 3-1所示。 a：塞棒位置控制器： 塞棒位置控制器是P控制器，處于整個(gè)結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，其被控對(duì)象涉及到液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)特性、塞棒流量特性等，簡(jiǎn)言之即為伺服閥輸入信號(hào)u與塞棒實(shí)際位置S之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。它采用Siemens S7中提供的P控制標(biāo)準(zhǔn)模塊實(shí)現(xiàn)。 P控制原理： P控制器傳遞函數(shù)： u = Kc*e （3-1） 式中：Kc為比例增益；e為偏差信號(hào)。 b：結(jié)晶器液位控制器： 結(jié)晶器液位控制器是PID控制器，處于整個(gè)結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，它采用Siemens S7中提供的PID控制標(biāo)準(zhǔn)模塊實(shí)現(xiàn)。結(jié)晶器是一個(gè)典型的容積對(duì)象，流出量模型如式（3-2），結(jié)晶器液位模型如式（3-3）Qo=Am*Cs （3-2） dL/dt=(Qm-Qo)/ Am （3-3） 式中，L為結(jié)晶器液位，Qo為結(jié)晶器鋼水流出量，Cs為拉速，Am為結(jié)晶器截面積。 PID控制器原理： PID控制器傳遞函數(shù)： Gc（s）=K*c(1+1/T*is+ T*ds)/ (1+1/KiTis+ Td/ Kd s) （3-4） 式中：K*c=F*K c；T*i=F*Ti ；T*d= Td/F； 圖3-1 結(jié)晶器液位控制流程圖 其中帶*為控制器參數(shù)的實(shí)際值，不帶*為參數(shù)的刻度值。F為相互干擾系數(shù)；Ki為積分增益。 c：串級(jí)控制： 結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)（MLC）由于其本身工藝要求控制精度高、參數(shù)間相互關(guān)系復(fù)雜等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單單回路控制系統(tǒng)已不能滿足其控制要求，故我們引入復(fù)雜控制系統(tǒng)中比較常見的串級(jí)控制來解決這一問題。在串級(jí)控制系統(tǒng)中，采用了兩級(jí)控制器，即本系統(tǒng)中控制結(jié)晶器液位的PID控制器和控制塞棒液壓缸位置的P控制器，形成雙閉環(huán)控制如圖3-1所示。這樣，在調(diào)節(jié)過程中，副回路即塞棒液壓缸位置控制回路起“粗調(diào)”作用，能有效地克服二次擾動(dòng)、改善調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性、提高整個(gè)系統(tǒng)的工作頻率以及增大主回路即結(jié)晶器液位控制回路中PID控制器的增益。 d：摩擦力補(bǔ)償器： 在本系統(tǒng)中，由于暫時(shí)的粘結(jié)，塞棒中的摩擦力會(huì)使結(jié)晶器液位產(chǎn)生錯(cuò)綜復(fù)雜的影響。基于前饋控制原理，引入摩擦力前饋補(bǔ)償。摩擦力補(bǔ)償器可以預(yù)先識(shí)別這些粘結(jié)并且對(duì)于塞棒控制產(chǎn)生一個(gè)前饋的信號(hào)用于控制液壓并且產(chǎn)生一個(gè)新的設(shè)定值用于位置控制環(huán)的P控制器。這樣，只要摩擦力干擾出現(xiàn)，摩擦力補(bǔ)償器就立即進(jìn)行比較，使其影響在P控制進(jìn)行之前就被抵消掉，極大的減少摩擦力干擾對(duì)結(jié)晶器液位的影響。 前饋控制是以不變性<