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连铸结晶器非正弦振动控制的研究

吴晓明  
【摘要】: 以小方坯连铸机结晶器为控制对象,在实验室建造了半板簧四连杆结晶器振动 台,研制了以位移传感器和压力传感器作为反馈元件的阀控油缸电液伺服控制系统, 建立了电液伺服控制系统的非线性数学模型,在模型中考虑了伺服阀阀口非线性流 量、伺服阀电流饱和、输出压力饱和,以及油缸两腔油液体积的变化以及摩擦负载 等非线性因素。 首先研究了构造非正弦振动波形函数的方法。并采用解析式精确地给出了非正 弦振动波形及其参数,同时建立了拉速——振动参数的同步控制模型。 在此基础上,为了使系统获得更高的控制精度和更好的性能,研究了以HY-6050 光电隔离D/A板和HY-6040光电隔离A/D板等外设接口板为基础、用微机实现控制算法 的数字量和模拟量混合控制系统。且数字闭环和模拟闭环可以通过开关切换,也可 分别独立工作。微机采用IPC-6100/586/166MHz工业控制计算机,通过开发实时监控 软件,利用菜单和图标实现人机对话,提高了工作效率和程序的易操作性。所开发 的数据采集软件、波形发生软件、监控参数设计软件和现代控制算法软件等,将系 统的控制、检测、分析集于一体,具有很高的性能价格比。 详细地探讨了连铸结晶器非正弦振动控制控制律的设计方法。并给出了自适应 控制和变结构控制控制策略的具体实现方法。在此基础之上,针对系统建模的不确 定性和系统具有较大的摩擦负载以及系统参数易变的特点,研究了应用H_∞控制理论 的S/T混合灵敏度优化策略的一些问题及处理方法。首次将H_∞控制理论应用于连铸 机结晶器的非线性振动控制上。数字仿真结果证实了H_∞控制算法保证了闭环系统具 有良好的鲁棒稳定性。通过使用加权函数对输入和输出信号进行补偿,可以达到整 形闭环传递函数的目的。所研究的H_∞控制器不仅适用于难于求得的被控对象精确数 学模型的系统,而且也适用于有摩擦负载、非线性的系统。 建立了一个动态摩擦模型和基于此模型的摩擦补偿方案,并将其用于连铸机结 晶器非正弦振动系统中。模型用一阶非线性微分方程来表示,摩擦模型的参数可以 通过离线估计的方法获得。通过建立摩擦观测器从而可以实现了摩擦补偿,进行了 时域和频域的仿真研究,结果表明使用这种摩擦补偿可以使系统达到较高的控制精 度。 顺利完成了钢水连续浇铸过程的工业试验,钢水在凝固过程中与结晶器壁发生 粘结造成拉裂和拉漏的事故大大减少。电液伺服驱动连铸结晶器振动控制系统的闭 环频宽达10Hz,实际振动频率与给定的振动频率相一致,最大误差为2%。电液伺服 系统的实际振幅与给定的振幅一致,误差也不超过2%。最高振动频率可达到500次/ 分。在正常的工作振动频率范围(120~400次/分)内,油缸振幅可达±10mm,结 晶器相应的振幅达±8mm。系统能够在线改变振动波形、振动频率、偏斜率和幅值 等参数,且过渡平稳。通过工业试验证明所研制的这套系统安装、调试、生产操作 燕山大学工学博士学位论文 方便,硬件及计算机监控软件能够满足生产需要,在生产使用过程中,系统运行平 稳、可靠,控制精度高,响应速度快,铸坯表面振痕深度减小,提高了铸坯质量, 改善了保护渣的润滑,为提高拉坯速度创造了条件。


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