铜管水平连铸系统保温炉液位气动控制的优化研究

摘要

在铜管水平连铸时，为延长铸造时间，提高残液的利用率，德国工程师将保温炉划分成三个腔，分别为进料腔、加压腔和铸造腔。三个腔室的底部是联通的，对加压腔通入高压氮气，通过控制氮气压力的大小，来调节其余两腔的液位。但这种方法保温炉液位有很大的波动，不仅会导致铜液温度变化，还会导致石墨鳞片保温层和杂质卷入铜液，严重影响铜管质量，同时也增加了铜液溢出和泄露的风险，因此保温炉液位精确控制是保证铜管水平连铸系统安全、提高铜管质量和残液利用率的关键。但由于保温炉液位气动控制系统具有时变性和非线性，且存在很多不确定的扰动因素，无法建立准确的数学模型，常规控制方法已经无法满足此系统的控制要求，必须采取新的控制方法和控制策略。本文以某铜管厂改造的保温炉液位气动控制系统为基础，对其特性进行深入研究，提出结构和控制策略的优化方案。将原系统中只能检测铸造腔液位下限、液位上限和液位超限的传感器，用能连续检测铸造腔液位的全桥电路来代替，为后续的精确控制打好基础；利用比例减压阀代替原系统的气控减压阀和数字减压阀来控制进气量，利用比例换向阀和带驱动器的球阀来代替原系统中的电气控两通球阀来控制排气量。从理论和仿真两个方面对系统进行优化分析，使其能达到良好的控制效果，从而提高系统的安全性和铜管质量。
　　本研究主要内容包括：⑴利用AMESim仿真软件，搭建保温炉液位气控系统的物理模型，对正常运行和进料腔有铜液注入两种情况进行仿真分析，为下一步设计控制器提供数据支撑。⑵对系统加入PID控制策略，首先，推导保温炉液位气控系统和保温炉加压腔氮气的数学模型，并建立系统的方框图。利用ZN临界比例度法，确定PID控制器的比例、积分和微分系数，并进行仿真。仿真结果表明，加入PID控制器以后，保温炉液位气控系统的控制效果良好，达到了正常运行时的控制要求，为下一步设计铸造腔液位变化量的理想信号打下基础。⑶铸造腔液位变化量理想信号的设计：由于检测系统只能检测到加压腔的压力和铸造腔液位变化量，加压腔的压力是先增加后减小，且压力曲线有很脉动，所以利用加压腔的压力和压力的变化率来确定加料时间点，会造成逻辑错误，使仿真无法进行；本文利用铸造腔的液位变化量和其与理想变化量的偏差确定加料时间点，利用加压腔的压力确定加压腔内铜液耗尽的时间点，设计了铸造腔液位变化量的理想信号，并加入到AMESim模型中进行仿真，从仿真结果可以看出，在注入铜液后铸造腔液位会有较大的波动。⑷常规的PID控制器很难消除掉注入铜液时铸造腔液位的波动。本文利用MATLAB设计了模糊自整定PID控制器，并利用联合仿真技术，将AMESim与MATLAB连接起来。利用MATLAB中的控制器控制AMESim中的模型，并进行仿真，从仿真结果可以看出，在有铜液注入时，系统的动态性能有很大改善。

目录

声明

第一章 绪 论

本章摘要

1.1 铜管水平连铸系统的简介

1.2 保温炉液位气动控制的国内外发展现状

1.3 本课题研究的意义及内容

第二章 保温炉液位气动控制系统的优化设计

本章摘要

2.1 保温炉液位气控系统控制目标和控制方法的确定

2.2 保温炉结构的优化设计

2.3 气控系统的优化设计

2.4 本章小结

第三章 基于AMESim的保温炉液位气控伺服系统分析

本章摘要

3.1 AMESim软件介绍

3.2 改进后的保温炉液位气控系统分析

3.3 保温炉液位气动控制系统建模

3.4 保温炉液位气动控制系统的AMESim仿真分析

3.5本章小结

第四章 保温炉液位气控系统的数学建模

本章摘要

4.1 保温炉液位气控系统数学模型的建立

4.2 保温炉液位气控系统的方框图

4.3 保温炉液位气动控制系统 PID控制分析

4.5 基于PID控制的AMESim保温炉液位气控系统仿真分析

4.6 本章小结

第五章 保温炉液位气控系统理想信号的设计与仿真分析

本章摘要

5.1 铸造腔理想液位信号的设计

5.2 铸造腔液位理想信号的验证

5.3 铸造腔液位理想信号的仿真分析

5.4 本章小结

第六章 保温炉液位气控系统联合仿真分析

本章摘要

6.1 模糊自整定PID控制器的简介

6.2 保温炉液位气控系统模糊自整定PID控制器的设计

6.3 保温炉液位气控系统联合仿真分析

6.4 本章小结

总结与展望

1 总结

2 展望

参考文献

致谢

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