引言：結晶器液位控制精度是連鑄生產的一個重要工藝指標，直接影響最終產片的質量。整個結晶器液位控制系統(tǒng)的被控對象由液壓伺服系統(tǒng)、水口執(zhí)行機構兩部分組成，機理復雜難于建模。系統(tǒng)中存在塞棒粘結、結晶器液位無阻尼振動、拉速、鼓肚效應等各種干擾，對結晶器液位產生錯綜復雜的影響。本系統(tǒng)通過摩擦力補償器、控制參數(shù)自適應的模糊控制、在線模糊自適應、增益在線優(yōu)化、結晶器振動截止頻率過濾器等進行功能補償以優(yōu)化控制，有效地降低了上述干擾對結晶器液位的影響，取得了良好的效果。 1 工藝對控制系統(tǒng)的要求 為了保證恒拉速澆注，必須嚴格控制結晶器鋼水液位。寶鋼股份不銹鋼分公司連鑄機結晶器液位控制系統(tǒng)通過位置傳感器檢測塞棒位置信號，通過渦流傳感器檢測結晶器中的鋼水液位。利用鋼水液位調節(jié)塞棒位置以控制鋼水進入結晶器的鋼水流量，使鋼水液位維持在恒定位置。 澆注操作模式有：手動方式（操作工操作塞棒控制桿）、塞棒關閉方式、自動方式、測試方式、自動開始澆鑄方式等。 1）手動方式： 在開始澆鑄之前，在HMI主畫面或者OS4上的“＋/－”按鈕設定結晶器液位設定值，此設定值必須大于等于MLC投入自動的最小液位值。按下“手動”按鈕投入手動方式，此時可以通過操作現(xiàn)場塞棒液壓缸控制塞棒的開度，當實際液位值到達MLC投入自動的最小液位值時，“自動”按鈕燈閃，表示此時可以切換到自動方式。手動方式控制級別高于自動開始澆注方式和自動方式。 有下列情況之一時MLC自動切換到手動方式工作  塞棒位置反饋信號故障  塞棒控制閥故障  結晶器液位為高報警液位、低報警液位 2）塞棒關閉方式： 按下“塞棒關閉”按鈕，塞棒立刻關閉。在控制器發(fā)生故障時，塞棒也立刻關閉。塞棒關閉方式控制級別高于其他所有操作方式。在自動方式時，結晶器液位為高高液位或者低低液位時，塞棒自動關閉。 3）自動方式： 按下OS4 上“自動”按鈕，MLC切換為自動方式，在自動方式時仍然可以操作現(xiàn)場塞棒控制桿手動控制結晶器液位，直到實際液位值到達MLC投入自動的最小液位值后，控制方式自動地從手動切換到自動。當前的液位值就作為用于自動控制的初始設定值，通過預設定的上升斜率到達結晶器液位的預設定值。結晶器液位設定值可以通過HMI或者OS4上的“＋/－”按鈕設定一般設定為50%。 4）測試方式： 此方式用于檢測塞棒位置控制系統(tǒng)和液壓執(zhí)行元件。只有中間包在預熱位時，才能啟動測試方式。其中包括兩種測試方式： 開環(huán)測試方式：在OS5.1/5.2上操作塞棒打開/關閉按鈕。 中間包小車1/2在預熱位置，按下OS5.1/5.2上測試按鈕開始測試，通過增大、減小按鈕控制塞棒開口度。按下按鈕5秒內設定值慢速增加/減小±1％/s，超過5秒設定值高速增加/減小±10％/s。再次按下測試按鈕測試完畢。 閉環(huán)測試方式：在HMI上設定塞棒的開度。 中間包小車1/2在預熱位置，按下OS5.1/5.2上測試按鈕開始測試，在HMI上設定塞棒的開度控制塞棒開口度。再次按下測試按鈕測試完畢。 5）自動開始澆鑄方式： 自動開始澆鑄方式與自動方式或者手動方式自鎖，包括兩種操作方式： 帶曲線自動開始澆鑄方式：首先操作工在HMI畫面選擇開始澆鑄曲線和預選擇帶曲線開始澆鑄方式，然后按下“自動開始澆鑄”按鈕，塞棒按照設定的開始澆鑄曲線動作，當結晶器液位實際值到達MLC投入自動的最小液位值，MLC切換為自動方式，當前的液位值就作為初始設定值用于自動控制，通過預設定的上升斜率到達結晶器液位的預設定值。在結晶器液位上升過程中時，當結晶器液位實際值到達流澆注開始液位值時，流驅動啟動。 無曲線自動開始澆鑄方式：首先操作工在HMI畫面預選擇無曲線開始澆鑄方式，然后按下“自動開始澆鑄”按鈕，此時不管是否在自動方式，塞棒開度通過操作現(xiàn)場塞棒液壓缸控制，當結晶器液位實際值到達MLC投入自動的最小液位值，MLC切換為自動方式，當前的液位值就作為初始設定值用于自動控制，通過預設定的上升斜率到達結晶器液位的預設定值。在結晶器液位上升過程中時，當結晶器液位實際值到達流澆注開始液位值時，流驅動啟動。 通過按“自動開始澆鑄按鈕”，從手動方式或者塞棒關閉方式切換為自動開始澆鑄方式，同時塞棒關閉位置被校正。假如在本次自動開始澆鑄時塞棒自動控制發(fā)生故障，則塞棒自動關閉或者切換到手動，而且不能繼續(xù)自動開始澆鑄。為了繼續(xù)開始澆鑄，塞棒必須為手動方式。 2 結晶器液位控制系統(tǒng)組成 系統(tǒng)主要由上位Siemens 公司提供的PLC、WinCC HMI(人機界面)及現(xiàn)場檢測設備、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通訊擴展模塊（1只）、ET200站（5只）構成。 圖2-1 MLC PLC硬件配置圖 b: WinCC HMI(人機界面)： MLC HMI畫面共有7個畫面。  MLC主畫面包含以下功能：結晶器自動開始澆鑄曲線選擇；MLC操作方式的顯示；中間包車狀態(tài)指示；VUHZ狀態(tài)指示；結晶器液位和塞棒控制的數(shù)據；結晶器液位和塞棒控制數(shù)據的曲線等。  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塞棒開度曲線（供選擇的輸入開始澆鑄時塞棒開度曲線共8組），輸入MLC投入自動時的液位值（Take over controller）、流驅動啟動時的液位值（Start strand drive）及投入到自動后設定的開度加速值（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)化的局部補償?shù)瓤刂乒δ軈?shù)。  MLC Parameter3畫面用于顯示及輸入拉速補償、模糊控制、結晶器振蕩過濾等控制功能參數(shù)。 c: 現(xiàn)場檢測設備： 現(xiàn)場檢測設備主要有結晶器液位檢測設備VUHZ（渦流傳感器、成套設備）、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、機械能的相互轉換，在轉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單的傳遞函數(shù)中，因此必須采用信號流圖的方式建立液壓系統(tǒng)的被控對象模型。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油方向和流量，進而調節(jié)活塞的運動方向和速度。  液壓缸：通過活塞將液壓能轉換為驅動塞棒的機械能。 3 結晶器液位控制系統(tǒng)（MLC）基本控制原理及功能 結晶器液位控制系統(tǒng)（MLC）采用串級控制，有2個控制環(huán)，一個控制環(huán)用于結晶器液位控制;另一個控制環(huán)為塞棒位置控制。結晶器液位控制器是一個PID控制器。結晶器液位控制增加控制參數(shù)自適應的模糊控制、在線模糊自適應、增益在線優(yōu)化、結晶器振動截止頻率過濾器等進行功能補償以優(yōu)化控制，在澆注過程中具有自適應功能。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償器進行前饋補償。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，處于整個結晶器液位控制系統(tǒng)的內環(huán)，其被控對象涉及到液壓缸活塞運動特性、塞棒流量特性等，簡言之即為伺服閥輸入信號u與塞棒實際位置S之間的動態(tài)關系。它采用Siemens S7中提供的P控制標準模塊實現(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。 b：結晶器液位控制器： 結晶器液位控制器是PID控制器，處于整個結晶器液位控制系統(tǒng)的內環(huán)，它采用Siemens S7中提供的PID控制標準模塊實現(xiàn)。結晶器是一個典型的容積對象，流出量模型如式（3-2），結晶器液位模型如式（3-3）Qo=Am*Cs （3-2） dL/dt=(Qm-Qo)/ Am （3-3） 式中，L為結晶器液位，Qo為結晶器鋼水流出量，Cs為拉速，Am為結晶器截面積。 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 結晶器液位控制流程圖 其中帶*為控制器參數(shù)的實際值，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：串級控制： 結晶器液位控制系統(tǒng)（MLC）由于其本身工藝要求控制精度高、參數(shù)間相互關系復雜等特點，傳統(tǒng)的簡單單回路控制系統(tǒng)已不能滿足其控制要求，故我們引入復雜控制系統(tǒng)中比較常見的串級控制來解決這一問題。在串級控制系統(tǒng)中，采用了兩級控制器，即本系統(tǒng)中控制結晶器液位的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，在調節(jié)過程中，副回路即塞棒液壓缸位置控制回路起“粗調”作用，能有效地克服二次擾動、改善調節(jié)對象的動態(tài)特性、提高整個系統(tǒng)的工作頻率以及增大主回路即結晶器液位控制回路中PID控制器的增益。 d：摩擦力補償器： 在本系統(tǒng)中，由于暫時的粘結，塞棒中的摩擦力會使結晶器液位產生錯綜復雜的影響?；谇梆伩刂圃?，引入摩擦力前饋補償。摩擦力補償器可以預先識別這些粘結并且對于塞棒控制產生一個前饋的信號用于控制液壓并且產生一個新的設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)，摩擦力補償器就立即進行比較，使其影響在P控制進行之前就被抵消掉，極大的減少摩擦力干擾對結晶器液位的影響。 前饋控制是以不變性<