连铸结晶器非正弦振动系统神经元控制研究_图文

1、第45卷第9期2010年9月钢铁Iron and SteelVol.45,No.9September 2010连铸结晶器非正弦振动系统神经元控制研究李好文1,闫海宁1,刘和兴2,王文章2(1.西安理工大学自动化与信息工程学院,陕西西安710048;2.上海重矿连铸有限公司,上海201323摘要:连铸机结晶器非正弦振动的目的是减少振动的负滑脱时间,为了提高非正弦振动的控制精度,采用了单神经元自适应PID 控制,与传统PID 的控制效果进行了比较。仿真及试验结果表明:单神经元自适应PID 控制提高了结晶器振动的响应速度,有效地保证了结晶器振动负滑脱时间这一控制指标;减小了位置跟踪波形的畸变,使结晶

2、器按给定非正弦振动特性曲线运动。关键词:连铸结晶器;非正弦振动;神经元Study on N euron Control of Non 2Sinusoidal OscillationSystem for Continuous C asting MoldL I Hao 2wen 1,YAN Hai 2ning 1,L IU He 2xing 2,WAN G Wen 2zhang 2(1.School of Automation and Information Engineering ,Xi an University of Technology ,Xi an 710048,Shaanxi ,Chi

3、na ;2.Shanghai Metallurgy and Continuous CastingTechnologies Co.,Ltd.,Shanghai 201323,China Abstract :The mode of non 2sinusoidal oscillation for continuous casting mold is used to reduce negative strip time of oscillation.In order to improve the control precision of non 2sinusoidal oscillation ,the

4、 single neuron adaptive PID controller was used.The control performance comparing with the conventional PID controller was given.The simu 2lation and experiment results show that single neuron adaptive PID controller not only improves the responding rate of mold oscillation and ensures the target of

5、 mold negative strip time efficiently ,but also reduces the distortion of the waveform of position tracking and makes the movement curve of the mold be same as the defined non 2sinusoidal oscillation curve.K ey w ords :continuous casting mold ;non 2sinusoidal oscillation ;neuron 结晶器振动是发展高效连铸的关键技术,在这

6、个环节小的波动都会对生产过程产生很大的影响,生产链中的产品质量将由良变为差1。而非正弦振动通过减少负滑脱时间,可以有效改善润滑,减小摩擦,提高铸坯质量,成为振动技术发展的热点。但是结晶器非正弦振动系统建模存在着不确定性,系统参数变化较大,传统的PID 控制方法是基于模型的控制,在较大范围内很难适应典型的时变系统2。而神经元控制是一种基本上不依赖于模型的控制方法,比较适用于那些具有不确定性或高度非线性的控制对象,并具有较强的自适应和学习功能3。因此,开发神经元自适应控制系统,对结晶器非正弦振动控制具有重大的指导和现实意义。1非正弦振动技术1.1非正弦振动波形为了提高钢坯质量,必须减少结晶器振动负

7、滑脱时间,在正弦振动中要减少负滑脱时间必须减小振幅,或者提高振动频率。但是,这样做将会导致结晶器与铸坯摩擦阻力增加,会造成坯壳粘结或者出现拉漏事故4。结晶器非正弦振动技术的引入,突破了正弦振动的弊端,增大了波形的调节能力。在周期不变的情况下,正滑脱时间增加,负滑脱时间减少。在正滑脱时间里结晶器振动速度与拉坯速度之差减小,从而降低了摩擦阻力,并减小了初生坯壳所承受的拉应力,即减少了粘连性漏钢事故。在负滑脱时间里结晶器振动速度与拉坯速度之差增大,因此作用于初生坯壳的压应力增大,更有利于铸坯脱模。非正弦振动位移曲线方程如式(1所示:s =h sin 2f t/(1+,t =0t 1h sin -/(

8、1-+2f t/(1-,t =t 1t 2h sin 2/(1+2f t/(1+,t =t 2T (1第9期李好文等:连铸结晶器非正弦振动系统神经元控制研究t 1=(1+/4f t 2=(3-/4f T =1/f式中:s 为结晶器振动位移,mm ;h 为结晶器振动振幅,mm ;f 为结晶器振动频率,Hz ;为振动波形偏斜率;t 为结晶器振动时间,s 。图1与图2所示波形具备了非正弦振动波形的全部特征,图2中速度曲线光滑连续,无瞬时突变,不会产生无穷大加速度,设备不会承受无穷大惯性力而导致刚性冲击。 1.2负滑脱时间计算正弦振动的负滑脱时间t N (单位:s 计算公式为式(2,非正弦振动的负滑脱

9、时间可由式(3计算得出。t N =1fco s-11000v c120f h (2t N =1-f co s-11000(1-v c 120f h (3式中:v c 为拉坯速度,m/min 。某些情况下正弦振动也可以看作非正弦振动的一种特殊情况(值取0时,可见非正弦振动的负滑脱时间可以由的取值进行调节,避免了正弦振动一味地调节频率和振幅导致的坯壳粘结和拉漏事故。而且可以根据不同钢种的需要改变取值,也可以根据拉速的变化在线调节值,从而提高铸坯质量。2非正弦振动的神经元控制2.1单神经元自适应PID 控制器神经元是神经网络的基本元素,具有神经网络的自适应和学习能力5。将神经元与常规PID 结合,通

10、过神经元算法实时调节加权系数,从而提高系统自适应能力,使系统得到更有效的控制。单神经元自适应PID 控制器如图3所示。图3单神经元自适应PID 控制器Fig.3Single neuron ad aptive PID controllerx i (k 为神经元的输入,即神经元学习控制所需的状态量。其中:x 1(k =y r (k -y out (k =e (k x 2(k =e (k x 3(k =e (k-2e (k -1+e (k -2(4神经元的输出为:u (k =u (k -1+K3i =1w i(k x i(k (5其中:w i (k =w i (k 3i =1wi(k (i =1,2

11、,3(6K 为神经元系数,y r (k 和y out (k 为k 时刻系统的给定和反馈,u (k 为k 时刻神经元控制器的输出信号。w 为神经元加权系数,类似于PID 控制器参数中的比例、积分和微分。系统通过学习算法修改网络权值,实现PID 自适应控制,这种自适应能力是通过一定的学习规则进行的,如何获得更完善的自学习能力的算法是关键。73钢铁第45卷2.2神经元学习算法加权系数的调整可以采用不同的学习规则,从而构成不同的控制算法。在最优控制理论中,采用二次型性能指标来计算控制律可以得到所期望的优化效果。在神经元的学习算法里,借助最优控制中的二次型性能指标的思想,在加权系数的调整中引入二次型性能

12、指标,使输出误差和控制增量加权平方和为最小来调整加权系数,从而间接实现对输出误差和控制增量的约束控制6。设性能指标为:J=12Py r(k-y out(k2+Q2u(k= 12Pz2(k+Q2u(k (7z(k=e(k式中:u(k为k时刻神经元控制器的输出增量;P、Q分别为输出误差和控制增量的加权系数,加权系数P决定了输出误差项在优化性能指标中所占比重,对系统也有直接影响,可由仿真和实际控制结果来决定其大小。加权系数Q是用来限制控制增量u(k出现过量现象的,取值不宜过大,以免使过程时间拖长,令加权系数w的调整沿着J对w的负梯度方向进行搜索,如下式所示:wi=w i(k+1-w i(k=-m9J

13、9w i(k=m K Pb0z(kx i(k-Q K3i=1w i(kx i(kx i(k(8式中:m (m=1,2,3为学习速率;b0为零初始状态时被控过程单位阶跃响应的第1个值。故w1(k、w2(k、w3(k表达式为:w1(k=w1(k-1+1K Pb0z(kx1(k-Q K3i=1w i(kx i(kx1(kw2(k=w2(k-1+2K Pb0z(kx2(k-Q K3i=1w i(kx i(kx2(kw3(k=w3(k-1+3K Pb0z(kx3(k-Q K3i=1w i(kx i(kx3(k(93仿真研究3.1电液伺服系统数学模型结晶器非正弦振动的实现方法主要有电液伺服控制、电动伺服控

14、制和机械凸轮控制3种形式,电液伺服控制具有驱动力大、设备冲击小、振动频率高、在线修改振动波形方便、控制精度高、设备使用寿命长等优点。某小方坯连铸结晶器电液伺服系统由电液伺服阀和伺服油缸组成。当输入仅为伺服阀的位移X(单位:m,输出为液压油缸的位移Y(单位:m时,液压动力机构的传递函数为:Y(SX(SF=0=300S(S22802+2×0.11280S+1(10当输入仅为负载干扰力F(单位:N,输出为液压油缸的位移Y(单位:m时,液压动力机构的传递函数为:Y(SF(SX=0=6.4×10-6(1+1.9×10-2SS(S22802+2×0.11280S+1

15、(113.2参数设置非正弦振动曲线取值:振幅h=4mm,波形偏斜率=0.2,振动频率f=2Hz。电液伺服系统的平均干扰力为65kN,变化幅度为±10%。神经元算法采用MA TL AB的S函数编写,系统采样时间为0.001s。3.3仿真结果及分析传统PID非正弦振动位移控制仿真结果见图4和图5,分别为第1个周期响应曲线和前3个周期响应曲线。从图5可以看出跟踪响应曲线的周期为0.5s,与给定信号周期相同;从图4可以看出响应延迟为41ms(位移零点处,结晶器下降时间(即波峰与波谷之间的振动时间由设定值的200ms增长到213ms。图4传统PID位移控制曲线(1个周期Fig.4Control

16、 curve of conventional PID fordisplacement(one period83第9期李好文等:连铸结晶器非正弦振动系统神经元控制研究 图5传统PID 位移控制曲线(3个周期Fig.5Control curve of conventional PID fordisplacement(three periods单神经元自适应PID 非正弦振动位移控制仿 真结果见图6和图7,分别为第1个周期响应曲线和前3个周期响应曲线。从图7可以看出跟踪响应曲线的周期为0.5s ,与给定信号周期相同;从图6可以看出响应延迟为13ms (位移零点处,较传统PID 响应延迟减少了28ms

17、 ,结晶器下降时间由设定值的200ms 增长到201ms ,增长值较传统PID 减少了12ms 。从以上仿真结果可以看出神经元网络对非正弦振动波形的跟踪速度优于传统PID 控制,跟踪延迟时间大大减少;传统PID 控制时,跟踪波形较给定波形产生了畸变,增加了负滑脱时间,减少了正滑脱时间,无法达到非正弦振动的指标要求,而采用单神经元自适应控制波形畸变得到了有效改善。波形偏斜率=0.2、振幅h =4mm 、频率f =2Hz ,此时非正弦振动位移曲线方程式(1对应的频谱结构如图8所示,信号主要由2Hz 的频率成分和少量谐波频率组成。 图8非正弦振动信号频谱Fig.8Spectrum of non 2s

18、inusoid al oscillation signal波形偏斜率=0.2和振幅h =4mm 保持不变,频率从0Hz 一直上升到4.7Hz ,单神经元自适应PID 能很好地跟踪非正弦振动波形;在波形偏斜率=0.2和振幅h =6mm 的条件下,单神经元自适应PID 对非正弦振动波形的频率跟踪范围为04.2Hz 。结晶器振动系统的振幅在5mm 以下,频率小于4Hz 时,神经元控制算法可以很好地实现非正弦振动。4试验结果结晶器非正弦振动电控系统采用西门子公司S72300PL C 作为主控制器,单神经元自适应PID 控制和传统PID 控制程序都采用4ms 定时中断。非正弦振动曲线的参数为:振幅h =

19、4mm ,波形偏斜率=0.2,振动频率f =2Hz 。传统PID 控制方式下,位置响应相对给定波形延迟为45ms ,结晶器下降时间(即波峰与波谷之间的振动时间由设定值的(下转第66页93钢铁第45卷 图10间隙减小前后水平振动对比Fig.10Vibration comp arison after gap reduction能得到部分或彻底改善。 3振动实测测试结果表明,当采取减小工作辊轴承座2牌坊间隙等措施后振动强度明显减弱。参考文献:1邹家祥,徐乐江.冷连轧机系统振动控制M .北京:冶金工业出版社,1998.2Hu P H.Stability and Chatter in Rolling D

20、 .Evanston :Nort hwestern University ,1998.3Efrain Ubici.Identification and Countermeasures to ResolveHot Strip Mill Chatter J .AISE Steel Technology ,2001,6:48.4范小彬.CSP 轧机机座振动问题研究D .北京:北京科技大学,2007.5刘秉正,彭建华.非线性动力学M .北京:高等教育出版社,2004.6张晔.信号时频分析及应用M .哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2006.7Wen Y K.Met hod for Random Vibr

21、ation of Hysteretic SystemJ .ASCE ,Journal of Applied Mechanics ,1976,12:249.8金栋平,胡海岩.碰撞振动与控制M .北京:科学出版社,2005.(上接第39页200ms 增长到220ms ;单神经元自适应PID 控制方式下,位置响应相对给定波形延迟为20ms ,较传统PID 响应延迟减少了25ms ,结晶器下降时间(即波峰与波谷之间的振动时间由设定值的200ms 增长到205ms ,增长值较传统PID 减少了15ms 。5结论1单神经元自适应PID 控制提高了结晶器振动的响应速度,有效地保证了结晶器振动负滑脱时间这一控制指标。2单神经元自适应PID 控制减小了位置跟踪波形的畸变,使结晶器按给定非正弦振动特性曲线运动。参考文献:1Bhattacharya Arya K ,Debjani S ,Abhik Roychowdhury.Opti 2mization of Continuous Casting Mould Oscillation Parameters in Steel Manufac