連鑄結(jié)晶器非正弦振動系統(tǒng)神經(jīng)元控制研究_圖文

1、第45卷第9期2010年9月鋼鐵Iron and SteelVol.45,No.9September 2010連鑄結(jié)晶器非正弦振動系統(tǒng)神經(jīng)元控制研究李好文1,閆海寧1,劉和興2,王文章2(1.西安理工大學(xué)自動化與信息工程學(xué)院,陜西西安710048;2.上海重礦連鑄有限公司,上海201323摘要:連鑄機結(jié)晶器非正弦振動的目的是減少振動的負滑脫時間,為了提高非正弦振動的控制精度,采用了單神經(jīng)元自適應(yīng)PID 控制,與傳統(tǒng)PID 的控制效果進行了比較。仿真及試驗結(jié)果表明:單神經(jīng)元自適應(yīng)PID 控制提高了結(jié)晶器振動的響應(yīng)速度,有效地保證了結(jié)晶器振動負滑脫時間這一控制指標;減小了位置跟蹤波形的畸變,使結(jié)晶

2、器按給定非正弦振動特性曲線運動。關(guān)鍵詞:連鑄結(jié)晶器;非正弦振動;神經(jīng)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 結(jié)晶器振動是發(fā)展高效連鑄的關(guān)鍵技術(shù),在這

6、個環(huán)節(jié)小的波動都會對生產(chǎn)過程產(chǎn)生很大的影響,生產(chǎn)鏈中的產(chǎn)品質(zhì)量將由良變?yōu)椴?。而非正弦振動通過減少負滑脫時間,可以有效改善潤滑,減小摩擦,提高鑄坯質(zhì)量,成為振動技術(shù)發(fā)展的熱點。但是結(jié)晶器非正弦振動系統(tǒng)建模存在著不確定性,系統(tǒng)參數(shù)變化較大,傳統(tǒng)的PID 控制方法是基于模型的控制,在較大范圍內(nèi)很難適應(yīng)典型的時變系統(tǒng)2。而神經(jīng)元控制是一種基本上不依賴于模型的控制方法,比較適用于那些具有不確定性或高度非線性的控制對象,并具有較強的自適應(yīng)和學(xué)習(xí)功能3。因此,開發(fā)神經(jīng)元自適應(yīng)控制系統(tǒng),對結(jié)晶器非正弦振動控制具有重大的指導(dǎo)和現(xiàn)實意義。1非正弦振動技術(shù)1.1非正弦振動波形為了提高鋼坯質(zhì)量,必須減少結(jié)晶器振動負

7、滑脫時間,在正弦振動中要減少負滑脫時間必須減小振幅,或者提高振動頻率。但是,這樣做將會導(dǎo)致結(jié)晶器與鑄坯摩擦阻力增加,會造成坯殼粘結(jié)或者出現(xiàn)拉漏事故4。結(jié)晶器非正弦振動技術(shù)的引入,突破了正弦振動的弊端,增大了波形的調(diào)節(jié)能力。在周期不變的情況下,正滑脫時間增加,負滑脫時間減少。在正滑脫時間里結(jié)晶器振動速度與拉坯速度之差減小,從而降低了摩擦阻力,并減小了初生坯殼所承受的拉應(yīng)力,即減少了粘連性漏鋼事故。在負滑脫時間里結(jié)晶器振動速度與拉坯速度之差增大,因此作用于初生坯殼的壓應(yīng)力增大,更有利于鑄坯脫模。非正弦振動位移曲線方程如式(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:連鑄結(jié)晶器非正弦振動系統(tǒng)神經(jīng)元控制研究t 1=(1+/4f t 2=(3-/4f T =1/f式中:s 為結(jié)晶器振動位移,mm ;h 為結(jié)晶器振動振幅,mm ;f 為結(jié)晶器振動頻率,Hz ;為振動波形偏斜率;t 為結(jié)晶器振動時間,s 。圖1與圖2所示波形具備了非正弦振動波形的全部特征,圖2中速度曲線光滑連續(xù),無瞬時突變,不會產(chǎn)生無窮大加速度,設(shè)備不會承受無窮大慣性力而導(dǎo)致剛性沖擊。 1.2負滑脫時間計算正弦振動的負滑脫時間t N (單位:s 計算公式為式(2,非正弦振動的負滑脫

9、時間可由式(3計算得出。t N =1fco s-11000v c120f h (2t N =1-f co s-11000(1-v c 120f h (3式中:v c 為拉坯速度,m/min 。某些情況下正弦振動也可以看作非正弦振動的一種特殊情況(值取0時,可見非正弦振動的負滑脫時間可以由的取值進行調(diào)節(jié),避免了正弦振動一味地調(diào)節(jié)頻率和振幅導(dǎo)致的坯殼粘結(jié)和拉漏事故。而且可以根據(jù)不同鋼種的需要改變?nèi)≈?也可以根據(jù)拉速的變化在線調(diào)節(jié)值,從而提高鑄坯質(zhì)量。2非正弦振動的神經(jīng)元控制2.1單神經(jīng)元自適應(yīng)PID 控制器神經(jīng)元是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本元素,具有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)和學(xué)習(xí)能力5。將神經(jīng)元與常規(guī)PID 結(jié)合,通

10、過神經(jīng)元算法實時調(diào)節(jié)加權(quán)系數(shù),從而提高系統(tǒng)自適應(yīng)能力,使系統(tǒng)得到更有效的控制。單神經(jīng)元自適應(yīng)PID 控制器如圖3所示。圖3單神經(jīng)元自適應(yīng)PID 控制器Fig.3Single neuron ad aptive PID controllerx i (k 為神經(jīng)元的輸入,即神經(jīng)元學(xué)習(xí)控制所需的狀態(tài)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神經(jīng)元的輸出為: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 為神經(jīng)元系數(shù),y r (k 和y out (k 為k 時刻系統(tǒng)的給定和反饋,u (k 為k 時刻神經(jīng)元控制器的輸出信號。w 為神經(jīng)元加權(quán)系數(shù),類似于PID 控制器參數(shù)中的比例、積分和微分。系統(tǒng)通過學(xué)習(xí)算法修改網(wǎng)絡(luò)權(quán)值,實現(xiàn)PID 自適應(yīng)控制,這種自適應(yīng)能力是通過一定的學(xué)習(xí)規(guī)則進行的,如何獲得更完善的自學(xué)習(xí)能力的算法是關(guān)鍵。73鋼鐵第45卷2.2神經(jīng)元學(xué)習(xí)算法加權(quán)系數(shù)的調(diào)整可以采用不同的學(xué)習(xí)規(guī)則,從而構(gòu)成不同的控制算法。在最優(yōu)控制理論中,采用二次型性能指標來計算控制律可以得到所期望的優(yōu)化效果。在神經(jīng)元的學(xué)習(xí)算法里,借助最優(yōu)控制中的二次型性能指標的思想,在加權(quán)系數(shù)的調(diào)整中引入二次型性能

12、指標,使輸出誤差和控制增量加權(quán)平方和為最小來調(diào)整加權(quán)系數(shù),從而間接實現(xiàn)對輸出誤差和控制增量的約束控制6。設(shè)性能指標為:J=12Py r(k-y out(k2+Q2u(k= 12Pz2(k+Q2u(k (7z(k=e(k式中:u(k為k時刻神經(jīng)元控制器的輸出增量;P、Q分別為輸出誤差和控制增量的加權(quán)系數(shù),加權(quán)系數(shù)P決定了輸出誤差項在優(yōu)化性能指標中所占比重,對系統(tǒng)也有直接影響,可由仿真和實際控制結(jié)果來決定其大小。加權(quán)系數(shù)Q是用來限制控制增量u(k出現(xiàn)過量現(xiàn)象的,取值不宜過大,以免使過程時間拖長,令加權(quán)系數(shù)w的調(diào)整沿著J對w的負梯度方向進行搜索,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為學(xué)習(xí)速率;b0為零初始狀態(tài)時被控過程單位階躍響應(yīng)的第1個值。故w1(k、w2(k、w3(k表達式為: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電液伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型結(jié)晶器非正弦振動的實現(xiàn)方法主要有電液伺服控制、電動伺服控

14、制和機械凸輪控制3種形式,電液伺服控制具有驅(qū)動力大、設(shè)備沖擊小、振動頻率高、在線修改振動波形方便、控制精度高、設(shè)備使用壽命長等優(yōu)點。某小方坯連鑄結(jié)晶器電液伺服系統(tǒng)由電液伺服閥和伺服油缸組成。當輸入僅為伺服閥的位移X(單位:m,輸出為液壓油缸的位移Y(單位:m時,液壓動力機構(gòu)的傳遞函數(shù)為:Y(SX(SF=0=300S(S22802+2×0.11280S+1(10當輸入僅為負載干擾力F(單位:N,輸出為液壓油缸的位移Y(單位:m時,液壓動力機構(gòu)的傳遞函數(shù)為:Y(SF(SX=0=6.4×10-6(1+1.9×10-2SS(S22802+2×0.11280S+1

15、(113.2參數(shù)設(shè)置非正弦振動曲線取值:振幅h=4mm,波形偏斜率=0.2,振動頻率f=2Hz。電液伺服系統(tǒng)的平均干擾力為65kN,變化幅度為±10%。神經(jīng)元算法采用MA TL AB的S函數(shù)編寫,系統(tǒng)采樣時間為0.001s。3.3仿真結(jié)果及分析傳統(tǒng)PID非正弦振動位移控制仿真結(jié)果見圖4和圖5,分別為第1個周期響應(yīng)曲線和前3個周期響應(yīng)曲線。從圖5可以看出跟蹤響應(yīng)曲線的周期為0.5s,與給定信號周期相同;從圖4可以看出響應(yīng)延遲為41ms(位移零點處,結(jié)晶器下降時間(即波峰與波谷之間的振動時間由設(shè)定值的200ms增長到213ms。圖4傳統(tǒng)PID位移控制曲線(1個周期Fig.4Control

16、 curve of conventional PID fordisplacement(one period83第9期李好文等:連鑄結(jié)晶器非正弦振動系統(tǒng)神經(jīng)元控制研究 圖5傳統(tǒng)PID 位移控制曲線(3個周期Fig.5Control curve of conventional PID fordisplacement(three periods單神經(jīng)元自適應(yīng)PID 非正弦振動位移控制仿 真結(jié)果見圖6和圖7,分別為第1個周期響應(yīng)曲線和前3個周期響應(yīng)曲線。從圖7可以看出跟蹤響應(yīng)曲線的周期為0.5s ,與給定信號周期相同;從圖6可以看出響應(yīng)延遲為13ms (位移零點處,較傳統(tǒng)PID 響應(yīng)延遲減少了28ms

17、 ,結(jié)晶器下降時間由設(shè)定值的200ms 增長到201ms ,增長值較傳統(tǒng)PID 減少了12ms 。從以上仿真結(jié)果可以看出神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)對非正弦振動波形的跟蹤速度優(yōu)于傳統(tǒng)PID 控制,跟蹤延遲時間大大減少;傳統(tǒng)PID 控制時,跟蹤波形較給定波形產(chǎn)生了畸變,增加了負滑脫時間,減少了正滑脫時間,無法達到非正弦振動的指標要求,而采用單神經(jīng)元自適應(yīng)控制波形畸變得到了有效改善。波形偏斜率=0.2、振幅h =4mm 、頻率f =2Hz ,此時非正弦振動位移曲線方程式(1對應(yīng)的頻譜結(jié)構(gòu)如圖8所示,信號主要由2Hz 的頻率成分和少量諧波頻率組成。 圖8非正弦振動信號頻譜Fig.8Spectrum of non 2s

18、inusoid al oscillation signal波形偏斜率=0.2和振幅h =4mm 保持不變,頻率從0Hz 一直上升到4.7Hz ,單神經(jīng)元自適應(yīng)PID 能很好地跟蹤非正弦振動波形;在波形偏斜率=0.2和振幅h =6mm 的條件下,單神經(jīng)元自適應(yīng)PID 對非正弦振動波形的頻率跟蹤范圍為04.2Hz 。結(jié)晶器振動系統(tǒng)的振幅在5mm 以下,頻率小于4Hz 時,神經(jīng)元控制算法可以很好地實現(xiàn)非正弦振動。4試驗結(jié)果結(jié)晶器非正弦振動電控系統(tǒng)采用西門子公司S72300PL C 作為主控制器,單神經(jīng)元自適應(yīng)PID 控制和傳統(tǒng)PID 控制程序都采用4ms 定時中斷。非正弦振動曲線的參數(shù)為:振幅h =

19、4mm ,波形偏斜率=0.2,振動頻率f =2Hz 。傳統(tǒng)PID 控制方式下,位置響應(yīng)相對給定波形延遲為45ms ,結(jié)晶器下降時間(即波峰與波谷之間的振動時間由設(shè)定值的(下轉(zhuǎn)第66頁93鋼鐵第45卷 圖10間隙減小前后水平振動對比Fig.10Vibration comp arison after gap reduction能得到部分或徹底改善。 3振動實測測試結(jié)果表明,當采取減小工作輥軸承座2牌坊間隙等措施后振動強度明顯減弱。參考文獻:1鄒家祥,徐樂江.冷連軋機系統(tǒng)振動控制M .北京:冶金工業(yè)出版社,1998.2Hu P H.Stability and Chatter in Rolling D

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21、ation of Hysteretic SystemJ .ASCE ,Journal of Applied Mechanics ,1976,12:249.8金棟平,胡海巖.碰撞振動與控制M .北京:科學(xué)出版社,2005.(上接第39頁200ms 增長到220ms ;單神經(jīng)元自適應(yīng)PID 控制方式下,位置響應(yīng)相對給定波形延遲為20ms ,較傳統(tǒng)PID 響應(yīng)延遲減少了25ms ,結(jié)晶器下降時間(即波峰與波谷之間的振動時間由設(shè)定值的200ms 增長到205ms ,增長值較傳統(tǒng)PID 減少了15ms 。5結(jié)論1單神經(jīng)元自適應(yīng)PID 控制提高了結(jié)晶器振動的響應(yīng)速度,有效地保證了結(jié)晶器振動負滑脫時間這一控制指標。2單神經(jīng)元自適應(yīng)PID 控制減小了位置跟蹤波形的畸變,使結(jié)晶器按給定非正弦振動特性曲線運動。參考文獻:1Bhattacharya Arya K ,Debjani S ,Abhik Roychowdhury.Opti 2mization of Continuous Casting Mould Oscillation Parameters in Steel Manufac