伺服电机驱动的连铸结晶器振动系统位移跟踪控制研究

发布时间：2017-08-12 12:31

  本文关键词：伺服电机驱动的连铸结晶器振动系统位移跟踪控制研究

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【摘要】：连铸结晶器是连铸生产中的关键设备,连铸结晶器按期望的非正弦(或正弦)波形振动对改善铸坯质量、提高拉坯速度具有重要的作用,连铸结晶器非正弦振动已被公认为发展高效连铸的关键技术之一。本文以伺服电机驱动的连铸结晶器振动系统为研究对象,针对系统中存在的非线性和不确定性扰动等问题,进行了连铸结晶器振动位移跟踪控制方面的理论及仿真研究,并在熟悉实验室前期研制的连铸结晶器振动控制系统装置的基础上,进一步完善了相关的控制程序,然后进行了现场应用试验研究。论文主要工作如下:首先,介绍了连铸结晶器振动控制系统的整体结构和工作原理,给出了伺服电机驱动的连铸结晶器振动位移系统的总体数学模型;并针对偏心轴转角到结晶器位移非线性函数关系逆解的非唯一性,提出了一种一一对应的映射函数关系,为后续章节的结晶器振动位移跟踪控制奠定了基础。其次,针对伺服电机驱动的连铸结晶器振动位移系统中存在减速比测量误差、偏心轴机械零位初始偏差和负载转矩扰动等问题,提出一种基于预设性能的反步控制方法,通过引入误差转换建立了系统的等效误差模型,并利用Backstepping方法选择合适的Lyapunov函数设计系统位置环预设性能控制器,从而保证系统的暂态性能和稳态性能。此外,构造非线性扩张状态观测器实时估计的偏心轴转速和综合扰动,以提高系统的抗干扰能力。仿真对比实验验证了控制器的有效性。然后,针对连铸结晶器振动位移系统的机理模型设计一种基于双幂次趋近律和扩张状态观测器(ESO)的反步滑模控制器,采用一种具有二阶滑模特性且有限时间收敛的双幂次趋近律以提高收敛速度和削弱抖振,并进行了仿真对比验证,结果表明,所设计的控制器能够有效实现结晶器位移的渐近跟踪控制,保证结晶器的跟踪精度和跟踪速度,并对系统扰动具有较强的鲁棒性。最后,在熟悉和完善原实验室研制的伺服电机驱动的连铸结晶器振动控制系统的基础上,将该控制系统装置应用于宣化钢铁公司工业现场进行应用试验,并在实际的工作环境下对电机参数自整定、德马克和李宪奎非正弦振动波形给定及切换、有无位移传感器模式切换等相关功能进行测试和应用研究,利用上位机人机监控软件和实际的拉钢效果对所设计的功能进行了验证。
【关键词】：伺服电机驱动 连铸结晶器 振动系统 预设性能 扩张状态观测器 双幂次趋近律
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG233.6;TP273
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 课题背景及研究意义10-11
• 1.2 连铸结晶器振动技术的发展现状11-13
• 1.2.1 结晶器振动工艺模型的发展概况11-12
• 1.2.2 结晶器振动装置的发展概况12-13
• 1.3 连铸结晶器位移跟踪控制的国内外研究现状分析13-14
• 1.3.1 连铸结晶器位移跟踪控制的研究现状13
• 1.3.2 非线性系统输出跟踪控制研究现状13-14
• 1.4 本文研究内容14-16
• 第2章 伺服电机驱动的连铸结晶器振动系统的数学模型及分析16-25
• 2.1 伺服电机驱动的连铸结晶器振动系统整体结构及工作原理16
• 2.2 伺服电机驱动的连铸结晶器振动系统的数学模型16-21
• 2.2.1 伺服电机的数学模型16-19
• 2.2.2 机械传动机构的机理模型19-20
• 2.2.3 伺服电机驱动的连铸结晶器振动系统模型20-21
• 2.3 连铸结晶器振动系统数学模型存在的问题及处理21-24
• 2.3.1 问题描述21-22
• 2.3.2 映射函数的建立22-24
• 2.4 本章小结24-25
• 第3章 伺服电机驱动的连铸结晶器振动位移系统预设性能约束控制25-37
• 3.1 简化模型26
• 3.2 基于预设性能反步控制器设计26-31
• 3.2.1 扩张状态观测器设计26-27
• 3.2.2 预设性能函数27-28
• 3.2.3 误差转化28-29
• 3.2.4 控制器设计29-31
• 3.3 仿真分析31-35
• 3.4 本章小结35-37
• 第4章 伺服电机驱动的连铸结晶器振动位移系统反步滑模控制37-48
• 4.1 基于扩张状态观测器的结晶器位移系统反步滑模控制器设计37-42
• 4.1.1 扩张状态观测器设计37-38
• 4.1.2 双幂次趋近律设计38-39
• 4.1.3 结晶器位移系统反步滑模控制器设计39-42
• 4.2 仿真研究42-47
• 4.3 本章小结47-48
• 第5章 连铸结晶器振动控制系统及现场应用试验48-62
• 5.1 系统整体网络结构及硬件介绍48-53
• 5.1.1 系统的硬件介绍及组态48-50
• 5.1.2 FM458与伺服驱动器S120的通信设计50-53
• 5.2 连铸结晶器振动控制系统程序设计53-57
• 5.2.1 S120的参数自整定53-54
• 5.2.2 结晶器有位移传感器时的启动、切换程序54-56
• 5.2.3 结晶器无位移传感器时的启动、切换程序56-57
• 5.3 连铸结晶器振动控制系统的现场应用试验57-61
• 5.3.1 有位移传感器模式的启动、波形切换试验57-60
• 5.3.2 无位移传感器模式时的波形切换试验60-61
• 5.4 本章小结61-62
• 结论62-63
• 参考文献63-67
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果67-68
• 致谢68

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本文编号：661633