连铸结晶器振动控制系统传感器故障检测与容错控制研究

发布时间：2020-07-14 22:40

【摘要】：随着故障诊断与容错控制的出现及应用,系统运行的安全性和可靠性得到提高。近几年来,故障诊断与容错控制理论及应用研究引起了国内外学者的关注,在航空航天、风力发电等诸多领域取得了进展性成果,然而在钢铁行业的连铸领域,其理论研究与实际应用未见报道。基于此,本文针对连铸结晶器振动控制系统运行过程中可能出现的传感器故障问题进行故障检测以及主动容错控制的理论与试验研究,主要进行以下几方面的工作:首先,针对伺服电机驱动的连铸结晶器振动控制系统,建立实际系统正常状态下的近似数学模型,并对建模中存在的问题进行分析处理,根据设备运行过程中已经出现过或可能出现的故障问题进行了归纳与总结,同时建立控制系统的故障状态空间模型,为后续章节的故障检测以及容错控制研究奠定了基础。其次,针对连铸结晶器振动控制系统传感器故障问题,进行基于滑模观测器的传感器故障检测方法研究,将输出状态与输出滤波得到的状态联立形成新的增广状态空间系统,进而可把体现在输出方程中的传感器故障转化成体现在状态方程中的虚构执行器故障,通过设计滑模观测器,可得到传感器发生故障时的估计值,通过仿真验证所设计的滑模观测器能够达到故障检测的目的。再次,针对连铸结晶器振动控制系统位移传感器故障问题,进行故障检测与主动容错控制的相关研究,通过引入参考模型,对系统输出残差进行基于范数的残差评价,并设计容错控制自调整机构,一旦检测到位移传感器故障,将切换给定位移曲线,并调整系统原闭环控制器和前馈控制器,以便保证系统在位移传感器故障情况下依然能够安全稳定运行,并通过仿真验证该方法的有效性。最后,针对伺服电机驱动的连铸结晶器振动控制系统位移传感器故障问题,在了解和掌握实验室实验平台的基础上,对实际工作环境下位移传感器故障情况的切换容错控制策略进行相关功能测试及试验研究,并利用上位机监控界面验证所设计容错控制功能的有效性。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP273;TF341.6
【图文】：

系统结构图,连铸结晶器,振动系统,实物

(2-8)所得式(2-8)为系统中伺服电机部分的状态方程。图2-2和图2-3分别表示伺服电机驱动的连铸结晶器实验室发生装置和振动控制系统结构图。减速器减速比用i 表示，减速器环节可等效为系数为1 i的比例环节；偏心轴部分已知 O 'O长度为e 9mm，与中轴角度表示为，系统运行时，O轴围绕O 轴做圆周运动，进而连接C 点上下运动，考虑到O O 长度相对于O C 长度可忽略不计，则C 点和O点垂直位移相同，D 点固定

伺服电机控制,西门子PLC,机械传动装置,结晶器

(1) 西门子 S7-400 PLC控制系统采用模块化的西门子，利用背板总线实现几大模块间的通信功能，各个模块在系统中分工明确，各司其职。其中，电源模块PS407为西门子提供稳定电源。CPU模块441-2DP作为系统控制单元，负责处理过程数据以及执行控制命令。通信模块CP443-1负责与上位机交换数据。控制系统核心部分是运算模块FM458-1DP，利用CFC语言编写控制系统的主要控制程序。EXM438-1是运算模块的扩展模块，主要工作是采集装置拉坯速度和位移传感器反馈信号以及引入数字开关量。图 5-2 左所示为西门子控制柜。(2) 伺服驱动器 S120伺服驱动器同样由模块化部分组成，其各个模块分别具有不同的功能：驱动器的控制部分为控制单元CU320-DP，主要负责联结各个模块并发送控制命令，有源接口模块ALM负责对工业用电进行滤波，保证结晶器平稳振动，有源电源模块AIM 为系统的整流部分，电机模块 DM 为系统的逆变部分。图 5-2 右图所示为伺服电机控制柜。

收发数据,数据长度,报文,报文类型

c) 接收程序设置图 5-3 通信报文的设置(2) FM458 模块通信设置在STEP7中设置需要传输的数据长度，来保证与CU320中收发数据对应起来，具体方法为：在软件的硬件配置选项下选择报文类型，定义成自由类型，选择完毕将其收发数据长度与长度保持统一。如图 5-4 所示。

【参考文献】