一种倾倒炉自动倾转与联锁保护控制方法及系统与流程

本发明涉及一种倾倒炉自动倾转与联锁保护控制方法及系统，属于工业控制。

背景技术：

1、倾倒炉作为熔炼与浇铸的关键设备，其倾转控制平稳性与联锁保护可靠性直接决定生产安全，现有工业程序控制系统处理倾倒炉倾转动作时，通常采用预设固定倾转角速度曲线与硬线限位开关结合的方式，同时设定静态电机转矩门限或液压系统过载门限，用于倾转运动控制与安全联锁保护；这种传统的程序控制模式本质上属于开环或简单的静态阈值逻辑控制，无法对复杂工业过程中的时变非刚性负载实现动态解耦与闭环控制，尽管现有技术在倾倒炉炉体与传动等硬件结构的物理形态设计上已日趋成熟，但在决定运行平稳性与安全性的软件控制方法层面，仍缺乏对复杂工况的自适应调控能力，例如，授权公告号为cn104049566b的中国发明专利公开了一种转炉倾动安全的电气传动控制方法，通过倾动角度编码器与电机速度编码器的脉冲反馈进行运动学信号交叉比对，以实现编码器故障诊断与溜炉监控，然而，该方案将控制焦点局限于传感器维度的运动学校验，隐性依赖于受控负载为静态刚体的预设前提；在倾倒炉倾转过程中，内部熔融金属随倾角变化产生强烈的非刚性波动力矩，该方案仅凭运动学逻辑比对，未在动力学层面解耦力矩分量，无法有效区分液面晃动与机械卡阻，存在引发误联锁停机或保护延迟的技术缺陷。

2、在实际高温重载浇铸工况下，炉体内部熔融金属属于典型的非刚性变质量流体，随着倾转角度增大，熔融金属持续流出，残余熔汤质量非线性减少且质心产生偏移，液面在倾转扰动下产生持续波动力矩，同时，传动机构在长期高温重载下易产生传动间隙与转矩脉动，这种基于静态速度曲线与固定过载门限的控制模式，将受控对象简化为刚性开环系统，忽视熔汤流动特性与驱动负载间的动态耦合，导致控制系统无法准确识别驱动负载变化的物理源头，当熔融金属液面发生剧烈晃动时，驱动负载产生瞬态脉动，静态过载门限容易将流体晃动误判为机械卡阻，触发误联锁停机；当传动机构发生卡阻时，静态容差门限又会导致保护动作延迟，引发设备损坏，传统控制方式无法在时域与频域上将非刚性流体晃动扰动与刚性传动链阻力精准解耦，难以兼顾倾倒过程的平稳控制与敏捷联锁保护。

3、因此，如何通过可编程控制器构建包含自适应状态观测器与动态逻辑门限的工业程序控制系统闭环与实时程序控制逻辑，实现倾转运行轨迹的自适应数字调节以及安全联锁保护门限的动态收敛，成为本发明所要解决的技术问题。

技术实现思路

1、为解决背景技术中的问题，本发明的技术方案如下：一种倾倒炉自动倾转与联锁保护控制方法，包括以下步骤：

2、步骤s1，获取倾倒炉在倾转过程中的实时倾转角以及倾转驱动系统的实时驱动力矩；

3、步骤s2，根据实时倾转角、预设的炉体拓扑参数以及残余熔汤质量参数，计算当前时刻由炉体结构与内部熔汤构成的理论重力量矩；

4、步骤s3，计算实时驱动力矩与理论重力量矩的差值，获取驱动力矩偏差量；

5、步骤s4，将驱动力矩偏差量输入带自适应因子的状态观测器，计算获得液面波动力矩分量与传动突变力矩分量；

6、步骤s5，根据液面波动力矩分量计算倾转角速度调整量，将预设基础倾转角速度与倾转角速度调整量相加，生成倾转控制指令并发送至倾转驱动系统；

7、步骤s6，根据实时倾转角的时间变化率绝对值、液面波动力矩分量的绝对值以及实时倾转角的二阶时间导数绝对值，计算动态联锁保护门限；

8、步骤s7，当传动突变力矩分量的绝对值大于动态联锁保护门限且持续时间达到预设时间阈值时，输出联锁保护动作指令，切断倾转驱动系统的使能信号并激活制动机构。

9、优选的，步骤s2包括：步骤s21，根据炉体固有质量、炉体质心至倾转轴线的距离、实时倾转角以及炉体质心初始相位角，计算炉体重力量矩项；步骤s22，根据实时倾转角，利用预设出汤流道几何模型计算当前时刻的残余熔汤质量、残余熔汤质心至倾转轴线的距离以及残余熔汤质心相位角，计算残余熔汤重力量矩项；步骤s23，将炉体重力量矩项与残余熔汤重力量矩项相加，乘以传动折算系数，得出理论重力量矩，传动折算系数包含传动比与传动效率。

10、优选的，步骤s4中，状态观测器的状态更新过程包括：步骤s41，依据如下公式更新波动力矩变化率的时间导数：，其中，为波动力矩变化率的时间导数，为上一控制周期的液面波动力矩分量，为上一控制周期的波动力矩变化率，为驱动力矩偏差量，为固有主频，为阻尼比，为观测器增益因子；步骤s42，对波动力矩变化率的时间导数进行时间积分获取当前控制周期的波动力矩变化率，对当前控制周期的波动力矩变化率进行时间积分获取当前控制周期的液面波动力矩分量；步骤s43，利用驱动力矩偏差量减去当前控制周期的液面波动力矩分量，计算获得传动突变力矩分量。

11、优选的，步骤s4还包括对固有主频更新的步骤：步骤s44，获取当前时刻的残余熔汤深度衰减因子，将预设的基准固有主频乘以残余熔汤深度衰减因子，获得自适应校正后的固有主频。

12、优选的，步骤s3包括：步骤s31，计算实时驱动力矩与理论重力量矩的初始差值；步骤s32，读取倾转驱动系统的反向间隙力矩补偿量；步骤s33，利用初始差值减去反向间隙力矩补偿量，获取驱动力矩偏差量。

13、优选的，步骤s5包括：步骤s51，将当前控制周期的液面波动力矩分量乘以波动力矩比例抑制系数，获得比例抑制项；步骤s52，将当前控制周期的波动力矩变化率乘以波动力矩微分抑制系数，获得微分抑制项；步骤s53，将比例抑制项与微分抑制项相加并取反向值，获得倾转角速度调整量；步骤s54，将当前时刻的预设基础倾转角速度与倾转角速度调整量相加，生成修正后的自适应倾转角速度指令，并转换为驱动脉冲发送至倾转驱动系统。

14、优选的，步骤s6包括：步骤s61，将实时倾转角的时间变化率绝对值乘以倾角变化率增益系数，获得倾角变化率增益项；步骤s62，将液面波动力矩分量的绝对值乘以波动力矩包络影响系数，获得波动力矩包络影响项；步骤s63，将实时倾转角的二阶时间导数绝对值乘以倾角加速度展宽系数，获得倾角加速度展宽补偿项；步骤s64，将预设的基础过载阈值、倾角变化率增益项、波动力矩包络影响项以及倾角加速度展宽补偿项相加，得出动态联锁保护门限。

15、优选的，步骤s7包括：步骤s71，建立包含预设数量连续采样周期的时间判定窗口；步骤s72，在每一个采样周期内，判断传动突变力矩分量的绝对值是否大于动态联锁保护门限；步骤s73，当传动突变力矩分量的绝对值在时间判定窗口的所有连续采样周期内均大于动态联锁保护门限时，判定达到预设时间阈值，输出切断倾转驱动系统供电使能的信号，并激活机械制动器抱死倾转轴。

16、优选的，在步骤s1之前，包括：读取倾转角传感器的零点偏置量以及倾转驱动系统的静态力矩偏置量；利用零点偏置量对采样到的实时倾转角进行校准，利用静态力矩偏置量对采样到的实时驱动力矩进行校准，在步骤s7之后，包括：将触发锁止瞬间的实时倾转角、传动突变力矩分量以及动态联锁保护门限写入故障诊断存储区；保持倾转驱动系统的锁止状态，直至接收到外部硬件复位信号。

17、一种倾倒炉自动倾转与联锁保护控制系统，其用于实现倾倒炉自动倾转与联锁保护控制方法，包括：

18、数据获取模块，用于获取倾倒炉在倾转过程中的实时倾转角以及倾转驱动系统的实时驱动力矩；

19、理论重力量矩计算模块，用于根据实时倾转角、预设的炉体拓扑参数以及残余熔汤质量参数，计算当前时刻由炉体结构与内部熔汤构成的理论重力量矩；

20、驱动力矩偏差量获取模块，用于计算实时驱动力矩与理论重力量矩的差值，获取驱动力矩偏差量；状态观测模块，用于将驱动力矩偏差量输入带自适应因子的状态观测器，计算获得液面波动力矩分量与传动突变力矩分量；

21、倾转控制模块，用于根据液面波动力矩分量计算倾转角速度调整量，将预设基础倾转角速度与倾转角速度调整量相加，生成倾转控制指令并发送至倾转驱动系统；

22、动态门限计算模块，用于根据实时倾转角的时间变化率绝对值、液面波动力矩分量的绝对值以及实时倾转角的二阶时间导数绝对值，计算动态联锁保护门限；联锁保护模块，用于当传动突变力矩分量的绝对值大于动态联锁保护门限且持续时间达到预设时间阈值时，输出联锁保护动作指令，切断倾转驱动系统的使能信号并激活制动机构。

23、相比于现有技术，本发明的有益效果是：

24、1、在一种倾倒炉自动倾转与联锁保护控制中，通过建立包含炉体结构拓扑与残余熔汤质量演变特性的理论重力量矩计算机制，根据实时倾角动态解算炉体结构与内部熔融金属构成的当前理论重力量矩，将倾转驱动机构反馈的实际驱动力矩与理论重力量矩作差值运算以提取驱动力矩偏差量，从源头上消除倾倒过程中熔融金属质量非线性减少与质心偏移对驱动负载判定的干预，使驱动力矩偏差量能够直接准确地反映系统内部的流体波动力矩与机械传动异常力矩，为后续信号解耦与自适应闭环控制提供客观可靠的数据基准。

25、2、利用带自适应因子的状态观测器，在时域与频域维度上将驱动力矩偏差量解耦为液面波动力矩分量与传动突变力矩分量，清晰辨识熔融金属晃动引发的动态扰动与机械传动链卡阻产生的突变阻力，消除液面波激振导致的安全联锁误跳闸停机现象；通过在状态观测程序内部引入基于残余熔汤深度的固有主频自适应校正机制，保证观测状态在倾转全行程中维持对液体晃动主频的时域跟踪，有效提升工业控制系统在高温重载工况下对非刚性介质动态特性的辨识精度与数字控制响应敏捷度。

26、3、将解耦得到的液面波动力矩分量及其变化率实时反馈用于倾转角速度的微调，通过比例与微分加权运算生成倾转角速度调整量，并据此叠加修正预设基础倾转速度曲线，构建出针对流体波动的自平抑控制闭环，使驱动机构能够主动微调输出角速度以实时平抑液面波动的反向反弹，有效降低熔融金属出汤过程中的流速剧烈波动与飞溅隐患；该机制实现控制指令与液体晃动的反相抑制协同，保障高温重载工况下整个浇铸出汤过程的连续性与系统运行安全稳定。