一种铁水倾翻控制方法、控制系统及铁水倾翻装置与流程

1.本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种铁水倾翻控制方法、控制系统及铁水倾翻装置。


背景技术：

2.钢铁冶炼流程中，高炉铁水需要经铁水运输设备运输至转炉车间再兑入转炉进行炼钢，当炼铁、炼钢生产出现不平衡的情况下，需要用铸铁机将转炉炼钢消化不了的铁水铸成铁块储存起来，因而铁水罐倾翻机构是铁水浇铸时必不可少的设备，其性能直接关系着铸铁的效率，安全性及生产效益。
3.通常情况下，实现满载铁水的铁水包的倾翻操作采取两种主要倾翻机构和方式。一种是利用天车的副钩牵引固定于钢包底部的倾翻机构，通过天车主副钩的配合，缓缓倾倒铁水。该方式危险系数高，吊运时一旦绳索固定不牢靠，容易造成铁水倾翻事故，且该方式对于空间要求高，占地大，操作繁琐效率低。
4.当前炼铁（钢）厂通常选用固定式液压倾翻设备实现对载荷钢包的倾翻操作。该方式抗冲击能力较强，结构简单，安全系数高。但目前使用液压倾翻装置实现铁水的倾翻基本采用人工操作模式，过于依赖于操作者的经验，且倾翻过程中铁水难以保证等流速均匀流出，影响铸铁机的铁水收得率，造成铁水的浪费。同时，通用型锥筒形钢包的铁水流出情况受倾翻角度影响大，在某一角度附近铁水流量会急速变化，容易造成铁水飞溅，影响操作安全和环境。且对于不同工艺，不同钢包容积的倾翻过程，手动操作的调节能力差。
5.可见，针对通用型锥筒形钢包，在铸铁过程中对于铁水难以实施均速浇铸控制，另外，由于不同工艺对时间的要求也不同，导致自主设定倾翻时间并实现精确控制铁水倾翻过程难以实现。


技术实现要素：

6.鉴于现有技术中存在的上述问题，本公开提供了一种能够实现匀速浇铸、基于设定时间实现精确控制的铁水倾翻控制方法。
7.为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案是：一方面，提供一种铁水倾翻控制方法，其包括：将钢包内的铁水容量分割为个相等的流出体积，作为等流速坐标系的横坐标，；获取钢包倾倒铁水的倾翻角度的范围，并基于预设角度作为一采样间隔，建立所述倾翻角度与铁水余液体积作为元素的数组；基于所述数组及等流速角曲线上的倾翻角度值与流出体积之间的函数关系，通过逼近替代算法，求取与所述流出体积对应的倾翻角度值；所述倾翻角度值作为等流速坐标系的纵坐标；获取所述等流速坐标系上的作为采样点的一组坐标点，采用相邻点斜率阈值判断法，根据相邻坐标点的斜率近似程度将所述坐标点分成多个拟合组；并基于所述拟合组，获取当前线段与下一段近似线段的分
界点，相邻的所述分界点构成待拟合的线段；根据最小二乘法，对相邻的所述分界点之间的采样点进行拟合，以获得分段拟合线段；建立所述分段拟合线段的运行时间与期望倾翻运行时间的关系函数，获得基准倾翻速度值；基于所述基准倾翻速度值，获取期望角速度。
8.根据本公开的一些实施例，所述流出体积为：，为铁水的重量，为铁水的密度；所述预设角度设置为0.25
°
，则，所述倾翻角度与铁水余液体积之间对应的数组为：，其中，。
9.根据本公开的一些实施例，所述基于所述数组及等流速角曲线上的倾翻角度值与流出体积之间的函数关系，通过逼近替代算法，求取与所述流出体积对应的倾翻角度值；所述倾翻角度值作为等流速坐标系的纵坐标，包括：第一步骤：初始化，令倾翻角度与铁水余液体积数组的索引值以及系列等流速角曲线上的等流角的索引值设置为0；第二步骤：系统逻辑判断当前等流角索引值是否满足（1）式，若满足条件顺序运行，否则系统判断当前的计算结束；（1）；第三步骤：逻辑判断倾翻角度与铁水余液体积数组的索引值是否小于380，满足条件则顺序运行；第四步骤：逻辑判断根据当前索引值对应的铁水余液体积与当前等流角索引值对应的系列等流曲线上以为基础单位的铁水余液体积是否满足下式（2）：（2）满足式（2），则顺序执行第五步骤，否则执行第六步骤；第五步骤：将索引值加1，然后跳转到第三步骤继续运行；第六步骤：将搜寻到的当前索引值赋值给倾翻角度与铁水余液体积数组的索引值，下一个循环程序开始搜寻结果时从该索引值开始；第七步骤：将搜寻到的倾翻角度与铁水余液体积数组的索引值带入下式（3）：（3）判断条件是否满足，满足则顺序运行第八步骤，否则跳转至第九步骤；第八步骤：选取当前索引值对应的倾翻角逼近替代当前系列等流速角曲线上的等流角；第九步骤：选取当前索引值-1对应的倾翻角逼近替代当前系列等流速角
曲线上的等流角；第十步骤：将等流角索引值的值加1后赋值给，然后跳转到第二步骤继续运行。
10.根据本公开的一些实施例，所述斜率近似程度通过一满足置信区间的阈值表征；根据斜率近似程度将所有所述坐标点分成多个拟合组内的采样点应该满足下式（4）：（4），其中，，表示拟合线段处第k段的起始点；表示相邻点斜率的精度控制程度；的取值范围为[1,5]。
[0011]
根据本公开的一些实施例，将全部所述采样点的坐标数据带入式（4），当从第点开始，并连续计算超过3组坐标点，当计算结果都不满足公式（4）时，选取作为当前直线段与下段近似直线段的分界点，以将所述等流速角曲线划分为个拟合线性段；为新的第k段的拟合线性段的起始点。
[0012]
根据本公开的一些实施例，所述根据最小二乘法，对相邻的所述分界点之间的采样点进行拟合，以获得分段拟合线段，具体包括；若所述采样点的给定数据，在取定的函数类中,求，使误差的平方和最小，满足下式（5）（5）；若所述采样点的给定数据点，为所有次数不超过的多项式构成的函数，则最小二乘法拟合表示为求，使下式（6）成立：（6），为的多元函数，由多元函数求极值的必要条件得：,。
[0013]
根据本公开的一些实施例，所述建立所述分段拟合线段的运行时间与期望倾翻运行时间的关系函数，并获得基准倾翻速度值，具体包括：
，为期望倾翻运行时间；，为基准倾翻速度值。
[0014]
根据本公开的一些实施例，当无需矫正时，期望角速度为：；当需要矫正时，期望角速度为：，上式中表示为当前倾翻过程处于第个拟合线性段，；表示为拟合线段第段后端点基于基本分段单位的计数值；表示用于设定倾翻角速度矫正的矫正周期；，表示基于plc（可编程逻辑控制器）离散控制的自动倾翻控制采样调节周期；表示当前plc系统已经监测到系统经过的矫正周期的次数。
[0015]
一方面，提供一种控制系统，其采用所述铁水倾翻控制方法，所述控制系统包括：倾翻角速度自主规划单元，用于根据输入不同类型铁水罐的额定负载量、铁水容量、钢包倾倒铁水的倾翻角度的范围、倾翻过程期望时间、拟合精度信息，通过逼近替代算法，求取与所述流出体积对应的倾翻角度值；并将流出体积与倾翻角度值构造一等流速坐标系；通过获取所述等流速坐标系上一组坐标点，采用相邻点斜率阈值判断法，根据相邻坐标点的斜率近似程度将所述坐标点分成多个拟合组；基于所述拟合组，获取当前线段与下一段近似线段的分界点，相邻的所述分界点构成待拟合的线段；根据最小二乘法，对相邻的所述分界点之间的采样点进行拟合，以获得分段拟合线段；建立所述分段拟合线段的运行时间与期望倾翻运行时间的关系函数，将满足匀速倾翻铁水的期望倾翻速度曲线拟合为多段匀速倾翻的线性化曲线，获得基准倾翻速度值；基于所述基准倾翻速度值，获取期望角速度；角速度矫正单元，用于根据期望倾翻速度曲线上各拟合的多段匀速倾翻的线性化曲线上的线性化分段的斜率、截距值、调节周期设定值、及检测到的倾翻角度值，对自动倾
翻过程的期望倾翻角速度值进行校准；位移检测单元，用于检测驱动油缸的位移值，将所述位移值通过位移模拟信号转化为数字信号；位移校准单元，用于根据检测的所述位移值得到校准位移值，并将所述校准位移值作为位移补偿控制的参考值；倾翻角度计算单元，用于根据所述位移值，获取所述钢包当前的倾翻角度值；倾翻角速度计算单元，用于根据倾翻角度值，计算所述钢包当前的倾翻角速度值；倾翻角速度模糊pid控制器，包括角速度模糊控制器、pid控制器和参数整定单元；其中，参数整定单元以所述角速度模糊控制器的输出、、作为所述pid控制器的比例、积分、微分环节的调节参数，并根据所述倾翻角速度值和期望倾翻角速度值的偏差，以控制钢包自动倾翻的等流速；位移校正控制器，其包括位移模糊pid控制器，用于根据所述校准位移值，控制校准补偿；比例阀控制器，用于根据比例阀控制信号控制比例阀动作，以对钢包两侧驱动油缸的伸出速度进行调整。
[0016]
另一方面，还提供一种铁水倾翻装置，其包括所述控制系统，所述铁水倾翻装置还包括：倾翻机构本体，由固定底座、旋转倾翻铁水罐的支撑臂等组成，其旋转倾翻支撑臂带动锁紧的铁水罐绕转轴倾翻；倾翻驱动机构，由大载荷驱动油缸组成，驱动油缸的尾部安装油缸位移检测传感器，能够将油缸实时的伸长量转化为电信号输出；限位连锁机构，包括倾翻起始、倾翻到位的限位开关，倾翻安全锁紧油缸的夹紧、松开到位的检测开关，倾翻极限保护检测开关等感应元件，该机构传递的连锁信号作为判断倾翻状态的主要依据；液压控制系统；远程操作系统。
[0017]
与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：一方面，本发明的铁水倾翻控制方法，在等流速角曲线的构思及曲线的线性拟合方法的基础上，将传统锥筒形钢包的铁水倾翻过程由时变、非线性浇注曲线特性优化为多段线性等速曲线特性。基于线性拟合方法，并结合本发明中的控制系统能够实现针对此类钢包的自动等流速铁水倾翻控制，有利于提高铸铁机铁水收得率，降低铸铁过程中的铁水浪费。
[0018]
一方面，本发明的控制系统，通过所述倾翻角速度自主规划单元和所述角速度矫正单元，操作者仅需输入不同类型钢包的额定负载量、铁水容量、拟合精度、钢包的包壁角、设定倾翻时间及拟合精度信息，就能够自主规划自动倾翻过程；倾翻时间可根据铸铁工艺进行设定，且期望倾翻时间控制精度高。
[0019]
此外，本发明的控制系统，通过采用倾翻角速度模糊pid控制器，能够带来响应速度快、调节精度高、鲁棒性好的有益效果；特别地，对于不同倾翻角度下倾翻速度对铁水流速变化造成扰动的适应能力显著提高；由于倾翻角速度模糊pid控制器的控制参数可以由
角速度模糊控制器动态整定给出，因此，更适应控制对象的非线性时变特性。
附图说明
[0020]
图1为本发明实施例的铁水倾翻控制方法的流程图；图2以（a）、（b）、（c）部分示出本发明实施例的铁水倾翻控制方法中钢包倾翻时铁水面与倾翻角度的关系示意图；图3为本发明实施例的铁水倾翻控制方法的等流角逼近替代算法程序流程图；图4为本发明实施例的铁水倾翻控制方法的等流速角曲线的分段线性拟合示意图；图5为本发明实施例的铁水倾翻控制方法的倾翻铁水现底时铁水余液体积与倾翻角度关系图；图6为本发明实施例的铁水倾翻控制方法的倾翻铁水现底时铁水余液体积与倾翻角度关系图；图7为本发明实施例的控制系统的原理示意图；图8为本发明实施例的控制系统中倾翻角速度模糊pid控制器的示意图；图9为本发明实施例的控制系统中位移校准模糊pid控制器系统结构；图10为本发明实施例的控制系统中液压倾翻角度计算的原理示意图；图11为本发明实施例的铁水倾翻装置的组成示意图。
具体实施方式
[0021]
下面，结合附图对本发明的具体实施例进行详细的描述，但不作为本发明的限定。为使本领域技术人员更好的理解本公开的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本公开作详细说明。下面结合附图和具体实施例对本公开的实施例作进一步详细描述，但不作为对本公开的限定。
[0022]
本公开使用的所有术语（包括技术术语或者科学术语）与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
[0023]
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
[0024]
目前，在铁水浇铸过程中，对于在设定的倾翻时间内实现铁水匀速倾倒的效果还无法满足用户对于倾倒精度的需求。为此，本发明提供如下技术方案：一方面，提供一种铁水倾翻控制方法，参见图1，其包括：将钢包内的铁水容量分割为个相等的流出体积，作为等流速坐标系的横坐标，；获取钢包倾倒铁水的倾翻角度的范围，并基于预设角度作为一采样间隔，建立所述倾翻角度与铁水余液体积作为元素的数组；基于所述数组及等流速角曲线上的倾翻角度值与流出体积之间的函数关系，通过逼近替代算法，求取与所述流出体积对应的倾翻角度值；所述倾翻角度值作为等流速坐标系的纵坐标；获取所述等流速坐标系
上的作为采样点的一组坐标点，采用相邻点斜率阈值判断法，根据相邻坐标点的斜率近似程度将所述坐标点分成多个拟合组；基于所述拟合组，获取当前线段与下一段近似线段的分界点，相邻的所述分界点构成待拟合的线段；根据最小二乘法，对相邻的所述分界点之间的采样点进行拟合，以获得分段拟合线段；建立所述分段拟合线段的运行时间与期望倾翻运行时间的关系函数，获得基准倾翻速度值；基于所述基准倾翻速度值，获取期望角速度。
[0025]
为了充分理解本发明的设计构思及设计方案，及现有技术中存在的问题，下面对于钢包倾翻过程中所涉及的问题及相关细节做一简要介绍：本发明涉及一类钢厂通用的锥筒形钢包形状如图2中（a）、（b）（c）部分所示，其中α表示该种类型钢包的包壁斜角。通常情况下，为了起吊安全以及其他工艺因素的要求，钢包内装载的铁水量不会超过钢包容积的85%。因此，可将满载铁水的倾翻过程根据铁水液面是否溢出，铁水液面对于倾翻钢包是否见底，以及见底后的状态分为三种情况加以考虑。倾翻过程中，铁水流量与倾翻角度的关系以及铁水流速与倾翻角速度的关系包括：第一种情况如图2中（a）部分所示为铁水还未流出时，即，其中，为铁水的出水临界角，倾翻角度变化对铁水流量变化没有影响。因此，控制该倾翻过程的倾翻速度通常以后续铁水溢出后的速度为准，这样可满足铁水倾翻平稳性的控制要求。
[0026]
出水临界角可由下式计算得到：；其中，，为两角系数；两角系数的表达式为：；其中，为钢包中铁水实际装载体积，单位。在钢包内铁水还未溢出的情况下，该值由钢包的额定负荷（单位）与铁水密度γ的比值确定。
[0027]
第二种情况为铁水流出时，但未现底，如图2中（b）部分所示，此时钢包内铁水液面已经从包口流出，而液面还未接触到钢包的底部时，在该倾翻过程中，钢包的倾翻角度φ满足：。其中，为现底临界角，其值由下式得出：；其中，为钢包的高度，为钢包上口的大圆半径，为钢包的底面半径。
[0028]
当钢包倾翻到在第二种情况时，钢包内铁水的余液体积可由下式得到：；其中，为角形比数，其表达式为：。
[0029]
第三种情况为铁水流出时，已现底。在第三种情况下，如图2中（c）部分所示，此时钢包内铁水液面已接触到钢包底部，这部分钢包倾翻角度满足。其中，为现底临界角，为铁水倾翻装置最大倾翻角度；当倾翻装置驱动钢水包倾翻到范围内，结合图5和图6，钢包内铁水余液体积可由下式计算得出：
，其中，；。
[0030]
通过以上步骤对通用的锥筒型钢包的铁水倾翻过程的分析可知，满负荷钢包的倾翻角度与钢包内的铁水余液体积之间属于是超越函数的关系，基于以上公式通过计算机模拟钢包在等角速度倾翻的情况下得到的铁水流量与倾翻角度的关系是包含急缓坡度变化的曲线。针对通用的锥筒型钢包（一般钢包壁斜角一般小于3
°
）的曲线上很容易观察到，等角速度倾翻过程中，钢包的铁水流速（出铁量）极大值与极小值部分相差大于7倍，这样的曲线特性难以实现精确的等流速浇注控制。因此，如果对满载铁水重量为的钢包，根据铸铁机运行速率及每个铸铁单元的容积设置整个铁水倾翻时间为，那么简单的以倾翻速度作为控制量进行调控，必然导致铸铁机内部分铁水接收单元内的容量不足，而部分接收单元内铁水外溢，造成铁水浪费。同时，铁水外溅增加了现场操作的安全风险。
[0031]
在目前铁水倾翻操作中，通常需要人工在现场操作室内实时监控倾翻过程，并通过随时调整倾翻速度的办法来实现铁水流的等流速倾翻操作，该操作方案不仅受到操作人员自身操作水平的影响，同时，人员操作倾翻难以保证固定倾翻时间的要求，进而影响铸铁效率。
[0032]
为此，本发明中基于“等流角”的概念和曲线分段线性拟合的思想设计了一种铁水倾翻控制方法，通过将等流速浇注曲线根据斜率特征划分为多段直线段，从而在满足铁水倾翻控制精度范围内实现铁水的匀速倾倒以及根据倾翻时间完成整个倾翻过程。另外，在本发明中，通过将曲线特征拟合为线性化多段斜线的方式便于自动控制的设定，且能够较好地反映整个倾翻铁水的调节过程。
[0033]
结合图1，本发明实施例的一种铁水倾翻控制方法将通过如下步骤完成：步骤s1，将钢包内的铁水容量分割为个相等的流出体积，作为等流速坐标系的横坐标，。
[0034]
在钢包倾翻过程中，由于等角速度控制造成钢包中铁水重量变化存在度差（即倾翻前一度与后一度对应的包内铁水余液重量差）且变化较大。因此，考虑采用倾角补偿型的曲线拟合法，让度差大的角度少转点，而度差小的角度多转点。为了确保钢包倾翻过程中铁水匀速倾倒，考虑应用“等流角”。首先，规划出倾翻铁水的等流速角曲线。
[0035]
在步骤s1中，将整个钢包内的铁水容量根据划分精度要求分割为个相等的流出体积，即，单位铁水流出体积。以作为等流速角曲线横坐标的基础单位，以作为等流速坐标系的横坐标，通过上面提供的铁水余液体积公式可以计算得到一组铁水包的倾翻角度值。
[0036]
由于铁水余液体积与钢包的倾翻角度之间的函数关系是指数为分数的超越函数，计算复杂容易造成plc反应迟缓，若同时计算多点对应的倾翻角度值将造成plc巨大的计算负担，不具有实际应用价值。为此，本发明实施例的铁水倾翻控制方法将采用如下方法，在满足应用精度的情况下，求取等流速角曲线坐标系内对应于的等流速角曲线上的倾翻角度值。
[0037]
步骤s2，获取钢包倾倒铁水的倾翻角度的范围，并基于预设角度作为一采样间隔，建立所述倾翻角度与铁水余液体积作为元素的数组；具体地，由于钢包倾翻铁水过程中角度范围通常在[0, 95]度之间，所述预设角度设置为0.25
°
，则，所述倾翻角度与铁水余液体积之间对应的数组为：，其中，，在此，将倾角通过上面叙述的三种倾翻情况所涉及的公式计算获得对应的铁水余液体积。
[0038]
若此时将整个铁水包中承载的铁水体积划分成段，则此时系列等流速角曲线的横坐标基础单位即平均流量为，设此时的等流角满足如下函数关系：。
[0039]
步骤s3，基于所述数组及等流速角曲线上的倾翻角度值与流出体积之间的函数关系，通过逼近替代算法，求取与所述流出体积对应的倾翻角度值；所述倾翻角度值作为等流速坐标系的纵坐标。
[0040]
为避免解超越函数，本发明通过应用逼近替代算法求取等流速角曲线函数值的方法，参见图3，具体计算流程如下：第一步骤s301：初始化，令倾翻角度与铁水余液体积数组的索引值以及系列等流速角曲线上的等流角的索引值设置为0；第二步骤s302：系统逻辑判断当前等流角索引值是否满足（1）式，若满足条件顺序运行，否则系统判断当前的计算结束；（1）；第三步骤s303：逻辑判断倾翻角度与铁水余液体积数组的索引值是否小于等于380，满足条件则顺序运行；第四步骤s304：逻辑判断根据当前索引值对应的铁水余液体积与当前等流角索引值对应的系列等流速角曲线上以为基础单位的铁水余液体积是否满足下式（2）：（2）；满足式（2），则顺序执行第五步骤s305，否则执行第六步骤s306；第五步骤s305：将索引值加1，然后跳转到第三步骤s303继续运行；第六步骤s306：将搜寻到的当前索引值赋值给倾翻角度与铁水余液体积数组的
索引值，下一个循环程序开始搜寻结果时从该索引值开始；第七步骤s307：将搜寻到的倾翻角度与铁水余液体积数组的索引值带入下式（3）：（3）；判断条件是否满足，满足则顺序运行第八步骤s308，否则跳转至第九步骤s309；第八步骤s308：选取当前索引值对应的倾翻角逼近替代当前系列等流速角曲线上的等流角；第九步骤s309：选取当前索引值-1对应的倾翻角逼近替代当前系列等流速角曲线上的等流角；步骤s310，第十步骤：将等流角索引值的值加1后赋值给，然后跳转到第二步骤s302继续运行。
[0041]
由此，获得所述倾翻角度值，并作为等流速坐标系的纵坐标。其中，分割数越大，通过计算公式得到的采样点（该采样点为在等流速坐标系中的坐标点）越多，在进行系列等流速角曲线的分段线性拟合时，得到的结果越精确。相应地，分割数越大，计算量也越大，因此，可根据实际应用场景进行相应的调整，尤其需要与设定的精度相关联。
[0042]
步骤s4，参见图4，所述获取所述等流速坐标系上的作为采样点的一组坐标点，采用相邻点斜率阈值判断法，根据相邻坐标点的斜率近似程度将所述坐标点分成多个拟合组；并基于所述拟合组，获取当前线段与下一段近似线段的分界点，相邻的所述分界点构成待拟合的线段，具体包括：在等流速坐标上获得一组等流速角曲线的坐标点后，采用相邻坐标点的斜率阈值判断法将全部采样点，并根据相邻点的斜率近似程度分成不同的拟合组。其中，所述斜率近似程度通过用一满足置信区间的阈值表征；并根据斜率近似程度将所有所述坐标点分成多个拟合组内的采样点应该满足下式（4）：（4），其中，；表示相邻点斜率的精度控制程度；的取值范围为[1,5]。
[0043]
的取值范围越小，意味着斜率近似程度越精确，相应地，需要划分的直线段越多，导致需要的计算量越大；反之，的取值范围越大，计算量较小，单个线性化分段拟合近似度的精确性也随之降低。
[0044]
对于初始段来说，即时，显然由第一拟合点及第二拟合点自然确定第一拟合直线段斜率；当第三拟合点与第二拟合点所确定的斜率满足公式（4），
则表明以等流角索引值为基准的共3a个采样点被选入当前线性拟合段；将全部所述采样点的坐标数据带入式（4），当从第点开始，并连续计算超过3组坐标点，计算结果均不满足公式（4）时，可以排除单个拟合点为奇点的干扰因素，以避免拟合线段之间出现大折角尖峰。
[0045]
则将作为当前直线段与下段近似直线段的分界点，以将所述等流速角曲线划分为个拟合线性段。
[0046]
步骤s5，所述根据最小二乘法，对相邻的所述分界点之间的采样点进行拟合，以获得分段拟合线段，具体包括；对分段区域上采集到的函数点进行拟合操作，若所述采样点的给定数据，在取定的函数类中,求，使误差的平方和最小，满足下式（5）（5）；若所述采样点的给定数据点，为所有次数不超过的多项式构成的函数，则最小二乘法拟合表示为求，使下式（6）成立：（6），其中，为的多元函数，由多元函数求极值的必要条件得：,。
[0047]
由最小二乘拟合原理得到关于的线性方程组，其解的矩阵形式如下：在本发明实施例中，分段曲线函数是通过分段拟合线段的斜线近似拟合的。因此，一方面采用线性拟合的方式便于自动控制；另一方面根据上述的系列等流角平面（等流速角曲线）上的斜率表征钢包在匀速倾翻铁水情况下的倾翻角速度的大小。
[0048]
假定当前拟合分段为第段，该线性拟合分段内包含个采样点，则该段拟合直线的方程（7）如下：（7）；通过最小二乘拟合原理得到关于的线性方程组可知，对于多项式构成的函数中令=1，即为直线拟合。因此，上式中直线斜率，及直线截距由下式（8）求得：（8）；若该拟合段的起始点前有个采样点，则上式中，上式中的，根据前述的通过应用逼近替代算法求取等流速角曲线函数值的方法，可求得对应倾角值。将带入上面的矩阵方程（8），即可得到该线段拟合直线的斜率和截距值。
[0049]
根据钢包的铁水匀速倾翻过程特性曲线（等流速角曲线）的拟合原理，当前的等流速角曲线能够被拟合划分为各段端点重合的个直线段，且倾翻过程的每一段的运行时间标示为，为了保证钢包倾翻过程平稳连续，设定在倾翻角度φ≤范围内令铁水包的倾翻速度与拟合直线段的第一段的速度相同，并根据拟合原理处理后各个分段的运行时间与期望倾翻运行时间存在如下关系，即，步骤s6，所述建立所述分段拟合线段的运行时间与期望倾翻运行时间的关系函数，获得基准倾翻速度值，具体为：倾翻速度值，具体为：为期望倾翻运行时间；，为基准倾翻速度值；，表示拟合线段第段前后端点基于基本分段单位的计数值，
表示基于拟合直线的方程（7）按系列等流速角曲线上倾翻角度对应的函数关系。
[0050]
基于步骤s6，可以得到在满足设定的期望倾翻运行时间为的情况下，并自主规划后的各个拟合线段上的倾翻装置基准倾翻速度值，该值由下式求得：；当无需矫正时，期望角速度为：；当需要矫正时，期望角速度为：，上式中表示为当前倾翻过程处于第个拟合线性段，；表示为拟合线段第段后端点基于基本分段单位的计数值；表示用于设定倾翻角速度矫正的矫正周期；，表示基于控制系统离散控制的自动倾翻控制采样调节周期；表示当前plc系统已经监测到系统经过的矫正周期的次数。
[0051]
在本发明的第二实施例中，还提供一种控制系统，结合图7至图9，其采用所述铁水倾翻控制方法，所述控制系统包括：倾翻角速度自主规划单元，用于根据输入不同类型铁水罐的额定负载量、铁水容量、钢包倾倒铁水的倾翻角度的范围、倾翻过程期望时间、拟合精度信息，通过逼近替代算法，求取与所述流出体积对应的倾翻角度值；并将流出体积与倾翻角度值构造一等流速坐标系；通过获取所述等流速坐标系上一组坐标点，采用相邻点斜率阈值判断法，根据相邻坐标点的斜率近似程度将所述坐标点分成多个拟合组；基于所述拟合组，获取当前线段与下一段近似线段的分界点，相邻的所述分界点构成待拟合的线段；根据最小二乘法，对相邻的所述分界点之间的采样点进行拟合，以获得分段拟合线段；建立所述分段拟合线段的运行时间与期望倾翻运行时间的关系函数，将满足匀速倾翻铁水的期望倾翻速度曲线拟合为多段匀速倾翻的线性化曲线，获得基准倾翻速度值；基于所述基准倾翻速度值，获取期望角速度；角速度矫正单元，用于根据期望倾翻速度曲线上各拟合的多段匀速倾翻的线性化曲线上的线性化分段的斜率、截距值、调节周期设定值、及检测到的倾翻角度值，对自动倾翻过程的期望倾翻角速度值进行校准；位移检测单元，用于检测驱动油缸的位移值，将所述位移值通过位移模拟信号转化为数字信号；位移校准单元，用于根据检测的所述位移值得到校准位移值，并将所述校准位移值作为位移补偿控制的参考值；倾翻角度计算单元，用于根据所述位移值，获取所述钢包当前的倾翻角度值；倾翻角速度计算单元，用于根据倾翻角度值，计算所述钢包当前的倾翻角速度值；倾翻角速度模糊pid控制器，参见图8，包括角速度模糊控制器、pid控制器和参数
整定单元；其中，参数整定单元以所述角速度模糊控制器的输出、、作为所述pid控制器的比例、积分、微分环节的调节参数，并根据所述倾翻角速度值和期望倾翻角速度值的偏差，以控制钢包自动倾翻的等流速；位移校正控制器，参见图9，其包括位移模糊控制器和pid控制器，用于根据所述校准位移值，控制校准补偿；比例阀控制器，用于根据比例阀控制信号控制比例阀动作，以对钢包两侧驱动油缸的伸出速度进行调整。
[0052]
控制系统通过采用控制角速度实现高精度匀速倾翻铁水控制的同时，控制位移使两个驱动油缸在运行过程中保持位移同步校正，保证钢包内铁水截面基本处于水平状态，避免倾翻过程中两主驱动臂受力不均衡造成的安全隐患。另外，通过本发明的控制系统，还降低了倾翻过程中人工干预的次数，提高了倾翻操作的连续性，进而提高了铸铁的效率。
[0053]
在本发明实施例的控制系统中，结合图10，实时倾翻角可根据油缸位移传感器检测油缸实际伸出行程并结合下式计算得到：，其中，为位移检测单元检测到油缸实际伸长量的校正值，由于设计要求、制造工艺误差等因素对于油缸实际伸长量的影响，即便在钢包竖直放置的状况下，检测到实际伸长量的数值也会出现不同的情况。为此，在位移检测单元设置校准环节，采用校准位移作为油缸实际伸长量的控制目标值（将在后续进行详细说明），用于补偿因制造工艺误差等原因造成的油缸实际伸长量间的差异。为旋转支撑点与油缸固定点之间的旋转臂。
[0054]
通过控制系统的倾翻角速度计算单元可以得到当前钢包的倾翻角速度，在控制系统中需要进行离散化处理。根据角速度调节的稳定度、实时性等要求设定实时角速度的计算采样周期为。其中，表示基于控制系统离散控制的自动倾翻控制采样调节周期，为一正整数，则：，其中，为以周期的采样间隔。
[0055]
进一步地，在本发明实施例的控制系统中，将角速度矫正单元的输出作为钢包自动倾翻控制的期望倾翻速度，通过用倾翻油缸位移传感器检测到的油缸实际伸长量经倾翻角速度计算单元转换计算得到的倾翻角速度作为倾翻角速度实际值。相应地，计算倾翻角速度误差及倾翻角速度误差变化率；其中，倾翻角速度误差。
[0056]
倾翻角速度误差变化率。
[0057]
由于在本发明实施例的控制系统中所涉及的一类锥筒形钢包的铁水倾翻过程需
通过多段倾翻速度不同的斜线段拟合表征。因此，仅应用一组pid控制参数无法达到期望的控制效果。在此，将倾翻角速度误差、及倾翻角速度误差变化率作为倾翻角速度模糊pid控制器的输入量（模拟控制器构造如图8所示）。
[0058]
倾翻角速度模糊pid控制器的输入信号经量化处理后在各自模糊论域的模糊零（zo）附近选用三角型隶属函数进行模糊化处理，这样能够保证控制系统在偏差、偏差变化率在接近零的范围内有较高的系统灵敏性；同时，该倾翻角速度模糊pid控制器的各语言在远离模糊论域的模糊零的模糊论域区间上都可以选择高斯型隶属函数，这样使得控制系统的输入、输出距离期望值存在较大偏差时，不至于因为反应过度而导致控制系统的控制出现较大的超调，从而影响系统控制的稳定性。
[0059]
倾翻角速度模糊pid控制器的推理规则为：，采用模糊推理合成法则。其中，，分别是倾翻角速度误差信号、及倾翻角速度误差变化率信号模糊化后的语言子集。
[0060]
由上面的推理规则可以得到总的模糊关系，根据模糊系统推理合成规则可以求得相应的输出语言变量域上的模糊集合：；其中，
“°”
表示模糊关系的合成运算，
“×”
表示模糊推理中的取小运算；经过推理后得到的输出量是一个模糊集合，该模糊集合选择重心法进行清晰化处理，清晰化输出量公式如下：其中，为模糊语言值，为的隶属度，得到倾翻角速度模糊pid控制器的输出量、、；将输出量、、作为倾翻角速度模糊pid控制器的比例、积分、微分增益整定参数。通过以倾翻角速度误差和倾翻角速度误差变化率作为倾翻角速度模糊pid控制器的输入量，并根据pid控制器计算公式计算比例阀控制器的主给定。
[0061]
。
[0062]
为了提高运行平稳及满足设计精度，在位移检测单元设置校准环节中，采用校准位移作为油缸实际伸长量的控制目标值，具体过程如下。
[0063]
本发明实施例中的铁水倾翻装置的主驱动机构为两侧的主倾翻油缸，将倾翻速度模糊pid控制器的输出值作为比例阀控制器的期望开度直接控制双油缸动作，可能会出现两侧的主倾翻油缸在倾翻过程中伸出速度不均，导致发生铁水倾翻装置两侧受力不均的问题。一旦出现主倾翻油缸受力不均的情况，不仅影响出铁效率，更关系铁水倾翻操作的安
全。而通过位移矫正控制器，通过检测两侧主倾翻油缸实时的位移偏差以及各自对应的位移与期望位移值的偏差，判断当前倾翻运行状态。同时，根据期望开度的值以实现两侧的主倾翻油缸的同步控制，具体操作如下：步骤001、经a/d转换模块实时采集液压缸检测位移值、；步骤002、逻辑判断，系统程序是否接收到重新计算调整量指令，是则顺序执行；否则跳转至步骤s6；步骤003、逻辑判断，检测位移值、是否满足下式(9)：（9）；是则顺序执行，否则需要将铁水罐倾翻回位（倾翻0
°
位置），使其保持竖直放置状态，然后在触摸屏上发出重新校准位移命令，系统程序返回至步骤s2；步骤004、按式（10）计算液压缸位移检测值、的平均值；（10）；步骤005、按式（11）计算每个液压缸的位移调整量；（11）；步骤006、按式（13）计算每个液压缸的校准位移；（12）；其中，n表示第n个液压缸，n为正整数。
[0064]
步骤007、按式（13）计算控制器位移目标值；（13）；步骤008、计算液压缸位移误差及液压缸位移误差变化率；其中，液压缸位移误差为：，液压缸位移误差变化率为：ecx=dex/dt。
[0065]
步骤009、、将上步处理后的信号作为角速度模糊控制器的输入量，进行模糊化，模糊推理及清晰化处理，得到角速度模糊控制器的输出量、、；步骤010、、将、、作为pid控制器的比例、积分、微分增益整定参数；步骤011、、以位移误差ex和误差变化率ecx作为pid控制器的输入，按pid控制器计算公式（15）计算比例阀控制器的附加给定；（15）；其中，为采样间隔，、、是位移模糊控制器输出给pid控制器的比例、积分、微分参数增益。
[0066]
比例阀控制器将倾翻速度模糊pid控制器的控制输出作为主给定，附加给定合成比例阀控制信号，经数模转换器d/a后，输出至比例阀控制器，驱动比例阀动作。各比
例阀控制器输入信号按下式计算。
[0067]
。
[0068]
在本发明的第三实施例中，还提供一种铁水倾翻装置，参见图11，其包括所述控制系统，所述铁水倾翻装置还包括：倾翻机构本体，由固定底座、旋转倾翻铁水罐的支撑臂等组成，其旋转倾翻支撑臂带动锁紧的铁水罐绕转轴倾翻；倾翻驱动机构，由大载荷驱动油缸组成，驱动油缸的尾部安装油缸位移检测传感器，能够将油缸实时的伸长量转化为电信号输出；限位连锁机构，包括倾翻起始、倾翻到位的限位开关，倾翻安全锁紧油缸的夹紧、松开到位的检测开关，倾翻极限保护检测开关等感应元件，该机构传递的连锁信号作为判断倾翻状态的主要依据；液压控制系统；远程操作系统。
[0069]
本发明的铁水包倾翻装置及铁水自动倾翻控制方法能够实现对于铁（钢）厂的一类锥筒型铁（钢）水罐载荷铁水的等流速铁水倾翻控制。使用该控制方法的倾翻装置具有操作平稳，对倾翻过程中铁水流量的变化响应速度快，铁水流速调节精度高，鲁棒性好的特点。该控制系统可根据铸铁工艺，设定倾翻过程时长，系统自动控制铁水倾翻过程按设定的工艺时间运行，满足多种工艺应用。使用该控制方法能显著提高铸铁机的铁水收得率，减少铁水浪费。同时，该装置仅需操作人员输入少量参数，就能智能化的规划倾翻控制方案，减少了以往生产中人力资源的投入，简化了相关操作，大大提高铸铁的工作效率。此外，尽管在此描述了说明性的实施例，但是范围包括具有基于本公开的等效要素、修改、省略、组合（例如，跨各种实施例的方案的组合）、调整或变更的任何和所有实施例。权利要求中的要素将基于权利要求中使用的语言进行宽泛地解释，而不限于本说明书中或在本技术的存续期间描述的示例。此外，所公开的方法的步骤可以以任何方式进行修改，包括通过重新排序步骤或插入或删除步骤。因此，意图仅仅将描述视为例子，真正的范围由以下权利要求及其全部等同范围表示。
[0070]
以上描述旨在是说明性的而非限制性的。例如，上述示例（或其一个或多个方面）可以彼此组合使用。在阅读以上描述之后，例如本领域普通技术人员可以使用其他实施例。而且，在以上详细描述中，可以将各种特征组合在一起以简化本公开。这不应被解释为意图未请求保护的公开特征对于任何权利要求是必不可少的。因此，以下权利要求作为示例或实施例结合到具体实施方式中，其中每个权利要求自身作为单独的实施例，并且可以预期这些实施例可以以各种组合或置换彼此组合。应参考所附权利要求以及这些权利要求所赋予的等同物的全部范围来确定本发明的范围。