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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln des Metallspiegels in einer Stranggusskokille auf einen vorgegebenen Sollwert unter Einwirken auf einen Stopfen oder Schieber in der Metallschmelzezufuhr, mit einem den Metallspiegel erfassenden Detektor, dessen Ausgangssignal als Istwert-Signal einer Recheneinheit zugeführt wird, an der eingangsseitig weiters ein Sollwert-Signal angelegt wird, um ein die Sollwert-Istwert-Differenz angebendes Abweichsignal zu erzeugen.
In einem Betrieb einer Stranggusskokille ist es erforderlich, einen stabilen Betrieb zu verwirklichen und einen Gussstrang von hoher Qualität gleichförmig beizubehalten. Zu diesem Zweck spielt bei der Stranggusskokille eine Funktion zum Konstanthalten eines Pegels von geschmolzenem Stahl eine wichtige Rolle während des gesamten Betriebes. Die Funktion wird als #Me- tallspiegelregelung" bezeichnet.
Geschmolzener Stahl, der in einem Zwischenbehälter angesammelt ist, wird von einem Öffnungsteil, der am Unterteil des Zwischenbehälters angeordnet ist, über ein Rohr, welches als Tauch- bzw. Einlassdüse bezeichnet wird, zu einer rechteckigen Form geleitet. Es wird Wärme von dem in die Form eingelassenen, geschmolzenen Stahl abgeleitet und gekühlt, und an der Schnittstelle zu der Form wird geschmolzener Stahl verfestigt. Der verfestigte Stahl wird in einem Strang bzw. eine Bramme umgewandelt, und der Strang wird zu einer stromabwärtsliegenden Seite ausgelassen. Ein als Stopfen oder Schieber bezeichneter Teil (im Folgenden als Stopfen bezeichnet), welcher aus einem feuerfesten Material hergestellt ist, ist an einem Unterteil des Zwischenbehälters oder an einem Teil, wo der Zwischenbehälter Birne und die Tauchbzw. Einlassdüse miteinander verbunden sind, angeordnet.
Der Stopfen ist vorgesehen, um einen Fliesswiderstand für den geschmolzenen Stahl in der Tauch- bzw. Einlassdüse vorzusehen. Der Stopfen ist derart ausgebildet, dass er durch eine Antriebskraft wie beispielsweise einen Hydraulikdruck bewegt werden kann. Durch Einstellung der Position des Stopfens wird die Grösse des Widerstands in der Einlassdüse verändert, der für den Fluss des geschmolzenen Stahls vorgesehen ist. Folgedessen kann eine Flussrate des geschmolzenen Stahls in der Tauch- bzw. Einlassdüse eingestellt werden.
Idealerweise wird das Niveau des geschmolzenen Stahls in der Form konstant gehalten, wenn ein Volumen pro Zeiteinheit des Strangs, der von der Stranggusskokille gegossen wurde, mit der Flussrate des geschmolzenen Stahls ausbalanciert bzw. abgestimmt ist, der in die Form eingespritzt wird. Jedoch kann es beim Betrieb der Stranggusskokille auftreten, dass der Stopfen geschmolzen wird, da der Stopfen dem geschmolzenen Stahl bei hoher Temperatur ausgesetzt ist und dessen Form verändert wird. Weiterhin kann der Fall auftreten, dass eine Ablagerung mit einer Komponente des geschmolzenen Stahls an einem Teil zum Durchleiten des geschmolzenen Stahls anhaftet oder davon abblättert, wodurch die Flussrate des geschmolzenen Stahls verändert wird.
Weiterhin kann es passieren, dass die Menge des geschmolzenen Stahls, der in dem Zwischenbehälter angesammelt ist, verändert wird und der Versorgungsdruck des geschmolzenen Stahls am Öffnungsteil der Einlassdüse verändert wird. Weiterhin gibt es den Fall, dass eine Ablagerung des geschmolzenen Stahls an der Innenseite der Einlassdüse anhaftet oder davon abblättert, wodurch der Führungspfad für den geschmolzenen Stahl der Einlassdüse verändert wird.
Durch diese nicht gleichförmigen und unvorhersagbaren Fälle wird die Flussrate des Stahls verändert, der in die Form eingespritzt wird, und zwar auch wenn die Position des Stopfens konstant gehalten wird. Weiterhin wird der erzeugte Strang zur stromabwärtsliegenden Seite in einem Zustand ausgelassen, in dem der Strang sich noch nicht vollständig verfestigt hat, und entsprechend bewirkt dies eine Veränderung der Form des Strangs, indem man den Strang in Kontakt mit einer Tragstruktur wie beispielsweise einer Vielzahl von Rollen zur Übertragung des Strangs bringt. Die Veränderung bildet einen Veränderungsfaktor des Schmelzespiegels bzw.
Schmelzeniveaus von der stromabwärtsliegenden Seite durch Rückfluss des geschmolzenen Stahls in einen nicht verfestigten Teil des Strangs.
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Um den Schmelzespiegel bzw. das Schmelzeniveau bei der Einspritzung des geschmolzenen Stahls in die Form in einer solchen Situation konstant zu halten, ist im Allgemeinen ein Rückkoppelungsregelsystem als ein Metallspiegelregelsystem angepasst. Gemäss des Rückkoppelungsregelsystems wird die Form mit einem Sensor versehen, um den Metallspiegel des geschmolzenen Stahls in der Form zu erfassen. Weiterhin wird die Position des Stopfens so eingestellt, dass ein Istwert des Sensors mit einem Zielwert zusammenfällt, der als ein Sollwert vorgesehen ist.
Gegenwärtig ist ein neues Verfahren entwickelt worden, um direkt eine Stranggusskokille mit einer Heisswalzvorrichtung zu verbinden, und integral heisse Rollen aus veredeltem geschmolzenen Stahl zu erzeugen. Dies ergibt sich aus Bestrebungen, Vorrichtungs- bzw. Fabriksgrösse zu verringern und entsprechend eine Verringerung der Einrichtungskosten genauso wie eine Betriebsanordnung von hohem Wirkungsgrad und eine Verringerung der Energie vorzusehen, die zur Produktion erforderlich ist. Entsprechend spielen bei einer Stranggusskokille die folgende Anforderung zusätzlich zu den oben beschriebenen Bestrebungen eine wichtige Rolle. Zum Zweck der Erleichterung der Belastung in einem Heisswalzprozess ist die Eigenschaft erforderlich, dass die Dicke der erzeugten Brammen bzw. des erzeugten Stranges nur 80 bis 120 (mm) ist, und dass der Strang auf vergleichsweise hoher Temperatur bleibt.
Auf diese Weise ist eine Gussgeschwindigkeit von 5 bis 8 (Meter pro Minute) für eine Stranggusskokille erforderlich, da die Strangdicke vergleichsweise dünn ist, um einen Vorrang bei der Produktionskapazität im Vergleich zu einer herkömmlichen Vorrichtung zu bieten.
Da die Strangdicke verdünnt wird und die Querschnittsfläche des Strangs in der Form kleiner ist als bei der herkömmlichen Vorrichtung wird die eingestellte Fliessrate des geschmolzenen Stahls empfindlich den Metallspiegel widerspiegeln. Da weiter die Temperatur des erzeugten Strangs hoch ist, wird der Strang zur stromabwärtsliegenden Seite in einem Zustand ausgegeben bzw. extrahiert, wobei der Strang weicher ist als bei der herkömmlichen Vorrichtung. Als eine Folge ist eine Formveränderung des Stranges auf der stromabwärtsliegenden Seite wahrscheinlicher, und zwar aufgrund des Kontakts des Strangs mit einer Tragstruktur, wie beispielsweise von Rollen, und der Grat bzw. Walzgrat wird vergrössert. Als eine Folge wird der Fluktuationsgrad bzw. Abweichungsgrad des Metallspiegels, der von der stromabwärtsliegenden Seite abgeleitet wird, vergrössert.
Eine solche Variation der Form des flexiblen Strangs wird als unstetige Aufbeulung bezeichnet. Eine Erklärung zu dem schwerwiegenden Einfluss, der von der unstetigen Aufbeulung bewirkt wird, wird im Folgenden dargelegt.
Die Erfinder haben eine Metallspiegelregelvorrichtung unter Anwendung einer PI-(ProportionalIntegral-) Regelung geschaffen, die oft in chemischen Fabriken als Rückkoppelungsregelsystem verwendet wird. Wenn in diesem Fall der Betrieb bei einer speziellen Giessgeschwindigkeit ausgeführt wird, ist den Erfindern das Problem gegenübergetreten, dass der Metallspiegel des geschmolzenen Stahls in der Form, der hervorragend geregelt worden ist, abrupt mit einer Frequenz von ungefähr 0. 3 (Hz) zu oszillieren beginnt, wobei sich die Oszillation schliesslich steigert und ein stabiler Betrieb der Vorrichtung nicht beibehalten werden kann.
Wenn eine Oberfläche des gegossenen Strangs beobachtet wird, ist eine ungleichförmige Verteilung des Oberflächenzustandes des Strangs, die mit einem Intervall der Rollen zusammenpasst, in einer Bewegungsrichtung des Strangs zu erkennen. Weiterhin fällt die Oszillationsfrequenz des Metallspiegels im Wesentlichen mit einem Wert der Giessgeschwindigkeit zusammen, und zwar geteilt durch das Intervall zwischen den Rollen. Die Erfinder haben die Erkenntnis gewonnen, dass der Oszillationszustand des Metallspiegels wie folgt verursacht wird, und zwar aufgrund von Untersuchungen und Beobachtungen bei einer Anzahl von Betriebszuständen.
(A) Wenn ein flexibler Strang bei hoher Temperatur durch die Rollen unterstützt wird, bildet der Strang eine Beulenform übereinstimmend mit dem Intervall zwischen den Rollen.
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(B) Wenn ein solcher Strang sich zur stromabwärtsliegenden Seite mit konstanter Geschwindig- keit bewegt, bewirkt eine räumliche Ungleichförmigkeit des Zustandes des Strangs, wie bei- spielsweise eine Oszillations- bzw. Schwingungsmarkierung eine Reibkraft, und der Strang beginnt zu pulsieren. Wenn die Intervalle zwischen einer Vielzahl von Rollen gleich bleiben, werden die Impulsausmasse, die von den jeweiligen Rollenintervallen verursacht werden, ge- genseitig dadurch verstärkt.
(C) Durch die oben beschriebene Impulswirkung bzw. Schwingung fliesst nicht verfestigter, geschmolzener Stahl im Strang zurück zur Form, um dadurch einen periodischen Störfluss zu bilden, der auf den Metallspiegel aufgebracht wird. Der periodische Störfluss erzeugt eine Spie- gelfluktuation in der Form bei einer seiner Frequenzen. Dadurch wird eine Ungleichförmigkeit -bei der oben beschriebenen Periode im Kühlvorgang der Form und bei ähnlichem erzeugt. Als eine Folge wird der gegossene Strang mit einer räumlichen Ungleichförmigkeit in der oben beschriebenen Periode im Oberflächenzustand, bei der Zusammensetzung usw. versehen.
(D) Wenn ein Teil des Strangs, der den oben beschriebenen Zustand (C) hat, eine Gruppe von
Tragrollen erreicht, die den oben beschriebenen Betrieb (B) erreichen bzw. ausführen, wird die
Impulswirkung bzw. Schwingung mit der oben beschriebenen Periode weiter verstärkt. Dies geschieht weiter, um den Grad des periodischen Störflusses zu steigern, der auf dem Metall- spiegel aufgebracht wird. Als eine Folge kommt es zu einer Situation, wobei die Oszillation des
Metallspiegels gesteigert wird, und ein stabiler Betrieb der Stranggussvorrichtung verhindert wird.
Da auf diese Weise die Fluktuation des Metallspiegels, die von der nichtstetigen Aufbeulung des flexiblen Strangs bewirkt wird, selbst ansteigend ist, ist es extrem schwierig, die Fluktuation zu begrenzen.
Wie zuvor beschrieben worden ist, ist es ein Ziel der Metallspiegelregelvorrichtung, die Störung einzuschränken, die auf das Objekt der Metallspiegelregelung aufgebracht wird, um dadurch den Metallspiegel bei einem vorbestimmten Wert zu halten. Im Allgemeinen wird gemäss einer in der PI-Regelung ausgeführten Regelschleife, wenn eine stetige Störung in stufenartiger Form aufgebracht wird, eine Zustands- bzw. Betriebsgrösse gebildet, um die stetige Störung (angewiesene Stopfenposition im Fall der Metallspiegelregelung) durch ein Integrationsglied zu elimi- nieren, der in einer Regeleinrichtung der Regelschleife vorhanden ist. Die Phase des Integrati- onsgliedes ist um 90 Grad verzögert, und daher ist ein Korrekturvorgang durch das Integrationsglied beträchtlich zu dem Zeitpunkt verzögert, zu dem die Störung aufgenommen worden ist.
In der Regelschleife gibt es weiter Faktoren, die die Metallspiegelregelung schwierig ma- chen, wie beispielsweise die Verzögerung der Stopfenpositionsregelung, die Fallzeit des geschmolzenen Stahls und die Detektionsverzögerungszeit des Sensors, um den Metallspiegel zu detektieren. Gemäss einer Regeleinheit, bei der der Korrekturvorgang verzögert ist, kommt es zu einem gefährlichen Zustand, wenn eine grosse Verstärkung des Integrationsgliedes eingestellt ist, wobei die Regelschleife abweicht und entsprechend wird die Störung begrenzt, die den
Betrieb in der Pl-Regelung einschränkt.
Um das oben beschriebene Problem zu lösen, welches von der PI-Regelung bewirkt wird, sind verschiedene Metallspiegelregelverfahren (-Vorrichtungen) vorgeschlagen worden.
Beispielsweise wird gemäss der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 31560/1993 ein "Pegelregelverfahren beim Strangguss" offenbart, welchen den Pegel stabil, schnell und durchgängig in Übereinstimmung mit allen Störungen halten kann. Gemäss diesem Stand der Technik arbeitet eine Rückkoppelungsregelschleife so, dass ein tatsächlicher Wert des Pegels mit dem Sollwert des Pegels zusammenfällt. Eine die Störung ausgleichende Regelschleife sagt eine restliche Differenzstörungsgrösse vorher, die nicht durch eine Rückkoppelungsregelschleife durch Rückkoppelung bzw.
Feedback geregelt werden kann, und zwar unter Verwendung eines Sollwertes, der an eine Betätigungsvorrichtung ausgegeben wird, ein Istwert des Pegels und ein
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Pegelregelmodell, was ein Korrektursignal hinzufügt, um die Restdifferenzgrösse auf dem Sollwert auszulöschen bzw. auszugleichen, und einen addierten Wert zur Betätigungsvorrichtung ausgibt.
Gemäss dem vorstehend genannten Stand der Technik wird die Störungsauslöschschleife auf die Innenseite einer Regelvorrichtung eingestellt, die Störung, die auf das Objekt bzw. Ziel der Metallpegelregelung aufgebracht wird, wird vorhergesagt, und eine Betriebsgrösse wird berechnet durch Addition einer Korrekturgrösse, um die vorhergesagte Restdifferenzgrösse der Störung auszugleichen. Dadurch ist die vorhergesagte Restdifferenzgrösse der Störung einem Wert äquivalent, der durch Ableitung einer Variationsgrösse durch die Störung in einem detektierten Wert des Metallspiegels bzw. -pegels erzeugt wird, und die Vorrichtung wird betrieben, um sofort die Fluktuation des Metallspiegels bzw. -pegels einzuschränken, die durch die Störung verursacht wird.
Weiters ist in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 177321/1993 eine Metallspiegelregelvorrichtung" geoffenbart, um den Spiegel in der Form in einem Stranggussprozess mit hoher Genauigkeit zu regeln. Ein Regelsystem eines Metallspiegels weist hier einen Schieber oder einen Stopfen auf (worauf im Folgenden als Schieber Bezug genommen wird) um die Menge des eingespritzten bzw. eingelassenen geschmolzenen Stahls zu bestimmen, ein Spiegelmessgerät, um den Metallspiegel des geschmolzenen Stahls in der Form zu messen, und eine Metallspiegelregelvorrichtung zur Berechnung eine Öffnungsgrades des Schiebers.
Die Metallspiegelregelvorrichtung ist mit einer Datenverarbeitungseinheit versehen, um einen gemessenen Wert des Metallspiegels und einen eingestellten Wert des Metallspiegels als Dateneingabe einzustellen, und um eine dynamische Kompensationsberechnung mit höherer Ordnung auszuführen, und eine Regelsollwertausgabeeinheit zum Schalten der Regelausgangsgrösse nach dem Ablauf einer vorbestimmten Zeitperiode.
Gemäss der offengelegten japanischen Patentanmeldung 189009/1993 wird eine #Regelvorrich- tung" offenbart, die merklich die Ansprechleistung in einem Regelsystem verbessert, bei dem die Verzögerungszeit und die periodische Veränderung (Störung) eingeschlossen sind. Die Regelvorrichtung, die hierin offenbart wird, ist eine Regelvorrichtung der Bauart mit dynamischer Kompensation höherer Ordnung, die das Merkmal aufweist, eine Datenverarbeitungseinheit aufzuweisen, um einen gemessenen Wert des Spiegels bzw. Pegels und einen eingestellten Wert des Pegels als Dateneingabe einzugeben und eine dynamische Kompensationsberechnung höherer Ordnung auszuführen, und eine Regelsollwerteingabeeinheit zum Schalten der Regelausgabe nach dem Ablauf einer vorbestimmten Zeitperiode.
Bei den Regelungen gemäss der JP-Offenlegungsschriften Nr. 177321/1993 und Nr. 189009/1993 tritt das Problem der gemischten Empfindlichkeit in der H#-(unendlich-) Regelungstheorie bei der Metallspiegelregelung auf, und eine Metallspiegelregelvorrichtung wird durch einen speziellen Linearfilter höherer Ordnung gebildet. Dadurch ist eine Regelvorrichtung vorgesehen, die eine Störungseinschränkungsfunktion besitzt, die besser ist als bei einem einfachen PI-Regler. Weiterhin wird die robuste Stabilität der Metallspiegelregelschleife sichergestellt durch Einstellung einer oberen Grenze der Prozessstörung und durch Zurückführen der Regelung auf das Problem der gemischten Empfindlichkeit.
Gemäss der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2598201 wird eine Regelvorrichtung eines Metallspiegels bzw. Pegels in einer Form einer Stranggussvorrichtung" offenbart, die in einem frühen Zustand das Jagen bzw. Überregeln des Pegels des geschmolzenen Stahls in der Form selbst regeln kann, und zwar beeinflusst durch eine Veränderung in einem Regelparameter oder die Aufbringung der Störung oder durch ähnliches. Es handelt sich hierbei um eine Regelvorrichtung, bei der beim Erzeugen eines Strangblocks durch dessen Extraktion aus einem Gefäss, während man den Pegel des geschmolzenen Stahls in der Form konstant hält, eine Einspritzmenge des geschmolzenen Stahls in die Form so geregelt wird, dass ein detektierter Metallspiegel -bzw. pegel nahe an einem Sollwert des Spiegels liegt.
Gemäss der Regelvorrich-
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tung wird eine Region eines geregelten Zustandes angenommen, die durch einen Regelzustand gebildet wird, der eine Abweichung zwischen dem Zielwert und dem detektierten Wert des Pegels und einen Differenzialwert erste Ordnung der Abweichung aufweist. Die Regeleinrichtung ist mit einer Regelvorrichtung bzw. einem Regler versehen, mit einem Regelverstärkungseinstellabschnitt und mit einem Regelabschnitt für die Menge des eingespritzten geschmolzenen Stahls. Entsprechend der Regelvorrichtung kann eine Charakteristik eingestellt werden, wobei eine gewichtete Summe der Abweichung und der Differenzwert erster Ordnung der Abweichung auf Null geregelt wird, um eine Region mit vorbestimmtem Regelzustand in der Regelzustandsregion zu teilen.
Entsprechend dem Regelverstärkungseinstellabschnitt wird die Regelvorrichtung mit Regelverstärkungen versehen, um Regelzustände in den jeweiligen Regelzustandsregionen nahe an die Charakteristik bei den jeweiligen Regelzustandsregionen zu legen. Gemäss dem Regelabschnitt für die Menge des eingespritzten geschmolzenen Stahls wird die Einspritzmenge des geschmolzenen Stahls geregelt durch Verwendung der Regelvorrichtung basierend auf der Regelverstärkung der Regelzustandsregion, auf die sich ein detektierter Regelzustand bezieht.
Gemäss des JP-Patents Nr. 2598201 werden die Regelvorrichtungen, die unterschiedliche Regelverstärkungen haben, die so eingestellt werden, dass die gewichtete Summe der Abweichung bei der Regelung des Metallspiegels und der zeitliche Differenzialwert der Abweichung nullgestellt werden, so geregelt, dass sie gemäss der jeweiligen Regelzustandsregionen schalten, um dadurch einen Anwendungsbetriebszustand eines Regelsystems mit variabler Struktur zu bilden. Das Regelsystem mit variabler Struktur ist mit einer vorzuziehenden Eigenschaft versehen, wobei es eine sehr robuste Leistung zeigt, und zwar durch Einschränkung eines Regelzustandes auf eine stabile Schaltfläche mit hoher Verstärkung.
In der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 79423/1994 ist ein #Pegelregelverfahren beim Strangguss" offenbart, um eine Fluktuation des Pegels einzuschränken, und zwar durch Verwirklichung einer stabilen und hervorragenden Pegelregelung mit Bezug auf eine Störung mit unstetigem Zustand, wie beispielsweise eine Aufbeulung oder eine Verstopfung der Düse, ein Abblättern, ein Parameterfehler oder eine Parameterveränderung oder beobachtetes Rauschen, welches eine schnelle Ansprechleistung erfordert.
Gemäss dieser JP-Offenlegungsschrift wird jeweils eine erste Gewichtsfunktion eingestellt, um die Grösse einer Transferfunktion zu reduzieren, die eine Störung bewirkende Pegelvariation zu einer Pegelregelausgangsgrösse in einer erwünschten Frequenzregion abdeckt, und eine zweite Gewichtsfunktion zur Reduzierung einer Grösse einer Transferfunktion, die von der Störung zu einem Punkt vor der Aufbringung der Störung in einer gewünschten Frequenzregion abdeckt.
Weiter wird eine Zustandsgleichung und eine Ausgangsgleichung beschrieben, und zwar mit den Gewichtsfunktionen und eine Regelausgangsgrösse, eine Regelbetriebsgrösse und einen geschätzten Wert der Störung als Zustandsvariablen. Weiterhin wird durch Anwendung der H#- Regelungstheorie darauf ein Rückkoppelungsberechnungssignal berechnet, und eine Summe des Rückkoppelungsberechnungssignals und das entsprechende Signal zum Auslöschen einer Störungsgrösse wird auf eine Betätigungsvorrichtung aufgebracht, um eine Menge des in die Form fliessenden geschmolzenen Metalls zu regeln.
Die Regelung gemäss der JP-Offenlegungsschrift Nr. 79423/1994 ist mit einem Störungsgrö- #enschätzmechanismus ausgerüstet, ähnlich wie beim eingangs beschriebenen Stand der Technik gemäss der JP-Offenlegungsschrift Nr. 31560/1993. Entsprechend wird das Regelverfahren betrieben, um die Veränderungsgrösse des Metallspiegels bzw. -pegels durch Störung auszulöschen. Weiterhin wird die robuste Regelfunktion der Regelschleife gefördert durch Kombination mit einer H#-Regelvorrichtung.
Jedoch tauchen bei den vorstehend beschriebenen Metallspiegelregelungen gemäss dem Stand der Technik die folgenden Probleme auf.
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Zuerst sind die Störungsabschätzmechanismen bei den Regelungen gemäss der JP-Offenlegungsschriften Nr. 31560/1993 und Nr. 79423/1994 als Observatoren mit geringer Ordnung ausgebildet. Wenn daher der Prozess eine Störung höherer Ordnung aufnimmt, gibt es das Problem, dass ein Phänomen erzeugt wird, welches als Überlauf (spill over) bezeichnet wird, wobei der Störungsschätzmechanismus selbst mit hoher Frequenz oszilliert. Um das Überlaufen bzw. den spill over zu verhindern, wird eine Störungsabschätzverstärkung notwendigerweise klein eingestellt. Entsprechend wird das Störungsabschätzergebnis mehr als die tatsächliche Störungsveränderung verzögert, und der Effekt der Störungsabschätzmechanismen ist eingeschränkt.
Auch in ähnlicher Weise wird im Fall der Regelung gemäss des JP-Patents Nr. 2598201 eine Schaltfläche des Regelsystems mit variabler Struktur durch eine einfache Linearkombination der Regelabweichung und des Zeitdifferenzialwertes der Abweichung gebildet. Daher ergibt sich das Problem, dass ein Überlauf bzw. ein spill over verursacht wird. Der Überlauf bzw. spill over des Regelsystems mit variabler Struktur zeigt sich als ein Phänomen, wobei der Regelzustand des Objektes der Metallspiegelregelung nicht auf die Schaltfläche eingeschränkt wird und divergiert.
Weiterhin werden im Fall des JP-Patents Nr. 2598201 die Regelverstärkungen der Regelvorrichtung mit kurzen Zeitintervallen geschaltet, und zwar durch Hin- und Herschalten des Regelzustandes der Regelgrösse bzw. des Regelobjektes bei der Schaltfläche, und dies bewirkt das Phänomen der Zerstreuung des zeitlichen Übergangs der Betriebsgrösse.
Weiterhin wird im Fall der Regelungen gemäss der JP-Offenlegungsschriften Nr. 177321/1993 und der Nr. 189009/1993 die obere Grenze der Prozessstörung eingestellt, und entsprechend kann die robuste Stabilität der Metallspiegelregelschleife sichergestellt werden, und der oben beschriebene Überlauf wird nicht verursacht. Jedoch ist die H#-Regelvorrichtung mit dem Problem der gemischten Empfindlichkeit, wobei der erfasste Wert des Metallspiegels die Eingangsgrösse bildet, und wobei die angewiesene Position des Stopfens die Ausgangsgrösse bildet, nicht so sehr anders als eine PID-Regelvorrichtung, die optimal im Hinblick auf die Frequenzcharakteristik eingestellt ist. Demzufolge ist die H#-Regelfunktion nicht so sehr anders als die des PIDReglers, die optimal eingestellt ist.
Wie oben beschrieben wird die Fluktuation des Metallspiegels, die durch die unstetige Ausbeulung des flexiblen Strangs bewirkt wird, selbst vergrössernd bzw. selbst ansteigend, und es ist entsprechend schwierig, die Fluktuation durch eine Regelvorrichtung mit einer mehr oder weniger die Störung einschränkenden Funktion einzuschränken.
Weiters ist aus der JP 08-147044 A ein Verfahren zur Metallspiegelregelung bekannt, bei dem eine Störgrösse d (t) die Fliessgeschwindigkeit der Schmelze als Summe von Sinuswellen verschiedener Frequenzen angenommen wird. Die Regelung erfolgt sodann auf Basis dieser angenommenen Störfunktion unter Anwendung einer Filterung des gemessenen MetallspiegelSignals.
Gemäss der JP 05-23811 A wird zur Regelung des Metallspiegels in einer Strangussvorrichtung eine Fliessgeschwindigkeit-Störgrösse in Abhängigkeit von der Position eines Stopfens und des gemessenen Metallspiegels berechnet.
In der JP 10-314911 A ist eine Regelung beschrieben, bei der die Positionierung eines Schieberverschlusses in Abhänigigkeit von der Abweichung des gemessenen Metallspiegels gegen- über einem Sollwert und der gemessenen Giessgeschwindigkeit eingestellt wird, wobei eine Störgrössenkompensation vorgesehen ist, bei welcher eine spezifische grosse Periode der Abweichung zwischen dem gemessenen Metallspiegel und dem Metallspiegel in einem Ruhezustand extrahiert wird, dieses Abweichsignal aufbereitet wird und zur SchiebeverschlussEinstellung herangezogen wird.
In der JP 10-146658 A ist eine Regelung des Metallspiegels geoffenbart, bei der die Abwei-
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chungen des Istwerts vom Sollwert Frequenz-analysiert werden. Die niederfrequenten Änderungen werden hierbei durch eine Anpassung der Drehzahl der Abzugswalzen begrenzt und die hochfrequenten Änderungen durch Verstellung des Zwischengefäss-Verschlusses. Somit liegt auch hier eine andere Regelungstechnik vor, verglichen mit dem Anmeldungsgegenstand.
Aus der JP 7-100610 A ist ein Regelverfahren bekannt, bei welchem eine Störgrösse Qw in Abhängigkeit von der Position des Stopfens abgeschätzt, diese Störgrösse aufbereitet und in einer Rückkopplungsschleife zur Regelung des Metallspiegels herangezogen wird.
In der US 5 311 924 A ist eine Vorrichtung zum Regeln des Metallspiegels in einer Stranggusskokille geoffenbart, bei welcher die Schwankungen des Metallspiegels mit Hilfe einer einzigen Recheneinheit in Abhängigkeit des Istwerts des Metallspiegelniveaus des Istwerts eines Schiebers zur Durchflusskontrolle oder eines Sollwerts der Position des Schiebers geschätzt wird.
Ebenso ist in der DE 196 40 806 A1 ein PI-Regler als Giessspiegelregler vorgesehen, über den der Giessprozess geregelt wird.
In der EP 798 061 A ist ein Verfahren zur Regelung des Metallspiegels in einer Stranggusskokille geoffenbart, bei dem die Schwankung des Metallspiegelniveaus durch eine Änderung der Arbeitsbedingungen geschätzt werden, und eine Korrekturgrösse und eine Verzögerungszeit berechnet werden. Zu Regelung des Metallspiegels wird dem System eine Regelgrösse in Abhängigkeit von der Korrekturgrösse zu einer Zeit zugeführt, die geringer ist als die Verzögerungszeit.
Aus der JP 05-031560 A ist ein Verfahren zur Regelung des Schmelzeniveaus in einer Stranggusskokille bekannt, bei dem eine einfache Regelschleife vorgesehen ist.
Weiters sind aus der JP 05-177321 A, der JP 08-294761 A, der JP 05-318069 A sowie der JP 06-079423 A Verfahren zur Regelung des Schmelzeniveaus geoffenbart, bei denen keine spezielle Berücksichtigung einer periodischen Abweichgrösse vorgesehen ist.
Es ist Ziel der Erfindung, eine Metallspiegelregelvorrichtung vorzusehen, die einen Metallspiegel stabil und konstant regeln kann, auch wenn die Metallspiegelregelvorrichtung einem Einfluss einer periodischen Störung unterliegt, wie vorstehend beschrieben. Weiters soll eine Vorrichtung geschaffen werden, die eine selbstansteigende periodische Störung in der Fluktuation des Metallspiegels durch eine starke die Störung einschränkende Funktion einschränken kann, auch wenn eine periodische Störung mit einer speziellen Frequenz vorliegt.
Die Vorrichtung der eingangs angeführten Art ist dadurch gekennzeichnet, dass der Recheneinheit zwei Rechenmodule nachgeordnet sind, von denen das eine Rechenmodul auf Basis des Abweichsignals eine Zustandsgrösse betreffend die stationäre Abweichung des Metallspiegels berechnet und ein entsprechendes, dieser Abweichung entgegenwirkendes Signal abgibt, wogegen das andere Rechenmodul eine mit einer Frequenz gleich der Frequenz einer periodischen Störung im Metallspiegel oszillierende Regelkomponente aufweist und auf Basis des Abweichsignals eine Zustandsgrösse betreffend die periodische Störung des Metallspiegels berechnet und ein entsprechendes, dieser periodischen Störung entgegenwirkendes Signal abgibt, wobei die von den beiden Rechenmodulen abgegebene Signale einer Stabilisierungseinheit zugeführt werden,
die eine Stellgrösse für den Stopfen oder Schieber berechnet und ausgibt, um die so gebildete Regelschleife in robuste Stabilität zu versetzen, und wobei eine Frequenzanpassungseinheit, der das Metallspiegel-Istwert-Signal sowie ein Giessgeschwindigkeits-Istwert-Signal zugeführt werden, die Oszillationsfrequenz des Metallspiegels als Frequenz der periodischen Störung ermittelt und ein entsprechendes Einstellsignal an das Rechenmodul für die periodische Störung sowie an die Stabilisierungseinheit zur Änderung von Berechnungscharakteristiken abgibt.
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Weitere vorteilhafte Ausführungen der erfindungsgemässen Vorrichtung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen 2 und 3.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, noch weiter erläutert.
Im Einzelnen zeigen in der Zeichnung: Fig. 1 ein Blockschaltbild, um eine selbst ansteigende Fluktuation eines Metallspiegels bei einem herkömmlichen Regelmodell zu erklären ; 2 ein Blockschaltbild einer Metallspiegelre- gelvorrichtung gemäss der Erfindung; Fig. 3 ein Blockschaltbild, um einen Oszillations- bzw.
Schwingungszustand des Metallspiegels zu erklären; Fig. 4 ein Blockschaltbild, welches ein Regelobjekt bzw. eine Regelgrösse des Metallspiegels darstellt; Fig. 5 ein Blockschaltbild, welches ein Zusammenstellungsbeispiel einer allgemeinen Anlage zeigt, und zwar beim Studium einer H#-Regelvorrichtung gemäss der Erfindung ; 6 ein Blockschaltbild, welches eine spe- zielle Transferfunktion zum Regelobjekt bzw. zur Regelgrösse des in Fig. 4 gezeigten Metallspiegels aufbringt; Fig. 7A und 7B Bode-Diagramme zur Erklärung des Betriebes einer StetigZustands-Abweichungseinschränkungseinheit und einer Einschränkungseinheit für eine periodische Störung, wobei Fig. 7A ein Diagramm ist, welches eine Gain- bzw.
Verstärkungscharakteristik zeigt, und wobei Fig. 7B ein Diagramm ist, welches eine Phasencharakteristik zeigt; Fig. 8A und 8B Bode-Diagramme, um die robuste Stabilität einer Metallspiegelregelschleife mit Bezug auf die Störung des Regelobjektes bzw. der Regelgrösse des Metallspiegels gemäss der Erfindung auszudrücken, wobei Fig. 8A ein Diagramm ist, welches eine Gain- bzw.
Verstärkungscharakteristik zeigt, und wobei Fig. 8B ein Diagramm ist, welches eine Phasencharakteris- tik zeigt ; 9A und 9B Bode-Diagramme, die eine Störungseinschränkungsfunktion der Me- tallspiegelregelvorrichtung gemäss der Erfindung zeigen, wobei Fig. 9A ein Diagramm ist, welches eine Verstärkungscharakteristik zeigt, und wobei Fig. 9B ein Diagramm ist, welches eine Phasencharakteristik zeigt ; Fig. 10 ein Diagramm, welches ein Messungsergebnis zeigt, um einen Effekt der Metallspiegelregelvorrichtung gemäss der Erfindung im Vergleich zu einem herkömmlichen Beispiel zeigt.
Zunächst wird ein herkömmliches Feedback- bzw. Rückkoppelungsregelmodell mit Bezug auf Fig. 1 erläutert, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern. Die Erläuterung wird hier für einen Fall dargelegt, bei dem das Regelobjekt ein Stopfen oder Schieber ist.
In Fig. 1 sind eine Regelvorrichtung 1, ein Stopfen 2, eine Form 3 und ein Sensor 4 zum Detektieren des Metallspiegels bzw. -pegels der Form 3 in Reihe verbunden. Ein Istwert, der vom Sensor 4 detektiert wird, wird zu einer Subtraktionsvorrichtung 5 zurückgekoppelt. Die Subtraktionsvorrichtung 5 sieht eine Abweichung zwischen dem Sollwert und dem Istwert des Metallspiegels der Form 3 für die Regelvorrichtung 1 vor. Die Regelvorrichtung 1 regelt den Stopfen so, dass die Abweichung auf Null gesetzt wird.
In Fig. 1 wird eine Störung hinzugefügt, die durch eine nicht stetige Aufbeulung als ein Faktor zur Fluktuation des Pegels der Form 3 verursacht wird. Das heisst, wie in Fig. 1 gezeigt, wird eine selbst ansteigende bzw. sich aufschaukelnde Metallspiegelfluktuation dargestellt durch ein Regelmodell, wobei eine Rückkoppelungsschleife einer unstetigen Aufbeulungscharakteristik der nicht stetigen Aufbeulungsstörung der Störung der Form 3 durch den Sensor 4 vorgesehen wird. Bei einem solchen Regelmodell muss eine Betriebsgrösse des Stopfens 2 berechnet und ausgegeben werden, um die Störung durch eine Störungseinschränkungsfunktion auszulöschen, die grösser ist als eine Rückkoppelungsverstärkung der Rückkoppelungsschleife, um die selbstansteigende Fluktuation aufzulösen.
Gemäss der Regelvorrichtung 1 jedoch wird die Betriebsgrösse des Stopfens 2 vergrössert (die Regelverstärkung muss auf hoch eingestellt sein) und die Regelschleife selbst wird instabil, wenn die Störung ausgelöscht werden soll.
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Bei der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele wird zuerst eine Erklärung einer Studienprozedur dargelegt, der die Erfindung unterliegt. Im Folgenden wird die Beschreibung derart dargelegt werden, dass ein Stopfen verwendet wird, um eine Einspritz- bzw. Einlassmenge des geschmolzenen Stahls in die Metallspiegelregelung einzustellen. Natürlich kann die Erfindung in ähnlicher Weise auch im Fall der Verwendung eines Schiebers anstelle des Stopfens verwirklicht werden.
Im Hinblick auf die Regelungstheorie kann der periodische Störfluss, der durch ein Pulsieren eines flexiblen Strangs verursacht wird, der durch Rollen auf der stromabwärtsliegenden Seite der Form erzeugt wird, als eine Art von resonantem Schmalbandpassfilter angesehen werden.
Der Schwingungszustand des Metallspiegels, wie oben beschrieben, kann durch ein in Fig. 3 gezeigtes Blockschaltbild dargestellt werden. In dieser Regelschleife empfängt eine Metallspiegelregelvorrichtung 20 eine Abweichung zwischen einem Metallspiegel bzw. -pegel-Sollwert "r" und einen detektierten Istwert "y" des Metallpegels, die Metallspiegelregelvorrichtung 20 berechnet eine Zustandsgrösse "u" des Stopfens und gibt diese aus, so dass die Abweichung auf Null eingestellt wird.
Der Istwert "y" des Metallspiegels unter der Regelung nimmt eine Veränderung durch Rauschen auf. Der zeitliche Übergang des Istwertes "y" des Metallpegels, der anfänglich unregelmässig variiert wird, wird einer Filterung mit einer scharfen Spitze bei einer charakteristischen Frequenz bzw. Eigenfrequenz unterworfen. Dadurch wird eine Oszillationskomponente des resonanten Schmalbandpassfilters stimuliert, und ein periodischer Störungsfluss Qd, der bei der Frequenz oszilliert, wird erzeugt. Weiter wird der periodische Störfluss Qd als eine Störflussrate "d" rückgekoppelt, die in die Form fliesst.
In Fig. 4 ist ein Blockschaltbild eines Regelobjektes bzw. Regelziels des Metallspiegels durch ein Blockdiagramm ersichtlich. Eine Stopfenregelvorrichtung 14 bewegt den Stopfen durch eine Betätigungsvorrichtung, so dass eine Stopfenposition "x" gleich einer Stopfenzustandsgrösse "u" wird. Die Betätigungsvorrichtung wird beispielsweise durch einen Hydraulikzylinder verwirklicht.
Eine Flussrate "q" des geschmolzenen Stahls, der durch ein Spiel bzw. einen Freiraum zwischen einem vorderen Ende des Stopfens und einem perforierten Teil am Unterteil der Form läuft, wird abhängig von der Stopfenposition "x" verändert. Eine Beziehung zwischen der Stopfenposition "x" und der Flussrate "q" des geschmolzenen Stahls, wird als Flussratencharakteristik bezeichnet. Geschmolzener Stahl fliesst mit einer Flussrate Q für geschmolzenen Stahl mit einem Volumen pro Zeiteinheit, wobei die Einflussstörungsflussrate "d" auf einen Wert überlagert wird, der durch Subtrahieren eines Produktes einer Gussgeschwindigkeit vc mit einem Formquerschnittsgebiet A (d. h. ein Volumen pro Zeiteinheit des erzeugten Stranges) von der Einflussrate #q" des geschmolzenen Stahls in die Form 10 gebildet wird.
Ein Volumen, welches durch Integration der Flussrate Q des geschmolzenen Stahls, die mit der Zeit in die Form 10 fliesst, bildet ein Volumen des geschmolzenen Stahls in der Form. Ein Raum in der Form 10 wird im Allgemeinen beschrieben durch ein rechteckiges Parallelepiped und entsprechend bildet eine Grösse, die durch Teilen des Volumens des rechteckigen Parallelepipedes durch die Formquerschnittsfläche A erzeugt wird, einen Metallspiegel #h". Der Metallspiegel "h" wird detektiert durch einen Metallspiegeldetektor 12 als der Istwert "y". Der Metallspiegeldetektor 12 wird beispielsweise durch einen Distanz- bzw. Entfernungssensor der Wirbelstrombauart verwirklicht.
Es wird angenommen, dass alle Elemente der Fig. 4 durch mathematische Modelle von linearen gewöhnlichen Differenzialgleichungen dargestellt werden können, d. h. rationelle Funktionen (Transferfunktionen) des Laplaceoperators #s". Eine Metallspiegelregelvorrichtung 20 gibt auch die Stopfenzustandsgrösse #u" aus, und zwar durch Ausführung einer Berechnung eines numerischen Wertes, der durch eine Transferfunktion dargestellt wird. Die Transferfunktion wird durch die Bezeichnung K bezeichnet.
Es werden als die Transferfunktion der jeweiligen Elemente der Fig. 4 eine Transferfunktion der
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Stopfenregelvorrichtung 14 angenommen, eine Transferfunktion der Stopfenflussratencharakteristik, eine Transferfunktion des Integrationsbetriebes der Form 10 und eine Transferfunktion des Metallspiegeldetektors 12. Eine Transferfunktion, die durch ein Produkt von allen diesen dargestellt wird, wird durch die Bezeichnung P bezeichnet, und die Bezeichnung P bezeichnet eine Transferfunktion des Metallspiegelregelobjektes.
Die Flussrate "q" des geschmolzenen Stahls ist eine Zustandsgrösse, die durch die Metallspiegelregelvorrichtung 20 eingestellt wird. Zwischenzeitlich ist die Störungsflussrate "d", die in die Form fliesst, eine Zustandsgrösse, die von ausserhalb der Regelschleife gemischt wird und nicht durch die Metallspiegelregelvorrichtung 20 geregelt werden kann. In diesem Fall wird in der Regelschleife eine Transferfunktion S von der Störungsflussrate #d" zur Flussrate Q des geschmolzenen Stahls, der in die Form 10 fliesst, durch die folgende Gleichung dargestellt.
S=1/ (1+L) (3-1) Die Bezeichnung S bezeichnet die Transferfunktion, welche eine Empfindlichkeitsfunktion der Regelschleife ist. Die Bezeichnung L bezeichnet eine Transferfunktion, die durch ein Produkt von Elementen in der Regelschleife erzeugt wird, d. h., L=K P, wobei diese eine Transferfunktion mit offener Schleife (open loop) ist. Durch die oben beschriebenen Dinge wird folgende Gleichung aufgestellt.
Q=S d+A vc (3-2) Wenn die Metallspiegelregelvorrichtung 20 idealerweise die Einflussstörung beschränkt, fällt die Flussrate Q des geschmolzenen Stahls, die in die Form 10 fliesst, mit einem Volumen pro Zeiteinheit der Strangerzeugung zusammen, und der Metallspiegel wird konstant gehalten. Gemäss der Gleichung (3-2) ist S=0. Obwohl tatsächlich die Menge S nicht auf Null gestellt werden kann, ist es offensichtlich, dass zur Reduzierung des Einflusses der Störungsflussrate "d", die in die Form fliesst, die Grösse S verringert werden muss.
Bei der Untersuchung der Frequenzantwort der Grösse S ist die Grösse S von komplexer Funktion mit einer Frequenz "w". Durch das oben Beschriebene lässt sich sagen, dass je kleiner der absolute Wert des Frequenzcharakteristikwertes der Grösse S ist, d. h. je kleiner der Verstärkungswert ist, desto kleiner kann der Einfluss der Einflussstörung gemacht werden.
Es ist aus dem oben Beschriebenen offensichtlich, dass bei dem mit Bezug auf Fig. 3 untersuchten Metallspiegeloszillationszustand eine Notwendigkeit besteht, den Einfluss der Störungsflussrate zu begrenzen, die in die Form fliesst, die zurück zur Regelschleife gespeist wird, und zwar durch Reduzierung der Frequenzcharakteristik der Empfindlichkeitsfunktion S bei der Bildung der Regelschleife bei der problematischen periodischen Störfrequenz. Dadurch wird der zeitliche Übergang des Istwerts des Metallspiegels bei der Bildung der Regelschleife von der Komponente der Störfrequenz fliesst, und die Oszillationskomponente des resonanten Schmalbandpassfilters, der die unstetige Aufbeulung darstellt, wird nicht stimuliert. Als eine Folge kann die selbstansteigende Fluktuation des Metallspiegels aufgelöst werden.
Im Folgenden wird eine Beschreibung der Charakteristik der Transferfunktion K der Metallspiegelregelvorrichtung 20 dargelegt, die die Empfindlichkeitsfunktion S verwirklicht, die benötigt wird.
Wie von der Gleichung (3-1) gezeigt, wird die Empfindlichkeitsfunktion S von der Transferfunktion L mit offener Schleife (open loop) der Regelschleife abgeleitet, und die Transferfunktion L mit offener Schleife erscheint im Nenner der Gleichung (3-1).Das heisst, es scheint, dass durch Steigerung der Verstärkung der Transferfunktion L mit offener Schleife bei der periodischen Störfrequenz der absolute Wert des Nenners der Gleichung (3-1) gesteigert werden kann, und dass die Verstärkung der Empfindlichkeitsfunktion S bei der periodischen Störfrequenz verringert werden kann.
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Die Transferfunktion L mit offener Schleife wird durch das Produkt aller Transferfunktionen der Elemente in der Regelschleife gebildet und kann nicht durch eine andere als die Transferfunktion K der Metallspiegelregelvorrichtung 20 eingestellt werden, und entsprechend kann die Verstärkung der Transferfunktion K selbst der Metallspiegelregelvorrichtung 20 auch hoch bei der periodischen Störfrequenz eingestellt werden. Insbesondere kann eine Oszillationseigenschaft der Resonanz bei der periodischen Störfrequenz für die Transferfunktion K der Metallspiegelregelvorrichtung 20 vorgesehen werden.
Im Folgenden wird die Transferfunktion K der Metallspiegelregelvorrichtung 20 abgeleitet, so dass die Verstärkung bei der periodischen Störfrequenz vergrössert wird. Entsprechend dem Verfahren wird eine Oszillationskomponente der Resonanz bei der periodischen Störfrequenz zur Transferfunktion K der Metallspiegelregelvorrichtung 20 addiert, die Regelschleife durch Anwendung der H#-Regelunsgtheorie wird geformt, und gleichzeitig wird die robuste Stabilität sichergestellt.
Fig. 5 zeigt ein Zusammenstellungsbeispiel einer allgemeinen Anlage beim Studium einer H#- Regelvorrichtung. In Fig. 5 bezeichnen die Bezeichnungen w1 und w2 Eingangszustandsgrössen, und die Bezeichnungen z, und z2 bezeichnen Ausgangszustandsgrössen mit Bezug auf eine allgemeine Anlage bei der Anwendung der H#-Regelungstheorie. Die Bezeichnungen a und # bezeichnen positive Konstanten. Die Bezeichnung C bezeichnet eine Transferfunktion zur Vergrösserung der Verstärkung der Transferfunktion K der Metallspiegelregelvorrichtung 20 bei einer festgelegten Frequenz.
Die Bezeichnung wt bezeichnet eine Transferfunktion, um den Einfluss der Unsicherheit (Modellierungsfehler) von beispielsweise einer Zeitperiode zur Bewegung des geschmolzenen Stahls durch die Einlassdüse zu vermeiden (im Allgemeinen als Fallzeit des geschmolzenen Stahls bezeichnet) oder den eines Totbandes bzw. Leergangs der Stopfenbetätigungsvorrichtung. Weiterhin bezeichnet die Bezeichnung H eine Transferfunktion, die berechnet wird durch Lösung des H-Regelungsproblems, und die Bezeichnungen ug und yg bezeichnen Zustandsgrössen, die eine Regeleingangsgrösse und eine Regelausgangsgrösse der allgemeinen Anlage darstellen.
Es sei angenommen, dass das H#-Regelungsproblem, welches von der Gleichung (3-3) dargestellt wird, die unten gezeigt wird, bei der oben beschriebenen allgemeinen Anlage gelöst wird, um dadurch die Transferfunktion H vorzusehen.
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Dann kann die erwünschte Transferfunktion K der Metallspiegelregelvorrichtung 20 wie folgt vorgesehen werden K=C#H (3-4) In der Gleichung (3-3) bezeichnen die Bezeichnungen S, und To eine Empfindlichkeitsfunktion und eine komplementäre Empfindlichkeitsfunktion einer in Fig. 5 gezeigten Regelschleife für die allgemeine Anlage.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, während spezifische Transferfunktionen gezeigt werden. Obwohl weiterhin ein einfachstes mathematisches Modell der Einfachheit halber bei der Erklärung verwendet wird, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Es scheint, dass wenn jeweilige Transferfunktionen vollständiger dargestellt werden, die Metallspiegelregelvorrichtung 20 mit guter Funktion und hoher Genauigkeit zusammengestellt werden kann. Es sei jedoch zuvor bemerkt, das die Zusammensetzung leicht erfassbar ist, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Fig. 6 zeigt ein Blockdiagramm, welches spezifische Transferfunktionen auf das Regelobjekt des Metallspiegels anwendet, wie von Fig. 4 gezeigt.
In Fig. 6 bezeichnen die Bezeichnungen Tn, Kq, A und T, jeweils eine Betriebsverzögerungszeit der Stopfengetätigungsvorrichtung, eine Flussratenverstärkung des Stopfens, ein Querschnittsgebiet der Form und eine Betriebsverzögerungszeit des Metallspiegeldetektores 12, und diese bilden Parameter, die mit der Zeit nicht variabel sind. Dadurch wirkt die Transferfunktion P des Regelobjektes des Metallspiegels wie unten gezeigt.
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Die Transferfunktion C zur Steigerung der Verstärkung der Transferfunktion K der Metallspiegelregelvorrichtung 20 bei der spezifischen Frequenz ist unten gezeigt.
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Der erste Ausdruck in der Gleichung (3-6) zeigt eine Oszillations- (oder Resonanz-) komponente, die durch eine periodische Störung zurückgeworfen wird, und die Bezeichnung #n bezeichnet eine periodische Störoszillationsfrequenz.
Die Bezeichnung bezeichnet einen Dämpfungskoeffizienten der Oszillationskomponente, die einen Betrieb der Einstellung der Verstärkung der Grösse C bei der Frequenz #n. Weiterhin wird der zweite Ausdruck in der Gleichung (3-6) eingeführt, um den gleichen Vorgang auszuführen, wie das Integrationsglied im PI-Regler, d. h. die stetige Abweichung in der Metallspiegelregelung auf Null zu setzen.
Die Fig. 7A und 7B zeigen ein Ergebnis der Aufzeichnung der Frequenzcharakteristik der Grösse C durch ein Bode-Diagramm.
Um den Einfluss des Modellierungsfehlers zu vermeiden, kann die Transferfunktion WT so definiert werden, dass der Ausdruck WT#P#C in der Gleichung (3-3) ausgeglichen bzw. gleich wird. Beispielsweise ist WT wie folgt definiert.
WT=T1#(1+s#T2) (1+s-Ts) (3-7) In Gleichung (3-7) bezeichnen die Bezeichnungen T1, T2 und T3 Einstellparameter, und die Verstärkungskurve des Frequenzansprechens der Grösse WT kann definiert werden, um eine Verstärkungskurve des Frequenzansprechens der Multiplikationsstörung Am des Metallspiegelregelobjektes bzw. -zieles P abzudecken (eine Transferfunktion P' des gestörten Metallspiegelregelobjektes wird ausgedrückt als P'= (1+Am) P).
Die Fig. 8A und 8B zeigen ein Beispiel zur Erläuterung der Frequenzcharakteristik von WT durch ein Bode-Diagramm.
Durch den oben beschriebenen Vorgang werden Zustandsgleichungen der in Fig. 5 gezeigten allgemeinen Fabrik aus Gleichung (3-8) berechnet, die unten gezeigt ist.
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Übrigens bezeichnen die Bezeichnungen ao, a1, a2, a3, a4, a5, as, bo, b1, b2, b3, b4, b5, Co, c1, c2, c3, c4, und c5 Koeffizienten der jeweiligen Ausdrücke, wenn ein Ergebnis des jeweiligen Einsetzens der Gleichung (3-5), der Gleichung (3-6) und der Gleichung (3-7) für den Ausdruck WT#P#C und den Ausdruck P#C und die Entwicklung bzw.
Umstellung des Nenners und des Zählers der Transferfunktion durch die Gleichung (3-9) definiert wird, wie unten gezeigt.
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Das Hoo-Regelungsproblem wird gelöst durch die Zustandsgleichungen der Gleichung (3-8) um dadurch die Grösse H zu berechnen, und die Transferfunktion K der Metallspiegelregelvorrichtung 20 wird berechnet durch die Gleichung (3-4).
Die Fig. 9A und 9B zeigen ein Ergebnis der Aufzeichnung der Frequenzcharakteristik der Regelschleifenempfindlichkeitsfunktion S unter Verwendung der berechneten Transferfunktion K der Metallspiegelregelvorrichtung 20 durch ein Bode-Diagramm. Gemäss der Fig. 9A und 9B sei bemerkt, dass ein scharfes Tal der Verstärkungskurve bei der periodischen Störungsfrequenz vorhanden ist, und es ist bekannt, dass es einen Effekt der Einschränkung des periodischen Störflusses in die Form 10 gibt. In den Beispielen der Fig. 9A und 9B wird die angenommene Periode der periodischen Störung auf 0,3 (Hz) eingestellt.
Die Periode der periodischen Störung, die beim Betrieb der Stranggussvorrichtung erzeugt wird, wird abhängig von der Situation der Veränderung der Gussgeschwindigkeit oder ähnlichem verändert. Entsprechend damit wird die Störungseinschränkungsfunktion der Metallspiegelregelvorrichtung 20 optimiert, um dadurch zu ermöglichen, die Oszillation des Metallspiegels in irgendeinem Betriebszustand einzuschränken. Dies wird durchgeführt, indem man die Frequenz der periodischen Störung beim Fliessen in die Form 10 mit der Frequenz beim Tal der Verstärkungskurve im Bode-Diagramm der Regelschleifenempfindlichkeitsfunktion S übereinstimmen lässt. Anders gesagt wird die Oszillationsfrequenz #n in der Gleichung (3-6) auf die Frequenz der periodischen Störung eingestellt.
Zu diesem Zweck werden die folgenden Verfahren benö-
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tigt.
(1) Es ist bekannt, dass die Frequenz der periodischen Störung im Wesentlichen gleich einem Wert der Gussgeschwindigkeit geteilt durch das Intervall zwischen den Rollen ist, und daher wird die Frequenz der periodischen Störung durch Detektieren der Gussgeschwindigkeit angenommen.
(2) Der zeitliche Übergang des detektierten Wertes des Metallspiegels wird verarbeitet beispielsweise durch Verwendung einer Hochgeschwindigkeitsfrequenzfouriertransformations- bzw. Fast-Fourier-Transformations- (FFT-) und die Oszillationsfrequenz des Me- tallspiegels, die im Hinblick auf den Betrieb problematisch ist, wird detektiert.
Durch die oben beschriebenen Verfahren kann die erwünschte Oszillationsfrequenz #n der Transferfunktion der Metallspiegelregelvorrichtung 20 abgeschätzt werden, und die Metallspiegelregelvorrichtung 20 kann gemäss der Situation erneut geplant werden.
Insbesondere werden die folgenden ersten und zweiten Verfahren angewandt. Gemäss des ersten Verfahrens, wird zuvor eine Vielzahl von Transferfunktionen der Metallspiegelregelvorrichtung 20 vorbereitet, und zwar mit unterschiedlichen Oszillationsfrequenzen #n, und unter diesen wird gemäss der Situation eine optimale Transferfunktion der Metallspiegelregelvorrichtung 20 ausgewählt und zur Anwendung geschaltet. Gemäss des zweiten Verfahrens wird eine Prozedur der Berechnung der Transferfunktion der Metallspiegelregelvorrichtung 20 automatisiert, und während des Betriebes wird gemäss der Situation die Transferfunktion der Metallspiegelregelvorrichtung 20 verwendet, die durch Ausführung der Prozedur berechnet wurde. Diese werden bei einer Anpassungseinheit 25 für die periodische Störfrequenz in Fig. 2 ausgeführt, die später erwähnt wird.
Fig. 2 zeigt die Zusammensetzung der Metallspiegelregelvorrichtung 20 gemäss der Erfindung und von damit in Verbindung stehenden Elementen, und es wird eine Erklärung der Funktionen der jeweiligen Zusammensetzungselemente dargelegt.
(1) Metallspiegelsollwerteinstellungseinheit 11 Die Metallspiegelsollwerteinstelleinheit 11 stellt einen Sollwert des Metallspiegels ein und gibt ein Metallspiegelsollwertsignal aus.
(2) Metallspiegeldetektor 12 Der Metallspiegeldetektor 12 detektiert den Metallspiegel bzw. -pegel des geschmolzenen Stahls in der Form und gibt ein Signal für den detektierten Metallspiegelwert aus.
(3) Greifrollenantriebsvorrichtung 13 Die Greifrollenantriebsvorrichtung 13 ist auf der stromabwärtsgelegenen Seite der Form angeordnet, um den erzeugten Strang zur stromabwärtsgelgenen Seite zu transportieren, und gibt ein Signal für den detektierten Gussgeschwindigkeitswert aus.
(4) Stopfenregelvorrichtung 14 Die Stopfenregelvorrichtung 14 empfängt ein Stopfenzustandsgrössensignal, welches aus der Metallspiegelregelvorrichtung 20 ausgegeben wird, und regelt den Stopfen basierend auf einem Stopfenbetriebsgrössensignal.
(5) Regelungsabweichungsberechnungseinheit 21 Die Regelungsabweichungsberechnungseinheit 21 wird mit dem Metallspiegelsollwert und dem Metallspiegelistwert von dem Metallspiegelsollwertsignal und dem Signal für den Metallspiegelistwert versorgt, sie berechnet eine Metallspiegelregelabweichung (d. h. eine Zustandsgrösse, die durch Subtrahieren des Metallspiegel-Istwertes von dem Metallspiegel-Sollwert erzeugt wird) und gibt ein Metallspiegelregelabweichungssignal aus.
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(6) Einschränkungseinheit 22 für die stetige Abweichung Die Einschränkungseinheit 22 für die stetige Abweichung berechnet eine Einschränkungszustandsgrösse für die stetige Abweichung des Metallspiegels durch den zweiten Ausdruck in Gleichung (3-6) und gibt ein Einschränkungssignal für die stetige Abweichung des Metallspiegels aus, die die Zustandsgrösse anzeigt. Aufgrund der Integrationscharakteristik des zweiten Ausdrucks in Gleichung (3-6) wird die Einschränkungszustandsgrösse für die stetige Abweichung des Metallspiegels allmählich gesteigert und arbeitet dahingehend, dass sie die stetige Abweichung des Metallspiegels einschränkt, wenn die stetige Abweichung für eine lange Zeitperiode andauert. Die Einschränkungseinheit 22 für die stetige Abweichung arbeitet ähnlich wie in dem gleichen Aufbau wie das Integrationsglied der herkömmlichen PI-Regler.
(7) Einschränkungseinheit 23 für die periodische Störung Die Einschränkungseinheit 23 für die periodische Störung berechnet eine Einschränkungszustandsgrösse für die periodische Störung des Metallspiegels gemäss des ersten Ausdrucks der Gleichung (3-6) und gibt ein Einschränkungssignal für die periodische Störung des Metallspiegels aus, welches die Zustandsgrösse anzeigt. Wie zuvor beschrieben wird die Einschränkungseinheit 23 für die periodische Störung mit einem signifikanten Merkmal dahingehend versehen, dass die Einschränkungseinheit 23 für die periodische Störung mit einem Regelungselement versehen ist, welches mit einer Frequenz gleich der periodischen Störfrequenz an der Innenseite davon oszilliert.
Die Einschränkungseinheit 23 für die periodische Störung ist mit einer Eigenschaft versehen, wobei wenn der detektierte Metallspiegelwert (und entsprechend die Metallspiegelregelabweichung) mit der oben beschriebenen periodischen Störfrequenz oszilliert, das oben beschriebene Regelungselement stimuliert wird und synchron mit der oben beschriebenen periodischen Störfrequenz oszilliert. Durch den Resonanzzustand wird die grosse Einschränkungszustandsgrösse für die periodische Störung des Metallspiegels geformt. Dies zeigt, dass auch in einem Zustand, wobei ein Grad des Oszillationszustandes des Metallspiegels klein ist, d. h. wobei eine Amplitude der Metallspiegelregelabweichung klein ist, die grosse Einschränkungszustandsgrösse für die periodische Störung des Metallspiegels sofort gebildet wird.
Durch diese Eigenschaft wird der Oszillationszustand während einer Zeitperiode beschränkt, wobei die selbstansteigende Fluktuation des Metallspiegels klein ist, d. h. ein stabiler Betrieb wird nicht behindert, um dadurch das Problem der Erfindung zu erreichen. Weiterhin ist eine Erklärung bei der Spezifikation durch Zuschreiben der Eigenschaft zur Eigenschaft der Regelschleifenemp- findlichkeitsfunktion S dargelegt worden.
(8) Einheit 24 zur robusten Stabilisierung der Regelschleife Die Einheit 24 zur robusten Stabilisierung der Regelschleife berechnet die Stopfenzustandsgrö- #e, so dass die Metallspiegelregelschleife durch die Metallspiegelregelvorrichtung eine robuste Stabilität einrichtet, und zwar durch Empfang des Einschränkungssignals für die stetige Abweichung des Metallspiegels und des Einschränkungssignals für die periodische Störung des Metallspiegels, und gibt ein Stopfenbetriebsgrössensignal aus. Die Einheit 24 für die robuste Stabilisierung der Regelschleife führt eine Berechnung aus, die von der Transferfunktion H in der Beschreibung dargestellt wird.
Wenn die Stopfenbetriebsgrösse basierend auf einer Summe der Einschränkungszustandsgrösse der stetigen Abweichung des Metallspiegels und der Einschränkungszustandsgrösse der periodischen Störung des Metallspiegels berechnet wird, gibt es einen Fall, wobei die Regelschleife instabil wird. Das heisst, wenn die periodische Störfrequenz hoch ist und nahe an einer Crossover- bzw. Kreuzfrequenz der Regelschleife ist, kann dies eine Situation verursachen, wobei es keinen Verstärkungsrahmen und keinen Phasenrahmen in der Regelschleife gibt. Auch kann weiter wie oben beschrieben ein Fall vorhergesagt werden, wobei die Regelschleife durch den Einfluss eines Modellierungsfehlers instabil wird, der aus der Untersuchung von beispielsweise der Fall- bzw.
Einlasszeit des geschmolzenen Stahls oder der Totzone bzw. dem Leergang der Stopfenbetätigungsvorrichtung weggelassen wurde, oder durch eine Variation der Charakteristik des Regelobjektes bzw. Regelziels des Metallspiegels, die unerwarteter Weise beim Betrieb der Stranggussvorrichtung verursacht wurde.
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Gemäss der Erfindung werden daher die oben beschriebenen zwei Probleme gelöst durch Zuordnung der Probleme zum Hoo-Regelungsproblem.
(9) Anpassungseinheit 25 für die periodische Störfrequenz Die Anpassungseinheit 25 für die periodische Störfrequenz verändert die Berechnungscharakteristiken der Einschränkungseinheit 23 für die periodische Störung und der Einheit 24 zur robusten Stabilisierung der Regelschleife durch Aufnahme des detektierten Metallspiegelwertsignals und des detektierten Gussgeschwindigkeitswertsignals. Wie beim Erklären der Einschränkungseinheit 23 für die periodische Störung beschrieben, liegt das Merkmal der Metallspiegelregelvorrichtung 20 gemäss der Erfindung darin, dass die Einschränkungseinheit 23 für die periodische Störung mit einem Regelungselement versehen ist, welches mit einer Frequenz oszilliert, die gleich der periodischen Störfrequenz ist, um dadurch in bemerkenswerter Weise die Funktion der Einschränkung der periodischen Störung zu begünstigen.
Jedoch wird die periodische Störfrequenz abhängig von verschiedenen Zuständen im Betrieb der Stranggussvorrichtung verändert. Wenn die Frequenz des Oszillationsregelungselementes, welches in der Metallspiegelregelvorrichtung vorgesehen ist, anders ist als die periodische Störfrequenz, wird der Effekt der Metallspiegelregelvorrichtung verringert. Daher ist die Anpassungseinheit 25 für die periodische Störfrequenz aufgebaut, um die Transferfunktion K der Metallspiegelregelvorrichtung 20 zu verändern, wie es für den oben beschriebenen Wert nötig ist, der erzeugt wird durch Teilung der Gussgeschwindigkeit durch das Rollenintervall oder durch die Messung, die im Absatz über die FFT beschrieben wurde.
Weiterhin kann eine solche Metallspiegelregelvorrichtung 20 durch einen Computer verwirklicht werden.
Fig. 10 zeigt ein Ergebnis der Anwendung der Metallspiegelregelvorrichtung gemäss der Erfindung. In Fig. 10 erzeugt eine Wellenform einer durchgezogenen Linie an der oberen Seite den zeitlichen Übergang des detektierten Metallspiegelwertes, und eine Wellenform mit gestrichelter Linie an der unteren Seite zeigt den zeitlichen Übergang der Stopfenbetriebsgrösse an.
Um den Effekt der Metallspiegelregelvorrichtung zu zeigen, zeigt Fig. 10 ein Verhalten, wobei ein Regelzustand des herkömmlichen PI-Reglers auf einen Regelzustand der Metallspiegelregelvorrichtung geschaltet wird. Das heisst, bis zu 150 Sekunden auf der Zeitachse ist eine Situation gezeigt, in der der Metallspiegel durch die herkömmliche PI-Regelung geregelt wird. Es ist eine Situation gezeigt, wobei zum Zeitpunkt von 150 Sekunden die Regelung auf jene der Metallspiegelregelvorrichtung geschaltet wird, und wobei danach der Metallpegel durch die Metallspiegelregelvorrichtung geregelt wird.
Gemäss Fig. 10 ist ein Verhalten bekannt, wobei in einer Zeitperiode, in der die Regelung durch den PI-Regler ausgeführt wird, der Metallspiegel stark oszilliert und weiter die Amplitude allmählich ansteigt. Andererseits ist ein Verhalten bekannt, wobei nach dem Schalten auf die Metallspiegelregelvorrichtung die Oszillation schnell umgewandelt wird und der Metallspiegel stabil geregelt wird. Das Verhalten bestätigt die Studien, die hinter der Erfindung stehen, die beschrieben worden ist, und zeigt, dass die Erfindung ihr Ziel erreicht.
Übrigens fällt gemäss der Erfindung ein spezieller numerischer Wert des Effektes der Einschränkung der periodischen Spiegelfluktuation entsprechend dem herkömmlichen Regelungssystem in einen Bereich von 20 bis 30 (%), wobei dort der Effekt der Einschränkung der periodischen Spiegelfluktuation von 96,7 (%) oder höher erreicht wird.
Wie gemäss der Erfindung erklärt, kann die Metallspiegelregelvorrichtung vorgesehen werden, die stabil und konstant den Metallspiegel regelt, auch wenn die Vorrichtung dem Einfluss der periodischen Störung im Metallspiegel unterliegt.