CN104281166B - 连铸机的液位控制方法 - Google Patents

Abstract

一种连铸机的液位控制方法。在此连铸机的液位控制方法中，首先，根据结晶器于第一时间点的液位累积变动量来判断是否进行补偿。当决定进行补偿后，判断结晶器的液位波动主频率是否大于预设频率阈值，以据此来决定补偿控制器。然后，利用此补偿控制器来补偿结晶器于第一时间点的第一液位实际值，以获得第一补偿后液位实际值。然后，根据第一补偿后液位实际值来利用液位控制器控制结晶器的液位。接着，计算结晶器的液位波动振幅，以根据液位波动振幅来调整补偿控制器的补偿强度。然后，于第二时间点获得第二液位实际值，以对其进行补偿。

Description

连铸机的液位控制方法

技术领域

本发明是有关于一种连铸机的液位控制方法，特别是有关于一种连铸机的结晶器液位的控制方法。

背景技术

连铸机(Continuous Caster)是一种应用连续铸造技术的金属铸造设备，其是将液态的熔融金属直接凝固并辊轧成金属薄片。一般而言，连铸机包含分配器、结晶器、辊轮机台等，其中结晶器内的金属液位(例如钢液液位)稳定性对于钢胚的质量以及生产效能有很大的影响，故目前的连铸机皆会利用比例-积分-微分(PID)控制器来进行结晶器液位的稳定控制。例如，提供一预设的液位高度设值至PID控制器，使PID控制器根据此液位高度设值和结晶器的液位实际高度来控制结晶器液位，使结晶器液位的液位稳定而不会产生剧烈的变化。

然而，影响液位变动的因素很多，例如驱动铸机的油压系统的压力变化、浇铸钢种凝壳厚度的不同、铸嘴堵塞等因素。由于现有控制法则无法针对各式各样的变异，开发出相对应的参数设计，因而目前连铸机的结晶器液位仍会产生不稳定的现象。

故，需要一种新的连铸机液位控制方法来维持液位的稳定。

发明内容

本发明的一方面是在提供于一种连铸机液位控制方法，其是根据长时间的液位变化分析后，取得液位变动的频率，再利用频率相位补偿法来使连铸机的液位控制得以维持稳定。

根据本发明的一实施例，在此连铸机液位控制方法中，首先提供连铸机的结晶器的液位设定值。然后，进行液位实际值补偿步骤。在此液位实际值补偿步骤中，首先计算结晶器的液位波动主频率，并判断此液位波动主频率是否大于预设频率阈值，以提供第一判断结果。接着，进行补偿控制器决定步骤，以根据第一判断结果来决定补偿控制器。接着，获取结晶器于第一时间点的第一液位实际值。然后，利用补偿控制器来根据液位设定值补偿第一液位实际值，以获得第一补偿后液位实际值。接着，利用补偿控制器来根据液位设定值补偿第一液位实际值，以获得第一补偿后液位实际值。然后，将第一补偿后液位实际值以及液位设定值输入至液位控制器中，以使液位控制器根据液位设定值以及第一补偿后液位实际值来控制结晶器的液位高度。接着，计算结晶器的液位波动振幅。然后，判断液位波动振幅是否大于第一波动振幅阈值，以提供第二判断结果。接着，于第二时间点获得第二液位实际值。然后，进行补偿强度调整步骤，以根据第二判断结果来调整补偿控制器的补偿强度，并利用补偿控制器来根据液位设定值补偿第二液位实际值，以获得第二补偿后液位实际值。然后，将第二补偿后液位实际值及液位设定值输入至液位控制器中，以使液位控制器根据液位设定值以及第二补偿后液位实际值来控制结晶器的液位高度。

根据本发明的另一实施例，首先提供连铸机的一结晶器的一液位设定值。接着，计算结晶器的液位累积变动量，其中此液位累积变动量为结晶器中的液体液面于预设时间中的变化量的累积。然后，进行液位实际值补偿步骤。在此液位实际值补偿步骤中，首先计算结晶器的液位波动主频率，并判断液位波动主频率是否大于预设频率阈值，以提供第一判断结果。接着，判断液位累积变动量是否大于第一液位变动量阈值，以提供第二判断结果。然后，计算结晶器的第一液位波动振幅，并判断第一液位波动振幅是否大于第一波动振幅阈值，以提供第三判断结果。

进行补偿控制器决定步骤，以根据第一判断结果、第二判断结果以及该第三判断结果来决定补偿控制器。接着，获取结晶器于第一时间点的第一液位实际值。接着，利用补偿控制器来根据液位设定值补偿第一液位实际值，以获得第一补偿后液位实际值。然后，将第一补偿后液位实际值以及液位设定值输入至液位控制器中，以使液位控制器根据液位设定值以及第一补偿后液位实际值来控制结晶器的液位高度。接着，于液位控制器根据液位设定值以及第一补偿后液位实际值来控制结晶器的液位高度之后，计算结晶器的第一液位波动振幅。然后，判断第二液位波动振幅是否大于第二波动振幅阈值，以提供第四判断结果。接着，于第二时间点获得第二液位实际值。然后，进行补偿强度调整步骤，以根据第四判断结果来调整补偿控制器的补偿强度，并利用补偿控制器来根据液位设定值补偿第二液位实际值，以获得第二补偿后液位实际值。接着，将第二补偿后液位实际值及液位设定值输入至液位控制器中，以使液位控制器根据液位设定值以及第二补偿后液位实际值来控制结晶器的液位高度。

由上述说明可知，本发明实施例的连铸机液位控制方法，其是根据液位变动的频率，再利用频率相位补偿法与滑动模式控制法来增加控制器的可控范围，使控制器可针对连铸生产时的变异进行液位高度稳定控制。

附图说明

为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，上文特举数个较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：

图1为绘示根据本发明实施例的连铸机的液位控制方法的流程示意图。

图2为绘示根据本发明实施例的连铸机的液位补偿系统示意图。

图3为绘示根据本发明实施例的液位实际值补偿步骤的流程示意图。

图4为绘示根据本发明实施例的补偿强度调整步骤的流程示意图。

图5为绘示根据本发明实施例的实际值补偿步骤的流程示意图。

图6为绘示根据本发明实施例的连铸机的液位补偿系统的示意图。

具体实施方式

请同时参照图1和图2，图1为绘示根据本发明实施例的连铸机的液位控制方法100的流程示意图，图2为绘示根据本发明实施例的连铸机的液位补偿系统200示意图。本实施例的液位补偿系统200利用液位控制方法100来针对液位高度实际值进行补偿，以使提高连铸机对结晶器液面高度的可控范围。补偿装置210包含补偿决策逻辑模块211、傅立叶转换(Fourier transform)模块212、相位领先补偿控制器213、相位落后补偿控制器214。补偿决策逻辑模块211利用连铸机液位控制方法100来决定欲使用的补偿控制器以及补偿强度，以输出补偿后的实际值至液位控制模块220。液位控制模块220包含习知液位控制器222以及开关224，如此可利用开关224来决定是否利用补偿后的实际值来进行液位控制。

在此连铸机液位控制方法100中，首先进行液位设定值提供步骤110，以提供预设的液位设定值。此液位设定值用以作为补偿装置210和PID控制器222补偿液位的参考值。接着，进行液位实际值获取步骤120，以获取结晶器的实际液位值。在一般的连铸机中，皆会设置有液位高度侦测器，以侦测结晶器中的实际液位高度。本实施例的补偿决策逻辑模块211接收此实际液位值和预设的液位设定值，以利用补偿控制器来计算出补偿后的实际值供PID控制器222使用。

然后，进行液位累积变动量计算步骤130，以计算结晶器的液位累积变动量。在本实施例中，液位累积变动量计算步骤130以60秒为一个量测区段来计算，而变动量计算则是以相邻时间点所对应的液位变化来计算。例如，若液位实际值获取步骤120每秒可获得一个液位实际值，且分别于相邻时间点t₁与t₂(t₂>t₁)获得液位实际值h₁与h₂，则液位累积变动量计算步骤130会计算h₁与h₂的差值的绝对值，以作为时间点t₂对应的变动量。又例如，若液位实际值获取步骤120于接下来的时间点t₃(t₃>t₂)获得液位实际值h₃，则液位累积变动量计算步骤130会计算h₂与h₃的差值的绝对值，以作为时间点t₃对应的变动量。如此，当液位累积变动量计算步骤130获得60个液位实际值h₁～h₆₀后(对应时间点t₁～t₆₀)，液位累积变动量计算步骤130会将60秒内所获得的59个变动量加总，以获得结晶器的液位累积变动量。然而，值得一提的是，本发明实施例的液位累积变动量计算步骤130的计算方式并不受限于本实施例。在本发明的其它实施例中，液位累积变动量计算步骤130所采用的量测区段不限定于60秒，而变动量计算也不受限于相邻时间点所对应的液位高度。在本发明的其它实施例中，液位累积变动量计算步骤130所采用的量测区段可为120秒或者120笔液位实际值数据。

接着，进行判断步骤140，以判断液位累积变动量是否大于预设的液位变动量阈值a。若液位累积变动量计算步骤130所计算求得的液位累积变动量小于预设液位变动量阈值a，则表示结晶器的液位变动程度仍在允许范围内，PID控制器222仍可稳定结晶器的液位变动，不需利用补偿装置210来进行补偿。反的，若液位累积变动量大于预设液位变动量阈值a，则表示PID控制器222已无法定结晶器的液位变动，故需要开启补偿装置210来进行实际值补偿步骤150，以输出补偿值至PID控制器222。

另外，液位累积变动量计算步骤130采取先进先出的方式来进行计算。例如，本实施例的液位累积变动量计算步骤130只累计59个液位变动量，因此当判断步骤140处理完59个液位变动量累计值后，若液位累积变动量计算步骤130获取第60个变动量，第1个变动量会被排除，而只计算第2～60个变动量的累积，再进行判断步骤140。

值得一提的是，虽然本实施例应用液位累积变动量来判断是否进行补偿，但本发明的实施例并不受限于此。在本发明的其它实施例中，亦可利用其它方式来判断是否进行补偿，又或者依靠使用者自行判断是否进行补偿，而不使用其它自动判断机制。

请参照图3，其为绘示根据本发明实施例的液位实际值补偿步骤150的流程示意图。在液位实际值补偿步骤150中，首先进行液位波动主频率计算步骤151，以根据液位实际值获取步骤120所获取的多个液位高度值(例如h₁～h₆₀)来计算液位波动的主频率。在本实施例中，液位波动主频率计算步骤151利用傅立叶转换(Fourier transform)模块212来求得液位波动的主频率。在本实施例中，傅立叶转换(Fourier transform)模块212利用快速傅立叶转换算法来计算出液位波动的主频率，但本发明的实施例并不受限于此。

接着，进行判断步骤152以及补偿控制器决定步骤153，以判断液位波动主频率是否大于预设的频率阈值，并根据判断结果来决定补偿控制器的类型。在本实施例中，候选的补偿控制器为相位领先补偿控制器213以及相位落后补偿控制器214，但本发明的实施例并不受限于此。在本发明的其它实施例中，决定补偿控制器类型的条件不受限于液位波动主频率，而候选的补偿控制器也不限定于相位领先补偿控制器以及相位落后补偿控制器。

在补偿控制器决定步骤153中，当液位波动主频率大于预设频率阈值b时，选择相位落后补偿控制器214来作为补偿控制器。反的，当液位波动主频率小于或等于预设频率阈值b时，选择相位领先补偿控制器213来作为补偿控制器。

然后，进行补偿步骤154，以利用补偿控制器决定步骤153所决定的补偿控制器来对液位实际值进行补偿。在本实施例中，进行补偿步骤154时，可撷取目前时间点(以下称为第一时间点)所对应的液位实际值，并以预设初始补偿强度对其进行补偿，而获得补偿后液位实际值。然而，本发明的实施例并不受限于此。在本发明的其它实施例中，亦可针对液位累积变动量大于阈值的时间点所对应的液位实际值来进行补偿。例如，当液位实际值获取步骤120获取时间点t₆₀所对应的液位实际值h₆₀后，若液位累积变动量大于预设液位变动量阈值，则补偿步骤154可于补偿控制器的类型决定后，对时间点t₆₀所对应的液位实际值h₆₀进行补偿，以获得补偿后的液位实际值。

接着，进行液位调整步骤155，以将补偿后液位实际值输出至液位控制器222，以使PID控制器222根据补偿后液位实际值以及液位高度设定值来调整结晶器的液位。

然后，进行液位实际值获取步骤156，以于液位调整步骤155后，获取多个液位实际值，其中这些液位实际值所对应的时间点大于前述的第一时间点。然后，进行液位波动振幅计算步骤157，以利用液位实际值获取步骤156所获得的多个液位实际值，来计算出液位波动振幅。在本实施例中，液位波动振幅计算步骤157利用傅立叶转换(Fourier transform)模块212将这些液位实际值从时域转换至频率域，然后求得前述液位波动主频率所对应的振幅值，此振幅值即为液位波动振幅。在本实施例中，傅立叶转换(Fourier transform)模块212利用快速傅立叶转换算法来计算出液位波动振幅，但本发明的实施例并不受限于此。

然后，进行判断步骤158，以判断液位波动振幅值是否大于预设的波动振幅阈值。接着，进行补偿强度调整步骤159，以根据判断结果来调整补偿控制器的补偿强度，并利用强度调整后的补偿控制器来补偿液位实际值。在本实施例中，进行补偿强度调整步骤159时，可撷取目前时间点(以下称为第二时间点)所对应的液位实际值，并对其进行补偿以获得补偿后液位实际值。然而，本发明的实施例并不受限于此。在本发明的其它实施例中，亦可针对液位波动振幅值大于预设的波动振幅阈值的时间点所对应的液位实际值来进行补偿。

请参照图4，其为绘示根据本发明实施例的补偿强度调整步骤159的流程示意图。在补偿强度调整步骤159中，当液位波动振幅值大于预设的波动振幅阈值c时，进行判断步骤159a，以判断补偿控制器的补偿强度是否已达上限。若补偿控制器的补偿强度未达上限，则进行强度增加步骤159b，以增加补偿强度。反的，则维持强度不变。接着，回到步骤156以持续获取液位实际值，并进行液位波动振幅计算步骤157和判断步骤158，以持续监控后续的液位波动振幅。其中，液位波动振幅计算步骤157亦根据一量测区段来进行。例如，液位波动振幅计算步骤157以60秒为量测区段来收集多笔液位实际值。又例如，液位波动振幅计算步骤157一次只收集60笔液位实际值来进行计算。另外，液位波动振幅计算步骤157亦采用先进先出的方式来计算液位波动振幅。

当液位波动振幅值未大于预设的波动振幅阈值c时，进行判断步骤159c，以判断液位波动振幅值是否大于另一预设的波动振幅阈值e，其中预设波动振幅阈值e小于预设波动振幅阈值c。当液位波动振幅值大于预设波动振幅阈值e时，则维持补偿控制器的补偿强度。当液位波动振幅值小于或等于预设波动振幅阈值e时，则进行判断步骤159d，以判断补偿控制器的补偿强度是否已达下限。若补偿控制器的补偿强度未达下限，则进行强度减少步骤159e，以降低补偿强度。反的，则结束补偿，并关闭补偿装置。接着，持续进行液位波动振幅计算步骤157和判断步骤158，以持续监控液位波动振幅。

请回到图1，在液位实际值补偿步骤150后，接着进行液位控制步骤160，以将补偿后液位实际值及该液位设定值输入至液位控制器222中，以使液位控制器222根据液位设定值以及补偿后液位实际值来控制结晶器的液位高度。

由以上说明可知，本实施例的连铸机的液位控制方法100可于不更动原有PID液位控制器的架构下，利用傅立叶转换法、相位补偿法来增加结晶器液位的可控制范围，以对应连铸生产时各种可能发生的变异，并抑制液位波动、使液位稳定。

请同时参照图5和图6，图5为绘示根据本发明实施例的液位实际值补偿步骤550的流程示意图，图6为绘示根据本发明实施例的应用液位实际值补偿步骤550的液位补偿系统600的示意图。液位实际值补偿步骤550类似于液位实际值补偿步骤150，但不同的处在于液位实际值补偿步骤550更可利用滑动模式补偿控制器来进行补偿。

液位实际值补偿步骤550包含累积变动量判断步骤552、液位波动振幅计算步骤554、液位波动振幅判断步骤556以及补偿控制器决定步骤558。累积变动量判断步骤552判断液位累积变动量计算步骤130所计算获得的累积变动量是否大于另一变动量阈值d，其中此变动量阈值d大于前述的变动量阈值a。液位波动振幅计算步骤554类似于液位波动振幅计算步骤157，亦用以计算结晶器的液位波动振幅，但不同的处在于液位波动振幅计算步骤554于液位调整步骤155的前进行。液位波动振幅判断步骤556判断液位波动振幅计算步骤520所获得的液位波动振幅是否大于前述的液位波动振幅阈值c，以作为决定补偿控制器类型的依据。

补偿控制器决定步骤558根据液位波动主频率计算步骤151、累积变动量判断步骤552以及液位波动振幅判断步骤556的判断结果来决定补偿控制器。例如，当液位波动主频率小于或等于预设频率阈值b时，选择相位领先补偿控制器213来作为补偿控制器。又例如，当液位波动主频率大于预设频率阈值b，但累积变动量并未大于变动量阈值d或者液位波动振幅未大于液位波动振幅阈值c，则选择相位落后补偿控制器214来作为补偿控制器。再例如，当液位波动主频率大于预设频率阈值b，且累积变动量和液位波动振幅皆大于变动量阈值d与液位波动振幅阈值c，则选择滑动模式补偿控制器610来作为补偿控制器。

由上述说明可知本发明实施例的液位实际值补偿步骤550利用傅立叶转换法、相位补偿法与滑动模式控制法来增加结晶器液位的可控制范围，以对应连铸生产时各种可能发生的变异，并抑制液位波动、使液位稳定。相较于应用液位实际值补偿步骤150的液位控制方法100，本实施例可针对包晶钢种的周期性液位震荡，以滑动模式控制法加以抑制，提升连铸钢胚表面稳定性。

虽然本发明已以数个实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，在本发明所属技术领域中任何普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定者为准。

Claims (12)

1.一种连铸机的液位控制方法，包含：

提供该连铸机的一结晶器的一液位设定值；以及

进行一液位实际值补偿步骤，包含：

计算该结晶器的一液位波动主频率；

判断该液位波动主频率是否大于一预设频率阈值，以提供一第一判断结果；

进行一补偿控制器决定步骤，以根据该第一判断结果来决定一补偿控制器；

获取该结晶器于一第一时间点的一第一液位实际值；

利用该补偿控制器来根据该液位设定值补偿该第一液位实际值，以获得一第一补偿后液位实际值；

将该第一补偿后液位实际值以及该液位设定值输入至一液位控制器中，以使该液位控制器根据该液位设定值以及该第一补偿后液位实际值来控制该结晶器的液位高度；

计算该结晶器的一液位波动振幅；

判断该液位波动振幅是否大于一第一波动振幅阈值，以提供一第二判断结果；

于一第二时间点获得一第二液位实际值；以及

进行一补偿强度调整步骤，以根据该第二判断结果来调整该补偿控制器的补偿强度，并利用该补偿控制器来根据该液位设定值补偿该第二液位实际值，以获得一第二补偿后液位实际值；以及

将该第二补偿后液位实际值及该液位设定值输入至该液位控制器中，以使该液位控制器根据该液位设定值以及该第二补偿后液位实际值来控制该结晶器的液位高度；

其中当该第二判断结果为否时，该补偿强度调整步骤包含：

判断该液位波动振幅是否大于一第二波动振幅阈值，以提供一第三判断结果，其中该第二波动振幅阈值小于该第一波动振幅阈值；

当该第三判断结果为否时，判断该补偿控制器的一补偿强度是否达到一预设下限值；以及

当该补偿控制器的一补偿强度未达到该预设下限值时，降低该补偿控制器的补偿强度。

2.根据权利要求1所述的连铸机的液位控制方法，其中当该第一判断结果为否时，该补偿控制器为相位领先补偿控制器。

3.根据权利要求1所述的连铸机的液位控制方法，其中当该第一判断结果为是时，该补偿控制器为相位落后补偿控制器。

4.根据权利要求1所述的连铸机的液位控制方法，其中当该第二判断结果为是时，该补偿强度调整步骤包含：

判断该补偿控制器的一补偿强度是否达到一预设上限值；以及

当该补偿控制器的一补偿强度未达到该预设上限值时，增加该补偿控制器的补偿强度。

5.根据权利要求1所述的连铸机的液位控制方法，更包含：

计算该结晶器的一液位累积变动量，其中该液位累积变动量为该结晶器中的液体液面于一预设时间中的变化量的累积；

判断该液位累积变动量是否大于一预设液位变动量阈值，以提供一第四判断结果；以及

当该第四判断结果为是时，进行该液位实际值补偿步骤。

6.一种连铸机的液位控制方法，包含：

提供该连铸机的一结晶器的一液位设定值；

计算该结晶器的一液位累积变动量，其中该液位累积变动量为该结晶器中的液体液面于一预设时间中的变化量的累积；以及

进行一液位实际值补偿步骤，包含：

计算该结晶器的一液位波动主频率；

计算该结晶器的一第一液位波动振幅；

判断该液位波动主频率是否大于一预设频率阈值，以提供一第一判断结果；

判断该液位累积变动量是否大于一第一液位变动量阈值，以提供一第二判断结果；

判断该第一液位波动振幅是否大于一第一波动振幅阈值，以提供一第三判断结果；

进行一补偿控制器决定步骤，以根据该第一判断结果、该第二判断结果以及该第三判断结果来决定一补偿控制器；

获取该结晶器于一第一时间点的一第一液位实际值；

利用该补偿控制器来根据该液位设定值补偿该第一液位实际值，以获得一第一补偿后液位实际值；

将该第一补偿后液位实际值以及该液位设定值输入至一液位控制器中，以使该液位控制器根据该液位设定值以及该第一补偿后液位实际值来控制该结晶器的液位高度；

于该液位控制器根据该液位设定值以及该第一补偿后液位实际值来控制该结晶器的液位高度之后，计算该结晶器的一第二液位波动振幅；

判断该第二液位波动振幅是否大于该第一波动振幅阈值，以提供一第四判断结果；

于一第二时间点获得一第二液位实际值；以及

进行一补偿强度调整步骤，以根据该第四判断结果来调整该补偿控制器的补偿强度，并利用该补偿控制器来根据该液位设定值补偿该第二液位实际值，以获得一第二补偿后液位实际值；以及

将该第二补偿后液位实际值及该液位设定值输入至该液位控制器中，以使该液位控制器根据该液位设定值以及该第二补偿后液位实际值来控制该结晶器的液位高度。

7.根据权利要求6所述的连铸机的液位控制方法，其中当该第一判断结果为否时，该补偿控制器为相位领先补偿控制器。

8.根据权利要求6所述的连铸机的液位控制方法，其中当该第一判断结果为是，且该第二判断结果和该第三判断结果中之一者为否时，该补偿控制器为相位落后补偿控制器。

9.根据权利要求6所述的连铸机的液位控制方法，其中当该第一判断结果、该第二判断结果以及该第三判断结果皆为是时，该补偿控制器为滑动模式补偿控制器。

10.根据权利要求6所述的连铸机的液位控制方法，其中当该第四判断结果为是时，该补偿强度调整步骤包含：

判断该补偿控制器的一补偿强度是否达到一预设上限值；以及

当该补偿控制器的一补偿强度未达到该预设上限值时，增加该补偿控制器的补偿强度。

11.根据权利要求6所述的连铸机的液位控制方法，其中当该第三判断结果为否时，该补偿强度调整步骤包含：

判断该第二液位波动振幅是否大于一第二波动振幅阈值，以提供一第五判断结果，其中该第二波动振幅阈值小于该第一波动振幅阈值；

当该第四判断结果为否时，判断该补偿控制器的一补偿强度是否达到一预设下限值；以及

当该补偿控制器的一补偿强度未达到该预设下限值时，降低该补偿控制器的补偿强度。

12.根据权利要求6所述的连铸机的液位控制方法，更包含：

判断该液位累积变动量是否大于一第二液位变动量阈值，以提供一第六判断结果；以及

当该第六判断结果为是时，进行该液位实际值补偿步骤。