DE19633738A1 - Verfahren und Einrichtung zum Gießen eines Stranges aus flüssigem Material - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung zum Gießen eines Stranges aus flüssigem Metall, das in eine Kokille gegossen und als Strang mit erstarrter Hülle und flüssigem Kern aus der Kokille herausgezogen wird.

Beim Stranggießen wird, mittels einer Kokille, aus flüssigem Metall ein Strang gegossen, der aus der Kokille herausgezogen wird. Ein wesentlicher Faktor für eine gute Qualität des so gegossenen Stranges ist eine Konstanthaltung des Gießspie­ gels, d. h. des Stands von flüssigem Metall in der Kokille. Es ist bekannt, den Gießspiegel zu regeln. Dabei ist die Reglerauslegung schwierig, da die Parameter der Regelstrecke, d. h. der Gießapparatur und der Kokille, zum Teil starken Schwankungen unterworfen sind.

Der Zufluß flüssigen Metalls in eine Kokille erfolgt z. B. über ein Zuflußrohr, daß in das flüssige Metall in der Kokille getaucht wird und das Auslaßöffnungen zum Austritt flüssigen Metalls in die Kokille aufweist. Diese Auslaß­ öffnungen werden ggf. im Laufe eines Gießvorgangs aufgrund des Absetzens von erstarrendem Material kleiner. Der Zufluß­ widerstand steigt, d. h. die Regelstrecke wird verändert. Reißt der erstarrtes Material von den Auslaßöffnungen ab, so wird der Zuflußwiderstand sprungartig kleiner und es kommt zu sprungartigen Veränderungen in der Regelstrecke. Durch diese Schwankungen in der Regelstrecke kann ein Regler nicht in be­ zug auf die Regelstrecke optimiert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Gießen eines Stranges aus flüssigem Metall mittels einer Kokille anzuge­ ben, das beim Auftreten von, insbesondere typischer, Störun­ gen den Gießspiegel in der Kokille besser als bisher konstant hält.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw. eine Einrichtung gemäß Anspruch 8 gelöst. Dabei wird der Gießspiegel, d. h. der Stand flüssigen Metalls in der Kokille, durch eine Bestimmung des Gießspiegels und eine Beeinflussung des Zuflusses flüssigen Metalls in der Kokille mittels eines Reglers geregelt, der die Regelpara­ meter on-line mittels Fuzzytechniken an eine Veränderung der Parameter der Regelstrecke, d. h. der Gießapparatur und der Kokille, anpaßt. Die Verwendung von Fuzzytechniken hat sich besonders darin bewährt, Veränderungen in der Regelstrecke zu erkennen und die Regelparameter entsprechend diesen Verände­ rungen anzupassen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, die Regelparameter mittels eines Fuzzyeinstellers zu bilden, dessen Eingangsgröße zumindest eine der Größen Istwert des Gießspiegels, Regelabweichung des Gießspiegels, d. h. Diffe­ renz zwischen Soll- und Istwert des Gießspiegels, oder rela­ tiver Regelabweichung des Gießspiegels, d. h. Quotient aus Differenz zwischen Soll- und Istwert des Gießspiegels und Sollwert des Gießspiegels, ist.

Dabei eignet sich besonders die relative Regelabweichung als Eingangsgröße für den Fuzzyeinsteller. Mit der relativen Re­ gelabweichung, die eine normierte Größe ist, lassen sich die Zugehörigkeitsfunktionen des Fuzzyeinstellers für eine derar­ tige Eingangsgröße besonders einfach einstellen. Die Zugehö­ rigkeitsfunktionen werden in besonders vorteilhafter Ausge­ staltung der Erfindung on-line optimiert. Dabei werden vor­ teilhafterweise die Bereiche der Zugehörigkeit erhöht, wenn periodische oder quasiperiodische Schwankungen im Gießspie­ gel-Istwert steigen. Werden dagegen die periodischen bzw. quasiperiodischen Schwankungen im Gießspiegel-Istwert gerin­ ger, so werden die Bereiche der Zugehörigkeit des Fuzzyein­ stellers ebenfalls verringert.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Regelparameter zusätzlich zur Einstellung durch den Fuzzyeinsteller einer on-line-Optimierung unterzogen. Bei der on-line-Optimierung werden die Regelparameter an periodi­ sche bzw. quasiperiodische Störgrößen, die sich als periodi­ sche bzw. quasiperiodische Schwankungen des Gießspiegel-Ist­ werts bemerkbar machen, optimiert.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Regler eine Reibkraftkompensation auf.

Weitere Vorteile und erfinderische Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, anhand der Zeichnung und in Verbindung mit den Unteransprü­ chen. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Anordnung zum Stranggießen,

Fig. 2 ein Blockschaltbild mit Regler und Regelstrecke,

Fig. 3 ein Blockschaltbild mit Regler und Regelstrecke,

Fig. 4 Zugehörigkeitsfunktionen für die Regelabweichung,

Fig. 5 Zugehörigkeitsfunktionen für die Regelabweichung,

Fig. 6 eine Hardwarestruktur für die Steuerung bzw. Rege­ lung von Stranggußanlagen,

Fig. 7 ein Blockschaltbild mit einem Optimierer,

Fig. 8 einen Optimierungsvorgang,

Fig. 9 ein Blockschaltbild einer Reibkompensation.

In einer beispielhaften Anordnung gemäß Fig. 1 wird flüssiges Metall 13, in diesem Falle Stahl, in eine Verteilerrinne ge­ gossen. Aus der Verteilerrinne fließt flüssiger Stahl über ein Tauchrohr 5 mit Auslaßöffnung 6 in die Kokille 3. In der Kokille 3 bilden sich aus dem flüssigen Stahl ein Strang 1, der über Rollen 4 aus der Kokille 3 herausgezogen wird. Der Zufluß flüssigen Metalls 13 über das Tauchrohr 5 in die Ko­ kille 3 wird über einen Stopfen 8 beeinflußt, der über eine Mechanik 9, die einen Tragarm und eine Hubstange aufweist, bewegt wird. Die Hubstange wird wiederum durch einen Hydrau­ likzylinder 10, der über ein Automatisierungsgerät 12 gesteu­ ert bzw. geregelt wird, angetrieben. Die Position wird mittels eines Positionsmeßgerätes 15 gemessen und an das Au­ tomatisierungsgerät 12 übertragen. Außerdem weist die Anord­ nung ein Kokillenfüllstandsmeßgerät 11 auf, das ebenso wie das Positionsmeßgerät 15 und der Hydraulikzylinder 10 daten­ technisch mit dem Automatisierungsgerät 12 verbunden ist. Das Automatisierungsgerät 12 regelt bzw. steuert den Gießspiegel, d. h. den Stand flüssigen Metalls in der Kokille 3. Der aus der Kokille 3 herausgezogene Strang 1 weist eine Sumpfspitze, d. h. einen flüssigen Kern 2, und eine erstarrte Hülle 14 auf.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild mit Regler und Regelstrecke 28. Wesentliche Einflußgrößen der Regelstrecke 28 bilden der Stopfen 29, die Kokille 30 und die Kokillenfüllstandsmessung 31. Die Regelstrecke wird mittels eines Gießspiegelreglers, der in der beispielhaften Ausgestaltung als PID-Regler ausge­ führt ist, und einem Stellungsregler, der in der beispielhaf­ ten Ausgestaltung als P-Regler ausgeführt ist, geregelt. Mit­ tels des Stellungsreglers 25 wird der Hydraulikzylinder 27 zur Bewegung der Hubstange (Fig. 1) geregelt. Mittels einer zusätzlichen Reibkraftkompensation 26 ist es möglich, die Reibung beim Verstellen der Hubstange zu kompensieren. Die eigentliche Gießspiegelregelung erfolgt im Gießspiegelregler 22, dessen Parameter k_p, t_n, t_v on-line an Parameterschwan­ kungen in der Regelstrecke 28 angepaßt werden. Große und insbesondere aperiodische Schwankungen in der Regelstrecke 28, die sich in der Regelabweichung, d. h. der Differenz zwischen Gießspiegel-Sollwert 20 und Gießspiegel-Istwert 32 bemerkbar machen, werden mittels eines Fuzzyeinstellers 23 an die veränderten Streckenparameter angepaßt. Zur besseren Kom­ pensation von periodischen bzw. quasiperiodischen Störungen, die sich als Schwankungen in der Regelabweichung bemerkbar machen, werden die Parameter k_p, t_n, t_v des Gießspiegelreg­ lers 22 durch eine on-line Regleroptimierung 21 in Hinblick auf diese Störung optimiert. Um ein unerwünschtes Reagieren des Fuzzyeinstellers 23 auf derartige periodische bzw. quasi­ periodische Störungen zu vermeiden, wird dieser ebenfalls an periodische bzw. quasiperiodische Störungen, die sich als Schwankungen in der Regelabweichung bemerkbar machen, angepaßt. Dazu werden mittels eines Fuzzyoptimierers 24 die Zugehörigkeitsfunktionen des Fuzzyeinstellers 23 verändert. Wirken sich die periodischen bzw. quasiperiodischen Störungen der Regelstrecke 28 als große periodische bzw. quasiperiodische Schwankungen der Regelabweichung aus, so vergrößert der Fuzzyoptimierer 24 die Zugehörigkeitsfunk­ tionen des Fuzzyeinstellers 23 derart, daß dieser die Schwan­ kung nicht als Regelabweichung interpretiert. Bei Schwan­ kungen kleinerer Amplitude verringert der Fuzzyoptimierer die Breite der Zugehörigkeitsfunktionen des Fuzzyeinstellers 23 entsprechend.

Fig. 3 zeigt ein gegenüber dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 2 detaillierteres Zusammenwirken zwischen Fuzzyeinsteller 47 und Gießspiegelregler. Der Gießspiegelregler gemäß Fig. 3 weist einen P-Regler 41, einen PI-Regler 42, einen Block 49 zur Bildung der numerischen Ableitung, ein digitales Filter 48 sowie einen Multiplizierer 50 auf. Die Regelstrecke 43, angedeutet durch eine Kokille 44, eine Kokillenfüllstands­ messung 45 sowie Störgrößen 46, liefert den Gießspiegel-Ist­ wert 51. Auf der Basis der Differenz zwischen Gießspiegel-Sollwert 40 und Gießspiegel-Istwert 51 werden durch den Fuzzyeinsteller 47 die Parameter k_p und t_n des PI-Reglers 42 sowie eine Konstante k₂ gebildet. Die Differenz zwischen Gießspiegel-Sollwert 40 und Gießspiegel-Istwert 51 wird ferner in einen Funktionsblock 49 numerisch abgeleitet und in einem digitalen Filter 48 geglättet. Der Ausgangswert des digitalen Filters 48 wird mittels eines Multiplizierers 50 mit der Konstante k₂ multipliziert. Der Ausgangswert des Multiplizierers 50 wird vom Ausgangswert des P-Reglers 41 subtrahiert, dessen Eingangsgröße die Regelabweichung, d. h. die Differenz zwischen Gießspiegel-Sollwert 40 und Gießspiegel-Istwert 51, ist. Die Differenz zwischen dem Ausgangs­ signal des P-Reglers 41 und dem Ausgangssignal des Multipli­ zierers 50 ist Ausgangsgröße des PI-Reglers 42, der Stell­ größe für die Regelstrecke 43 ermittelt.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel für Zugehörigkeitsfunktionen des Fuzzyeinstellers. Dazu wird der Bereich, in dem sich die re­ lative Regelabweichung bewegen kann, in fünf Zugehörigkeits­ funktionen negativ-groß 60, negativ 61, null 62, positiv 63 und positiv-groß 64 unterteilt. Gemäß der Anordnung aus Fig. 2 werden diese Zugehörigkeitsfunktionen des Fuzzyeinstellers durch einen Fuzzyoptimierer beeinflußt. Verringern sich z. B. die Schwankungen in der Regelabweichung bzw. der relativen Regelabweichung, so verringert der Fuzzyoptimierer die Be­ reichsbreite der Zugehörigkeitsfunktion. Dieses ist beispiel­ haft in Fig. 5 ausgeführt. Bei kleineren periodischen bzw. quasiperiodischen Schwankungen in der relativen Regelabwei­ chung werden die Eckpunkte der Zugehörigkeitsfunktionen, wie in Fig. 5 gezeigt, näher an die Null-Achse bewegt. Dabei bezeichnet in Fig. 5 Bezugszeichen 80 die Zugehörigkeitsfunk­ tion negativ-groß, Bezugszeichen 81 die Zugehörigkeitsfunk­ tion negativ, Bezugszeichen 82 die Zugehörigkeitsfunktion null, Bezugszeichen 83 die Zugehörigkeitsfunktion positiv und Bezugszeichen 84 die Zugehörigkeitsfunktion positiv-groß.

Fig. 6 zeigt eine Hardwarestruktur für die Steuerung bzw. Re­ gelung von Stranggußanlagen. Dabei werden zur Steuerung bei mehreren Stranggußanlagen je Stranggußanlage eine speicher­ programmierbare Steuerung 65 bzw. 68 eingesetzt, die über ein Bussystem 69 miteinander und mit einem PC 66 verbunden sind. Dabei sind Gießspiegelregler, Stellungsregler, on-line-Rege­ loptimierung, Fuzzyeinsteller und Fuzzyoptimierung jeweils auf einer speicherprogrammierbaren Steuerung 65 bzw. 68 im­ plementiert. Die Sollwert-Berechnung und übergeordnete Auf­ gabe erfolgen dagegen im PC 66. Zur Datenprotokollierung weist das System ebenfalls einen Drucker 67 auf.

Fig. 7 zeigt den Optimierer 21 aus Fig. 3 in detaillierterer Form. Die Ausgangsgröße 90 der Regelstrecke 91 wird durch den Regler 92 auf den vorgegebenen Sollwert 93 geregelt. Auf den Prozeßeingang 94 wirken Störungen ein, die eine Regel­ abweichung 95 verursachen. Aufgabe des Reglers 92 ist die Minimierung dieser Regelabweichung 95. Der vorliegende Prozeß besitzt folgende Eigenschaften:

• 1. Die Regelstrecke ist ein Chargenprozeß. Jede Charge besitzt unterschiedliche Prozeßeigenschaften und erfordert damit unterschiedliche Reglerparameter.
• 2. Die Prozeßeigenschaften einer Charge verändern sich mit der Laufzeit der Charge. Die Reglerparameter müssen damit online an den Prozeß angepaßt werden.
• 3. Auf die Regelstrecke wirken an einem Prozeßeingang zwei Störgrößen ein. Die erste Störung ist eine statistische Störung mit langsam veränderlicher Amplitude. Die zweite Störung besteht aus sprungförmigen Störungen großer Amplitude und kleiner Frequenz.

Die Parameter des Reglers 92 werden durch einen online-Opti­ mierer 96 an die sich verändernden Parameter der Regelstrecke 91 angepaßt. Aufgabe des Online-Optimierers 96 ist es, den Regler zu jedem Zeitpunkt so einzustellen, daß die Regelab­ weichung minimiert wird. Die Regelabweichung ist dann mini­ mal, wenn der zeitliche Mittelwert der quadrierten Regelab­ weichung (Standardabweichung) minimal ist.

Der Online Optimierer löst dieses Problem wie folgt:

• 1. Für die Minimierung der Regelabweichung wird nur die Aus­ wirkung der statistischen Störung betrachtet, da die sprungförmigen Störungen den Optimierungsalgorithmus in seinem Ablauf verfälschen würden. Aus dem Signal "Regel­ abweichung" werden dazu die sprungförmigen Störungen herausgefiltert. Diese Vorgehensweise gewährleistet auch die Minimierung der Auswirkungen sprungförmiger Störungen.
• 2. Mit jeder neuen Charge wird die Optimierung gestartet und die Optimierung berechnet optimale Reglerparameter 99.
• 3. Nach einer signifikanten Verschlechterung des Regelergebnis, dies entspricht einer Veränderung der Prozeßparameter, wird die Optimierung neu gestartet. Es werden dann neue optimale Reglerparameter 99 berechnet.

Der Optimierungsalgorithmus arbeitet wie folgt:

• 1. Die Regelung startet mit einem Startsatz für die Reglerparameter und es wird die Standardabweichung durch einen Standardabweichungsberechner 98 berechnet.
• 2. Von dem Startwert ausgehend werden die Reglerparameter 99 in eine Richtung hin verändert und es wird die neue Standardabweichung berechnet.
• 3. Die Reglerparameter 99 werden dann weiter im Sinne einer Minimierung der Standardabweichung verändert.
• 4. Für die Online-Optimierung wird die Standardabweichung gefiltert. Die zeitliche Filterung der Standardabweichung wird durch die Einführung eines Differenzwertes für die Standardabweichung bewirkt. Erst wenn sich die Standard­ abweichung um diesen Differenzwert verändert hat, ist eine signifikante Veränderung der Standardabweichung eingetre­ ten. Die Filterung der Standardabweichung in Abhängigkeit der Reglerparameter 99 wird durch die Berücksichtigung mindestens dreier verschiedener Reglereinstellungen zur Berechnung der Veränderung der Standardabweichung in Abhängigkeit der Reglerparameter 99 erreicht.
• 5. Die Verstellung der Reglerparameter am Beispiel des Parameters K_p zeigt Bild 3:
  I: Die Standardabweichung nimmt mit steigendem K_p ab. K_p wird bis zu einer oberen Grenze erhöht.
  II: Die Standardabweichung nimmt mit steigendem K_p zu. K_p wird bis zu einer unteren Grenze erniedrigt.
  III: Die Standardabweichung verändert sich bei einer Ände­ rung von K_p nicht. Die Schrittweite bei der Verände­ rung von K_p wird bis zu einer oberen Grenze erhöht.
  IV: Zwischen drei verschiedenen Reglereinstellungen liegt ein Minimum der Standardabweichung. Die Schrittweite wird bis zu einer unteren Grenze erniedrigt, um so das genaue Minimum der Standardabweichung zu finden.

Fig. 9 zeigt die Reibkompensation in detaillierter Form. Die Reibungskompensation generiert ein Vorsteuersignal 100 für den Positionsregelkreis des Stopfens und beschleunigt so den Positionsregelkreis. Dies wiederum wirkt sich derart aus, daß die Differenzen zwischen dem Soll- 107 und Istwert 105 des Gießspiegels abnehmen. Der Positionsregelkreis besteht aus dem Positionsregler 103, hier ein P-Regler, und der Hydraulik 104 für die Stopfenverstellung. Das Vorsteuersignal wird in einem Modellregelkreis gebildet, der die reale Strecke nach­ bildet. Der Modellregelkreis besteht aus dem Modellregler 101 und einem Modell 102 der Hydraulik. Die Reibung in der realen Hydraulik 104 bewirkt einen zeitweiligen Stillstand (Haften) der Stopfenposition. Der Zustand des Haftens wird durch die Bildung 106 der Ableitung der Stopfenposition ermittelt. Haf­ tet die reale Hydraulik, so wird auch die Geschwindigkeit der Hydraulik im Modellregelkreis auf Null gesetzt. Dies bewirkt eine verstärkte Ansteuerung der Hydraulik durch das Vor­ steuersignal und damit ein verringertes Haften der realen Hydraulik 104.

Claims (8)

1. Verfahren zum Gießen eines Stranges (1) aus flüssigen Me­ tall, das in eine Kokille (3) gegossen und als Strang mit er­ starrter Hülle (14) und Sumpfspitze, d. h. flüssigem Kern, aus der Kokille herausgezogen wird, wobei der Gießspiegel, d. h. der Stand des flüssigen Metalls in der Kokille (3), durch eine Bestimmung des Gießspiegels und eine Beeinflussung des Zuflusses flüssigen Metalls in die Kokille (3) mittels eines Reglers geregelt wird, dessen Regelparameter on-line mittels Fuzzytechniken an eine Veränderung der Parameter der Regel­ strecke (28, 43), d. h. an der Gießapparatur und der Kokille (3), angepaßt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Regelparameter mittels eines Fuz­ zyeinstellers (23, 47) gebildet werden, dessen Eingangsgröße zumindest eine der Größen Ist-Wert des Gießspiegels, Regelab­ weichung des Gießspiegels (51), d. h. Differenz zwischen Soll- und Ist-Wert des Gießspiegels, oder relativer Regelab­ weichung des Gießspiegels, d. h. Quotient aus Differenz zwi­ schen Soll- und Ist-Wert des Gießspiegels und Sollwert des Gießspiegels, gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zugehörigkeitsfunktion (60. 61, 62, 63, 64) für die Eingangsgrößen des Fuzzyeinstellers (23, 47) on-line optimiert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zugehörigkeitsfunktionen (60, 61, 62, 63, 64) der Eingangsgrößen des Fuzzyeinstellers (23, 47) derart an periodische bzw. quasiperiodische Störgrößen der Regelstrecke (28, 43) angepaßt werden, daß der Bereich der Zugehörigkeit mit zunehmender Amplitude der periodischen bzw. quasiperiodischen Störungen zunimmt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler im Hinblick auf periodische bzw. quasiperiodische Störungen durch einen Online-Optimierer optimiert wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Reg­ ler eine Reibkraftkompensation (26) aufweist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Fuz­ zyeinsteller (23, 47) die Regelparameter nur bei großen bzw. sprungartigen Veränderungen der Regelstrecke (28, 43) verän­ dert.

8. Einrichtung zum Gießen eines Stranges (1) aus Flüssig­ metall, das in eine Kokille (3) gegossen und als Strang mit erstarrter Hülle (14) und Sumpfspitze, d. h. flüssigen Kern aus der Kokille herausgezogen wird, insbesondere zur Durch­ führung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Gießspiegel, d. h. der Stand des flüssigen Metalls in der Kokille (3), durch eine Bestimmung des Gießspiegels und eine Beeinflussung des Zuflusses flüssigen Metalls in die Kokille (3) mittels eines Reglers geregelt wird, dessen Regelparameter on-line mittels Fuzzytechniken an eine Veränderung der Parameter der Regelstrecke (28, 43), d. h. an der Gießapparatur und der Kokille (3), angepaßt werden.