EP2272605A1

EP2272605A1 - Regelverfahren für den Gießspiegel einer Stranggießkokille

Info

Publication number: EP2272605A1
Application number: EP09163538A
Authority: EP
Inventors: Bernhard Weisshaar; Martin Niemann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-06-24
Filing date: 2009-06-24
Publication date: 2011-01-12
Also published as: CN102458718A; BRPI1013800A2; EP2445667B1; BRPI1013800B1; RU2506141C2; RU2012102263A; US8788084B2; CN102458718B; WO2010149419A1; EP2445667A1; US20120101625A1

Abstract

Der Zufluss flüssigen Metalls (3) in eine Stranggießkokille (1) wird mittels einer Verschlusseinrichtung (4) eingestellt. Mittels einer Abzugseinrichtung (8) wird der teilerstarrte Metallstrang (7) aus der Stranggießkokille (1) abgezogen. Ein gemessener Istwert (hG) des Gießspiegels (9) wird einem Gießspiegelregler (18) zugeführt, der anhand des Istwerts (hG) und eines korrespondierenden Sollwerts (hG*) eine Sollstellung (p*) für die Verschlusseinrichtung (4) ermittelt. Der gemessene Istwert (hG) wird einem Störgrößenkompensator (20) zugeführt. Dem Störgrößenkompensator (20) wird weiterhin die Sollstellung (p*) für die Verschlusseinrichtung (4) oder eine um einen Störgrößenkompensationswert (z) korrigierte Sollstellung oder ein entsprechender Istwert (p) zugeführt. Der Störgrößenkompensator (20) ermittelt den Störgrößenkompensationswert (z). Der Verschlusseinrichtung (4) wird die korrigierte Sollstellung zugeführt. Der Störgrößenkompensator (20) umfasst ein Modell (21) der Stranggießkokille (1), mittels dessen er anhand eines Modelleingangswertes (i) einen Erwartungswert (hE) für den Gießspiegel (9) ermittelt. Der Störgrößenkompensator (20) umfasst weiterhin eine Anzahl von Schwingungskompensatoren (23), mittels derer er anhand der Differenz (e) von Istwert (hG) und Erwartungswert (hE) jeweils einen auf eine jeweilige Störfrequenz (fS) bezogenen Frequenzstöranteil (zS) ermittelt. Die Summe der Frequenzstöranteile (zS) entspricht dem Störgrößenkompensationswert (z). Der Modelleingangswert (i) ist durch die Beziehung i = p'+z' bestimmt, wobei p' die unkorrigierte Soll- oder Iststellung (p*, p) der Verschlusseinrichtung (4) und z' ein Sprungkompensationswert sind. Der Störgrößenkompensator (20) umfasst einen Sprungermittler (22), mittels dessen er anhand der Differenz (e) den Sprungkompensationswert (z') ermittelt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Regelverfahren für den Gießspiegel einer Stranggießkokille,

wobei der Zufluss flüssigen Metalls in die Stranggießkokille mittels einer Verschlusseinrichtung eingestellt und der teilerstarrte Metallstrang mittels einer Abzugseinrichtung aus der Stranggießkokille abgezogen wird,
wobei ein gemessener Istwert des Gießspiegels einem Gießspiegelregler zugeführt wird, der anhand des Istwerts und eines korrespondierenden Sollwerts eine Sollstellung für die Verschlusseinrichtung ermittelt,
wobei der gemessene Istwert des Gießspiegels einem Störgrößenkompensator zugeführt wird,
wobei dem Störgrößenkompensator weiterhin die Sollstellung für die Verschlusseinrichtung, eine um einen Störgrößenkompensationswert korrigierte Sollstellung für die Verschlusseinrichtung, eine Iststellung der Verschlusseinrichtung oder eine um den Störgrößenkompensationswert korrigierte Iststellung der Verschlusseinrichtung zugeführt wird,
wobei der Störgrößenkompensator anhand der ihm zugeführten Werte den Störgrößenkompensationswert ermittelt,
wobei der Verschlusseinrichtung die um den Störgrößenkompensationswert korrigierte Sollstellung zugeführt wird,
wobei der Störgrößenkompensator ein Modell der Stranggießkokille umfasst, mittels dessen der Störgrößenkompensator anhand eines Modelleingangswertes einen Erwartungswert für den Gießspiegel ermittelt,
wobei der Störgrößenkompensator eine Anzahl von Schwingungskompensatoren umfasst, mittels derer der Störgrößenkompensator anhand der Differenz von Istwert und Erwartungswert jeweils einen auf eine jeweilige Störfrequenz bezogenen Frequenzstöranteil ermittelt,
wobei die Summe der Frequenzstöranteile dem Störgrößenkompensationswert entspricht,

Ein derartiges Regelverfahren ist beispielsweise aus der US 5,921,313 A bekannt. Bei dem bekannten Regelverfahren ist nur ein einziger Schwingungskompensator vorhanden. In diesem Fall ist die Summe der Frequenzstöranteile mit dem einzigen ermittelten Frequenzstöranteil identisch.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogramm, das Maschinencode umfasst, der von einer Steuereinrichtung für eine Stranggießanlage unmittelbar ausführbar ist und dessen Ausführung durch die Steuereinrichtung bewirkt, dass die Steuereinrichtung den Gießspiegel einer Stranggießkokille der Stranggießanlage gemäß einem derartigen Regelverfahren regelt.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Steuereinrichtung für eine Stranggießanlage, die derart ausgebildet ist, dass sie im Betrieb ein derartiges Regelverfahren ausführt.
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung eine Stranggießanlage, die von einer derartigen Steuereinrichtung gesteuert wird.
Beim Stranggießen wird der gegossene Strang aus der Stranggießkokille abgezogen, während der Kern des Strangs noch flüssig ist. Nach dem Austreten des Strangs aus der Stranggießkokille wird der Strang zur Abstützung der Strangschale gegen den metallostatischen Druck des Kerns über Rollenpaare geführt und abgestützt. Die Abstützung verhindert unter anderem ein Ausbauchen des gegossenen Stranges auf der Breitseite des Stranges. Der Abstand der Rollen, die den Strang an der gleichen Stelle beidseits abstützen, muss der gewünschten Strangdicke entsprechen.
Der gegossene Strang wird nach dem Austreten aus der Stranggießkokille aktiv und/oder passiv gekühlt. Auf Grund der Kühlung schrumpft die Strangdicke. Aus diesem Grund müssen die Abstände der Rollen, die den gegossenen Strang an der gleichen Stelle beidseits abstützen, den korrekten Abstand voneinander aufweisen. Bis zum Durcherstarrungspunkt, auch Sumpfspitze genannt, ist der gegossene Strang nicht vollständig durcherstarrt. Es ist also ein flüssiger Kern enthalten. Ungleichmäßiges Einwirken auf den Strang beim Durchlaufen der Rollenpaare wirkt sich daher auf den Gießspiegel aus. Gießspiegelschwankungen sind aber aus verschiedenen Gründen, beispielsweise wegen der Gefahr des Gießpulvereinzugs in die Strangoberfläche, nach Möglichkeit zu vermeiden.
Durch in der Stranggießkokille entstandene Schwankungen der Schalendicke kann beim Passieren der Rollenpaare ein sogenanntes "instationäres bulging" auftreten. Die Ursache des "bulging" besteht darin, dass eine Stelle mit gestörter Schalendicke nacheinander verschiedene Rollenpaare passiert und sich daher zyklisch der Gießspiegel ändert. Da die Rollenpaare in Transportrichtung des Stranges gesehen in der Regel einen konstanten Abstand voneinander aufweisen und die Abzugsgeschwindigkeit, mit welcher der Strang aus der Stranggießkokille abgezogen wird, konstant ist, führt das "instationäre bulging" zu periodischen Gießspiegeländerungen. Es bilden sich also Schwingungen konstanter Frequenz im Gießspiegel aus.
Das aus der US 5,921,313 A bekannte Regelverfahren dient dem Zweck, derartige Gießspiegelschwankungen zu beseitigen. Das bekannte Regelverfahren arbeitet bereits recht gut. Insbesondere kann der Gießspiegel auf wenige Millimeter genau geregelt werden.
Aus dem Fachaufsatz "Suppression of Periodic Disturbances in Continuous Casting using an Internal Model Predictor" von C. Furtmueller und E. Gruenbacher, IEEE International Conference on Control Applications, Munich, Germany, Oct 4-6, 2006, pp. 1764 bis 1769, ist ein Regelverfahren für den Gießspiegel einer Stranggießkokille bekannt, bei welchem der Zufluss flüssigen Metalls in die Stranggießkokille mittels einer Verschlusseinrichtung eingestellt und der teilerstarrte Metallstrang mittels einer Abzugseinrichtung aus der Stranggießkokille abgezogen wird. Ein gemessener Istwert des Gießspiegels wird einem Gießspiegelregler zugeführt, der anhand des Istwerts und eines korrespondierenden Sollwerts eine Sollstellung für die Verschlusseinrichtung ermittelt. Die Motorströme von Antrieben der Abzugseinrichtung werden einer Frequenzanalyse unterzogen. Anhand der Anteile einer Grundfrequenz und deren harmonischer Frequenzen wird ein Störgrößenkompensationswert ermittelt, der auf das Ausgangssignal des Gießspiegelreglers aufgeschaltet wird. Die Verschlusseinrichtung wird entsprechend dem so korrigierten Ausgangssignal des Gießspiegelreglers gesteuert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Möglichkeiten zu schaffen, eine noch genauere Regelung zu erreichen.
Die Aufgabe wird durch ein Regelverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Regelverfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 9.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, ein Regelverfahren der eingangs genannten Art dadurch auszugestalten,

dass der Modelleingangswert durch die Beziehung $i = pʹ + zʹ$
dass der Störgrößenkompensator einen Sprungermittler umfasst, mittels dessen der Störgrößenkompensator anhand der Differenz von Istwert und Erwartungswert den Sprungkompensationswert ermittelt.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen,

dass das Modell der Stranggießkokille aus einer Reihenschaltung eines Modellintegrators mit einem Modellverzögerungsglied besteht, jeder Schwingungskompensator aus einer Reihenschaltung zweier Schwingungsintegratoren besteht und der Sprungermittler aus einem Sprungintegrator besteht,
dass als jeweilige Eingangsgröße
- -- dem Modellintegrator ein Wert m=Vi+h1e,
- -- dem Modellverzögerungsglied ein Wert m'=I+h2e,
- -- dem vorderen Schwingungsintegrator eines jeweiligen Schwingungskompensators ein Wert s1=h3e-S2,
- -- dem hinteren Schwingungsintegrator eines jeweiligen Schwingungskompensators ein Wert s2=h4e+S1 und
- -- dem Sprungintegrator ein Wert s3=h5e
  zugeführt werden, wobei
- -- V ein Verstärkungsfaktor ist,
- -- i der Modelleingangswert ist,
- -- e die Differenz von Istwert und Erwartungswert ist,
- -- I das Ausgangssignal des Modellintegrators ist,
- -- S1 das Ausgangssignal des jeweiligen vorderen Schwingungsintegrators ist,
- -- S2 das Ausgangssignal des jeweiligen hinteren Schwingungsintegrators ist,
- -- h1 und h2 Modellanpassungsfaktoren sind,
- -- h3 und h4 für den jeweiligen Schwingungskompensator spezifische Schwingungsanpassungsfaktoren sind und
- -- h5 ein Sprunganpassungsfaktor ist.

Die verschiedenen Anpassungsfaktoren können nach Bedarf bestimmt werden. In Versuchen konnten gute Ergebnisse dadurch erreicht werden, dass die Anpassungsfaktoren derart bestimmt sind, dass die Pole der durch das Modell der Stranggießkokille bestimmten Übertragungsfunktion folgende Bedingungen erfüllen:

Pro Störfrequenz ergibt sich je ein Paar konjugiert komplexer Pole, deren Realteile kleiner als Null sind und deren Imagimärteile gleich einer durch die jeweilige Störfrequenz definierten Kreisstörfrequenz sind,
es ergeben sich drei reelle Pole, die alle kleiner als Null sind.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist weiterhin vorgesehen, dass die Anpassungsfaktoren derart bestimmt sind, dass die Realteile der konjugiert komplexen Pole, bezogen auf die jeweilige Kreisstörfrequenz, zwischen -0,3 und -0,1 liegen. Insbesondere ein Wert von ca. -0,2 ist anzustreben. Mit derartigen Werten konnten in Versuchen gute Dämpfungseigenschaften erzielt werden.
Vorzugsweise sind die Anpassungsfaktoren derart bestimmt, dass die reellen Pole alle kleiner als -2,0 sind. In diesem Fall arbeitet das Regelverfahren sogar dann zuverlässig und stabil, wenn das Modell der Stranggießkokille die reelle Stranggießkokille nur recht ungenau modelliert.
Besonders gute Ergebnisse konnten weiterhin erzielt werden, wenn die Anpassungsfaktoren derart bestimmt sind, dass die reellen Pole paarweise voneinander verschieden sind.
Die beiden letztgenannten Maßnahmen (reelle Pole kleiner als -2,0 und paarweise verschieden voneinander) können selbstverständlich miteinander kombiniert werden. Optimale Ergebnisse wurden erreicht, wenn die reellen Pole bei -3,0, -4,0 und - 5,0 liegen, jeweils +/- 0,5.
Vorzugsweise ist die Anzahl an Schwingungskompensatoren größer als Eins. Dadurch ist es möglich, mehr als eine "bulging-Schwingung" zu kompensieren.
Bevorzugt ist weiterhin, dass dem Störgrößenkompensator die Sollstellung für die Verschlusseinrichtung oder die um den Störgrößenkompensationswert korrigierte Sollstellung für die Verschlusseinrichtung, nicht aber die Iststellung der Verschlusseinrichtung oder die um den Störgrößenkompensationswert korrigierte Iststellung der Verschlusseinrichtung zugeführt wird. Dies führt zu besseren Ergebnissen.
Die vorliegende Erfindung wird weiterhin durch ein Computerprogramm der eingangs genannten Art gelöst, wobei die Ausführung des Computerprogramms bewirkt, dass die Steuereinrichtung den Gießspiegel der Stranggießkokille gemäß einem erfindungsgemäßen Regelverfahren regelt. Das Computerprogramm kann beispielsweise auf einem Datenträger in maschinenlesbarer Form gespeichert sein. Der Datenträger kann insbesondere Bestandteil der Steuereinrichtung sein.
Die Aufgabe wird weiterhin durch eine Steuereinrichtung für eine Stranggießanlage gelöst, die derart ausgebildet ist, dass sie im Betrieb ein erfindungsgemäßes Regelverfahren ausführt. Schließlich wird die Aufgabe durch eine Stranggießanlage gelöst, die von einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung gesteuert wird.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen in Prinzipdarstellung:

FIG 1: schematisch eine Stranggießanlage,
FIG 2: ein regelungstechnisches Blockschaltbild einer Regelanordnung,
FIG 3: schematisch die interne Struktur eines Störgrößen- kompensators,
FIG 4: eine mögliche Ausgestaltung des Störgrößenkompensa- tors von FIG 3,
FIG 5: seitliche Verläufe eines Gießspiegelistwerts und einer Verschlussstellung bei Anwendung eines erfin- dungsgemäßen Regelverfahrens und
FIG 6: die korrespondierenden Größen bei Anwendung eines Regelverfahrens des Standes der Technik.

Gemäß FIG 1 weist eine Stranggießanlage eine Stranggießkokille 1 auf. In die Stranggießkokille 1 wird über ein Tauchrohr 2 flüssiges Metall 3 gegossen, beispielsweise Stahl oder Aluminium. Der Zufluss des flüssigen Metalls 3 in die Stranggießkokille 1 wird über eine Verschlusseinrichtung 4 eingestellt. Dargestellt ist in FIG 1 eine Ausbildung der Verschlusseinrichtung 4 als Verschlussstopfen. In diesem Fall entspricht eine Stellung der Verschlusseinrichtung 4 einer Hubposition des Verschlussstopfens. Alternativ kann die Verschlusseinrichtung 4 als Schieber ausgebildet sein. In diesem Fall entspricht die Verschlussstellung der Schieberposition.
Das in der Stranggießkokille 1 befindliche flüssige Metall 3 wird mittels Kühleinrichtungen gekühlt, so dass sich eine Strangschale 5 bildet. Der Kern 6 des Metallstrangs 7 ist jedoch noch flüssig. Er erstarrt erst später. Die Kühleinrichtungen sind in FIG 1 nicht mit dargestellt. Der teilerstarrte Metallstrang 7 (erstarrte Strangschale 5, flüssiger Kern 6) wird mittels einer Abzugseinrichtung 8 aus der Stranggießkokille 1 abgezogen.
Der Gießspiegel 9 des flüssigen Metalls 3 in der Stranggießkokille 1 soll möglichst konstant gehalten werden. Eine Abzugsgeschwindigkeit v, mit welcher der teilerstarrte Metallstrang 7 aus der Stranggießkokille 1 abgezogen wird, ist in der Regel konstant. Daher wird - sowohl im Stand der Technik als auch bei der vorliegenden Erfindung - die Stellung der Verschlusseinrichtung 4 nachgeführt, um den Zufluss des flüssigen Metalls 3 in die Stranggießkokille 1 so einzustellen, dass der Gießspiegel 9 möglichst konstant gehalten wird.
Mittels einer entsprechenden Messeinrichtung 10 (als solche bekannt) wird ein Istwert hG des Gießspiegels 9 erfasst. Der Istwert hG wird einer Steuereinrichtung 11 für die Stranggießanlage zugeführt. Die Steuereinrichtung 11 ermittelt gemäß einem Regelverfahren, das nachstehend näher erläutert wird, eine von der Verschlusseinrichtung 4 anzunehmende Sollstellung p*. Die Verschlusseinrichtung 4 wird sodann von der Steuereinrichtung 11 entsprechend angesteuert. In der Regel gibt die Steuereinrichtung 11 ein entsprechendes Stellsignal an eine Verstelleinrichtung 12 für die Verschlusseinrichtung 4 aus. Bei der Verstelleinrichtung 12 kann es sich beispielsweise um eine Hydraulikzylindereinheit handeln.
In der Regel wird weiterhin mittels einer entsprechenden Messeinrichtung 13 (als solche bekannt) eine Iststellung p der Verschlusseinrichtung 4 erfasst und der Steuereinrichtung 11 zugeführt. Üblicherweise erfolgt daher ein Regeln (closed loop control) der Verschlussposition. Alternativ wäre auch eine reine Steuerung (open loop control) möglich.
Die Steuereinrichtung 11 ist derart ausgebildet, dass sie im Betrieb ein erfindungsgemäßes Regelverfahren ausführt. In der Regel wird die Wirkungsweise der Steuereinrichtung 11 durch ein Computerprogramm 14 bestimmt, mit dem die Steuereinrichtung 11 programmiert ist. Zu diesem Zweck ist das Computerprogramm 14 innerhalb der Steuereinrichtung 11 in einem Datenträger 15 gespeichert, beispielsweise einem Flash-EPROM. Die Speicherung erfolgt selbstverständlich in maschinenlesbarer Form.
Das Computerprogramm 14 kann der Steuereinrichtung 11 über einen mobilen Datenträger 16 zugeführt worden sein, beispielsweise einen USB-Memorystick (dargestellt) oder eine SD-Speicherkarte (nicht dargestellt). Auch auf dem mobilen Datenträger 16 ist das Computerprogramm 14 selbstverständlich in maschinenlesbarer Form gespeichert. Alternativ ist es möglich, das Computerprogramm 14 der Steuereinrichtung 11 über eine Rechnernetzanbindung oder ein Programmiergerät zuzuführen.
Das Computerprogramm 14 umfasst Maschinencode 17, der von der Steuereinrichtung 11 unmittelbar ausführbar ist. Das Ausführen des Maschinencodes 17 durch die Steuereinrichtung 11 bewirkt, dass die Steuereinrichtung 11 den Gießspiegel 9 der Stranggießkokille 1 gemäß einem erfindungsgemäßen Regelverfahren regelt. Dieses Regelverfahren wird nachfolgend in Verbindung mit den FIG 2 und 3 näher erläutert.
FIG 2 zeigt eine von der Steuereinrichtung 11 implementierte Regelanordnung. Der Betrieb der Regelanordnung von FIG 2 ermöglicht ein erfindungsgemäßes Regelverfahren für den Gießspiegel 9 der Stranggießkokille 1.
Gemäß FIG 2 weist die Regelanordnung einen Gießspiegelregler 18 auf. Der Gießspiegelregler 18 ermittelt anhand eines Sollwertes hG* für den Gießspiegel 9 und des mittels der Messeinrichtung 10 erfassten Istwertes hG für den Gießspiegel 9 gemäß einer Reglercharakteristik die Sollstellung p* für die Verschlusseinrichtung 4. Die Reglercharakteristik des Gießspiegelreglers 18 ist gemäß der Darstellung von FIG 2 proportional-integral. Es sind jedoch alternativ andere Regelcharakteristiken möglich, beispielsweise PID, PT1, PT2 usw..
Die Sollstellung p* für die Verschlusseinrichtung 4 wird der Verschlusseinrichtung 4 zugeführt. Zuvor wird die Sollstellung p* jedoch um einen Störgrößenkompensationswert z korrigiert.
Wie bereits erwähnt, erfolgt das Einstellen der Verschlusseinrichtung 4 üblicherweise geregelt. In diesem Fall, der in FIG 2 dargestellt ist, wird die korrigierte Sollstellung, also der Wert $p * - z$

einem Positionsregler 19 zugeführt, dem weiterhin auch die Iststellung p der Verschlusseinrichtung 4 zugeführt wird. Der Positionsregler 19 kann beispielsweise als P-Regler ausgebildet sein.
Die Iststellung p der Verschlusseinrichtung 4 wirkt auf Grund des dadurch eingestellten Zuflusses an flüssigem Metall 3 auf den tatsächlichen Gießspiegel 9. Der Istwert hG des Gießspiegels 9 wird erfasst und, wie bereits erwähnt, dem Gießspiegelregler 18 zugeführt.
Auf die Stranggießkokille 1 können Störgrößen wirken, welche den Gießspiegel 9 beeinflussen. Zur Kompensation der Störgrößen ist ein Störgrößenkompensator 20 vorgesehen. Dem Störgrößenkompensator 20 werden der gemessene Istwert hG des Gießspiegels 9 sowie eine weitere Größe zugeführt.
Gemäß FIG 2 wird dem Störgrößenkompensator 20 als weitere Größe die um den Störgrößenkompensationswert z korrigierte Sollstellung p* der Verschlusseinrichtung 4 zugeführt. Alternativ könnte dem Störgrößenkompensator 20 die unkorrigierte Sollstellung p* zugeführt werden. Diese Alternative ist in FIG 2 gestrichelt angedeutet. Ihre Gleichwertigkeit zu der realisierten Lösung ist ohne weiteres ersichtlich. Denn der Störgrößenkompensationswert z wird gemäß FIG 2 vom Störgrößenkompensator 20 anhand der ihm zugeführten Werte ermittelt. Die korrigierte Sollstellung, also der Wert p*-z, kann daher ohne weiteres auch innerhalb des Störgrößenkompensators 20 ermittelt werden.
Das Ermitteln des Störgrößenkompensationswerts z unter Verwendung (unter anderem) der korrigierten oder unkorrigierten Sollstellung p*-z bzw. p* der Verschlussseinrichtung 4 ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt. Alternativ könnten dem Störgrößenkompensator 20 die Iststellung p oder die um den Störgrößenkompensationswert z korrigierte Iststellung p-z der Verschlusseinrichtung 4 zugeführt werden. Auch diese Alternativen sind in FIG 2 gestrichelt eingezeichnet.
Der Aufbau und die Wirkungsweise des Störgrößenkompensators 20 werden nachfolgend in Verbindung mit FIG 4 näher erläutert.
Gemäß FIG 3 umfasst der Störgrößenkompensator 20 unter anderem ein Modell 21 der Stranggießkokille 1. Mittels des Modells 21 ermittelt der Störgrößenkompensator 20 einen Erwartungswert hE für den Gießspiegel 9. Dem Modell 21 wird zu diesem Zweck ein Modelleingangswert i zugeführt, der durch die Beziehung $i = pʹ + zʹ$

bestimmt ist. p' ist in obiger Beziehung die unkorrigierte Sollstellung p* der Verschlusseinrichtung 4, also das Ausgangssignal des Gießspiegelreglers 18. Falls dem Störgrößenkompensator 20 an Stelle der Sollstellung p* die Iststellung p der Verschlusseinrichtung 4 zugeführt würde, müsste in obiger Beziehung an Stelle des Wertes p* der Wert p verwendet werden. z' ist ein Sprungkompensationswert.
Der Sprungkompensationswert z' wird vom Störgrößenkompensator 20 mittels eines Sprungermittlers 22 ermittelt, der ebenfalls Bestandteil des Störgrößenkompensators 20 ist. Das Ermitteln des Sprungkompensationswertes z' erfolgt gemäß FIG 3 anhand der Differenz e von Istwert hG und Erwartungswert hE des Gießspiegels 9, in den nachfolgenden Ausführungen zu FIG 3 nur kurz als "Differenz e" bezeichnet.
Gemäß FIG 3 umfasst der Störgrößenkompensator 20 weiterhin eine Anzahl von Schwingungskompensatoren 23. Mittels der Schwingungskompensatoren 23 ermittelt der Störgrößenkompensator 20 jeweils einen auf eine jeweilige Störfrequenz fS bezogenen Störanteil zS, nachfolgend Frequenzstöranteil zS genannt. Die Ermittlung erfolgt anhand der Differenz e.
Minimal beträgt die Anzahl an Schwingungskompensatoren 23 Eins. In diesem Fall wird nur ein einziger Störfrequenzanteil zS kompensiert. Alternativ kann die Anzahl an Schwingungskompensatoren 23 größer als Eins sein. In diesem Fall wird pro Schwingungskompensator 23 bei jeweils einer eigenen Störfrequenz fS der entsprechende Frequenzstöranteil zS ermittelt. Dargestellt sind in FIG 3 zwei derartige Schwingungskompensatoren 23. Es sind jedoch auch Ausgestaltungen mit drei, vier, fünf, ... Schwingungskompensatoren 23 denkbar.
Die Ausgangssignale zS der Schwingungskompensatoren 23 werden in einem Knotenpunkt 24 summiert, dessen Ergebnis dem Störgrößenkompensationswert z entspricht. Im Falle nur eines einzigen Schwingungskompensators 23 ist selbstverständlich keine Summation erforderlich, da in diesem Fall die Summe mit dem einzigen Summanden identisch ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Störgrößenkompensators 20 - siehe FIG 4 - besteht das Modell 21 der Stranggießkokille 1 aus einem Integrator 25 und einem Verzögerungsglied 26, die entsprechend der Darstellung von FIG 4 in Reihe geschaltet sind. Da der Integrator 25 und das Verzögerungsglied 26 Bestandteile des Modells 21 der Stranggießkokille 1 sind, werden sie nachfolgend durch den Zusatz "Modell" ergänzt. Sie werden also als Modellintegrator 25 und Modellverzögerungsglied 26 bezeichnet. Der Zusatz "Modell" dient jedoch nur dazu, diese Zugehörigkeit zu kennzeichnen. Eine weitergehende Bedeutung kommt dem Zusatz "Modell" nicht zu.
Der Modellintegrator 25 weist eine Integrationszeitkonstante T1 auf, das Modellverzögerungsglied 26 eine Verzögerungszeitkonstante T2. Die Zeitkonstanten T1, T2 sind derart bestimmt, dass sie die reale Stranggießkokille 1 möglichst realistisch beschreiben.
Dem Modellintegrator 25 wird als Eingangssignal m ein Wert $m = V \cdot i + h 1 \cdot e$

zugeführt. V ist ein Verstärkungsfaktor. i ist der bereits erwähnte Modelleingangswert. e ist die ebenfalls bereits erwähnte Differenz. h1 ist ein Anpassungsfaktor.
Der Modellintegrator 25 liefert ein Ausgangssignal I. Das Ausgangssignal I wird in einem Knotenpunkt 27 um einen Wert $h 2 \cdot e$

korrigiert und sodann dem Modellverzögerungsglied 27 als dessen Eingangssignal zugeführt. h2 ist ein weiterer Anpassungsfaktor.
Die dem Knotenpunkt 27 zugeführten Größen I, h2.e werden im Knotenpunkt 27 addiert. Dies ergibt sich daraus, dass die beiden Eingangssignale I, h2.e des Knotenpunkts 27 eingangsseitig des Knotenpunktes 27 nicht mit negativen Vorzeichen versehen sind.
Die Anpassungsfaktoren h1 und h2 sind auf das Modell 21 der Stranggießkokille 1 bezogen. Sie werden daher nachfolgend als Modellanpassungsfaktoren h1, h2 bezeichnet.
Die Schwingungskompensatoren 23 sind vom Ansatz her gleichartig aufgebaut. Nachfolgend wird daher nur einer der Schwingungskompensatoren 23 detailliert beschrieben, nämlich der in FIG 4 obere Schwingungskompensator 23. Die Ausführungen sind jedoch analog auch für die anderen Schwingungskompensatoren 23 gültig.
Gemäß FIG 4 besteht der in FIG 4 obere Schwingungskompensator 23 aus zwei Integratoren 28, 29 die in Reihe geschaltet sind. Die beiden Integratoren 28, 29 werden nachfolgend als Schwingungsintegratoren 28, 29 bezeichnet, da sie Bestandteile des entsprechenden Schwingungskompensators 23 sind. Der Zusatz "Schwingungs" dient lediglich dazu, die Zugehörigkeit dieser beiden Integratoren 28, 29 zum jeweiligen Schwingungskompensator 23 zum Ausdruck zu bringen. Eine weitergehende Bedeutung kommt dem Zusatz "Schwingungs" nicht zu.
Die Schwingungsintegratoren 28, 29 weisen eine Integrationszeitkonstante a auf. Die Integrationszeitkonstante a ergibt sich zu $a = \frac{1}{2 πfS}$

fS ist die jeweilige zu kompensierende Störfrequenz. Die Störfrequenz fS muss vorab bekannt sein.
Dem vorderen Schwingungsintegrator 28 wird gemäß FIG 4 als Eingangsgröße s1 der Wert $s 1 = h 3 \cdot e - S 2$

zugeführt. Dem hinteren Schwingungsintegrator 29 wird als Eingangsgröße s2 der Wert $s 2 = h 4 \cdot e + S 1$

zugeführt. S1 und S2 sind die Ausgangssignale des vorderen und des hinteren Schwingungsintegrators 28, 29. h3 und h4 sind Anpassungsfaktoren. Sie werden nachfolgend auf Grund ihrer Zugehörigkeit zum jeweiligen Schwingungskompensator 23 als Schwingungsanpassungsfaktoren h3, h4 bezeichnet.
Der Sprungermittler 22 besteht aus einem einzigen Integrator 30, nachfolgend auf Grund seiner Zugehörigkeit zum Sprungermittler 22 als Sprungintegrator 30 bezeichnet. Ihm wird ein Wert $s 3 = h 5 \cdot e$

zugeführt, wobei h5 ein Anpassungsfaktor ist, nachfolgend als Sprunganpassungsfaktor bezeichnet.
Wie bereits erwähnt, können mehrere Schwingungskompensatoren 23 vorhanden sein. In diesem Fall sind die Schwingungsanpassungsfaktoren h3, h4 der einzelnen Schwingungskompensatoren 23 unabhängig voneinander. Weiterhin sind die Integrationszeitkonstanten a aller Schwingungskompensatoren 23 verschieden voneinander.
Zum Ermitteln der Anpassungsfaktoren h1 bis h5, also der Modellanpassungsfaktoren h1, h2, des Sprunganpassungsfaktors h5 und pro Schwingungskompensator 23 der beiden jeweiligen Schwingungsanpassungsfaktoren h3, h4, wird vorzugsweise zunächst die Übertragungsfunkton des in FIG 4 dargestellten Systems ermittelt. Die Übertragungsfunktion ist eine gebrochen rationale Funktion des Laplace-Operators, das heißt eine Funktion, die als Quotient eines Zählers und eines Nenners darstellbar ist, wobei sowohl der Zähler als auch der Nenner Polynome des Laplace-Operators sind. Sowohl das Zählerpolynom als auch das Nennerpolynom beinhalten in ihren Koeffizienten die Anpassungsfaktoren h1 bis h5.
Nunmehr werden für das Nennerpolynom dessen gewünschte Nullstellen vorgegeben, also die gewünschten Pole der Übertragungsfunktion. Dies ergibt ein Gleichungssystem, in dem nur die Anpassungsfaktoren h1 bis h5 unbekannt sind. Die Gleichungen des Gleichungssystems sind unabhängig voneinander. Ihre Anzahl stimmt mit der Anzahl von Anpassungsfaktoren h1 bis h5 überein. Anhand des Gleichungssystems lassen sich daher die Anpassungsfaktoren h1 bis h5 eindeutig bestimmen.
Vorzugsweise werden die gewünschten Pole wie folgt vorgegeben:

Pro zu kompensierender Störfrequenz fS wird ein Paar konjugiert komplexer Pole vorgegeben. Die Imaginäranteile des jeweiligen Polpaares sind gleich +/- 2nfS. fS ist, wie bereits erwähnt, die zu kompensierende Störfrequenz fS. Die Imaginärteile sind also (betragsmäßig) gleich der zu korrespondierenden Kreisstörfrequenz ωS. Die Realteile des jeweiligen Polpaares sind kleiner als Null.

Die drei weiteren Pole sind vorzugsweise alle reell und kleiner als Null, also negativ.
Wenn die Modellzeitkonstanten T1, T2 die reale Stranggießkokille 1 gut modellieren, sind die Realteile der konjugiert komplexen Pole und die reellen Pole in weiten Grenzen variierbar, ohne dass die Qualität des Regelverfahrens darunter leidet. Oftmals können die korrekten Modellzeitkonstanten T1, T2 jedoch nur grob geschätzt werden. Dennoch ergibt sich eine gute Regelqualität, wenn die Realteile der konjugiert komplexen Pole und die reellen Pole bestimmte Kriterien erfüllen.
Die Stabilität des Regelverfahrens kann beispielsweise dadurch erhöht werden, dass die Realteile der konjugiert komplexen Pole zwischen dem -0,1-fachen und dem -0,3-fachen der entsprechenden Kreisstörfrequenz ωS liegen. Als besonders vorteilhaft hat sich in Versuchen erwiesen, wenn die Realteile in etwa gleich dem -0,2-fachen der entsprechenden Kreisstörfrequenz ωS sind.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die reellen Pole alle kleiner als -2,0 sind oder paarweise voneinander verschieden sind. Noch besser ist es, wenn beide Kriterien erfüllt sind. Besonders gute Ergebnisse wurden erreicht, wenn je einer der reellen Pole bei -3,0, -4,0 und - 5,0 liegt (jeweils +/- 0,5, vorzugsweise +/- 0,2).
FIG 5 zeigt einen Verlauf des gemessenen Istwerts hG des Gießspiegels 9 und einen korrespondierenden Verlauf der Iststellung p der Verschlusseinrichtung 4 einer realen Stranggießkokille 1 als Funktion der Zeit. Bei den Verläufen von FIG 5 wurde der Gießspiegel 9 auf erfindungsgemäße Weise geregelt, wobei zwei Störfrequenzen fS kompensiert wurden und die Anpassungsfaktoren h1 bis h5 auf die obenstehend erläuterten optimalen Werte eingestellt waren. Ersichtlich sind zwar erhebliche Variationen der Iststellung p der Verschlusseinrichtung 4 erforderlich. Es wird jedoch erreicht, dass der Gießspiegel 9 sehr stabil bleibt. Die Schwankung beträgt nur ca. +/- drei Millimeter.
Dem gegenüber zeigt FIG 6 die korrespondierenden Verläufe einer Gießspiegelregelung des Standes der Technik. Ersichtlich schwankt der Gießspiegel 9 erheblich stärker. Kurzzeitig, nämlich an den Stellen 31 und 32, verlässt er sogar das eingezeichnete Toleranzband von +/- zehn Millimeter. Obenstehend wurde erwähnt, dass die zu kompensierenden Störfrequenzen fS vorab bekannt sein müssen. Die Ermittlung der Störfrequenzen fS kann beispielsweise durch Auswertung des zeitlichen Verlaufs des Istwerts p des Gießspiegels 9 von FIG 6 erfolgen. Sodann können die entsprechenden Störfrequenzen fS und damit auch die Integrationszeitkonstanten a bestimmt werden.
Die obige Beschreibung dient ausschließlich der Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung soll hingegen ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche bestimmt sein.

Claims

Regelverfahren für den Gießspiegel (9) einer Stranggießkokille (1),
- wobei der Zufluss flüssigen Metalls (3) in die Stranggießkokille (1) mittels einer Verschlusseinrichtung (4) eingestellt und der teilerstarrte Metallstrang (7) mittels einer Abzugseinrichtung (8) aus der Stranggießkokille (1) abgezogen wird,

- wobei ein gemessener Istwert (hG) des Gießspiegels (9) einem Gießspiegelregler (18) zugeführt wird, der anhand des Istwerts (hG) und eines korrespondierenden Sollwerts (hG*) eine Sollstellung (p*) für die Verschlusseinrichtung (4) ermittelt,

- wobei der gemessene Istwert (hG) des Gießspiegels (9) einem Störgrößenkompensator (20) zugeführt wird,

- wobei dem Störgrößenkompensator (20) weiterhin die Sollstellung (p*) für die Verschlusseinrichtung (4), eine um einen Störgrößenkompensationswert (z) korrigierte Sollstellung für die Verschlusseinrichtung (4), eine Iststellung (p) der Verschlusseinrichtung (4) oder eine um den Störgrößenkompensationswert (z) korrigierte Iststellung der Verschlusseinrichtung (4) zugeführt wird,

- wobei der Störgrößenkompensator (20) anhand der ihm zugeführten Werte (hG, p*, p) den Störgrößenkompensationswert (z) ermittelt,

- wobei der Verschlusseinrichtung (4) die um den Störgrößenkompensationswert (z) korrigierte Sollstellung zugeführt wird,

- wobei der Störgrößenkompensator (20) ein Modell (21) der Stranggießkokille (1) umfasst, mittels dessen der Störgrößenkompensator (20) anhand eines Modelleingangswertes (i) einen Erwartungswert (hE) für den Gießspiegel (9) ermittelt,

- wobei der Störgrößenkompensator (20) eine Anzahl von Schwingungskompensatoren (23) umfasst, mittels derer der Störgrößenkompensator (20) anhand der Differenz (e) von Istwert (hG) und Erwartungswert (hE) jeweils einen auf eine jeweilige Störfrequenz (fS) bezogenen Frequenzstöranteil (zS) ermittelt,

- wobei die Summe der Frequenzstöranteile (zS) dem Störgrößenkompensationswert (z) entspricht,

- wobei der Modelleingangswert (i) durch die Beziehung $i = pʹ + zʹ$

bestimmt ist, wobei p' die unkorrigierte Soll- oder Iststellung (p*, p) der Verschlusseinrichtung (4) und z' ein Sprungkompensationswert sind,

- wobei der Störgrößenkompensator (20) einen Sprungermittler (22) umfasst, mittels dessen der Störgrößenkompensator (20) anhand der Differenz (e) von Istwert (hG) und Erwartungswert (hE) den Sprungkompensationswert (z') ermittelt.
Regelverfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
- dass das Modell (21) der Stranggießkokille (1) aus einer Reihenschaltung eines Modellintegrators (25) mit einem Modellverzögerungsglied (26) besteht, jeder Schwingungskompensator (23) aus einer Reihenschaltung zweier Schwingungsintegratoren (28, 29) besteht und der Sprungermittler (22) aus einem einzelnen Sprungintegrator (30) besteht,

- dass als jeweilige Eingangsgröße
-- dem Modellintegrator (25) ein Wert m=Vi+h1e,

-- dem Modellverzögerungsglied (26) ein Wert m'=I+h2e,

-- dem vorderen Schwingungsintegrator (28) eines jeweiligen Schwingungskompensators (23) ein Wert s1=h3e-S2,

-- dem hinteren Schwingungsintegrator (29) eines jeweiligen Schwingungskompensators (23) ein Wert s2=h4e+S1 und

-- dem Sprungintegrator (30) ein Wert s3=h5e zugeführt werden, wobei

-- V ein Verstärkungsfaktor ist,

-- i der Modelleingangswert ist,

-- e die Differenz von Istwert (hG) und Erwartungswert (hE) ist,

-- I das Ausgangssignal des Modellintegrators (25) ist,

-- S1 das Ausgangssignal des jeweiligen vorderen Schwingungsintegrators (28) ist,

-- S2 das Ausgangssignal des jeweiligen hinteren Schwingungsintegrators (29) ist,

-- h1 und h2 Modellanpassungsfaktoren sind,

-- h3 und h4 für den jeweiligen Schwingungskompensator (23) spezifische Schwingungsanpassungsfaktoren sind und

-- h5 ein Sprunganpassungsfaktor ist.
Regelverfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassungsfaktoren (h1 bis h5) derart bestimmt sind, dass die Pole der durch das Modell (21) der Stranggießkokille (1) bestimmten Übertragungsfunktion folgende Bedingungen erfüllen:
- Pro Störfrequenz (fS) ergibt sich je ein Paar konjugiert komplexer Pole, deren Realteile kleiner als Null sind und deren Imagimärteile gleich einer durch die jeweilige Störfrequenz (fS) definierten Kreisstörfrequenz (ωS) sind,

- es ergeben sich drei reelle Pole, die alle kleiner als Null sind.
Regelverfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassungsfaktoren (h1 bis h5) derart bestimmt sind, dass die Realteile der konjugiert komplexen Pole, bezogen auf die jeweilige Kreisstörfrequenz (ωS), zwischen -0,3 und -0,1 liegen.
Regelverfahren nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassungsfaktoren (h1 bis h5) derart bestimmt sind, dass die reellen Pole alle kleiner als -2,0 sind.
Regelverfahren nach Anspruch 3, 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassungsfaktoren (h1 bis h5) derart bestimmt sind, dass die reellen Pole paarweise voneinander verschieden sind.
Regelverfahren nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassungsfaktoren (h1 bis h5) derart bestimmt sind, dass je einer der reellen Pole zwischen -2,5 und -3,5, zwischen -3,5 und -4,5 und zwischen -4,5 und -5,5 liegt.
Regelverfahren nach einem der obigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl an Schwingungskompensatoren (23) größer als eins ist.
Regelverfahren nach einem der obigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass dem Störgrößenkompensator (20) die Sollstellung (p*) für die Verschlusseinrichtung (4) oder die um den Störgrößenkompensationswert (z) korrigierte Sollstellung für die Verschlusseinrichtung (4), nicht aber die Iststellung (p) der Verschlusseinrichtung (4) oder die um den Störgrößenkompensationswert (z) korrigierte Iststellung der Verschlusseinrichtung (4) zugeführt wird.
Computerprogramm, das Maschinencode (17) umfasst, der von einer Steuereinrichtung (11) für eine Stranggießanlage unmittelbar ausführbar ist und dessen Ausführung durch die Steuereinrichtung (11) bewirkt, dass die Steuereinrichtung (11) den Gießspiegel (9) einer Stranggießkokille (1) der Stranggießanlage gemäß einem Regelverfahren nach einem der obigen Ansprüche regelt.
Computerprogramm nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass es auf einem Datenträger (15, 16) in maschinenlesbarer Form gespeichert ist.
Computerprogramm nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass der Datenträger (15) Bestandteil der Steuereinrichtung (11) ist.
Steuereinrichtung für eine Stranggießanlage,
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie im Betrieb ein Regelverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausführt.
Stranggießanlage,
dadurch gekennzeichnet, dass sie von einer Steuereinrichtung (11) nach Anspruch 13 gesteuert wird.