JP2008290148A - 自動注湯制御方法、自動注湯装置のサーボモータの制御システムおよび取鍋用傾動制御プログラムを記憶した記憶媒体 - Google Patents
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Abstract
【課題】コンピュータにより、熟練作業者による注湯作業に可及的に近づけることが可能な、取鍋の傾動による自動注湯の制御方法を提供する。
【解決手段】注湯プロセスを遂行するプログラムで制御されるサーボモータにより取鍋を傾動させて鋳型に注湯するに当たり、所望の注湯流量パターンによって鋳型に注湯すべくサーボモータを制御する方法であって、サーボモータに印加する入力電圧から取鍋による注湯流量までの数理モデルの逆問題を解き、かつ、重量計測器によって計測される溶湯金属の鋳込み重量から重心変動の影響を取り除いた重量とサーボモータに印加する入力電圧から拡張カルマンフィルタに基づく指数減衰型オブザーバを用いて注湯流量を推定し、この注湯流量と目標注湯流量をゲインスケジュールドPI制御器で処理し、これにより、サーボモータに印加する入力電圧を獲得し、この獲得した入力電圧に基づきサーボモータを制御することを特徴とする。
【選択図】図2
Description
またなお、取鍋は重心付近で支持してある。
なお、重心位置を中心にして傾動するようにすることにより、前記サーボモータ2にかかる負荷が大きくなることを防ぐことができる。
Vr(t)+Vs(θ(t))
=Vr(t+Δt)+Vs(θ(t+Δt))+q(t)Δt (1)
ω(t)=dθ(t)/dt (3)
よって、式(3)を式(2)に代入すると、下記の式(4)が得られる。
Vr(t)≒A(θ(t))h(t) (8)
よって、式(8)より下記の式(9)が得られる。
h(t)≒Vr(t)/A(θ(t)) (9)
dω(t)/dt=−ω(t)/Tm+Kmu(t)/Tm (16)
ここで、Tm[s]は時定数、Km[deg/sV]はゲイン定数をそれぞれ示す。本自動注湯装置ではTm=0.006[s]、Km=24.58[deg/sV]である。
dwL/dt=−wL(t)/TL+w(t)/TL (17)
ここで、w[Kg]は取鍋1から流出した液体の流出重量、wL[Kg]はロードセルで計測される計測重量、TL[s]はロードセルの応答遅れを示す時定数である。本自動注湯装置ではステップ応答法により時定数を同定した結果、TL=0.10[s]となった。
なお、フィードフォワード制御とは、制御対象に加える操作量を予め決められた値に調節することにより、出力が目標値になるようにする制御法であって、制御対象の入出力関係や外乱の影響などが明確な場合には性能の良い制御を行うことができる。
q=f(h) (19)
ここで、関数f(h)は式(10)に示すベルヌーイの定理である。したがって、式(19)の逆関数は下記の式(20)となる。
h=f−1(q) (20)
ここで、分割間隔qi→qi+1、hi→hi+1は線形補間により近似する。分割幅が小さいほど、高精度に注湯流量q[m3/s]と出湯口上部の溶湯高さh[m]の関係を表現できる。実装可能な範囲で分割幅を小さくすることが望まれる。
href(t)=f−1(qref(t)) (21)
Vref(t)=A((θ(t))href(t) (22)
そして,フィードバック部は,ロードセルによって計測される鋳込み重量から拡張カルマンフィルタに基づく指数減衰型オブザーバを用いて,注湯流量を推定し,この推定した注湯流量をゲインスケジュールドPI制御器で処理することで、外乱要素が存在する環境下でも所望の注湯流量パターンに追従させる注湯流量制御システムを構築する。
GMv(s)=Kmz/(1+Tmzs) (26)
GLv(s)=Klωnls/(s2+2ζlωnl+ω2 nl) (27)
拡張カルマンフィルタに基づいた指数減衰型オブザーバについて説明すると、離散時間系の拡張カルマンフィルタ[文献:K.Reif,R.Unbehauen,The Extended Kalman Filteras an Exponential Obserber for Nonlinear Systems,IEEE,Transactions on Signal Processing,Vol.47,No.8,(1999),pp.2324−2328.]を用いて,指数減衰型オブザーバの構築を行なう。以下にアルゴリズムを示す。対象とするシステムを式(28),(29)に示す。
zn+1=f(zn,xn) (28)
yn=h(zn) (29)
ここで,n∈N0は離散時間,zn∈Rq,xn∈Rq,yn∈Rmはそれぞれ,状態変数,入力,出力である。また,関数f,hはC1関数であると仮定する。式(28),(29)により,オブザーバは式(30),(31)となる。ここで,オブザーバゲインKnは時変のq×m行列である。
以上の拡張カルマンフィルタの更新アルゴリズムを用いたオブザーバは,指数減衰型オブザーバとなることが文献[K.Reif,R.Unbehauen,The Extended Kalman Filteras an Exponential Obserber for Nonlinear Systems,IEEE,Transactions on Signal Processing,Vol.47,No.8,(1999),pp.2324−2328.]により証明されている。
前記取鍋1の傾動角速度からロードセルによる計測注湯鋳込み重量までのシステムを考える。まず,連続時間系の注湯システムである式(11)、(12)、(16)、(17)の微分方程式を差分方程式へと変換する。求めた差分方程式を式(39),(40)に示す。
ここで,t=nks,ts[s]はサンプリング時間,nはサンプリング番号n=1,2,3,・ ・ ・とする。
af、bfは式(41)、式(42)で示される。
である。
式(39)、式(40)を式(30)、式(31)で表現すると式(43)〜式(46)となる。
zn=[Vr(n) w(n) wl(n)]T (43)
x(n)=ω(n) (44)
Claims (8)
- 注湯プロセスを遂行するプログラムを予め設定したコンピュータによって制御されるサーボモータにより取鍋を傾動させて鋳型に注湯するに当たり、前記取鍋による所望の注湯流量パターンによって鋳型に注湯すべく前記サーボモータを制御する方法であって、
前記サーボモータに印加する入力電圧から前記取鍋による注湯流量までの数理モデルを作成し、
この作成した数理モデルの逆問題を解き、かつ、重量計測器によって計測される溶湯金属の鋳込み重量から重心変動の影響を取り除いた重量と前記サーボモータに印加する入力電圧から拡張カルマンフィルタに基づく指数減衰型オブザーバを用いて注湯流量を推定し、この注湯流量と目標注湯流量をゲインスケジュールドPI制御器で処理し、
これにより、前記サーボモータに印加する入力電圧を獲得し、
この獲得した入力電圧に基づき前記サーボモータを制御することを特徴とする自動注湯制御方法。 - 請求項1に記載の自動注湯制御方法において、
前記注湯流量と目標注湯流量をゲインスケジュールドPI制御器で処理したのち、前記サーボモータに印加する入力電圧から前記取鍋による注湯流量までの数理モデルを作成し、
この作成した数理モデルの逆問題を解き、かつ、目標注湯流量をFF制御器で処理し、
ゲインスケジュールドPI制御器で処理した結果とFF制御器で処理した結果を足し合わせることにより、前記サーボモータに印加する入力電圧を獲得し、
この獲得した入力電圧に基づき前記サーボモータを制御することを特徴とする自動注湯制御方法。 - 請求項1または2に記載の自動注湯制御方法において、
前記取鍋の傾動中に溶湯金属を含めた取鍋の重心が変動し、その重力方向の加速度が前記重量計測器の計測データに重畳される問題に対して、重心変動による加速度を打ち消し、重量計測器の計測データから重心変動の影響を取り除いて溶湯金属の鋳込み重量を計測することを特徴とする自動注湯制御方法。 - 請求項1または2に記載の自動注湯制御方法において、
前記サーボモータへの入力電圧から前記取鍋による注湯流量までの数理モデルを作成し、
この作成した数理モデルの逆問題を解き、かつ、重量計測器によって計測される溶湯金属の鋳込み重量から重心変動の影響を取り除いた重量と前記サーボモータに印加する入力電圧から拡張カルマンフィルタに基づく指数減衰型オブザーバを用いて、前記取鍋から流出する単位時間あたりの溶湯金属の重量を実時間で推定することを特徴とする自動注湯制御方法。 - 請求項1〜4のうちいずれか1項に記載の自動注湯制御方法において、
前記取鍋は、円筒形状のもの、または扇形のものであることを特徴とする自動注湯制御方法。 - 注湯プロセスを遂行するプログラムを予め設定したコンピュータによって制御されるサーボモータにより取鍋を傾動させて鋳型に注湯するに当たり、前記取鍋による所望の注湯流量パターンによって鋳型に注湯すべく前記サーボモータを制御するシステムであって、
前記サーボモータへの入力電圧から前記取鍋による注湯流量までの数理モデルを作成する数理モデル作成手段と、
作成した数理モデルの逆問題を解き、かつ、重量計測器によって計測される溶湯金属の鋳込み重量から重心変動の影響を取り除いた重量と前記サーボモータに印加する入力電圧から拡張カルマンフィルタに基づく指数減衰型オブザーバを用いて注湯流量を推定する注湯流量推定手段と、
この注湯流量と目標注湯流量をゲインスケジュールドPI制御器で処理するゲインスケジュールドPI制御器処理手段と、
を含むことを特徴とする自動注湯装置のサーボモータの制御システム。 - 注湯プロセスを遂行するプログラムを予め設定したコンピュータによって制御されるサーボモータにより取鍋を傾動させて鋳型に注湯するに当たり、前記取鍋による所望の注湯流量パターンによって鋳型に注湯すべく前記サーボモータを制御するための制御プログラムを記憶した記憶媒体であって、
前記サーボモータに印加する入力電圧から前記取鍋による注湯流量までの数理モデルを作成し、
この作成した数理モデルの逆問題を解き、かつ、重量計測器によって計測される溶湯金属の鋳込み重量から重心変動の影響を取り除いた重量と前記サーボモータに印加する入力電圧から拡張カルマンフィルタに基づく指数減衰型オブザーバを用いて注湯流量を推定し、この注湯流量と目標注湯流量をゲインスケジュールドPI制御器で処理し、
これにより、前記サーボモータに印加する入力電圧を獲得し、
この獲得した入力電圧に基づき前記サーボモータを制御することを特徴とする取鍋用傾動制御プログラムを記憶した記憶媒体。 - 請求項7に記載の取鍋用傾動制御プログラムを記憶した記憶媒体において、
注湯流量と目標注湯流量をゲインスケジュールドPI制御器で処理したのち、前記サーボモータに印加する入力電圧から前記取鍋による注湯流量までの数理モデルを作成し、
この作成した数理モデルの逆問題を解き、かつ、目標注湯流量をFF制御器で処理し、
ゲインスケジュールドPI制御器で処理した結果とFF制御器で処理した結果を足し合わせることにより、前記サーボモータに印加する入力電圧を獲得し、
この獲得した入力電圧に基づき前記サーボモータを制御することを特徴とする取鍋用傾動制御プログラムを記憶した記憶媒体。
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