JP2014111269A - Frequency estimation device, method and program in molten metal surface level control system of continuous casting machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、連続鋳造機において鋳型の内部の湯面レベルを周期的な変動がなく、かつ目標レベルに維持するように制御する連続鋳造機の湯面レベル制御系における周波数推定装置、方法及びプログラムに関する。 The present invention relates to a frequency estimation device, method, and program in a continuous casting machine level control system for controlling the molten metal level in a mold so as to maintain a target level without periodic fluctuations in a continuous casting machine. About.
図10に、連続鋳造機の概要を示す。上下に開口を有する鋳型1の上方には、溶湯(溶融金属)2を貯留するタンディッシュ20が配されている。タンディッシュ20の底面には注湯ノズル3が連設され、鋳型1の内部にまで延長されており、タンディッシュ20内の溶湯2は、注湯ノズル3のスライディングゲート30を経て鋳型1内に注湯される。鋳型1内に注湯された溶湯2は、鋳型1の水冷された内壁との接触により冷却されて外側から凝固し、凝固シェルにより外側を被覆された鋳片4となって鋳型1の下方に連続的に引き抜かれる。鋳片4の引き抜きは、鋳型1の下方に所定の間隔毎に並設された複数対のガイドロール5により案内されながら、予め定めた鋳込み速度を保って行われる。この引き抜きの間に、鋳片4は、図示しないスプレ帯から噴射される冷却水により冷却され、最内部にまで凝固が進行した段階にて所定の寸法に切断され、圧延等の後工程において用いられる製品鋳片となる。
FIG. 10 shows an outline of the continuous casting machine. A tundish 20 for storing a molten metal (molten metal) 2 is arranged above the
このような連続鋳造機においては、鋳型1の上部からの溶湯2の溢出、ブレークアウトの発生等、安定操業を阻害する各種の不都合を未然に防止して生産能率の向上を図るとともに、鋳型1の内部での冷却、凝固状態を安定化させ、製品鋳片の品質向上を図るため、鋳型1の内部に滞留する溶湯2の表面レベル(湯面レベル)を周期的な変動がなく、かつ適正レベルに維持することが重要である。
In such a continuous casting machine, various inconveniences that impede stable operation such as overflow of the
連続鋳造機の操業中、鋳型1の内部の湯面レベルは、該溶湯2の表面に臨ませたレベル計6により検出され、この検出レベルyが湯面レベル制御装置Cに与えられる。また、湯面レベル制御装置Cには、目標レベル設定器7に設定された鋳型1の内部にて維持すべき湯面レベルの目標値(目標レベルr)が与えられる。湯面レベル制御装置Cは、レベル計6による検出レベルyと目標レベル設定器7に設定された目標レベルrとの偏差を求め、この偏差を解消するためのスライディングゲート30の開度変更量を求める。そして、求めた開度変更量を得るべく、スライディングゲート30の開閉用アクチュエータ(油圧シリンダ)31に開閉指令uを発し、この開閉指令uに応じたアクチュエータ31の動作によりスライディングゲート30の開度を変更し、鋳型1への注湯量を調節する。
During the operation of the continuous casting machine, the molten metal level inside the
一般的に、開度変更量は、定常レベルを一定に保つため、低周波ゲインを高くする必要があり、前記偏差を入力とするPI演算又はPID演算により求められ、制御対象を含めた制御系の安定化を図るようにしている。 In general, the amount of change in opening is required to increase the low-frequency gain in order to keep the steady level constant, and is obtained by PI calculation or PID calculation using the deviation as an input, and includes a control system including a control target. Is trying to stabilize.
ところが、連続鋳造機の操業においては、鋳型1から引き抜かれる鋳片4のバルジング等、湯面レベルの変動を引き起こす周期的な外乱が存在する。バルジングとは、図11に示すように、鋳型1の下方に引き抜かれる鋳片4の外側の凝固シェルが、引き抜き経路に沿って並設された多数のガイドロール5による挾持部間において外側に膨らむように変形する現象である。このとき、鋳型1の内部の湯面レベルの変動は、凝固シェルの内側の溶湯が、バルジングに伴う変形により鋳型1に対して出入りすることにより発生し、バルジング量の時間的な変化が周期性レベル変動を引き起こすとされている。特に、ガイドロール5が同一ピッチで並設されている場合、各ガイドロール5でのバルジング量が同一位相にて変化するため、大きな変動幅を有する周期的なレベル変動が発生する。
このような外乱に起因して鋳型1の内部に発生する周期的なレベル変動は、上述した一般的な湯面レベル制御では抑制することが難しい。
このような事情により従来から、周期的なレベル変動の抑制を図った湯面レベル制御方法が種々提案されている(例えば特許文献1を参照のこと)。
However, in the operation of the continuous casting machine, there are periodic disturbances that cause fluctuations in the molten metal surface level, such as bulging of the
It is difficult to suppress the periodic level fluctuation generated in the
Under such circumstances, various hot water surface level control methods have been conventionally proposed in which periodic level fluctuations are suppressed (see, for example, Patent Document 1).
操業中に実際に生じる湯面レベルの変動状態に応じて、除去したい周波数成分(湯面レベルの変動を引き起こす周期的な外乱の周波数成分)を速やかに検出、制御器を適応的に変更することにより、外乱に起因して鋳型1の内部に発生する周期的なレベル変動を高い精度で抑制することが可能となる。
例えば特許文献1には、検出レベルy及び開度指令uから得た外乱推定値、或いは検出レベルyを高速フーリエ変換(FFT)して、それらの周波数分布を推定する構成が開示されている。
しかしながら、FFTでは、ノイズ除去のためにデータかスペクトラムを加算平均する必要がある。また、原理上、窓関数を用いる必要があり、窓内に周波数成分を含む領域が大きくならないとS/N比がよくならない。
しかも、外乱に起因して鋳型1の内部に発生する周期的なレベル変動に対して、そのレベル変動を除去する適応制御系を考える場合、オンラインで周波数を推定する必要がある。FFTでは512、1024といった数のサンプル数が必要となるため、FFTによる推定手法では満足な応答性を有しているとはいえない。
To quickly detect the frequency component (frequency component of periodic disturbance that causes the fluctuation of the molten metal level) to be removed and change the controller adaptively according to the fluctuation level of the molten metal level that actually occurs during operation. Thus, it is possible to suppress the periodic level fluctuation generated in the
For example,
However, in FFT, it is necessary to average the data or spectrum for noise removal. In principle, it is necessary to use a window function, and the S / N ratio cannot be improved unless the region containing the frequency component in the window becomes large.
Moreover, when considering an adaptive control system that eliminates the level fluctuations generated in the
本発明は上記のような点に鑑みてなされたものであり、湯面レベルの変動を引き起こす周期的な外乱の周波数成分を正確に、応答性よく推定できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and it is an object of the present invention to accurately and accurately estimate frequency components of periodic disturbances that cause fluctuations in the molten metal surface level.
本発明の周波数推定装置は、連続鋳造機の操業中に鋳型の内部の湯面レベルを検出し、この検出レベルと予め定めた目標レベルとの偏差を用いて前記検出した湯面レベルを前記目標レベルに維持するように制御する湯面レベル制御系において、湯面レベルの変動を引き起こす周期的な外乱の周波数成分を推定する周波数推定装置であって、前記検出レベルの信号、又は前記検出レベルに応じて求められる信号を入力として、逐次最小2乗法(recursive least-squares method:RLS法)により、周波数を推定する初期周波数探索手段と、前記初期周波数探索手段で推定した周波数を入力として、非線形最適化手法により、湯面レベルの変動を引き起こす周期的な外乱の周波数成分を推定する非線形最適化手段とを備えたことを特徴とする。
本発明の周波数推定方法は、連続鋳造機の操業中に鋳型の内部の湯面レベルを検出し、この検出レベルと予め定めた目標レベルとの偏差を用いて前記検出した湯面レベルを前記目標レベルに維持するように制御する湯面レベル制御系において、湯面レベルの変動を引き起こす周期的な外乱の周波数成分を推定する周波数推定方法であって、前記検出レベルの信号、又は前記検出レベルに応じて求められる信号を入力として、逐次最小2乗法(recursive least-squares method:RLS法)により、周波数を推定する初期周波数探索ステップと、前記初期周波数探索ステップで推定した周波数を入力として、非線形最適化手法により、湯面レベルの変動を引き起こす周期的な外乱の周波数成分を推定する非線形最適化ステップとを有することを特徴とする。
本発明のプログラムは、連続鋳造機の操業中に鋳型の内部の湯面レベルを検出し、この検出レベルと予め定めた目標レベルとの偏差を用いて前記検出した湯面レベルを前記目標レベルに維持するように制御する湯面レベル制御系において、湯面レベルの変動を引き起こす周期的な外乱の周波数成分を推定するためのプログラムであって、前記検出レベルの信号、又は前記検出レベルに応じて求められる信号を入力として、逐次最小2乗法(recursive least-squares method:RLS法)により、周波数を推定する初期周波数探索処理と、前記初期周波数探索処理で推定した周波数を入力として、非線形最適化手法により、湯面レベルの変動を引き起こす周期的な外乱の周波数成分を推定する非線形最適化処理とをコンピュータに実行させる。
The frequency estimation apparatus according to the present invention detects a molten metal level inside a mold during operation of a continuous casting machine, and uses the deviation between the detected level and a predetermined target level to determine the detected molten metal level. In a hot water surface level control system that controls to maintain a level, a frequency estimation device that estimates a frequency component of a periodic disturbance that causes fluctuations in the hot water surface level, the signal of the detection level, or the detection level The signal obtained according to the input is used as an input, the initial frequency search means for estimating the frequency by the recursive least-squares method (RLS method), and the frequency estimated by the initial frequency search means as inputs, and the nonlinear optimum And non-linear optimization means for estimating a frequency component of a periodic disturbance that causes fluctuations in the molten metal surface level.
According to the frequency estimation method of the present invention, the molten metal level inside the mold is detected during operation of the continuous casting machine, and the detected molten metal level is detected using the deviation between the detected level and a predetermined target level. A level estimation method for estimating a frequency component of a periodic disturbance that causes fluctuations in the molten metal surface level in a molten metal surface level control system that is controlled so as to maintain the level, wherein the detected level signal or the detected level The signal obtained according to the input is used as an input, the initial frequency search step for estimating the frequency by the recursive least-squares method (RLS method), and the frequency estimated in the initial frequency search step as an input, and the nonlinear optimum And a non-linear optimization step for estimating a frequency component of a periodic disturbance that causes fluctuations in the molten metal surface level.
The program of the present invention detects a molten metal level in the mold during operation of the continuous casting machine, and uses the deviation between the detected level and a predetermined target level to set the detected molten metal level to the target level. In the hot water level control system for controlling to maintain, a program for estimating a frequency component of a periodic disturbance that causes fluctuations in the hot water level, according to the signal of the detection level or the detection level An initial frequency search process for estimating a frequency by a recursive least-squares method (RLS method) using the required signal as an input, and a nonlinear optimization method using the frequency estimated by the initial frequency search process as an input This causes the computer to execute nonlinear optimization processing for estimating the frequency component of periodic disturbance that causes fluctuations in the molten metal surface level.
本発明によれば、湯面レベルの変動を引き起こす周期的な外乱の周波数成分を正確に、応答性よく推定できるようにすることができる。 According to the present invention, it is possible to accurately estimate a frequency component of a periodic disturbance that causes fluctuations in the molten metal surface level with good responsiveness.
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、説明の便宜上、既述した構成要素に対応する構成要素には同一の符号を付して説明する。
図1は、実施形態に係る湯面レベル制御装置Cを含む湯面レベル制御系を表すブロック線図である。目標レベル設定器7に設定された目標レベルをr、レベル計6による検出レベルをyとする。また、制御対象となる連続鋳造機の湯面レベル変動プロセスモデルの伝達関数をP(s)(sはラプラス演算子)とする。また、操業中に湯面レベルの変動を引き起こす外乱をd(ノズル開度に換算したもの)とする。
湯面レベル制御装置Cは、連続鋳造機の操業中に鋳型1の内部の湯面レベルyを検出し、この検出レベルyと予め定めた目標レベルrとの偏差を用いて求めた開度指令uに従って注湯手段である注湯ノズル3のスライディングゲート30の開度を変更して、湯面レベルを目標レベルrに維持するように制御する。
Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. For convenience of explanation, components corresponding to the components described above will be described with the same reference numerals.
FIG. 1 is a block diagram showing a hot water level control system including a hot water level control device C according to the embodiment. The target level set in the target level setting unit 7 is r, and the detection level by the level meter 6 is y. In addition, the transfer function of the molten steel level fluctuation process model of the continuous casting machine to be controlled is P (s) (s is a Laplace operator). In addition, a disturbance that causes fluctuations in the hot water level during operation is defined as d (converted to the nozzle opening).
The molten metal level control device C detects the molten metal level y inside the
ここで、特許文献1にもあるように、開度指令uを入力とし、検出レベルyを出力とする連続鋳造機の湯面レベル変動プロセスモデルの伝達関数P(s)は、注湯ノズル3の内部での湯落ちに要するむだ時間要素(鋳型1への湯落ちに要するむだ時間要素)Pd(s)=exp(−Ls)を含むように想定される。Lは、注湯ノズル3の内部での湯落ちに要するむだ時間である。
本実施形態では、図2に示すように、湯面レベル変動プロセスモデル伝達関数P(s)に、注湯ノズル3の内部での湯落ちに要するむだ時間要素Pd(s)だけでなく、注湯ノズル3のスライディングゲート30の動特性(一次遅れとして近似して使用)Psn(s)、及びレベル計6の動特性(一次遅れとして近似して使用)Pse(s)も含むものと想定している。即ち、湯面レベル変動プロセスモデルの伝達関数P(s)は、(1)式のように表される。Kは係数、Tsnは注湯ノズル3のスライディングゲート30の一次遅れ時定数、Tseはレベル計6の一次遅れ時定数である。
なお、外乱dには、詳細にいえば、現状の湯面レベルの位置に発生するものd1(バルジング)、溶湯2の注湯位置に発生するものd2(ノズル詰まり)がある。
Here, as also in
In the present embodiment, as shown in FIG. 2, not only the waste time element P d (s) required for the pouring of the hot water inside the pouring
In detail, the disturbance d includes a d 1 (bulging) that occurs at the position of the current molten metal level and a d 2 (nozzle clogging) that occurs at the pouring position of the
図1に示すように、湯面レベル制御装置Cは、加え合わせ点101と、開度演算部102と、加え合わせ点103と、補正量演算部104とを備える。湯面レベル制御装置Cは、通常、ディジタル制御器の中で演算されるため離散系伝達関数として取り扱われる。
加え合わせ点101は、入力として与えられる目標レベルrと検出レベルyとの偏差信号eを出力する。
開度演算部102は、加え合わせ点101から出力される偏差信号eを入力とし、開度変更量u0を演算して出力する。
加え合わせ点103は、開度演算部102から出力される開度変更量u0と、補正量演算部104から出力される開度補正量vとを加え合わせて開度指令uとして出力する。
補正量演算部104は、開度指令uと検出レベルyとを入力とし、開度補正量vを演算して出力する。
As shown in FIG. 1, the hot water level control device C includes an
The
The opening
The
The correction
開度演算部102の伝達関数をC(q-1)とする。湯面レベル制御装置Cは離散系で処理することから、離散時間系にしたときの演算子qを用いた伝達関数として表される(以下、湯面レベル制御装置Cに関しては同様)。一般的に伝達関数C(q-1)は定常レベルを一定に保つため、低周波ゲインを高くする必要があり、PIDコントローラが使用される。ただし、開度演算部102の構成は限定されるものではなく、例えば図4に示すようなRST型コントローラが使用されてもよい。
The transfer function of the opening
補正量演算部104は、湯面レベル制御装置Cから出力される開度指令uを遅延させる遅延部104aと、検出レベルyを入力とし、湯面レベル変動プロセスモデルのノミナルモデル(設計上の理想モデル)Pn(s)の離散化した逆伝達関数モデルで演算した結果を出力する演算部104bと、演算部104bの出力と遅延部104aの出力との差である外乱推定値d^(d^はdの上に^が付されているものとする)を出力する加え合わせ点104cと、加え合わせ点104cから出力される外乱推定値d^を入力とし、開度補正量vを出力する処理部104dを備える。
The correction
遅延部104aは、湯面レベル制御装置Cから出力される開度指令uを、むだ時間Lに対応するステップmだけ遅延させて出力する。湯面レベル制御装置Cでの演算周期をΔTとすると、L/ΔT=mとなる。
むだ時間はパデ近似等の近似手法で表現する方法もあるが、パデ近似を用いると非最小位相系となり、高周波帯域で位相特性がずれる等の問題が発生する。これに対して、離散系での表記を用いると、むだ時間に最大サンプル時間分相当の量子化誤差が発生するケースがあるものの、サンプル時間が短いケースでは近似精度がよい。
The
Although there is a method of expressing the dead time by an approximation method such as Padé approximation, the use of Padé approximation results in a non-minimum phase system, which causes problems such as a shift in phase characteristics in a high frequency band. On the other hand, when the notation in the discrete system is used, a quantization error corresponding to the maximum sample time may occur in the dead time, but the approximation accuracy is good in the case where the sample time is short.
演算部104bは、その伝達関数が、湯面レベル変動プロセスモデルのノミナルモデルPn(s)の離散化した逆伝達関数モデルP-1 n(q-1)で表される。湯面レベル制御装置Cは離散系で処理することから、離散時間系にしたときの演算子qを用いた伝達関数として表される。
ここで、現在の検出レベルyは、L秒前の入力である開度指令uと外乱入力であるdの和による湯面レベル変動プロセスモデルの伝達関数P(s)の結果である。演算部104bの伝達関数はノミナルモデルPn(s)の離散化した逆伝達関数モデルとなっており、これは言い換えると、演算部104bからは、現在の検出レベルyが結果となる、L秒前の開度指令uと外乱入力であるdの和が出力されることになる。
本件でのノミナルモデルはむだ時間を含まない構造を示しており、ここでもexp(−Ls)・P(q-1)≒q-m・Pn(q-1)と設定している。
ノミナルモデルは設備設計値や単独試運転結果から得られる値を用いるケースもあるが、入出力データから二乗誤差を最小にするモデルを推定する手法である逐次型システム同定法や部分空間同定法等を用いて得られるモデルを用いるとよい結果が得られる。
なお、通常プロセスモデルは厳にプロパー(分子次数より分母次数の方が大きい)であるケースが多く、逆伝達関数はプロパー関数とはならない。このため、ノミナルモデルの離散化した逆伝達関数モデルを実装するためには、1次や2次遅れの関数を組み合わせて表現することが一般的である。この場合、信号の同一性を保たせるために、遅延部104aにも同様の関数を組み合わせる必要がある。この際の組み合わせ関数の時定数は外乱周波数帯域より5〜10倍以上高い値とするのがよい。
In the
Here, the current detection level y is the result of the transfer function P (s) of the molten metal level fluctuation process model based on the sum of the opening degree command u which is an input L seconds before and the disturbance input d. The transfer function of the
The nominal model in this case shows a structure that does not include dead time, and here, exp (−Ls) · P (q −1 ) ≈q −m · P n (q −1 ) is set.
In some cases, nominal models use equipment design values or values obtained from independent test results, but sequential system identification methods, subspace identification methods, etc. are methods that estimate models that minimize the square error from input and output data. Good results can be obtained by using the model obtained by using this method.
Usually, the process model is strictly proper (the denominator order is larger than the numerator order), and the inverse transfer function is not a proper function. For this reason, in order to implement the inverse transfer function model in which the nominal model is discretized, it is general to express a combination of first-order and second-order lag functions. In this case, in order to maintain the identity of the signal, it is necessary to combine the same function with the
遅延部104aの出力と演算部104bの出力とが入力される結果、加え合わせ点104cは、mステップ(むだ時間Lに対応)前の開度指令uと、いま検出された検出レベルyが結果となる、L秒前の開度指令uとの差である外乱推定値d^を出力することになる。
As a result of inputting the output of the
処理部104dは、加え合わせ点104cから出力される外乱推定値d^を入力とし、開度補正量vを出力する。処理部104dの伝達関数をV(q-1)とする。湯面レベル制御装置Cは離散系で処理することから、離散時間系にしたときの演算子qを用いた伝達関数として表される。
ここで、処理部104dでは、複数の周波数成分を含む外乱推定値d^から、除去したい周波数成分、即ち湯面レベルの変動を引き起こす周期的な外乱の周波数成分を抽出する必要がある。
また、加え合わせ点104cから出力される外乱推定値d^は、mステップ(むだ時間Lに対応)前の外乱を推定したものである。処理部104dの出力は、湯面レベル制御装置Cから出力される現在の開度指令uに対する開度補正量vとすべきであるので、現在の外乱を推定する必要がある。
The
Here, in the
The estimated disturbance value d ^ output from the
このような処理部104dの伝達関数V(q-1)を設計する手法として、ベズー(Bezout)方程式による逆行列計算を行う手法が挙げられる。
外乱→湯面レベルの伝達関数Gyd(q-1)は、(2)式のようになる。(2)式において、[1−V(q-1)q-m]は、補正量演算部104を設けたことにより追加される項である。
そして、(3)式のようにV(q-1)をおいて、(4)式となるように伝達関数V(q-1)を設計すればよい。(4)式において、[(1−2cosω・q-1+q-2)/(1−α・2cosω・q-1+α2・q-2)]は、外乱周波数を減衰させるフィルタ(α:減衰の急峻度)となる項である。ωはFFT等を用いて適応的に推定される。
As a method for designing such a transfer function V (q −1 ) of the
The transfer function G yd (q −1 ) at the disturbance → water surface level is expressed by equation (2). In the equation (2), [1-V (q −1 ) q −m ] is a term added when the correction
Then, V (q −1 ) may be set as in equation (3), and the transfer function V (q −1 ) may be designed so as to be in equation (4). In the equation (4), [(1-2 cos ω · q −1 + q −2 ) / (1−α · 2 cos ω · q −1 + α 2 · q −2 )] is a filter that attenuates the disturbance frequency (α: attenuation) This is a term that is a steepness of ω is adaptively estimated using FFT or the like.
ここで、(5)式に示すBezout方程式において、左右に係数比較によってJ(q-1)及びNv(q-1)を求める。(6)式、(7)式に示す係数比較の公式において、両辺に左からMの逆行列をかけて、J(q-1)及びNv(q-1)を得る。 Here, in the Bezout equation shown in Equation (5), J (q −1 ) and N v (q −1 ) are obtained by coefficient comparison on the left and right. In the coefficient comparison formulas shown in Equations (6) and (7), J (q −1 ) and N v (q −1 ) are obtained by applying an inverse matrix of M from the left to both sides.
既述したように、操業中に実際に生じる湯面レベルの変動状態に応じて、除去したい周波数成分(湯面レベルの変動を引き起こす周期的な外乱の周波数成分)を適宜に変更することにより、外乱に起因して鋳型1の内部に発生する周期的なレベル変動を高い精度で抑制することが可能となる。
しかしながら、除去したい周波数成分(湯面レベルの変動を引き起こす周期的な外乱の周波数成分)を変更する場合に、その都度、補正量演算部104の実機において上記のような計算を実行させるのでは、計算負荷が大きく、実際の計算周期(数十msec程度)で計算を実行するのは現実的には難しい。
As described above, according to the fluctuation state of the hot water surface level actually generated during operation, by appropriately changing the frequency component to be removed (frequency component of the periodic disturbance causing the fluctuation of the hot water surface level), Periodic level fluctuations occurring inside the
However, when the frequency component to be removed (frequency component of periodic disturbance that causes fluctuations in the molten metal surface level) is changed, the above calculation is executed in the actual machine of the correction
図3(a)に示すように、本来、周期的な外乱を除去するためには処理部104dは、特定の周波数域を通過させるバンドパスフィルタ105と、mステップ先予測器106としての機能が必要となる。
しかし、mステップ先予測器106の入力、即ちバンドパスフィルタ105を通過した特定の周波数信号は、湯面レベルの変動を引き起こす周期的な外乱であり、特にバンドパスフィルタの急峻度が高い場合には正弦波とみなすことができる。したがって、mステップ先を予測することは、正弦波の位相をmステップ分進めるのと等価である。そこで、図3(b)に示すように、mステップ先予測器106として、正弦波の位相をmステップ分進める位相進み器107を用いればよい。
これにより、除去したい周波数成分(湯面レベルの変動を引き起こす周期的な外乱の周波数成分)を変更するような場合、バンドパスフィルタ105を通過させる周波数域を変更するだけでよい。したがって、上述したようにBezout方程式を解く必要がなくなり、補正量演算部104における計算負荷が小さくなる。
As shown in FIG. 3A, originally, in order to remove periodic disturbance, the
However, the input of the m-
As a result, when changing the frequency component to be removed (frequency component of periodic disturbance that causes fluctuations in the molten metal surface level), it is only necessary to change the frequency range through which the
以上述べた湯面レベル制御系において、周波数推定装置108は、操業中に実際に生じる湯面レベルの変動状態に応じて、除去したい周波数成分(湯面レベルの変動を引き起こす周期的な外乱の周波数成分)を推定する。この除去したい周波数成分に応じてバンドパスフィルタ105を通過させる周波数域を変更し、推定外乱を除去する方向の出力信号を開度演算部102の出力に加算することにより、外乱に起因して鋳型1の内部に発生する周期的なレベル変動を高い精度で抑制することが可能となる。
In the hot water level control system described above, the
周波数推定装置108は、加え合わせ点104cから出力される外乱推定値d^を入力として、除去したい周波数成分を推定するものであり、初期周波数探索部108aと、非線形最適化部108bとを備える。
The
初期周波数探索部108aでは、外乱推定値d^を入力として、逐次最小2乗法(recursive least-squares method:RLS法)により、周波数を推定する。
まず、逐次最小2乗法について説明する。本手法は、内部モデル原理から適応則を導き出すパラメータ適応同定手法である。
周波数w1、w2の正弦波信号から構成されるd(k)は、内部モデル原理を用いると式(8)を満たす。この式(8)を展開すると、式(9)のようになる。なお、サンプル時間をTsとすると、kステップでの時間はt=k・Tsとなり、時間=kの関数となる。
ここでは、2つの周波数w1、w2を対象とする例を説明するが、1個でも、3個以上でもよい。対象とする周波数の数は予め定めておく必要があるが、連続鋳造機の湯面レベル制御において発生する周波数の数は操業経験から把握しておくことができる。
The initial
First, the sequential least square method will be described. This method is a parameter adaptive identification method that derives an adaptive law from the internal model principle.
D (k) composed of sinusoidal signals of frequencies w1 and w2 satisfies equation (8) when the internal model principle is used. When this equation (8) is expanded, the following equation (9) is obtained. If the sample time is T s , the time at k steps is t = k · Ts, which is a function of time = k.
Here, an example in which two frequencies w1 and w2 are targeted will be described, but one or three or more may be used. The number of frequencies to be processed needs to be determined in advance, but the number of frequencies generated in the molten steel level control of the continuous casting machine can be grasped from operational experience.
式(9)を用い、a1、a2の推定値をa1^、a2^として、式(10)のように、適応則で用いられるパラメータベクトルθ^、回帰ベクトルφ(k)が得られる。 Using equation (9), the estimated values of a1 and a2 are a1 ^ and a2 ^, and the parameter vector θ ^ and regression vector φ (k) used in the adaptive law are obtained as in expression (10).
次に、推定誤差ε(k)を考え、式(11)式、(12)のように、誤差2乗和から構成されるコスト関数Jを考える。 Next, the estimated error ε (k) is considered, and a cost function J composed of error sums of squares is considered as shown in equations (11) and (12).
ここで、∂J/∂θ^=0となるパラメータベクトルθ^を求め、忘却係数λの考えを導入して式操作すると、以下の再帰的なPAA(Parameter Adaptation Algorithm)を得る(非特許文献1を参照)。 Here, when the parameter vector θ ^ where ∂J / ∂θ ^ = 0 is obtained and the expression is manipulated by introducing the idea of the forgetting factor λ, the following recursive PAA (Parameter Adaptation Algorithm) is obtained (Non-Patent Document) 1).
なお、上記のPAA手法では、推定誤差が白色化されないと推定値にバイアスが生じることが知られている。その対策として、誤差項の多項式C(q-1)を考慮した逐次最小2乗法の拡張法ERLS(Extended RLS)、GLS(Generalized Least Square)が提案されている。周波数推定のケースでは、信号はd(k)(yに相当)とそれに派生するεのみであり、入力信号u(k)と呼ばれるものはないのでB(q-1)=0である。 In the above PAA method, it is known that the estimated value is biased unless the estimation error is whitened. As countermeasures, extended methods ERLS (Extended RLS) and GLS (Generalized Least Square) of the successive least square method in consideration of the polynomial C (q −1 ) of the error term have been proposed. In the case of frequency estimation, the signal is only d (k) (corresponding to y) and ε derived therefrom, and B (q −1 ) = 0 because there is nothing called the input signal u (k).
つまり、パラメータベクトルθ^、回帰ベクトルφ(k)を式(10)から式(14)に変形することで推定誤差の白色化を図る。 That is, the estimation error is whitened by transforming the parameter vector θ ^ and the regression vector φ (k) from the equation (10) to the equation (14).
GLSの場合は、式(15)のようになり、回帰ベクトルε(k−i)の部分の代わりに−α(k−i) for i=0・・・nを用いればよい。 In the case of GLS, equation (15) is obtained, and −α (ki) for i = 0... N may be used instead of the regression vector ε (ki).
図5(b)は、実操業中の連続鋳造機の湯面レベルデータ(図5(a))をFFTして周波数分布を推定した結果を示す。また、図6に、同データから、RLS、ERLS、GLSにより周波数を推定した結果を示す。図6において、横軸が時間(s)、縦軸が周波数(Hz)である。収束速度という点では、使用するデータが約100点(1秒/点のデータを使用)で収束するケースもあり、FFTに比べると収束速度が速いことが分かる。
図6に示すように、RLSやERLSでは推定値にバイアスが生じてしまうことが分かる。これに対して、GLSではバイアスのない推定値を得ることができる。ただし、正確な推定のためにC(q-1)に高次な項(8次)が必要であり、現実的であるとは言い難い。なお、GLSが有効な理由は、データ内に検出対象以外の周期成分を有するためであり、周期成分は誤差項に分母成分を持つ形の方が最小次数で表現できるからである。
FIG.5 (b) shows the result of having estimated the frequency distribution by carrying out FFT of the hot_water | molten_metal surface level data (FIG.5 (a)) of the continuous casting machine in actual operation. Moreover, the result of having estimated the frequency by RLS, ERLS, and GLS from the same data in FIG. 6 is shown. In FIG. 6, the horizontal axis represents time (s) and the vertical axis represents frequency (Hz). In terms of convergence speed, there are cases where the data to be used converge at about 100 points (using data of 1 second / point), and it can be seen that the convergence speed is faster than that of FFT.
As shown in FIG. 6, it can be seen that a bias occurs in the estimated value in RLS and ERLS. On the other hand, an estimated value without bias can be obtained with GLS. However, a high-order term (8th order) is required for C (q −1 ) for accurate estimation, and it is difficult to say that it is realistic. GLS is effective because it has periodic components other than the detection target in the data, and the periodic component having a denominator component in the error term can be expressed with the minimum order.
次に、非線形最適化部108bでは、初期周波数探索部108aで推定した周波数を入力として、非線形最適化手法(ガウス−ニュートン法)により、湯面レベルの変動を引き起こす周期的な外乱の周波数成分を推定する。
まず、非線形最適化手法について説明する。
ノッチフィルタの離散伝達関数を、式(16)のようにHO(wi,q-1)とする。これは2つの極をαe±jwi、βe±jwiを持つフィルタであり、α<β<1の関係を満たしながらβを1に近く設定すると、入力周波数wiを強く減衰させる特性を持つ。
Next, the
First, the nonlinear optimization method will be described.
Let the discrete transfer function of the notch filter be H O (wi, q −1 ) as in equation (16). This is a filter having two poles αe ± jwi and βe ± jwi. When β is set close to 1 while satisfying the relationship of α <β <1, the input frequency wi is strongly attenuated.
ここで、θi=cos(wi)、AO=(θi,γq-1)=1−2γq-1θi+q-2とする。これにより、n個のノッチフィルタは、式(17)のように表現できる。 Here, θi = cos (wi), A O = (θi, γq −1 ) = 1−2γq −1 θi + q −2 . Thus, the n notch filters can be expressed as in Expression (17).
信号d(k)をノッチフィルタ処理したe0(k)を出力誤差とする。この2乗和を評価関数として、これを最小化する、式(18)、式(19)のパラメータ推定問題を考える。この問題は、HO(wi,q-1)がθの非線形関数であるため、非線形最適化問題となるが、非線形最適化の考え方を用いれば解を得ることができる。 The output error is e 0 (k) obtained by notching the signal d (k). Consider the parameter estimation problem of equations (18) and (19) that minimizes this sum of squares as an evaluation function. This problem is a nonlinear optimization problem because H O (wi, q −1 ) is a nonlinear function of θ, but a solution can be obtained by using the concept of nonlinear optimization.
非線形最適化解を得るにあたり、式(20)、式(21)のように、評価関数を最小化するための偏微分ベクトルψi(k−1)を算出する。 In obtaining the nonlinear optimization solution, a partial differential vector ψi (k−1) for minimizing the evaluation function is calculated as in Expression (20) and Expression (21).
式(21)を整理すると、最終的に式(22)の偏微分ベクトルが得られる。ψ(k−1)=[ψ1(k−1)・・・ψn(k−1)]Tとして、PAA同様に適応則を求めると、非線形最適化問題でも、式(23)の再帰パラメータ推定式が得られる。 By rearranging the equation (21), the partial differential vector of the equation (22) is finally obtained. If ψ (k−1) = [ψ 1 (k−1)... ψ n (k−1)] T and an adaptive law is obtained in the same manner as PAA, the recursion of equation (23) can be obtained even in a nonlinear optimization problem. A parameter estimation formula is obtained.
図7に、ノッチフィルタ後の信号を用いた評価関数Jkを最小化させる上記アルゴリズムを適用した結果を示す。図7において、横軸が時間(s)、縦軸が周波数(Hz)である。図7には、初期値が最適解近傍にあり、最適解へと収束するケース(点線の特性線)と、初期値が大きく外れたところにあり、片方が収束しないケース(実線の特性線)とが表われている。
この初期値による収束性の差を、0.1Hz、0.33Hzの白色ノイズを含む信号の評価関数値を示した図8A、図8Bで説明する。まず、探索空間は1個のノッチフィルタのみが合致したローカル(Local)解と2個のノッチフィルタが合致したグローバル(Global)解を持つ構造となり、この空間の偏微分係数はノッチフィルタの急峻度αと関係がある、すなわち図8Aは、図8Bより急峻でないことが分かる。初期値が山の上にある場合を考え、αを小さな状態から徐々に大きくする手順(図8A→図8B)を踏むと、解は谷底へと収束していくことが理解できる。この手法はバイアスのない解を保証するという利点はあるものの、初期値がグローバル解近傍にないとローカル解(1つのノッチフィルタのみが当たっている状態:図7の点線の特性線のケース)へと収束してしまう。
FIG. 7 shows the result of applying the above algorithm for minimizing the evaluation function J k using the signal after the notch filter. In FIG. 7, the horizontal axis represents time (s) and the vertical axis represents frequency (Hz). In FIG. 7, the initial value is in the vicinity of the optimal solution and converges to the optimal solution (dotted characteristic line), and the initial value is greatly deviated and one of them does not converge (solid characteristic line). Is shown.
The difference in convergence depending on the initial value will be described with reference to FIGS. 8A and 8B showing evaluation function values of signals including white noise of 0.1 Hz and 0.33 Hz. First, the search space has a structure having a local solution in which only one notch filter matches and a global solution in which two notch filters match. The partial differential coefficient of this space is the steepness of the notch filter. It can be seen that α is related, ie, FIG. 8A is less steep than FIG. 8B. Considering the case where the initial value is on the top of a mountain, it can be understood that the solution converges to the bottom of the valley when the procedure of gradually increasing α from a small state (FIG. 8A → FIG. 8B) is taken. Although this method has the advantage of ensuring an unbiased solution, if the initial value is not in the vicinity of the global solution, the local solution (only one notch filter is hit: the case of the dotted characteristic line in FIG. 7) And converge.
以上のような考え方より、上記2つの手法を組み合わせると原理的にうまくいくことが分かる。すなわち、次数の少ないRLSで初期周波数を探索した後、非線形最適化手法に切り替えることで最適解を探索するというアルゴリズムを採用する。 From the above idea, it can be seen that the above two methods work in principle. That is, an algorithm is adopted in which an initial frequency is searched for with an RLS with a low order and then an optimal solution is searched by switching to a nonlinear optimization method.
具体的には、初期周波数探索部108aで、入力である外乱推定値d^をd(k)とし、パラメータベクトルθ^を推定していき推定値a1^、a2^を得る。この計算の際に、周波数w1、w2の初期値を与える必要があるが、初期値は任意である。結果、得られた推定値a1^、a2^を用いて式(9)を解いて周波数w11、w21を逆算する。
Specifically, the initial
そして、非線形最適化部108bでは、初期周波数探索部108aで探索した周波数w11、w21を入力として、最適解である湯面レベルの変動を引き起こす周期的な外乱の周波数成分を推定して出力する。
Then, the
初期周波数探索部108aから非線形最適化部108bへの切り替えは、時間及びパラメータの収束性に基づいて行うようにすればよい。パラメータの収束性は、例えば10スキャンのサンプリングの平均値の±a%(aは5〜10程度)以内に全データが入っているか否かで決めればよい。
Switching from the initial
図9には、RLSで初期周波数を探索した後、非線形最適化手法に切り替えることで最適解を探索した結果を示す。図9において、横軸が時間(s)、縦軸が周波数(Hz)である。湯面レベルの変動を引き起こす周期的な外乱の周波数成分を正確に、応答性よく推定することができている。 FIG. 9 shows a result of searching for an optimal solution by searching for an initial frequency with RLS and then switching to a nonlinear optimization method. In FIG. 9, the horizontal axis represents time (s), and the vertical axis represents frequency (Hz). The frequency component of the periodic disturbance causing the fluctuation of the molten metal surface level can be accurately estimated with good responsiveness.
以上、本発明を種々の実施形態と共に説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更等が可能である。
例えば上記実施形態では、周波数推定装置108への入力を外乱推定値d^としたが、それに限られるものではない。すなわち、除去したい周波数成分(湯面レベルの変動を引き起こす周期的な外乱の周波数成分)が反映された信号であればよく、例えば検出レベルyそのものでもよいし、検出レベルyに応じて求められる偏差信号e、開度変更量u0、開度補正量v等でもよい。
また、図1、図4に示す湯面レベル制御系も一例に過ぎず、例えば特許文献1に開示された湯面レベル制御系に、本発明を適用した周波数推定手法を用いてもかまわない。
As mentioned above, although this invention was demonstrated with various embodiment, this invention is not limited only to these embodiment, A change etc. are possible within the scope of the present invention.
For example, in the above embodiment, the disturbance estimation value d ^ is input to the
1 and 4 are merely examples. For example, a frequency estimation method in which the present invention is applied to the molten metal level control system disclosed in
本発明を適用した周波数推定装置は、例えばCPU、ROM、RAM等を備えたコンピュータ装置により実現される。
また、本発明は、本発明の機能を実現するソフトウェア(プログラム)を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータがプログラムを読み出して実行することによっても実現可能である。
A frequency estimation apparatus to which the present invention is applied is realized by a computer apparatus including a CPU, a ROM, a RAM, and the like, for example.
The present invention also provides software (program) that implements the functions of the present invention to a system or apparatus via a network or various storage media, and the system or apparatus computer reads out and executes the program. It is feasible.
C:湯面レベル制御装置、1:鋳型、2:溶湯(溶融金属)、20:タンディッシュ、3:注湯ノズル、30:スライディングゲート、31:開閉用アクチュエータ(油圧シリンダ)、4:鋳片、5:ガイドロール、6:レベル計、101:加え合わせ点、102:開度演算部、103:加え合わせ点、104:補正量演算部、104a:遅延部、104b:演算部、104c:加え合わせ点、104d:処理部、105:バンドパスフィルタ、106:mステップ先予測器、107:位相進み器、108:周波数推定装置、108a:初期周波数探索部、108b:非線形最適化部 C: molten metal level control device, 1: mold, 2: molten metal (molten metal), 20: tundish, 3: pouring nozzle, 30: sliding gate, 31: actuator for opening and closing (hydraulic cylinder), 4: cast slab 5: guide roll, 6: level meter, 101: addition point, 102: opening calculation unit, 103: addition point, 104: correction amount calculation unit, 104a: delay unit, 104b: calculation unit, 104c: addition Matching point, 104d: processing unit, 105: band pass filter, 106: m step ahead predictor, 107: phase advancer, 108: frequency estimation device, 108a: initial frequency search unit, 108b: nonlinear optimization unit
Claims (3)
前記検出レベルの信号、又は前記検出レベルに応じて求められる信号を入力として、逐次最小2乗法(recursive least-squares method:RLS法)により、周波数を推定する初期周波数探索手段と、
前記初期周波数探索手段で推定した周波数を入力として、非線形最適化手法により、湯面レベルの変動を引き起こす周期的な外乱の周波数成分を推定する非線形最適化手段とを備えたことを特徴とする周波数推定装置。 During operation of the continuous casting machine, the molten metal level inside the mold is detected, and control is performed to maintain the detected molten metal level at the target level by using a deviation between the detected level and a predetermined target level. In the hot water level control system, a frequency estimation device for estimating a frequency component of a periodic disturbance that causes fluctuations in the hot water level,
An initial frequency search means for estimating a frequency by a recursive least-squares method (RLS method) with the detection level signal or a signal obtained according to the detection level as an input;
Non-linear optimization means for estimating a frequency component of a periodic disturbance that causes fluctuations in the molten metal surface level by a non-linear optimization method using the frequency estimated by the initial frequency search means as an input. Estimating device.
前記検出レベルの信号、又は前記検出レベルに応じて求められる信号を入力として、逐次最小2乗法(recursive least-squares method:RLS法)により、周波数を推定する初期周波数探索ステップと、
前記初期周波数探索ステップで推定した周波数を入力として、非線形最適化手法により、湯面レベルの変動を引き起こす周期的な外乱の周波数成分を推定する非線形最適化ステップとを有することを特徴とする周波数推定方法。 During operation of the continuous casting machine, the molten metal level inside the mold is detected, and control is performed to maintain the detected molten metal level at the target level by using a deviation between the detected level and a predetermined target level. In the hot water surface level control system, a frequency estimation method for estimating a frequency component of a periodic disturbance that causes fluctuations in the hot water surface level,
An initial frequency search step of estimating a frequency by a recursive least-squares method (RLS method) with the detection level signal or a signal obtained according to the detection level as an input;
A frequency estimation method comprising: a nonlinear optimization step for estimating a frequency component of a periodic disturbance that causes fluctuations in the molten metal surface level by a nonlinear optimization method using the frequency estimated in the initial frequency search step as an input Method.
前記検出レベルの信号、又は前記検出レベルに応じて求められる信号を入力として、逐次最小2乗法(recursive least-squares method:RLS法)により、周波数を推定する初期周波数探索処理と、
前記初期周波数探索処理で推定した周波数を入力として、非線形最適化手法により、湯面レベルの変動を引き起こす周期的な外乱の周波数成分を推定する非線形最適化処理とをコンピュータに実行させるためのプログラム。 During operation of the continuous casting machine, the molten metal level inside the mold is detected, and control is performed to maintain the detected molten metal level at the target level by using a deviation between the detected level and a predetermined target level. In the hot water level control system, a program for estimating frequency components of periodic disturbances that cause fluctuations in the hot water level,
An initial frequency search process for estimating a frequency by a recursive least-squares method (RLS method) with the detection level signal or a signal obtained according to the detection level as an input;
A program for causing a computer to execute a nonlinear optimization process for estimating a frequency component of a periodic disturbance that causes fluctuations in a molten metal surface level by a nonlinear optimization method using the frequency estimated in the initial frequency search process as an input.
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