JP6536384B2 - State estimation method, level control method, program and state estimation device - Google Patents
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Description
本発明は、連続鋳造機の鋳型内の湯面変動の状態を推定する状態推定方法、当該状態推定方法の推定結果に基づく湯面レベル制御方法、当該状態推定方法をコンピュータに実行させるためのプログラム、及び連続鋳造機の鋳型内の湯面変動の状態を推定する状態推定装置に関する。 The present invention relates to a state estimation method for estimating a state of a molten metal level fluctuation in a mold of a continuous casting machine, a molten metal level control method based on an estimation result of the state estimation method, and a program for causing a computer to execute the state estimation method. , And a state estimation device for estimating the state of fluctuation of the level in the mold of the continuous casting machine.
鋼の連続鋳造においては、操業安定化、品質向上のため、鋳型内湯面高さをレベル計で測定し、測定値を目標値に保つようノズル開閉操作等による湯面高さ制御(湯面レベル制御)が行われている。つまり、湯面の全体上下動(すなわち、鋳型内溶鋼の体積変動)を抑制する制御が行われている。 In continuous casting of steel, the level of molten metal in mold is measured with a level gauge for operation stabilization and quality improvement, and the level of molten metal is controlled by opening and closing the nozzle to maintain the measured value at the target value Control is being performed. That is, control is performed to suppress the overall vertical movement of the surface of the molten metal (that is, the volume fluctuation of the molten steel in the mold).
なお、本明細書では、鋳型内における幅方向特定の点における湯面位置を、湯面高さとし、湯面高さの鋳型内における幅方向の分布を、湯面高さ分布と定義する。また、鋳型内幅方向位置における、湯面が水平である場合を基準とした当該湯面高さの分布を湯面形状と呼び、湯面形状の時間的変動を湯面形状変動と呼ぶ。また、湯面形状変動に、鋳型内溶鋼収支差により鋳型内幅方向全体で均一に発生する湯面の全体上下動(湯面レベルの変動)を含めた時間的変動(すなわち、鋳型内幅方向全体における湯面高さの時間的変動)を、湯面変動と呼ぶ。 In the present specification, the surface level at a specific point in the width direction in the mold is the surface level, and the distribution in the width direction of the surface level in the mold is defined as the surface level distribution. Further, the distribution of the surface level at the position in the mold width direction based on the case where the surface is horizontal is referred to as the surface shape, and the temporal variation of the surface shape is referred to as the surface shape variation. In addition, temporal variation including the vertical movement of the surface of the molten metal (variation in the level of molten metal) uniformly generated in the entire mold in the width direction due to molten steel balance difference in molten metal shape variation (that is, in the mold width direction) Temporal fluctuation of the surface level in the whole) is called surface fluctuation.
ここで、湯面レベル計の測定値には、抑制対象である湯面の全体上下動だけではなく、湯面の波立ちによる定在波や、溶鋼流動の影響による湯面の盛り上がり、測定誤差等による外乱成分が重畳されている。従って、1基の湯面レベル計の測定値は必ずしも湯面の全体上下動を正確に表現していない。よって、湯面レベル計の測定値に基づいてノズルの開閉操作等を実施しても、適切に湯面の全体上下動を抑制することは困難であった。 Here, in the measurement value of the surface level meter, not only the vertical movement of the surface of the molten metal to be suppressed, but also the standing wave due to the wave surface of the surface, bulging of the surface due to the molten steel flow, measurement error, etc. The disturbance component due to is superimposed. Therefore, the measurement value of one level meter does not necessarily accurately represent the entire vertical movement of the surface. Therefore, even if the opening and closing operation of the nozzle is performed based on the measurement value of the hot water level meter, it is difficult to appropriately suppress the overall vertical movement of the hot water surface.
そこで、単一の湯面レベル計の測定値から全体上下動成分を抽出し、これに基づいて溶鋼の注入量を制御するための技術が種々提案されている。例えば、特許文献1には、単一の湯面レベル計の時系列データから、湯面の全体上下動成分と定在波成分とをリアルタイムに分離する方法が記載されている。より具体的には、特許文献1には、所定位置における湯面変動の定在波成分を、鋳型幅から算出される周波数で正弦関数及び余弦関数を用いて記述するに当たり、係数(振幅)を湯面レベル計の測定値から推定する技術が記載されている。
Therefore, various techniques have been proposed for extracting the entire vertical movement component from the measurement value of a single level meter and controlling the injection amount of molten steel based on this. For example,
また、特許文献2には、定在波による湯面変動のモデルを2次振動系で表し、単一の湯面レベル計で測定した湯面高さの測定値から1次〜3次の定在波成分を抽出及び除去することによって、本来制御すべきバルジング性湯面変動だけを抽出し、それを湯面レベル制御に用いることによって高精度な湯面レベル制御を実現する技術が記載されている。
Further, in
しかしながら、上記のように、湯面レベル計の測定値に含まれる全体上下動成分以外の成分は、定在波成分だけではなく、当該測定値には、他にも、鋳型内での溶鋼流動の影響による湯面の盛り上がりや測定誤差といった外乱成分が含まれる。これに対して、上記特許文献1、2に記載の技術では、このような外乱成分については考慮されていない。従って、上記特許文献1、2に記載の技術では、例えば、定在波とは異なる周期で他の外乱成分による湯面変動が発生したような場合には、湯面レベル計の測定値からこのような外乱成分の影響を除去することができず、適切な湯面レベル制御を実現できない可能性がある。
However, as described above, the components other than the total vertical movement component included in the measurement value of the surface level meter are not only the standing wave component, but in addition to the measurement value, molten steel flow in the mold It includes disturbance components such as rise of the surface of the molten metal and measurement error due to the influence of On the other hand, in the techniques described in
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、連続鋳造機において、鋳型内の湯面高さ分布をより正確に推定することが可能な、新規かつ改良された状態推定方法、湯面レベル制御方法、プログラム及び状態推定装置を提供することにある。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to be able to more accurately estimate the surface level distribution in a mold in a continuous casting machine. A new and improved state estimation method, a level control method, a program and a state estimation device.
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、連続鋳造機の鋳型内の湯面高さの鋳型幅方向位置に対する分布を推定する状態推定方法であって、前記鋳型の幅方向における少なくとも2つの異なる測定点での、前記鋳型内の湯面高さの測定値を取得するステップと、任意の時刻及び鋳型幅方向任意の位置における湯面高さを、全体上下動成分、及び前記鋳型の両端が波の腹となる波長2W/n(但しWは鋳型の幅、nは1以上の整数)の正弦波の波長成分の重ね合わせにより得られる線型方程式によって表現するとともに、前記波長成分の係数が定在波成分と外乱成分とによって表される、状態空間モデルによって表現するステップと、前記状態空間モデルで表される状態を前記外乱成分をシステムノイズとして扱うことにより推定するためのカルマンフィルタの評価関数に周波数重みを持たせるための周波数重み関数を用いて、前記状態空間モデルを拡大するステップと、前記状態空間モデルを拡大して得られた拡大状態空間モデルに対して前記湯面高さの測定値を観測値としてカルマンフィルタを適用することによって、前記全体上下動成分及び前記波長成分の係数を逐次推定するステップと、を含む、状態推定方法が提供される。 In order to solve the above problems, according to one aspect of the present invention, there is provided a state estimation method for estimating the distribution of the surface height in the mold in the mold in the mold of the continuous casting machine with respect to the mold width direction position. Obtaining the measurement value of the surface level in the mold at at least two different measurement points in the above, the surface level at any time and any position in the width direction of the mold, an overall vertical movement component, and A wavelength of 2 W / n (where W is the width of the mold, n is an integer of 1 or more) in which both ends of the mold become antinodes of waves is expressed by a linear equation obtained by superposition of sine wave wavelength components The component coefficient is represented by a standing wave component and a disturbance component, and the step represented by a state space model and the condition represented by the state space model are estimated by treating the disturbance component as system noise Expanding the state space model using a frequency weighting function for giving a frequency weight to an evaluation function of a Kalman filter for the purpose of expanding the state space model and expanding the state space model. Applying a Kalman filter using the measured value of the surface level as an observed value to sequentially estimate the coefficients of the overall vertical movement component and the wavelength component.
また、当該状態推定方法においては、前記周波数重み関数として、1次のローパスフィルタが用いられてもよい。 In the state estimation method, a first-order low-pass filter may be used as the frequency weighting function.
また、当該状態推定方法においては、前記周波数重み関数として、前記湯面高さの測定値に基づいて解析される前記外乱成分の周波数特性に対応する周波数重み関数が用いられてもよい。 Moreover, in the said state estimation method, the frequency weighting function corresponding to the frequency characteristic of the said disturbance component analyzed based on the measured value of the said pouring level may be used as said frequency weighting function.
また、当該状態推定方法は、推定された前記全体上下動成分及び前記波長成分の係数を用いて、前記任意の時刻及び前記任意の位置における前記湯面高さを推定するステップを更に含んでもよい。 Further, the state estimation method may further include a step of estimating the hot water level at the arbitrary time and the arbitrary position using the estimated whole vertical movement component and the coefficient of the wavelength component. .
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、前記全体上下動成分及び前記波長成分の係数を用いて、前記任意の時刻及び前記任意の位置における前記湯面高さを前記全体上下動成分と前記波長成分とに分離して記述するステップ、を更に含み、前記全体上下動成分に基づいて、前記鋳型への溶鋼注入量又は前記鋳型からの鋳片引き抜き速度を制御するステップ、を更に含む、湯面レベル制御方法が提供される。 Further, in order to solve the above-mentioned problems, according to another aspect of the present invention, using the coefficients of the whole vertical movement component and the wavelength component, the surface level of the molten metal at the arbitrary time and the arbitrary position And deviding into the overall vertical movement component and the wavelength component, and controlling the molten steel injection amount to the mold or the billet withdrawal speed from the mold based on the total vertical movement component. A level control method is provided, further comprising the steps of:
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、コンピュータに、連続鋳造機の鋳型内の湯面高さの鋳型幅方向位置に対する分布を推定する状態推定方法を実行させるプログラムであって、前記状態推定方法は、前記鋳型の幅方向における少なくとも2つの異なる測定点での、前記鋳型内の湯面高さの測定値を取得するステップと、任意の時刻及び鋳型幅方向任意の位置における湯面高さを、全体上下動成分、及び前記鋳型の両端が波の腹となる波長2W/n(但しWは鋳型の幅、nは1以上の整数)の正弦波の波長成分の重ね合わせにより得られる線型方程式によって表現するとともに、前記波長成分の係数が定在波成分と外乱成分とによって表される、状態空間モデルによって表現するステップと、前記状態空間モデルで表される状態を前記外乱成分をシステムノイズとして扱うことにより推定するためのカルマンフィルタの評価関数に周波数重みを持たせるための周波数重み関数を用いて、前記状態空間モデルを拡大するステップと、前記状態空間モデルを拡大して得られた拡大状態空間モデルに対して前記湯面高さの測定値を観測値としてカルマンフィルタを適用することによって、前記全体上下動成分及び前記波長成分の係数を逐次推定するステップと、を含む、プログラムが提供される。 Further, in order to solve the above problems, according to another aspect of the present invention, a computer is caused to execute a state estimation method for estimating the distribution of the surface height in the mold of the continuous casting machine with respect to the mold width direction position. A program, wherein the state estimation method comprises: obtaining measured values of the surface level in the mold at at least two different measurement points in the width direction of the mold; arbitrary time and the mold width direction The elevation of the surface at any position, the total vertical movement component, and the wavelength of a sine wave of wavelength 2 W / n (where W is the width of the mold and n is an integer of 1 or more) where both ends of the mold become antinodes of waves. A state space model represented by a linear equation obtained by superposition of the components, wherein the coefficients of the wavelength components are represented by a standing wave component and a disturbance component; Expanding the state space model using a frequency weighting function for giving a frequency weight to an evaluation function of a Kalman filter for estimating the state to be treated by treating the disturbance component as system noise, and the state space A step of sequentially estimating the coefficients of the overall vertical motion component and the wavelength component by applying a Kalman filter to the magnified state space model obtained by magnifying the model using the measured value of the surface level as an observed value And a program is provided.
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、連続鋳造機の鋳型内の湯面高さの鋳型幅方向位置に対する分布を推定する状態推定装置であって、前記鋳型の幅方向における少なくとも2つの異なる測定点での、前記鋳型内の湯面高さの測定値を取得する測定値取得部と、任意の時刻及び鋳型幅方向任意の位置における湯面高さを、全体上下動成分、及び前記鋳型の両端が波の腹となる波長2W/n(但しWは鋳型の幅、nは1以上の整数)の正弦波の波長成分の重ね合わせにより得られる線型方程式によって表現するとともに、前記波長成分の係数が定在波成分と外乱成分とによって表される、状態空間モデルによって表現し、前記状態空間モデルで表される状態を前記外乱成分をシステムノイズとして扱うことにより推定するためのカルマンフィルタの評価関数に周波数重みを持たせるための周波数重み関数を用いて、前記状態空間モデルを拡大し、前記状態空間モデルを拡大して得られた拡大状態空間モデルに対して前記湯面高さの測定値を観測値としてカルマンフィルタを適用することによって、前記全体上下動成分及び前記波長成分の係数を逐次推定する、演算部と、を備える、状態推定装置が提供される。 Further, in order to solve the above problems, according to another aspect of the present invention, there is provided a state estimation device for estimating the distribution of the surface height in the mold in the mold of the continuous casting machine with respect to the mold width direction position. A measurement value acquiring unit for acquiring measurement values of the surface level of the mold in the mold at at least two different measurement points in the width direction of the surface, and the surface level of the surface at any time and any position in the width direction of the mold; According to the linear equation obtained by superposing the whole vertical motion component and the wavelength component of the sine wave of 2 W / n (where W is the width of the mold and n is an integer of 1 or more) at which both ends of the mold become antinodes of waves. By expressing the coefficients of the wavelength component represented by the standing wave component and the disturbance component and expressing the state space model as a system noise, by expressing the condition represented by the state space model as the system noise Estimate The state space model is expanded using the frequency weighting function for giving frequency weighting to the evaluation function of the Kalman filter, and the hot water is compared to the expanded state space model obtained by expanding the state space model. There is provided a state estimation device comprising: an arithmetic unit that sequentially estimates the coefficients of the entire vertical movement component and the wavelength component by applying a Kalman filter using a measured value of a surface height as an observed value.
以上説明したように本発明によれば、連続鋳造機において、鋳型内の湯面高さ分布をより正確に推定することが可能になる。 As described above, according to the present invention, in a continuous casting machine, it becomes possible to more accurately estimate the surface level distribution in the mold.
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。 The present invention will now be described more fully with reference to the accompanying drawings, in which exemplary embodiments of the invention are shown. In the present specification and the drawings, components having substantially the same functional configuration will be assigned the same reference numerals and redundant description will be omitted.
(1.システム構成)
図1を参照して、本発明の一実施形態に係るシステムの構成について説明する。図1は、本実施形態に係るシステムの構成例を示す図である。図1を参照すると、本実施形態に係るシステム1は、連続鋳造機の鋳型2に配置される湯面レベル計3と、状態推定装置4と、表示/印刷装置5と、連続鋳造制御装置6と、を備える。
(1. System configuration)
The configuration of a system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a view showing an example of the configuration of a system according to the present embodiment. Referring to FIG. 1, a
湯面レベル計3は、例えば渦流式のレベル計であり、鋳型2の所定の位置における湯面高さを測定する。なお、後述するように、本実施形態では複数の湯面レベル計3が設置される。
The surface level meter 3 is, for example, an eddy current level meter, and measures the surface level of the
状態推定装置4は、湯面レベル計3の測定値に基づいて、鋳型2内の湯面高さ分布を推定する。具体的には、状態推定装置4は、湯面高さ分布を推定する際に、湯面の全体上下動成分と、それ以外の成分(すなわち、湯面形状変動に対応する成分)とを分離して推定することができる。また、状態推定装置4は、湯面高さ分布を、連続鋳造中にリアルタイムで推定することができる。湯面高さ分布の推定結果は、表示/印刷装置5又は連続鋳造制御装置6に送信される。
The state estimation device 4 estimates the surface level distribution in the
表示/印刷装置5は、状態推定装置4による湯面高さ分布の推定結果を、例えばディスプレイへの表示や紙媒体への印刷によってリアルタイムに出力する。例えば、表示/印刷装置5は、推定された湯面形状をグラフとしてディスプレイ等に表示する。この場合、表示/印刷装置5は、図示されているように、湯面形状を、湯面レベル計3による実測値と、状態推定装置4による推定値とを重ね合わせて表現してもよい。
The display /
ここで、従来知見により、連続鋳造においては、湯面高さの時間変動が特に大きい位置では鋳片欠陥が多く発生することが知られている。従って、上記のように推定された湯面形状が表示/印刷装置5によってリアルタイムで出力されることにより、湯面形状変動を把握することができ、当該湯面形状変動に基づいて、鋳造の完了前に鋳片欠陥の鋳片幅方向での分布を把握することが可能になる。これによって、鋳片品質管理の迅速化を図ることができる。
Here, according to the conventional knowledge, it is known that in continuous casting, a large number of slab defects are generated at a position where the temporal fluctuation of the surface level is particularly large. Therefore, the hot-water surface shape estimated as described above is output in real time by the display /
連続鋳造制御装置6は、状態推定装置4による推定結果に基づいて、鋳型内湯面高さを目標値に保つような、湯面レベル制御を行う。具体的には、湯面全体の上下動は鋳型内溶鋼収支差により発生するので、連続鋳造制御装置6は、状態推定装置4による湯面の全体上下動の推定結果に基づいて、湯面の全体上下動を抑制するように、鋳型2に溶鋼を注入する浸漬ノズル8の開閉制御や、鋳型2の下方から鋳片を引き抜くピンチロールの回転速度制御を実行する。なお、連続鋳造制御装置6による湯面レベル制御は、連続鋳造中にリアルタイムで行われてよい。
The continuous casting control device 6 performs the surface level control to maintain the in-mold surface level at the target value based on the estimation result by the state estimation device 4. Specifically, since the vertical movement of the entire surface of the molten metal occurs due to the molten steel balance difference in the mold, the continuous casting control device 6 is based on the estimation result of the general vertical movement of the surface of the molten metal by the state estimation device 4 The opening / closing control of the immersion nozzle 8 for injecting the molten steel into the
図2は、図1に示すシステム1における湯面レベル計3の配置例について説明するための図である。図2には、鋳型2の幅方向断面が示されている。本実施形態では、鋳型2の幅方向両端部、つまり鋳型2の断面における両方の短辺に、2基の湯面レベル計3a、3bが設置され得る。ここで、湯面レベル計3の設置位置は、検出対象になる波長成分の腹に近い位置であることが望ましい。後述するように、鋳型2の幅方向両端部は、各波長成分の腹になる位置であるため、湯面レベル計3の設置位置として好適である。なお、波長成分の意味については後述する。
FIG. 2 is a view for explaining an arrangement example of the level meter 3 in the
ただし、本実施形態における湯面レベル計3の設置位置は、かかる例に限定されない。例えば、通常、鋳型2には、湯面レベル制御用に湯面レベル計が1基設置されている。操業上のメンテナンス性及び維持コストの観点から、本実施形態で用いるために増設する湯面レベル計の数は、できるだけ少ないことが望ましい。それゆえ、既に制御用の湯面レベル計が用いられている場合には、当該制御用湯面レベル計を本実施形態で用いる湯面レベル計3のうちの1基とすることが望ましい。
However, the installation position of the hot water level meter 3 in the present embodiment is not limited to such an example. For example, one mold level meter is generally installed in the
制御用に設置される湯面レベル計は、通常、浸漬ノズルを避けて、鋳型中央から離れた位置に取り付けられる。例えば、制御用の湯面レベル計は、鋳型幅の1/4の位置に取り付けられている。かかる制御用の湯面レベル計に加えて第2の湯面レベル計を設置する場合、例えば、全ての波長成分について腹の位置である鋳型2の幅方向の一方の端部に当該第2の湯面レベル計が取り付けられることが望ましい。
The level gauge installed for control is usually mounted at a position away from the center of the mold, avoiding the immersion nozzle. For example, a level gauge for control is attached at 1/4 of the mold width. When a second level meter is installed in addition to the level level meter for control, for example, the second end section in the width direction of the
なお、上記のような制御用の湯面レベル計が設置されていない場合や、設置されていてもこれを利用しない場合には、鋳型2の幅方向両端部に2基の湯面レベル計を新たに設置してもよい。
If the level meter for control is not installed or if it is installed but not used, two level meters on both ends in the width direction of the
なお、推定の精度を更に上げるために、3基以上の湯面レベル計3が設置されてもよい。第3の湯面レベル計3についても、検出対象の波長成分の腹に近い位置に設置されることが望ましい。上記の例のように、鋳型幅の1/4の位置などに取り付けられる制御用の湯面レベル計を利用し、新たな湯面レベル計を鋳型2の幅方向の一方の端部に設置した場合、第3の湯面レベル計は、第2の湯面レベル計とは反対側の鋳型2の幅方向端部に取り付けられることが望ましい。また、既に第1及び第2の湯面レベル計が鋳型2の幅方向両端部に設置されている場合には、鋳型2の幅方向両端部以外で全ての波長成分の腹になる位置はないため、検出対象の波長成分を特定し、該波長成分の腹になる位置に第3の湯面レベル計3を設置すればよい。例えば、一般に、波長の長い成分ほどよく観測されるため、鋳型2の幅Wに対して、2W、W、2W/3など、波長のより長い成分の腹に近い位置に、第3の湯面レベル計3を設置してもよい。また、この場合において、第1及び第2の湯面レベル計3についても何らかの理由で鋳型2の幅方向両端部に設置することが困難である場合には、それ以外で検出対象の波長成分の腹に近い位置に第1及び第2の湯面レベル計3が設置されてもよい。
In order to further increase the estimation accuracy, three or more hot surface level meters 3 may be installed. It is desirable that the third level meter 3 also be installed at a position close to the antinode of the wavelength component to be detected. As in the example above, a new level gauge was installed at one end of the
(2.湯面高さ分布の推定)
続いて、上記のシステム1の状態推定装置4によって実行される湯面高さ分布の推定処理について、更に説明する。
(2. Estimation of Hot Surface Height Distribution)
Subsequently, the estimation processing of the molten metal level distribution performed by the state estimation device 4 of the above-described
(2−1.湯面高さ分布のモデル化)
引き続き図2を参照して、湯面形状を構成する波長成分について説明する。図2には、鋳型2内の湯面形状を構成する、1次から3次までの波長成分S1〜S3の波形が示されている(説明のため、各波長成分の振幅は均等になっている)。1次波長成分S1の波長λ1は、λ1=2Wであり、2次波長成分S2の波長λ2は、λ2=Wであり、3次波長成分S3の波長λ3は、λ3=2W/3である(Wは鋳型幅)。
(2-1. Modeling of hot water level distribution)
Continuing with reference to FIG. 2, the wavelength components that make up the surface shape will be described. FIG. 2 shows the waveforms of first to third wavelength components S 1 to S 3 constituting the surface shape of the molten metal in the mold 2 (for the sake of explanation, the amplitude of each wavelength component is equal ). Wavelength lambda 1 of the first-order wave component S 1 is a lambda 1 = 2W, the wavelength lambda 2 of the second wavelength component S 2 is a lambda 2 = W, the wavelength lambda 3 of third-order wave component S 3 is λ 3 = 2 W / 3 (W is the mold width).
ここで、鋳型2の高さは幅に比べて十分に大きいため、湯面形状のモデル化にあたっては深水波近似を利用することができる。また、鋳型2の幅は厚みに比べて十分に大きいため、モデル化にあたっては湯面高さの厚み方向での変動を考慮せず、幅方向での変動のみ考慮することができる。
Here, since the height of the
湯面の鋳型両短辺の境界では溶鋼の水平方向速度=0が常に成り立つため、任意の時刻t及び鋳型2内の幅方向の任意の位置xにおける湯面高さy(x,t)を、波長λn=2W/n(鋳型幅W、n=1,2,・・・)の正弦波形状を基底関数fn(x)とする線形モデルで表すことができる。この結果、任意の時刻における湯面形状は、鋳型2の幅方向の両端を腹とする基底関数fn(x)の重ね合わせによって表現される。なお、本実施形態では、当該基底関数fn(x)のことを、n次の波長成分とも呼ぶ。上述した図2に示す1次から3次までの波長成分S1〜S3の波形は、1次から3次までの基底関数f1(x)〜f3(x)に対応している。
Since the horizontal velocity of molten steel = 0 always holds at the boundary of the mold short sides of the surface of the melt, the height of the melt surface y (x, t) at an arbitrary time t and an arbitrary position x in the width direction in the
具体的には、n次の波長成分、すなわち基底関数fn(x)は、下記のように表される。
n:偶数 fn(x)=cos(2πnx/2W)
n:奇数 fn(x)=sin(2πnx/2W)
Specifically, the n-order wavelength component, that is, the basis function f n (x) is expressed as follows.
n: even f n (x) = cos (2πnx / 2W)
n: odd number f n (x) = sin (2πnx / 2W)
上記のように波長成分を定義すると、N次までの波長成分を考慮した(n=1,2,…,N)任意の時刻t及び鋳型2内の幅方向の任意の位置xにおける湯面高さy(x,t)は、下記数式(1)のような線型方程式によって表現できる。
When the wavelength component is defined as described above, the surface height of the molten metal at an arbitrary time t and an arbitrary position x in the width direction in the
ここで、a0(t)は湯面高さに含まれる全体上下動成分を示す。また、fn(x)は上記基底関数であって湯面高さに含まれるn次波長成分の正弦/余弦関数部分を示し、an(t)はn次波長成分の係数を示す。 Here, a 0 (t) indicates the entire vertical movement component included in the surface level of the hot water. Further, f n (x) is the basis function and represents the sine / cosine function portion of the nth wavelength component included in the surface level, and a n (t) represents the coefficient of the nth wavelength component.
各波長成分の波長は鋳型2の幅Wから求められるため、fn(x)は任意の時刻について算出可能である。従って、n次波長成分の係数a1(t),a2(t),・・・,aN(t)及び全体上下動成分a0(t)が求められれば、任意の時刻における湯面高さy(x,t)を推定することができる。また、その際には、求められたn次波長成分の係数a1(t),a2(t),・・・,aN(t)及び全体上下動成分a0(t)から、任意の時刻における湯面形状及び湯面の全体上下動も同時に推定され得る。
Since the wavelength of each wavelength component is obtained from the width W of the
ここで、溶鋼を渦なし、非粘性、非圧縮の完全流体と仮定すると、表面波の基礎方程式より、定在波として発生するn次波長成分の係数an(t)は、固有角周波数ωnで単振動するn次波長成分変動の重ね合わせとして表現できる。この場合、n次波長成分の係数an(t)は、下記数式(2)を満たす。 Here, assuming that molten steel is a non-vortex, non-viscous, non-compressive complete fluid, the coefficient a n (t) of the n-order wavelength component generated as a standing wave is a natural angular frequency ω according to the basic equation of surface waves. It can be expressed as superposition of n-order wavelength component fluctuations that are single-oscillating at n. In this case, the coefficient a n (t) of the nth-order wavelength component satisfies the following formula (2).
湯面変動が全体上下動成分及び定在波成分だけを含むと仮定した場合、上記数式(2)によってn次波長成分の係数an(t)を算出できれば、湯面変動を説明することができる。しかしながら、湯面変動は、全体上下動成分及び定在波成分だけではなく、例えば鋳型2内での溶鋼流動の影響による湯面の盛り上がりのような、定在波以外の外乱成分を含む。そこで、本実施形態では、各波長成分の係数an(t)が、鋳型内溶鋼流動等による外乱に駆動されて時間変化するものとし、その外乱変動を、確率的なノイズ成分として単振動モデルに取り込む。具体的には、各波長成分の係数an(t)が従う時間変動は、下記数式(3)のように表現できる。
If it is assumed that the fluctuation of the surface contains only the whole vertical movement component and the standing wave component, if the coefficient a n (t) of the n-order wavelength component can be calculated by the above equation (2), the surface fluctuation can be explained. it can. However, not only the vertical movement component and the standing wave component but also the disturbance component other than the standing wave such as the rising of the molten metal surface under the influence of the molten steel flow in the
ここで、dn(t)は、n次波長成分を駆動する外乱である。外乱dn(t)は、状態空間モデルにおけるシステムノイズに対応するものである。 Here, d n (t) is a disturbance that drives the nth-order wavelength component. The disturbance d n (t) corresponds to system noise in the state space model.
各n次波長成分の強制振動モデルである上記数式(3)を、厳密解(0次ホールド)により離散化すると(Δt:サンプリング時間)、下記数式(4)が得られる。下記数式(4)は、状態空間モデルにおけるシステム方程式に対応するものである。 When the above equation (3), which is a forced vibration model of each n-order wavelength component, is discretized (.DELTA.t: sampling time) by an exact solution (0th-order hold), the following equation (4) is obtained. The following equation (4) corresponds to the system equation in the state space model.
一方、鋳型2の幅方向位置xi(測定点)に設置されるi番目の湯面レベル計3(i=1,2,・・・,L)によってサンプリング時刻kに測定された湯面高さy(xi,k)を上記数式(1)を用いて記述すると、下記数式(5)のようになる。ここで、wi(k)は、それぞれの湯面レベル計3における時変の測定誤差であり、状態空間モデルにおける観測ノイズに対応するものである。下記数式(5)は、状態空間モデルにおける観測方程式に対応するものである。
On the other hand, the surface level of the molten metal measured at the sampling time k by the ith surface level meter 3 (i = 1, 2,..., L) installed at the width direction position x i (measurement point) of the
上記数式(4)、(5)から、各波長成分の係数an(k)の状態空間モデルは、下記数式(6)、(7)のように表現できる。 The equation (4), (5), the state-space model of the coefficient of each wavelength component a n (k) is represented by the following equation (6) can be expressed as (7).
(2−2.カルマンフィルタによる湯面高さ分布の推定)
本実施形態では、上記のようにして生成された状態空間モデルにおいて、モデル内部の状態変数(すなわち、上記x(k))を逐次的に推定する手法としてカルマンフィルタを適用する。カルマンフィルタは、対象プロセスのダイナミクスが線型の状態空間モデルに従う場合に、限られた観測点の情報からモデル内部の状態変数を逐次的に推定する手法である。本実施形態における湯面変動の状態空間モデルは線形であるため、カルマンフィルタを適用することができる。
(2-2. Estimation of molten metal level distribution by Kalman filter)
In this embodiment, in the state space model generated as described above, a Kalman filter is applied as a method of sequentially estimating a state variable inside the model (that is, the above x (k)). The Kalman filter is a method of sequentially estimating state variables in the model from information of limited observation points when the dynamics of the target process conform to a linear state space model. Since the state space model of the water level fluctuation in the present embodiment is linear, a Kalman filter can be applied.
ここで、上記数式(6)、(7)におけるシステムノイズd(k)及び観測ノイズw(k)からなるベクトルを、雑音ベクトルξ(k)とする(すなわち、ξ(k)=(d(t),w(k))。このとき、一般的なカルマンフィルタによる状態推定において、雑音ベクトルξ(k)から推定誤差ベクトルe(k)への信号の流れは、図3に示すようなブロック図によって表現される。図3は、一般的なカルマンフィルタによる状態推定における、雑音ベクトルξ(k)から推定誤差ベクトルe(k)への信号の流れを示すブロック図である。 Here, let a vector consisting of the system noise d (k) and the observation noise w (k) in the above equations (6) and (7) be a noise vector ξ (k) (ie, ξ (k) = (d ( t), w (k)) At this time, in the state estimation by a general Kalman filter, the signal flow from the noise vector ξ (k) to the estimation error vector e (k) is a block diagram as shown in FIG. 3 is a block diagram showing a flow of signals from a noise vector ξ (k) to an estimation error vector e (k) in state estimation by a general Kalman filter.
図3に示すブロック図において、雑音ベクトルξ(k)から推定誤差ベクトルe(k)への離散伝達関数をTeξ(z)とする(すなわち、e(k)=Teξ(z)ξ(k))。このとき、定常カルマンフィルタは、下記数式(8)に示すTeξ(z)のH2ノルムを最小化することが知られている(例えば、「片山徹著、「応用カルマンフィルタ」、朝倉書店、2000年2月」を参照)。すなわち、当該伝達関数Teξ(z)のH2ノルムは、カルマンフィルタの評価関数であると言える。
In the block diagram shown in FIG. 3, the discrete transfer function from the noise vector xi] (k) to the estimated error vector e (k) and T eξ (z) (i.e., e (k) = T eξ (z) ξ ( k)). At this time, it is known that the stationary Kalman filter minimizes the
しかしながら、図3に示すシステムでは、雑音ベクトルξ(k)(すなわち、システムノイズd(k)及び観測ノイズw(k))を、白色雑音とみなしている。これに対して、実際のシステムノイズd(k)及び観測ノイズw(k)は、必ずしも白色雑音ではなく、平坦でないスペクトル分布を有する有色雑音である。図3に示すシステムにおいて、雑音ベクトルξ(k)が白色雑音でなく有色雑音である場合には、カルマンフィルタ推定値にバイアスが生じ、推定精度が悪化する恐れがある。 However, in the system shown in FIG. 3, the noise vector ξ (k) (ie, the system noise d (k) and the observation noise w (k)) is regarded as white noise. On the other hand, the actual system noise d (k) and the observation noise w (k) are not necessarily white noise but colored noise having a non-flat spectral distribution. In the system shown in FIG. 3, if the noise vector ξ (k) is not white noise but colored noise, bias may occur in the Kalman filter estimated value, and the estimation accuracy may be degraded.
これを防ぐために、本実施形態では、上記の伝達関数Teξ(z)に周波数重みを持たせる。具体的には、周波数重み関数W(z)を導入し、下記数式(9)に示すTeξ(z)W(z)のH2ノルムを最小化することを考える。 In order to prevent this, in the present embodiment, the above-described transfer function T e ξ (z) has a frequency weight. Specifically, it is considered to introduce the frequency weighting function W (z) and minimize the H2 norm of Te ξ (z) W (z) shown in the following equation (9).
これにより、雑音ベクトルξ(k)が有色雑音である場合であっても、当該雑音ベクトルξ(k)の周波数特性に応じた周波数重み関数W(z)を適宜選択することにより、波長成分係数を推定する際の推定精度の悪化を抑制することが可能になる。例えば、雑音ベクトルξ(k)の低周波成分が比較的強い場合には、周波数重み関数W(z)にローパスフィルタ特性を持たせることにより、波長成分係数の推定における低周波成分の推定精度の悪化を抑制することができる。 Thus, even when the noise vector ξ (k) is a colored noise, the wavelength component coefficients can be obtained by appropriately selecting the frequency weighting function W (z) according to the frequency characteristics of the noise vector ξ (k). It is possible to suppress deterioration in estimation accuracy when estimating. For example, when the low frequency component of the noise vector ξ (k) is relatively strong, the frequency weighting function W (z) may have low-pass filter characteristics to reduce the estimation accuracy of the low frequency component in the estimation of the wavelength component coefficient. It is possible to suppress the deterioration.
ここで、伝達関数Teξ(z)に対して周波数重み関数W(z)を考慮することは、図3に示すブロック図においては、入力である雑音ベクトルξ(k)と出力である推定誤差ベクトルe(k)との間に、周波数重み関数W(z)に対応するブロックを追加することに対応する。このような、周波数重み関数W(z)を考慮したブロック図を、図4に示す。図4は、周波数重み関数W(z)を考慮した、本実施形態に係るカルマンフィルタによる状態推定における、雑音ベクトルη(k)から推定誤差ベクトルe(k)への信号の流れを示すブロック図である。 Here, considering the frequency weighting function W (z) with respect to the transfer function T e ξ (z) is because, in the block diagram shown in FIG. 3, the noise vector ξ (k) which is the input and the estimation error which is the output This corresponds to adding a block corresponding to the frequency weighting function W (z) between the vector e (k). A block diagram considering such a frequency weighting function W (z) is shown in FIG. FIG. 4 is a block diagram showing the flow of signals from the noise vector η (k) to the estimation error vector e (k) in the state estimation by the Kalman filter according to the present embodiment in consideration of the frequency weighting function W (z). is there.
図4に示すように、周波数重み関数W(z)を考慮することは、有色雑音である雑音ベクトルξ(k)が、白色雑音である雑音ベクトルη(k)が伝達関数W(z)を通過することによって生成されるとみなすことに相当する。つまり、上記数式(9)に示すH2ノルムを最小化することは、上記数式(6)、(7)に示す状態空間モデルを有色雑音のダイナミクスを含むように拡大した系に対して、通常のカルマンフィルタを適用することにほかならない。 As shown in FIG. 4, in consideration of the frequency weighting function W (z), the noise vector ξ (k) which is colored noise and the noise vector η (k) which is white noise have a transfer function W (z). It corresponds to assuming that it is generated by passing. That is, to minimize the H2 norm shown in the above equation (9) is a normal system for the system obtained by expanding the state space model shown in the above equations (6) and (7) to include the dynamics of colored noise. It is nothing but applying a Kalman filter.
従って、本実施形態では、有色雑音のダイナミクスを定式化し、これを用いて上記数式(6)、(7)に示す状態空間モデルを拡大したものを、各波長成分の係数an(k)の状態空間モデルとする。そして、この拡大された状態空間モデル(以下、拡大状態空間モデルと呼ぶ)の状態変数を、カルマンフィルタを用いて推定することにより、全体上下動成分a0(k)及び各波長成分の係数an(k)を推定し、湯面高さ分布を推定する。 Accordingly, in the present embodiment, the dynamics of colored noise formulated, the equation by using the (6), of an enlarged view of a state-space model shown in (7), the coefficient a n (k) of each wavelength component It is a state space model. Then, by estimating the state variables of this expanded state space model (hereinafter referred to as the expanded state space model) using a Kalman filter, the overall vertical motion component a 0 (k) and the coefficients a n of each wavelength component Estimate (k) and estimate the surface level distribution.
(2−3.拡大状態空間モデル)
拡大状態空間モデルの導出について具体的に説明する。まず、有色雑音である雑音ベクトルξ(k)を離散時間の状態空間モデルで表現する。本実施形態では、システムノイズd(k)が有色性を有するものとみなし、d(k)を状態空間モデルで表現する。
(2-3. Extended state space model)
Derivation of the expanded state space model is specifically described. First, a noise vector ξ (k) which is colored noise is expressed by a discrete-time state space model. In the present embodiment, the system noise d (k) is considered to be colored, and d (k) is represented by a state space model.
なお、ここでは、一例として、周波数重み関数W(z)が1次のローパスフィルタである場合について説明する。この場合、W(z)の状態空間モデルは、下記数式(10)、(11)で表現される。ここで、vn(k)は、白色ガウス雑音である。 Here, as an example, the case where the frequency weighting function W (z) is a first-order low-pass filter will be described. In this case, the state space model of W (z) is expressed by the following equations (10) and (11). Here, v n (k) is white Gaussian noise.
上記数式(10)、(11)において、係数An (d)、Bn (d)、Cn (d)、Dn (d)は、周波数重み関数W(z)に応じて決定される。具体的には、上記数式(10)、(11)における伝達関数G(z)は、下記数式(12)のように書ける。 The equation (10), (11), the coefficient A n (d), B n (d), C n (d), D n (d) is determined according to a frequency weighting function W (z) . Specifically, the transfer function G (z) in the equations (10) and (11) can be written as the following equation (12).
一方、周波数重み関数W(z)は1次のローパスフィルタであるから、W(z)を、1次のローパスフィルタ1/(1+TLs)(時定数TL)が、双一次変換s=(2/T)((1−z−1)/(1+z−1))(サンプリング時間T)を用いて離散化された伝達関数であるとすると、W(z)は、下記数式(13)のように表現できる。
On the other hand, since the frequency weighting function W (z) is a first-order low-pass filter, the first-order low-
上記数式(12)、(13)から、G(z)=W(z)となるように、すなわち、下記数式(14)を満たすように、係数An (d)、Bn (d)、Cn (d)、Dn (d)を決めればよい。 From the above equations (12) and (13), the coefficients An (d) , B n (d) , and so on are satisfied so that G (z) = W (z), that is, the following equation (14) is satisfied. C n (d) and D n (d) may be determined.
例えば、係数An (d)、Bn (d)、Cn (d)、Dn (d)は、下記数式(15)〜(18)のように決定される。ただし、下記数式(15)〜(18)に示す値は、係数An (d)、Bn (d)、Cn (d)、Dn (d)の一例であって、上記数式(14)を満たせば、係数An (d)、Bn (d)、Cn (d)、Dn (d)は他の値であってもよい。 For example, the coefficient A n (d), B n (d), C n (d), D n (d) is determined as following equation (15) to (18). However, the values shown in the following equations (15) to (18) are examples of the coefficients An (d) , B n (d) , C n (d) and D n (d) , and the above equation (14) The coefficients A n (d) , B n (d) , C n (d) and D n (d) may have other values as long as
上記数式(4)を、上記数式(10)、(11)を用いて拡張すると、各波長成分の係数an(t)のダイナミクスは、下記数式(19)のように表現できる。 The above equation (4), the equation (10), extending with (11), the dynamics of the coefficients of each of the wavelength components a n (t) can be expressed as following equation (19).
結果的に、上記数式(6)、(7)に示す状態空間モデルを、上記数式(10)、(11)を用いて拡張することにより、本実施形態に係る拡大状態空間モデルは、下記数式(20)、(21)のように表現される。 As a result, the state space model according to the present embodiment can be expressed by the following equation by extending the state space model shown in the equations (6) and (7) using the equations (10) and (11). It is expressed as (20) and (21).
本実施形態では、図1に示す状態推定装置4が、周波数重み関数W(z)を選定し、選定した当該周波数重み関数W(z)を用いて、以上説明した手順に従って、上記数式(20)、(21)で示される拡大状態空間モデルを生成する。そして、状態推定装置4は、当該拡大状態空間モデルに対してカルマンフィルタを適用することにより、全体上下動成分a0(k)及び各波長成分の係数an(k)を推定する。具体的には、状態推定装置4は、サンプリング時刻ごとに、レベル計位置xiにおける湯面高さ推定値yest(xi,k)と、湯面レベル計の測定値yobs(xi,k)の誤差を修正するように、全体上下動成分a0(k)及び各波長成分の時変の係数an(k)(n=1、2、・・・N)を、カルマンフィルタを用いて逐次推定する。そして、状態推定装置4は、推定したa0(k)、an(k)を上記数式(1)に代入することにより、サンプリング時刻ごとの湯面高さ分布を推定することができる。なお、上記数式(20)、(21)で示す拡大状態空間モデルにおけるa0(k)、an(k)の推定は、カルマンフィルタを用いた状態推定方法の手法として一般的に用いられている各種の手法を用いて行われてよい。従って、ここでは、その推定手法についての詳細な説明は省略する。 In the present embodiment, the state estimation device 4 shown in FIG. 1 selects the frequency weighting function W (z), and uses the selected frequency weighting function W (z) according to the above-described procedure according to the procedure described above. And 21) to generate an expanded state space model. Then, the state estimation device 4 estimates the overall vertical motion component a 0 (k) and the coefficients a n (k) of the respective wavelength components by applying a Kalman filter to the expanded state space model. Specifically, the state estimation device 4 estimates the molten metal level y est (x i , k) at the level gauge position x i and the measured value y obs (x i of the molten metal level meter at each sampling time. , K), correct the overall vertical motion component a 0 (k) and the time-variant coefficients a n (k) (n = 1, 2,... N) of each wavelength component, Use to estimate sequentially. Then, the state estimation device 4 can estimate the hot water level distribution for each sampling time by substituting the estimated a 0 (k) and a n (k) into the equation (1). Incidentally, the equation (20), the estimation of (21) a 0 in the expanded state space model shown in (k), a n (k) is commonly used as a technique for state estimation method using a Kalman filter Various techniques may be used. Therefore, detailed description of the estimation method is omitted here.
また、以上の説明では、周波数重み関数W(z)が1次のローパスフィルタである場合について説明したが、本実施形態はかかる例に限定されない。周波数重み関数W(z)としては、例えばバンドパスフィルタや2次のローパスフィルタ等、各種の周波数特性に対応するものが用いられてよい。周波数重み関数W(z)の形態が異なる場合には、上記数式(10)、(11)に示す状態空間モデル、及び上記数式(13)に示す周波数重み関数W(z)の具体的な形が変化するものの、以上説明した処理と同様の処理を行うことにより、拡大状態空間モデルを構築することが可能である。 In the above description, although the case where the frequency weighting function W (z) is a first-order low-pass filter has been described, the present embodiment is not limited to such an example. As the frequency weighting function W (z), for example, a band pass filter, a second-order low pass filter, or the like corresponding to various frequency characteristics may be used. When the forms of the frequency weighting function W (z) are different, specific forms of the state space model shown in the above equations (10) and (11) and the frequency weighting function W (z) shown in the equation (13) Although it changes, it is possible to construct an extended state space model by performing the same process as the process described above.
以上説明したように、本実施形態では、カルマンフィルタによる推定機構に重み周波数関数W(z)を導入することにより、システムノイズが有色雑音である場合に、当該カルマンフィルタによる推定精度を向上させることができる。従って、鋳型2内の湯面高さ分布をより高精度に推定することが可能になる。ここで、本実施形態によれば、湯面高さ分布を推定する際に、湯面の全体上下動成分(すなわち、a0(k))と、各波長成分の変動成分(すなわち、a1(k),・・・,aN(k))とを、分離して推定することができる。すなわち、湯面レベル制御の制御対象である全体上下動成分を高精度に分離して求めることができる。従って、推定された全体上下動成分を用いて湯面レベル制御を行うことにより、当該湯面レベル制御の精度も向上させることが可能になる。
As described above, in the present embodiment, by introducing the weight frequency function W (z) into the estimation mechanism by the Kalman filter, when the system noise is colored noise, the estimation accuracy by the Kalman filter can be improved. . Therefore, it becomes possible to estimate the surface elevation distribution in the
また、上述したように、従来知見により、連続鋳造機においては、鋳型2内の湯面高さの時間変動が特に大きい位置では鋳片欠陥が多く発生することが知られている。本実施形態によれば、湯面形状を高精度に推定することが可能となるため、例えば湯面形状変動とスラブ表皮下欠陥分布とを結び付けることにより、高品質な鋳片製造実現のための適正な操業条件を把握することができる。この際、湯面レベル計3の測定値に基づいてリアルタイムで湯面形状の推定を行うことにより、その推定結果に基づいて鋳片欠陥の鋳片幅方向での分布を、鋳造の完了前に把握することができるため、鋳片品質管理を迅速に行うことが可能になる。
Further, as described above, it is known from the conventional knowledge that in a continuous casting machine, a large number of slab defects are generated at a position where the temporal fluctuation of the surface level of the molten metal in the
このように、本実施形態によれば、湯面高さ分布を高精度に推定可能であることにより、鋳片品質を大幅に向上させることができ、歩留まりの向上及び製造コストの低減効果を得ることができる。 As described above, according to the present embodiment, since the molten metal surface height distribution can be estimated with high accuracy, the cast slab quality can be significantly improved, and the yield improvement and the reduction of the manufacturing cost can be obtained. be able to.
図5は、状態推定装置4による湯面高さ分布の推定処理のアルゴリズムの構成について説明するための図である。図中、推定プロセス30が、状態推定装置4による湯面高さ分布の推定処理に相当する。図示するように、状態推定装置4は、推定プロセス30の推定処理に従って、湯面レベル計3の設置位置xiにおける湯面高さの推定値yest(xi,k)を計算する。そして、状態推定装置4は、湯面レベル計3による湯面高さの測定値yobs(xi,k)と、当該湯面高さの推定値yest(xi,k)との誤差(出力予測誤差)を計算する。状態推定装置4は、当該出力予測誤差が小さくなるようにカルマンゲインKaugを更新して、次のサンプリング時刻k+1での湯面高さの推定値yest(xi,k+1)を再度計算する。このような逐次推定のステップを繰り返すことによって、湯面高さ分布を高精度に推定することが可能になる。
FIG. 5 is a diagram for explaining the configuration of an algorithm of the process of estimating the molten metal level distribution by the state estimation device 4. In the figure, the
なお、状態推定装置4は、上記の計算を、湯面レベル計3の設置位置xiごとに実行する。従って、湯面レベル計3の設置位置xiにおける湯面高さの推定値yest(xi,k)は、位置xiごとに算出される。 The state estimation device 4 executes the above calculation for each installation position x i of the surface level meter 3. Accordingly, the estimated value y est (x i , k) of the surface level at the installation position x i of the surface level meter 3 is calculated for each position x i .
図中、状態変数推定値xB|Aは、時刻Aにおける、時刻Bでの状態量xaugの予測値を表す。状態推定装置4は、湯面高さの推定値yest(xi,k)を計算する過程で求められるxk|kから、全体上下動成分a0(k)及び各波長成分の係数a1(k)、・・・,aN(k)を抽出する。そして、状態推定装置4は、抽出したa0(k)、a1(k)、・・・,aN(k)を上記数式(1)に代入することにより、湯面高さ分布y(x,k)を求めることができる。 In the figure, the state variable estimated value x B | A represents a predicted value of the state quantity x aug at time B at time A. The state estimation device 4 calculates the estimated value y est (x i , k) of the surface level from x k | k obtained in the process of calculating the overall vertical motion component a 0 (k) and the coefficient a of each wavelength component Extract 1 (k), ..., a N (k). Then, the state estimation device 4 substitutes the extracted a 0 (k), a 1 (k),..., A N (k) into the equation (1) to obtain the surface height distribution y We can find x, k).
実機プロセスまで含めた状態推定装置4による湯面高さ分布の推定処理のアルゴリズムの概要を、図6に示す。図6は、実機プロセスまで含めた、状態推定装置4による湯面高さ分布の推定処理のアルゴリズムの構成について説明するための図である。 An outline of an algorithm of the estimation processing of the hot water level distribution by the state estimation device 4 including the actual machine process is shown in FIG. FIG. 6 is a diagram for describing a configuration of an algorithm of a process of estimating the hot water level distribution by the state estimation device 4 including the actual machine process.
図6において、実機プロセス20は、実際の連続鋳造機の鋳型2内で生じている湯面の状態変動を表したものである。図示するように、実機プロセス20は、上記数式(6)、(7)に示す状態空間モデルで表現することができる。なお、推定プロセス30の構成は、図5に示すものと同様である。
In FIG. 6, the
当該アルゴリズムにおいては、状態推定装置4は、推定プロセス30に示す計算処理を実行し、湯面レベル計3の設置位置xiにおける湯面高さの推定値yest(xi,k)を、模擬的に計算によって求める。そして、状態推定装置4は、算出したyest(xi,k)と湯面レベル計3による湯面レベルの測定値yobs(xi,k)との差分である出力予測誤差を小さくするようにカルマンフィルタの逐次ステップを繰り返すことによって、推定プロセス30における処理を実行することにより、湯面高さ分布y(x,k)を高精度に推定することができる。
In the algorithm, the state estimation device 4 executes the calculation process shown in the
図7は、状態推定装置4による湯面高さ分布の推定処理の処理手順を示すフロー図である。図7に示すように、本実施形態に係る推定処理では、まず、周波数重み関数W(z)が選定される(Step1)。周波数重み関数W(z)は、例えば、連続鋳造機の鋳型2において実際に生じている湯面変動に含まれる外乱成分の周波数特性に応じて決定され得る。例えば、当該外乱成分において低周波成分が比較的強い場合には、周波数重み関数W(z)としてローパスフィルタを選定すればよい。
FIG. 7 is a flowchart showing the procedure of the process of estimating the molten metal level distribution by the state estimation device 4. As shown in FIG. 7, in the estimation process according to the present embodiment, first, the frequency weighting function W (z) is selected (Step 1). The frequency weighting function W (z) can be determined, for example, according to the frequency characteristic of the disturbance component included in the fluctuation of the surface actually occurring in the
なお、外乱成分の周波数特性は、例えば、湯面レベル計3の測定値を周波数解析することによって推測することができる。具体的には、周波数解析の結果、湯面レベル計3の測定値の周波数分布に、波長成分の固有振動数と異なる周期性成分が含まれている場合には、当該周期性成分を、外乱の周波数特性を表すものとみなすことができる。あるいは、過去の実績値から、連続鋳造時の操業条件に応じて外乱成分の周波数特性が予測可能である場合には、その予測結果に応じて周波数重み関数W(z)が選定されてもよい。 The frequency characteristic of the disturbance component can be estimated, for example, by frequency analysis of the measured value of the surface level meter 3. Specifically, as a result of the frequency analysis, when the frequency distribution of the measurement value of the surface level meter 3 includes a periodic component different from the natural frequency of the wavelength component, the periodic component is disturbed by the disturbance. It can be regarded as representing the frequency characteristic of Alternatively, if the frequency characteristics of the disturbance component can be predicted from past actual values according to the operating conditions at the time of continuous casting, the frequency weighting function W (z) may be selected according to the prediction result. .
ただし、実際には、鋳型2内の湯面変動に含まれる外乱成分には、多様な要因に起因するものが複雑に混ざり合っている。従って、上記のように周波数解析から当該外乱成分の周波数特性を推測したり操業条件から当該外乱成分の周波数特性を予測したりすることが、困難であることがある。よって、周波数重み関数W(z)としては、あらゆる周波数特性を有する外乱に対しても一定の効果を奏するようなものが選定されることが好ましい。本発明者らによる実験の結果、周波数重み関数W(z)として1次のローパスフィルタを用いることによって、あらゆる周波数特性を有する外乱に対しても、比較的高精度な推定を行うことができることが判明した(詳細は下記実施例1、2を参照)。当該実験結果から、外乱成分の周波数特性の推測や予測が困難である場合には、周波数重み関数W(z)としては、1次のローパスフィルタが好適に選定されてよい。ただし、外乱成分の周波数解析の結果が利用できない場合であっても、必ずしも周波数重み関数W(z)として1次のローパスフィルタが用いられなくてもよい。例えば、外乱成分の周波数特性が経験的に2次のローパス特性を有することが既知である場合には、2次のローパスフィルタを用いる等、周波数重み関数W(z)は適宜選択されてよい。
However, in practice, the disturbance components included in the fluctuation of the surface of the
周波数重み関数W(z)が選定されると、次に、選定された周波数重み関数W(z)を用いて、上記数式(20)、(21)に示す拡大状態空間モデルが構築される(Step2)。 Once the frequency weighting function W (z) is selected, next, using the selected frequency weighting function W (z), the expanded state space model shown in the above equations (20) and (21) is constructed ( Step 2).
次に、構築した拡大状態空間モデルに対してカルマンフィルタを適用することにより、a0(k)、a1(k)、・・・、an(k)が推定される(Step3)。 Next, by applying a Kalman filter to the constructed expanded state space model, a 0 (k), a 1 (k),..., A n (k) are estimated (Step 3).
そして、推定されたa0(k)、a1(k)、・・・、an(k)を上記数式(1)に代入することにより、湯面高さ分布が推定される(Step4)。Step3及びStep4に示す処理は、上記図5に示すアルゴリズムに従って実行される。 And, by substituting the estimated a 0 (k), a 1 (k),..., A n (k) into the equation (1), the surface level distribution is estimated (Step 4) . The processes shown in Step 3 and Step 4 are executed according to the algorithm shown in FIG.
(3.状態推定装置の機能構成)
図8を参照して、以上説明した処理を実行する、状態推定装置4の機能構成について説明する。図8は、本実施形態に係る状態推定装置4の機能構成を示すブロック図である。図8を参照すると、本実施形態に係る状態推定装置4は、その機能として、測定値取得部41と、演算部42と、出力部43と、記憶部44とを有する。以下、各部の機能について説明する。
(3. Functional configuration of state estimation device)
The functional configuration of the state estimation device 4 that executes the processing described above will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a block diagram showing a functional configuration of the state estimation device 4 according to the present embodiment. Referring to FIG. 8, the state estimation device 4 according to the present embodiment has a measurement
測定値取得部41は、湯面レベル計3から測定値を受信する通信装置によって実現される。上記のように、本実施形態では複数の湯面レベル計3(例えば図2に示された湯面レベル計3a、3b)が設置されるため、測定値取得部41は、複数の湯面レベル計3からそれぞれ測定値を取得する。測定値取得部41は、取得した測定値を、演算部42に提供する。
The measured
演算部42は、CPU(Central Processing Unit)やDSP(Digital Signal Processor)等のプロセッサによって実現される。演算部42では、当該演算部42を構成するプロセッサが所定のプログラムに従って動作することにより、上記図7におけるStep1〜Step4における処理が実行され、湯面高さ分布が推定される。これらの処理の詳細については、既に説明しているため、ここではその説明を省略する。
The
演算部42は、湯面高さ分布の推定結果を、出力部43に提供する。あるいは、演算部42は、湯面高さ分布の推定結果を、記憶部44に格納してもよい。また、演算部42は、湯面高さ分布の推定処理の過程で得られる各種の情報(例えば、全体上下動成分a0(k)や、各波長成分の係数an(k)等)を、出力部43に提供したり、記憶部44に格納したりしてもよい。
出力部43は、CPU等のプロセッサと、外部装置に信号を送信する通信装置とによって実現される。例えば、出力部43は、演算部42による湯面高さ分布の推定結果を、図1に示す表示/印刷装置5に出力する。表示/印刷装置5は、湯面高さ分布の推定結果をディスプレイ等に表示する。また、出力部43は、演算部42による湯面高さ分布の推定結果を、図1に示す連続鋳造制御装置6に出力してもよい。連続鋳造制御装置6は、推定された全体上下動成分に基づいて、例えば鋳型2への溶鋼注入量及び/又は鋳型2からの鋳片引き抜き速度を、湯面の全体上下動を抑制するように制御する。
The
記憶部44は、例えば、ROM(Read Only Memory)又はRAM(Random Access Memory)等のメモリ、並びに、HDD(Hard Disk Drive)等の各種の記憶デバイスによって実現される。記憶部44には、例えば、演算部42による湯面高さ分布の推定処理に使用される各種のパラメータや、推定処理の途中経過など、各種のデータが格納される。また、記憶部44には、演算部42による湯面高さ分布の推定結果が、一時的に又は永続的に格納されてもよい。この推定結果は、出力部43によって、図1に示す表示/印刷装置5及び/又は連続鋳造制御装置6に出力されてもよい。
The
以上、本実施形態に係る状態推定装置4の機能の一例について説明した。上記の各構成要素は、汎用的な部材や回路を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアによって構成されていてもよい。また、複数の構成要素の機能を、CPUが一括して実現してもよい。なお、状態推定装置4を実現するための構成は、実施する時々の技術レベルに応じて適宜変更されうる。 In the above, an example of a function of state estimating device 4 concerning this embodiment was explained. Each component described above may be configured using a general-purpose member or circuit, or may be configured by hardware specialized for the function of each component. Also, the functions of a plurality of components may be realized collectively by the CPU. In addition, the structure for implementing the state estimation apparatus 4 can be suitably changed according to the technical level of occasions to implement.
また、上述のような本実施形態に係る状態推定装置4の各機能を実現するためのコンピュータプログラムを作製し、パーソナルコンピュータ等に実装することが可能である。また、このようなコンピュータプログラムが格納された、コンピュータで読み取り可能な記録媒体も提供することが可能である。記録媒体は、例えば、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、フラッシュメモリ等であり得る。また、上記のコンピュータプログラムは、記録媒体を用いずに、例えばネットワークを介して配信されてもよい。 Moreover, it is possible to create a computer program for realizing each function of the state estimation device 4 according to the present embodiment as described above, and to implement the computer program on a personal computer or the like. It is also possible to provide a computer readable recording medium in which such a computer program is stored. The recording medium may be, for example, a magnetic disk, an optical disk, a magneto-optical disk, a flash memory or the like. Also, the above computer program may be distributed via, for example, a network without using a recording medium.
(4.ハードウェア構成)
図9は、本実施形態に係る状態推定装置4のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図9を参照すると、状態推定装置4は、CPU901と、ROM903と、RAM905と、を備える。状態推定装置4は、更に、バス907と、入力装置909と、出力装置911と、ストレージ装置913と、ドライブ915と、接続ポート917と、通信装置919とを備える。
(4. Hardware configuration)
FIG. 9 is a block diagram showing an example of the hardware configuration of the state estimation device 4 according to the present embodiment. Referring to FIG. 9, the state estimation device 4 includes a
CPU901は、演算処理装置及び制御装置として機能し、ROM903、RAM905、ストレージ装置913、又はリムーバブル記録媒体921に記録された各種プログラムに従って、状態推定装置4内の動作全般又はその一部を制御する。ROM903は、CPU901が使用するプログラムや演算パラメータ等を記憶する。RAM905は、CPU901が使用するプログラムや、プログラムの実行において適宜変化するパラメータ等を一次記憶する。これらはCPUバス等の内部バスによって構成されるバス907によって相互に接続されている。CPU901は、図8に示す演算部42及び出力部43を構成し得る。また、ROM903及びRAM905は、図8に示す記憶部44を構成し得る。
The
バス907は、ブリッジを介して、PCI(Peripheral Component Interconnect/Interface)バス等の外部バスに接続されている。
The
入力装置909は、例えば、マウス、キーボード、タッチパネル、ボタン、スイッチ及びレバー等ユーザが操作する操作手段である。また、入力装置909は、例えば、赤外線や電波等を利用したリモートコントローラであってもよいし、状態推定装置4の操作機能を有するタブレット端末等の外部接続機器923であってもよい。さらに、入力装置909は、例えば、上記の操作手段を用いてユーザによって入力された情報に基づいて入力信号を生成し、CPU901に出力する入力制御回路等から構成されている。状態推定装置4のユーザは、この入力装置909を操作することによって、状態推定装置4に対して各種のデータを入力したり処理動作を指示したりすることができる。
The
出力装置911は、取得した情報をユーザに対して視覚的又は聴覚的に通知することが可能な装置で構成される。このような装置として、液晶やCRT等を用いたディスプレイ、ランプ等のインジケータ、スピーカ若しくはヘッドホン等の音声出力装置、又はプリンタ装置等がある。出力装置911は、例えば、状態推定装置4が行った各種処理によって得られた結果を出力する。例えば、ディスプレイは、状態推定装置4が行った各種処理によって得られた結果を、テキスト又はイメージとして画面表示する。また、例えば、音声出力装置は、状態推定装置4が行った各種処理によって得られた結果を、アラーム又はダイアログとして音声出力する。なお、図1を参照して説明したように、本実施形態に係るシステム1は、ユーザに対して情報を提示する手段として、表示/印刷装置5を備える。表示/印刷装置5は、出力装置911と同様の機能を有するものであるため、表示/印刷装置5が出力装置911の機能を代替し得る場合には、状態推定装置4には、出力装置911は必ずしも設けられなくてもよい。
The
ストレージ装置913は、状態推定装置4の記憶部の一例として構成されたデータ格納用の装置である。ストレージ装置913は、例えば、HDD等の磁気記憶デバイス、半導体記憶デバイス、光記憶デバイス、又は光磁気記憶デバイス等によって構成される。このストレージ装置913は、CPU901が実行するプログラムや各種データ、及び外部から取得した各種のデータ等を格納する。ストレージ装置913は、図8に示す記憶部44を構成し得る。
The
ドライブ915は、記録媒体用リーダライタであり、状態推定装置4に内蔵、あるいは外付けされる。ドライブ915は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、又は半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体921に記録されている情報を読み出して、RAM905に出力する。また、ドライブ915は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、又は半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体921に記録を書き込むことも可能である。
The
接続ポート917は、機器を状態推定装置4に直接接続するためのポートである。接続ポート917の一例として、USB(Universal Serial Bus)ポート、IEEE1394ポート、SCSI(Small Computer System Interface)ポート、RS−232Cポート等がある。この接続ポート917に外部接続機器923を接続することで、状態推定装置4は、外部接続機器923から直接各種のデータを取得したり、外部接続機器923に各種のデータを提供したりする。
The
通信装置919は、例えば、通信網925に接続するための通信デバイス等で構成された通信インターフェースである。通信装置919は、例えば、LAN(Local Area Network)用の通信カードを含み得る。また、通信装置919は、各種有線通信用のルータ又はモデム等を含んでもよい。この通信装置919は、例えば、インターネットや他の通信機器との間で、例えばTCP/IP等の所定のプロトコルに則して信号等を送受信することができる。また、通信装置919に接続される通信網925は、有線又は無線によって接続されたネットワーク等によって構成され、例えば、インターネットやLAN等を含み得る。通信装置919は、図8に示す出力部43を構成し得る。
The
以上、本実施形態に係る状態推定装置4の機能を実現可能なハードウェア構成の一例を示した。上記の各構成要素は、汎用的な部材を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアによって構成されていてもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用するハードウェア構成を変更することが可能である。 In the above, an example of the hardware configuration which can implement | achieve the function of the state estimation apparatus 4 which concerns on this embodiment was shown. Each component described above may be configured using a general-purpose member, or may be configured by hardware specialized to the function of each component. Therefore, it is possible to change the hardware configuration to be used as appropriate according to the technical level of the time of carrying out the present embodiment.
本発明の第1の実施例について説明する。第1の実施例では、計算機上で数値的に外乱を発生させ、仮想的な湯面変動のデータを生成した。そして、生成した湯面変動のデータに対して、上述した図7に示す本実施形態に係る湯面高さ分布推定方法を実行し、その推定精度を評価した。 A first embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment, disturbance is numerically generated on a computer to generate data of virtual fluctuation of the metal surface. And with respect to the data of the produced | generated melt surface fluctuation, the melt surface height distribution estimation method which concerns on this embodiment shown in FIG. 7 mentioned above was performed, and the estimation precision was evaluated.
外乱としては、以下の6種類((A)〜(F))の周波数特性を有するものを用意した。(A)〜(E)は有色外乱であり、(F)は比較のために用意した白色外乱である。 As disturbances, those having frequency characteristics of the following six types ((A) to (F)) were prepared. (A) to (E) are colored disturbances, and (F) is a white disturbance prepared for comparison.
(外乱の種類)
(A):2次バンドパスフィルタ(中心周波数0.1Hz)
(B):2次ローパスフィルタ(カットオフ周波数0.6Hz)
(C):2次ローパスフィルタ(カットオフ周波数0.3Hz)
(D):1次ローパスフィルタ(カットオフ周波数0.6Hz)
(E):1次ローパスフィルタ(カットオフ周波数0.3Hz)
(F):白色雑音
(Type of disturbance)
(A): 2 nd order band pass filter (center frequency 0.1 Hz)
(B): Second-order low-pass filter (cut-off frequency 0.6 Hz)
(C): 2 nd order low pass filter (cutoff frequency 0.3 Hz)
(D): 1st order low pass filter (cutoff frequency 0.6 Hz)
(E): 1st order low pass filter (cutoff frequency 0.3 Hz)
(F): White noise
なお、(A)〜(E)における有色外乱は、白色雑音を、各外乱に対応する伝達関数を通過させることにより生成した。外乱ダイナミクスの伝達関数G(s)を、下記数式(22)〜(24)に示す。ただし、計算機に実装する際には、下記数式(22)〜(24)に示す伝達関数を双一次変換を用いて時間離散化している。 In addition, the colored disturbance in (A)-(E) produced | generated the white noise by passing the transfer function corresponding to each disturbance. The transfer function G (s) of the disturbance dynamics is shown in the following equations (22) to (24). However, when implemented in a computer, the transfer functions shown in the following equations (22) to (24) are time-discretized using a bilinear transformation.
また、カルマンフィルタ推定機構の周波数重み関数W(z)としては、下記の6種類((a)〜(f))を考慮し、外乱の周波数特性のばらつきに対してロバストな推定結果が得られるカルマンフィルタ評価関数の周波数重みを調査した。 In addition, the following six types ((a) to (f)) are taken into consideration as the frequency weighting function W (z) of the Kalman filter estimation mechanism, and a Kalman filter that provides a robust estimation result against variations in frequency characteristics of disturbances The frequency weights of the evaluation function were investigated.
(周波数重み関数の種類)
(a):2次バンドパスフィルタ(中心周波数0.1Hz)
(b):2次ローパスフィルタ(カットオフ周波数0.6Hz)
(c):2次ローパスフィルタ(カットオフ周波数0.3Hz)
(d):1次ローパスフィルタ(カットオフ周波数0.6Hz)
(e):1次ローパスフィルタ(カットオフ周波数0.3Hz)
(f):周波数重み無し
(Type of frequency weighting function)
(A): Second-order band pass filter (center frequency 0.1 Hz)
(B): Second-order low-pass filter (cut-off frequency 0.6 Hz)
(C): Second-order low pass filter (cutoff frequency 0.3 Hz)
(D): 1st order low pass filter (cutoff frequency 0.6 Hz)
(E): 1st order low pass filter (cutoff frequency 0.3 Hz)
(F): No frequency weighting
なお、周波数重み関数W(z)の具体的な形は、上記の外乱ダイナミクスの伝達関数G(s)と同様である。すなわち、(a)におけるW(z)は、上記数式(24)を双一次変換を用いて時間離散化したものであり、(b)、(c)におけるW(z)は、上記数式(23)を双一次変換を用いて時間離散化したものであり、(d)、(e)におけるW(z)は、上記数式(22)を双一次変換を用いて時間離散化したものである。 The specific form of the frequency weighting function W (z) is the same as the transfer function G (s) of the disturbance dynamics described above. That is, W (z) in (a) is the time discretization of the above equation (24) using bilinear transformation, and W (z) in (b) and (c) is the above equation (23) Is time-discretized using bilinear transformation, and W (z) in (d) and (e) is time-discretized using the above-mentioned equation (22) using bilinear transformation.
その他、シミュレーションの詳細な条件は以下の通りである。
・鋳型幅1.63m。
・レベル計は3基設置するものとし、測定位置は両端及び1/4幅位置とした。
・0.1secピッチで、20480sec間測定。
・波長成分数は5次まで考慮。
・全体上下動についてはステップ状外乱を仮定。
・各波長成分係数について周波数重み関数は同一とした。
・各波長成分係数のシステムノイズ分散値は同一とした。
・観測ノイズ分散は各ケースで一定とした。
Other detailed conditions of the simulation are as follows.
-Mold width 1.63 m.
-Three level meters shall be installed, and the measurement position was at both ends and 1/4 width position.
・ Measurement is performed for 20480 seconds at 0.1 sec pitch.
-The number of wavelength components is considered up to the fifth order.
・ We assume step-like disturbance about whole up-and-down motion.
The frequency weighting function is the same for each wavelength component coefficient.
• The system noise variance value of each wavelength component coefficient is the same.
• The observation noise variance was fixed in each case.
上記の条件でシミュレーションを実行し、各外乱(A)〜(F)に対応する湯面変動のデータに対して、各周波数重み関数W(z)((a)〜(f))を適用して本実施形態に係る湯面高さ分布推定方法をそれぞれ実行し、湯面高さ分布を推定した。そして、各ケースについて、その推定精度を定量的に評価するために、下記数式(25)で定義される平均二乗誤差(RMSE:Root Mean Square Error)を計算した。 The simulation is executed under the above conditions, and each frequency weighting function W (z) ((a) to (f)) is applied to the data on the surface fluctuation corresponding to each disturbance (A) to (F). The molten metal level distribution estimation method according to the present embodiment was respectively executed to estimate the molten metal level distribution. Then, in order to quantitatively evaluate the estimation accuracy of each case, a root mean square error (RMSE: Root Mean Square Error) defined by the following equation (25) was calculated.
ここで、
・Tは、時間方向のサンプリング点数、
・Δtは、サンプリング間隔、
・Pは、鋳型幅方向のサンプリング点数、
・ysim(p,kΔt)は、計算機上で生成した解析対象である湯面変動における、サンプリング時刻t=kΔtでの幅方向位置pでの湯面高さ、
・yest(p,kΔt)は、本実施形態に係る湯面高さ分布推定方法により推定した湯面変動における、サンプリング時刻t=kΔtにおける幅方向位置pでの湯面高さ
である。
here,
T is the number of sampling points in the time direction,
Δt is the sampling interval,
P is the number of sampling points in the mold width direction,
Y sim (p, kΔt) is the surface level at the widthwise position p at the sampling time t = kΔt in the surface level fluctuation to be analyzed generated on the computer
Y est (p, kΔt) is the surface level at the widthwise position p at the sampling time t = kΔt in the surface level fluctuation estimated by the surface level estimation method according to the present embodiment.
結果を下記表1に示す。なお、表1では、各外乱(A)〜(F)について、推定精度が最も良い場合(すなわち、RMSEが最小となる場合)のRMSEを1として規格化し、各ケースでのRMSEを表示している。また、表1では、周波数重み関数W(z)((a)〜(f))ごとのRMSEの加算値も併せて表記している(最右欄参照)。 The results are shown in Table 1 below. In Table 1, for each of the disturbances (A) to (F), the RMSE in the case where the estimation accuracy is the best (that is, when the RMSE is minimum) is normalized as 1, and the RMSE in each case is displayed There is. Moreover, in Table 1, the addition value of RMSE for every frequency weighting function W (z) ((a)-(f)) is also collectively described (refer rightmost column).
上記表1から、外乱が有色外乱である場合((A)〜(E)の場合)に、周波数重み無し((f))で湯面高さ分布の推定を行うと、外乱が白色外乱である場合((F)の場合)に比べて、推定誤差が大きくなっていることが分かる。つまり、外乱を白色外乱と仮定し、何ら周波数重みを考慮しない方法では、実際の鋳型内における湯面高さ分布を高精度に推定することは困難であると言える。 From Table 1 above, when the disturbance is a colored disturbance (cases (A) to (E)) and the hot water level distribution is estimated without frequency weighting ((f)), the disturbance is a white disturbance. It can be seen that the estimation error is larger than in the case (case (F)). That is, it can be said that it is difficult to accurately estimate the surface level distribution in the actual mold by a method in which the disturbance is assumed to be a white disturbance and no frequency weight is considered.
また、外乱が二次バンドパスフィルタ、二次ローパスフィルタを通して生成された場合((A)、(B)、(C)の場合)において、周波数重み無し((f))で湯面高さ分布の推定を行うと、推定精度が悪化する。逆に、外乱が白色雑音の場合((F))において、周波数重み関数W(z)として2次ローパスフィルタを選んで((b)、(c))湯面高さ分布の推定を行うと、推定精度が悪化する。 Also, in the case where the disturbance is generated through the second order band pass filter and the second order low pass filter (cases of (A), (B) and (C)), the surface height distribution without frequency weighting ((f)) Estimation makes the estimation accuracy worse. Conversely, when the disturbance is white noise ((F)), if the second-order low-pass filter is selected as the frequency weighting function W (z) ((b), (c)) and the hot-water level distribution is estimated , The estimation accuracy is degraded.
また、各周波数重み関数W(z)((a)〜(f))についてのRMSEの加算値を参照すると、周波数重み関数W(z)として1次ローパスフィルタ(カットオフ周波数0.6Hz、0.3Hz)を選んだ場合((d)、(e))に、他の場合に比べて当該加算値が小さくなっていることが分かる。これは、周波数重み関数W(z)として1次ローパスフィルタを選択することにより、(A)〜(F)に示すような多様な外乱に対して、平均的に良好な推定結果を得ることができることを示している。このように、周波数重み関数W(z)を選ぶ際には、例えば、各周波数重み関数について、想定される複数種類の外乱のそれぞれを含む湯面変動に対して推定処理を行い、推定結果からRMSEの加算値を算出し、それが最小となる周波数重み関数W(z)を選ぶことが好ましい。なお、ここでは一例として、周波数重み関数W(z)の有効性を加算値を用いて判断したが、加算値の代わりに各周波数重み関数W(z)((a)〜(f))についてのRMSEの平均値を用いてもよい。 In addition, referring to the addition value of RMSE for each frequency weighting function W (z) ((a) to (f)), a first-order low-pass filter (cutoff frequency 0.6 Hz, 0) as the frequency weighting function W (z) When .3 Hz is selected ((d), (e)), it can be seen that the added value is smaller than in the other cases. This is because, by selecting a first-order low-pass filter as the frequency weighting function W (z), an average good estimation result can be obtained for various disturbances as shown in (A) to (F). It shows what can be done. Thus, when selecting the frequency weighting function W (z), for example, for each frequency weighting function, estimation processing is performed on hot water surface fluctuation including each of a plurality of types of assumed disturbances, and from the estimation result It is preferable to calculate the addition value of RMSE and select the frequency weighting function W (z) that minimizes it. Here, as an example, the validity of the frequency weighting function W (z) is determined using the addition value, but instead of the addition value, each frequency weighting function W (z) ((a) to (f)) An average value of RMSE of
あるいは、周波数重み関数W(z)((a)〜(f))ごとに各外乱((A)〜(F))に対応するRMSEを算出し、周波数重み関数W(z)((a)〜(f))ごとにその最大値を求め、当該最大値が最も小さい周波数重み関数W(z)を選択してもよい。このようにして周波数重み関数W(z)を選択することにより、ロバスト性の高い推定結果を得ることが可能になる。 Alternatively, RMSE corresponding to each disturbance ((A) to (F)) is calculated for each of the frequency weighting functions W (z) ((a) to (f)), and the frequency weighting function W (z) ((a) The maximum value may be obtained for each of (f) to (f), and the frequency weighting function W (z) having the smallest maximum value may be selected. By selecting the frequency weighting function W (z) in this way, it is possible to obtain highly robust estimation results.
本発明の第2の実施例について説明する。第2の実施例では、溶鋼流動の水モデル実験を実施し、本発明の有効性を確認した。なお、水モデル実験とは、透明なアクリル樹脂板を用いて実寸大の鋳型の模型を作成し、溶鋼の代わりに水を満たすことで、溶鋼湯面の変動を模擬する実験である。水は溶鋼と流体力学的特性が近いため、鋳型に満たす液体として水が用いられることが多い。 A second embodiment of the present invention will be described. In the second embodiment, a water model experiment of molten steel flow was conducted to confirm the effectiveness of the present invention. In addition, a water model experiment is an experiment which simulates the fluctuation | variation of a molten-steel surface by making a model of a full size large mold using a transparent acrylic resin board, and filling water instead of molten steel. Water is often used as the liquid that fills the mold because water has similar hydrodynamic characteristics to molten steel.
具体的には、水モデル実験時の水面撮影動画を解析することにより、水面高さの変動データを取得した。そして、当該水面高さの変動データのうちの、湯面レベル計設置位置に対応する位置での水面高さの値を、湯面レベル計での測定値とみなして、本実施形態に係る湯面高さ分布推定方法を実行した。 Specifically, by analyzing the water surface shooting video at the time of water model experiment, fluctuation data of water surface height was acquired. And the value of the water surface height in the position corresponding to a water surface level meter installation position among the fluctuation data of the said water surface height is regarded as the measured value in a water surface level meter, and the water according to this embodiment The surface height distribution estimation method was implemented.
なお、第2の実施例においては、上記第1の実施例の結果を踏まえて、周波数重み関数W(z)として1次ローパスフィルタを適用した。ただし、カットオフ周波数が推定精度に与える影響を確認するために、1次ローパスフィルタのカットオフ周波数を0.1Hz〜1.0Hzの範囲で変更し、各カットオフ周波数の場合について湯面高さ分布を推定した。 In the second embodiment, a first-order low-pass filter is applied as the frequency weighting function W (z) on the basis of the result of the first embodiment. However, in order to confirm the influence of the cut-off frequency on the estimation accuracy, the cut-off frequency of the first-order low-pass filter is changed in the range of 0.1 Hz to 1.0 Hz, and the surface height for each cut-off frequency The distribution was estimated.
また、比較のため、周波数重み関数W(z)を考慮しない場合についても、同様に、湯面変動の推定を行った。 In addition, in the case where the frequency weighting function W (z) was not taken into consideration, for the sake of comparison, the hot water level fluctuation was similarly estimated.
その他、シミュレーションの詳細な条件は以下の通りである。
・鋳型幅1.63m、鋳造速度1.6m/m相当。
・レベル計は3点設置するものとし、測定位置は両端及び1/4幅位置とした。
・0.1secピッチで150sec間測定。
・波長成分数は5次まで考慮。
・全体上下動についてはステップ状外乱を仮定。
・各波長成分係数についてシステムノイズ、周波数重み関数は同一とした。
・観測ノイズ分散は各ケースで一定とした。
・波長成分係数のシステムノイズ分散値は数値最適化により求めた値を使用(湯面形状推定誤差のRMSEが最小となる分散値)。
Other detailed conditions of the simulation are as follows.
・ Mold width 1.63 m, casting speed 1.6 m / m equivalent.
-The level meter shall be installed at 3 points, and the measurement position was at both ends and 1/4 width position.
Measured for 150 seconds at 0.1 second pitch.
-The number of wavelength components is considered up to the fifth order.
・ We assume step-like disturbance about whole up-and-down motion.
• The system noise and frequency weighting function are the same for each wavelength component coefficient.
• The observation noise variance was fixed in each case.
· The system noise dispersion value of the wavelength component coefficient uses the value obtained by numerical optimization (dispersion value at which the RMSE of the metal surface shape estimation error is minimized).
上記の条件でシミュレーションを実行し、周波数重み関数W(z)として1次ローパスフィルタ(カットオフ周波数:0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0Hz))を適用した場合、及び周波数重み関数W(z)を適用しない場合のそれぞれについて、本実施形態に係る湯面高さ分布推定方法を実行し、各ケースでの推定結果に対して、動画解析の結果得られた水面高さとのRMSEを計算した。RMSEの定義は、第1の実施例と同様である。 The simulation is performed under the above conditions, and a first-order low-pass filter (cutoff frequency: 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, as a frequency weighting function W (z) In the case of applying 0.7, 0.8, 0.9, 1.0 Hz)) and in the case of not applying the frequency weighting function W (z), the method of estimating the surface height distribution according to this embodiment Was performed, and the RMSE with the water surface height obtained as a result of the video analysis was calculated for the estimation results in each case. The definition of RMSE is the same as in the first embodiment.
結果を下記表2及び図10に示す。図10は、第2の実施例の結果を示すグラフ図である。なお、図10は、下記表2の内容をグラフ化したものである。 The results are shown in Table 2 below and FIG. FIG. 10 is a graph showing the results of the second embodiment. FIG. 10 is a graph of the contents of Table 2 below.
上記表2及び図10に示すように、周波数重み関数W(z)を適用しない場合には、RMSEは0.908mmであった。一方、周波数重み関数W(z)として1次ローパスフィルタを選択した場合には、RMSEは約0.850〜0.860mmの間の値となった。特に、周波数重み関数W(z)としてカットオフ周波数が0.3Hzである1次ローパスフィルタを選択した場合に、RMSEは最小となり、その値は0.853mmであった。 As shown in Table 2 and FIG. 10, when the frequency weighting function W (z) was not applied, the RMSE was 0.908 mm. On the other hand, when the first-order low-pass filter was selected as the frequency weighting function W (z), the RMSE had a value between about 0.850 and 0.860 mm. In particular, when a first-order low-pass filter having a cutoff frequency of 0.3 Hz is selected as the frequency weighting function W (z), the RMSE is minimized, and its value is 0.853 mm.
当該結果から、カットオフ周波数によらず、周波数重み関数W(z)として1次ローパスフィルタを適用することにより、周波数重み関数W(z)を用いない場合に比べて推定精度が向上することが確認できた。また、この例においては、周波数重み関数W(z)としてカットオフ周波数が0.3Hzである1次ローパスフィルタを選択した場合に、最も推定精度が高くなることが分かった。 From the result, regardless of the cutoff frequency, by applying a first-order low-pass filter as the frequency weighting function W (z), the estimation accuracy can be improved compared to the case where the frequency weighting function W (z) is not used It could be confirmed. Further, in this example, it was found that the estimation accuracy is the highest when the first-order low-pass filter having a cutoff frequency of 0.3 Hz is selected as the frequency weighting function W (z).
(5.補足)
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
(5. supplement)
Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the accompanying drawings, the present invention is not limited to such examples. It is obvious that those skilled in the art to which the present invention belongs can conceive of various changes or modifications within the scope of the technical idea described in the claims. Of course, it is understood that these also fall within the technical scope of the present invention.
1 システム
2 鋳型
3 湯面レベル計
4 状態推定装置
41 測定値取得部
42 演算部
43 出力部
44 記憶部
5 表示/印刷装置
6 連続鋳造制御装置
8 浸漬ノズル
Claims (7)
前記鋳型の幅方向における少なくとも2つの異なる測定点での、前記鋳型内の湯面高さの測定値を取得するステップと、
任意の時刻及び鋳型幅方向任意の位置における湯面高さを、全体上下動成分、及び前記鋳型の両端が波の腹となる波長2W/n(但しWは鋳型の幅、nは1以上の整数)の正弦波の波長成分の重ね合わせにより得られる線型方程式によって表現するとともに、前記波長成分の係数が定在波成分と外乱成分とによって表される、状態空間モデルによって表現するステップと、
前記状態空間モデルで表される状態を前記外乱成分をシステムノイズとして扱うことにより推定するためのカルマンフィルタの評価関数に周波数重みを持たせるための周波数重み関数を用いて、前記状態空間モデルを拡大するステップと、
前記状態空間モデルを拡大して得られた拡大状態空間モデルに対して前記湯面高さの測定値を観測値としてカルマンフィルタを適用することによって、前記全体上下動成分及び前記波長成分の係数を逐次推定するステップと、
を含む、
状態推定方法。 A state estimation method for estimating the distribution of the surface elevation in the mold width direction in the mold of the continuous casting machine with respect to the position in the mold width direction,
Obtaining a measurement value of the surface level in the mold at at least two different measurement points in the width direction of the mold;
The height of the surface of the molten metal at any time and any position in the mold width direction, the total vertical movement component, and the wavelength 2 W / n (where W is the width of the mold and n is 1 or more) Representing by a linear equation obtained by superposition of wavelength components of sine waves of integers) and expressing the coefficients of the wavelength components by a standing wave component and a disturbance component, representing by a state space model;
The state space model is expanded using a frequency weighting function for giving a frequency weight to an evaluation function of a Kalman filter for estimating the state represented by the state space model by treating the disturbance component as system noise. Step and
By applying a Kalman filter to the expanded state space model obtained by expanding the state space model using the measured value of the surface level as an observed value, the coefficients of the overall vertical motion component and the wavelength component are sequentially Estimating steps;
including,
State estimation method.
請求項1に記載の状態推定方法。 A first order low pass filter is used as the frequency weighting function.
The state estimation method according to claim 1.
請求項1に記載の状態推定方法。 As the frequency weighting function, a frequency weighting function corresponding to the frequency characteristic of the disturbance component to be analyzed based on the measurement value of the surface level is used.
The state estimation method according to claim 1.
前記全体上下動成分に基づいて、前記鋳型への溶鋼注入量又は前記鋳型からの鋳片引き抜き速度を制御するステップ、を更に含む、
湯面レベル制御方法。 The state estimation method according to any one of claims 1 to 4, wherein the hot water level at the arbitrary time and the arbitrary position is determined using the coefficients of the whole vertical movement component and the wavelength component. Further including the step of separating and describing an overall vertical movement component and the wavelength component,
Controlling the injection amount of molten steel into the mold or the billet withdrawal speed from the mold based on the total vertical movement component.
Hot water level control method.
前記状態推定方法は、
前記鋳型の幅方向における少なくとも2つの異なる測定点での、前記鋳型内の湯面高さの測定値を取得するステップと、
任意の時刻及び鋳型幅方向任意の位置における湯面高さを、全体上下動成分、及び前記鋳型の両端が波の腹となる波長2W/n(但しWは鋳型の幅、nは1以上の整数)の正弦波の波長成分の重ね合わせにより得られる線型方程式によって表現するとともに、前記波長成分の係数が定在波成分と外乱成分とによって表される、状態空間モデルによって表現するステップと、
前記状態空間モデルで表される状態を前記外乱成分をシステムノイズとして扱うことにより推定するためのカルマンフィルタの評価関数に周波数重みを持たせるための周波数重み関数を用いて、前記状態空間モデルを拡大するステップと、
前記状態空間モデルを拡大して得られた拡大状態空間モデルに対して前記湯面高さの測定値を観測値としてカルマンフィルタを適用することによって、前記全体上下動成分及び前記波長成分の係数を逐次推定するステップと、
を含む、
プログラム。 A program that causes a computer to execute a state estimation method for estimating the distribution of the surface level in the mold in the mold width direction in the mold of the continuous casting machine,
The state estimation method is
Obtaining a measurement value of the surface level in the mold at at least two different measurement points in the width direction of the mold;
The height of the surface of the molten metal at any time and any position in the mold width direction, the total vertical movement component, and the wavelength 2 W / n (where W is the width of the mold and n is 1 or more) Representing by a linear equation obtained by superposition of wavelength components of sine waves of integers) and expressing the coefficients of the wavelength components by a standing wave component and a disturbance component, representing by a state space model;
The state space model is expanded using a frequency weighting function for giving a frequency weight to an evaluation function of a Kalman filter for estimating the state represented by the state space model by treating the disturbance component as system noise. Step and
By applying a Kalman filter to the expanded state space model obtained by expanding the state space model using the measured value of the surface level as an observed value, the coefficients of the overall vertical motion component and the wavelength component are sequentially Estimating steps;
including,
program.
前記鋳型の幅方向における少なくとも2つの異なる測定点での、前記鋳型内の湯面高さの測定値を取得する測定値取得部と、
任意の時刻及び鋳型幅方向任意の位置における湯面高さを、全体上下動成分、及び前記鋳型の両端が波の腹となる波長2W/n(但しWは鋳型の幅、nは1以上の整数)の正弦波の波長成分の重ね合わせにより得られる線型方程式によって表現するとともに、前記波長成分の係数が定在波成分と外乱成分とによって表される、状態空間モデルによって表現し、
前記状態空間モデルで表される状態を前記外乱成分をシステムノイズとして扱うことにより推定するためのカルマンフィルタの評価関数に周波数重みを持たせるための周波数重み関数を用いて、前記状態空間モデルを拡大し、
前記状態空間モデルを拡大して得られた拡大状態空間モデルに対して前記湯面高さの測定値を観測値としてカルマンフィルタを適用することによって、前記全体上下動成分及び前記波長成分の係数を逐次推定する、演算部と、
を備える、
状態推定装置。
A state estimation device for estimating the distribution of the surface elevation in the mold width direction in the mold of the continuous casting machine with respect to the mold width direction,
A measurement value acquisition unit for acquiring measurement values of the surface level in the mold at at least two different measurement points in the width direction of the mold;
The height of the surface of the molten metal at any time and any position in the mold width direction, the total vertical movement component, and the wavelength 2 W / n (where W is the width of the mold and n is 1 or more) Expressed by a linear equation obtained by superposition of wavelength components of sine waves of integers) and by a state space model in which the coefficients of the wavelength components are expressed by a standing wave component and a disturbance component,
The state space model is expanded using a frequency weighting function for giving a frequency weight to an evaluation function of a Kalman filter for estimating the state represented by the state space model by treating the disturbance component as system noise. ,
By applying a Kalman filter to the expanded state space model obtained by expanding the state space model using the measured value of the surface level as an observed value, the coefficients of the overall vertical motion component and the wavelength component are sequentially An operation unit to estimate
Equipped with
State estimation device.
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