KR200189484Y1 - 연속주조용 주형진동기의 비선형 강인 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 연주기의 주형진동기의 제어시 동적부하변동에 따라 발생하는 제어오차를 자동으로 조정할 수 있도록 한 보상기를 구비한 연속주조용 주형진동기의 비선형 강인 제어장치에 관한 것이다.

이를 위해, 본 고안은 주형을 진동시키는 유압실린더에 부착하여 상기 주형의 위치를 검출하는 위치센서와; 상기 유압실린더의 구동을 지속적으로 제어하는 슬라이딩모드제어기와; 상기 위치센서에서 검출된 위치신호를 속도, 가속도, 섭동 등으로 추정하여 상기 유압실린더의 구동을 제어하는 수식모델신호와 동조되어 상기 슬라이딩모드제어기로 제어신호를 피이드백하는 슬라이딩섭동관측기와; 상기 위치센서에서 검출된 위치신호를 상기 슬라이딩섭동관측기와 동시에 송신받아 주변 파라미터들과 조합하여 유전알고리즘을 통해 최적 게인을 검출하고 검출된 신호를 상기 슬라이딩모드제어기로 송출하는 최적게인튜닝기를 포함하여 구성된다.

이에 따라, 본 고안은 정확한 동적모델을 구할 수 없는 주형진동기의 비선형성분의 영향을 잘 추종하여 제어성능을 향상시킬 수 있으며, 추정오차가 커지더라도 지속적인 피이드백에 의해 재 조정이 이루어지므로 시스템의 안정성을 확보할 수 있게 된다.

Description

연속주조용 주형진동기의 비선형 강인 제어장치{NONLINEAR ROBUST CONTROL DEVICE FOR MOULD OSCILLATOR}

본 고안은 연주기의 주형진동기의 제어시 동적부하변동에 따라 발생하는 제어오차를 자동으로 조정할 수 있도록 한 보상기를 구비한 연속주조용 주형진동기의 비선형 강인 제어장치에 관한 것이다.

일반적으로, 연속주조설비는 용강이 수용된 래들(2)을 지지하는 래들터렛(1), 주형 내의 용강공급량을 조절하는 턴디쉬(4), 용강을 1차냉각시켜 소정의 단면형상으로 응고시키는 주형(몰드) 및 이를 진동시키는 주형진동기(5), 주편을 가이드하는 롤과 스프레이 노즐로 이루어진 2차냉각대(6), 그리고 주편을 소정길이로 절단하는 토치커터머신 등으로 구성된다.

특히, 상기 주형진동기(5)는 용강이 몰드를 통과할 때 일차적으로 응고된 주편과 동판과의 융착을 방지하기 위하여 몰드 자체가 상하로 진동되도록 하여 그 융착을 방지하고 안정된 주조상태를 얻기 위하여 설치된 설비이다.

연주공정은 조업상황에 따라 다양한 치수의 주편을 생산하게 되므로 기본적으로 주형내의 마찰력이 변화하게 되고 조업하는 강종과 주조속도에 따라 진동 진폭과 주파수를 달리하여 제어하여야 하는 바, 이에 주형진동기(5)가 적절히 대응되지 못하고 이상진동을 하게 되면 안정된 주조상태를 확보할 수 없게 된다.

그러나, 작업자의 숙련도에 따라 조정작업에 차이가 있고 이상진동 유무의 판별기준이 모호하여 정확한 이상진동 유무를 검출할 수 없었다.

최근에는 진동기의 가속도 혹은 위치를 검출한 신호에 대해 주파수분석을 하여 주형의 이상진동여부를 신경회로망적으로 판정하고 있는 바, 이는 일본 특개평7-214265호[MOLD OSCILLATION DEVICE CAPABLE OF AUTOMATICALLY ADJUSTING AN OSCILLATION OF A MOLD USED IN A CONTINUOUS CASTING MACHINE; 유사특허 US5533565]에 공개되어 있다.

상기 공보에 따르면, 도 2의 도시와 같이 가속도 신호를 신경회로망에 의해 주파수분석하여 주형의 이상진동 유무를 고, 적정, 저의 3단계로 판정하도록 되어 있는 바, 이는 판정결과에 대응한 신호를 출력하는 이상진동판정부와; 상기 이상진동판정부로부터의 판정결과에 대응한 신호를 피이드백제어계인 게인(GAIN) 설정부의 피드백 게인을 지정하는 조정량출력부로 구성된다.

그런데, 이와 같은 신경회로망을 이용한 알고리즘의 경우에는 미리 측정된 데이터를 기반으로 판정하기 때문에 이 이외의 경우에 발생하는 외부 부하변동에 대해서는 적용할 수 없게 되고, 또 신경회로망을 학습시키기 위해서는 실제 조업중에 이상진동 운전을 해야하는 단점이 수반된다.

본 고안은 상술한 바와 같은 종래 기술이 갖는 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 안출한 것으로, 조업상황에 따른 마찰력의 변화, 제어밸브 및 실린더, 기타 장치들의 비선형 불확실 요소변화에도 강인성을 갖는 슬라이딩제어기를 구비하여 정확한 동적 모델을 구하기 힘든 주형진동기에서도 비선형 성분의 영향을 잘 추종케하고 추종오차가 커지더라도 보상할 수 있도록 하여 시스템의 안정성을 확보할 수 있도록 한 연속주조용 주형진동기의 비선형 강인 제어장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 연속주고 과정을 도시한 개략적인 공정도,

도 2는 종래 기술에 따른 주형진동기의 제어예를 보인 블럭도,

도 3은 본 고안에 따른 주형진동기의 제어장치 및 제어흐름을 보인 블럭도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

20 : 주형, 22 : 유압실린더,

24 : 위치센서, 25 : 유압분배기,

32 : 수식모델신호, 34 : 슬라이딩모드제어기,

36 : 슬라이딩섭동관측기, 38 : 최적게인튜닝기,

40 : 유전알고리즘.

상기한 본 고안의 목적은 주형을 진동시키는 유압실린더에 부착하여 상기 주형의 위치를 검출하는 위치센서와; 상기 유압실린더의 구동을 지속적으로 제어하는 슬라이딩모드제어기와; 상기 위치센서에서 검출된 위치신호를 속도, 가속도, 섭동 등으로 추정하여 상기 유압실린더의 구동을 제어하는 수식모델신호와 동조되어 상기 슬라이딩모드제어기로 제어신호를 피이드백하는 슬라이딩섭동관측기와; 상기 위치센서에서 검출된 위치신호를 상기 슬라이딩섭동관측기와 동시에 송신받아 주변 파라미터들과 조합하여 유전알고리즘을 통해 최적 게인을 검출하고 검출된 신호를 상기 슬라이딩모드제어기로 송출하는 최적게인튜닝기를 포함하여 구성함에 의해 달성된다.

이하에서는, 본 고안에 따른 바람직한 일 실시예를 첨부도면에 의거하여 보다 상세하게 설명한다.

도 3은 본 고안에 따른 주형진동기의 비선형 강인 제어장치의 제어구성도를 도시한 것이다.

도 3에 따르면, 주형진동기가 구비된 주형(20)의 하단 양측에는 진동을 유발하는 한쌍의 유압실린더(22)가 설치된다.유압실린더(22)는 주형진동기(MOLD OSCILLATOR)의 작동장치로서, 빌레트(BILLET), 블룸(BLOOM), 슬라브(SLAB) 등의 주형진동기로 적용되고 있으며 생산성 향상을 위한 주조속도의 고속화추세(2~5mpm)에 따라 다양한 구동제어 패턴이 요구되고 있으므로 이러한 유압제어를 위한 시스템의 새로운 구성이 요구되고 있다.그러나, 주형에 영향을 미치는 파라미터인 주형의 자중, 가이딩시스템의 종축 스프링력, 주형의 3축 관성모멘트, 주형과 스트랜드 사이의 마찰력 변동, 벤더(BENDER)에서 슬라브의 굽힘력에 의한 비틀림력 등에 의해 고전적인 제어방법으로는 시스템의 제어성능을 높이는데 한계를 가지게 된다.이는 실제 주형진동기의 구동기인 유압실린더(22)의 구동방식이 비선형적이고, 운전중에 부하변동과 같은 외란이 존재하기 때문에 비선형성분을 보상하려고 해도 설제시스템에 가깝게 모델링하기가 어렵게 된다.본 고안에서는 상기 유압실린더(22)를 섭동관측기와 슬라이딩관측기가 결합된 형태의 견실한 관측기를 이용하여 주형진동기와 같이 정확한 동적모델을 구하기 힘든 시스템에서도 비선형성분의 영향을 잘 추종케하여 제어성능을 높일 수 있도록 한 것이다.

상기 유압실린더(22)의 하측에는 진동에 따른 유압실린더(22)의 위치변화를 감지하는 위치센서(24)가 각각 구비된다.

아울러, 상기 유압실린더(22)는 유압분배기(25)와 연결되는 바, 그 사이에는 압력센서(26)가 개재된다.

따라서, 상기 유압분배기(25)는 상기 압력센서(26)와 연계하여 검출된 신호에 따라 상기 유압실린더(22)로의 유압을 분배한다.

상기 위치센서(24)는 슬라이딩섭동관측기(36) 및 최적게인튜닝기(38)와 연결된다.슬라이딩섭동관측기(SLIDING PERTURBATION OBSERVER)(36)는 슬라이딩관측기와 섭동관측기가 결합된 비선형관측기로서 제어하고자 하는 대상물의 비선형모델에서 선형성분만을 모아서 구성한 선형모델을 기초로 시스템의 상태변수를 추정할 수 있도록 한 것이며, 비선형성분에 의한 추정오차는 슬라이딩모드에 의해 최소화되도록 관측기의 게인을 설정한다.즉, 비선형모델의 출력(실제시스템의 응답)과 선형모델의 출력차를 섭동이라고 정의한다면 이것을 상태변수의 조합으로 표현하여 섭동의 크기를 추정할 수 있도록 재구성한 것을 말한다.따라서, 섭동관측기에서는 필요한 상태변수(속도, 가속도)가 피이드백되어야 관측이 가능하지만 본 고안에서는 상태변수를 추정하는 슬라이딩관측기를 섭동관측기에 결합함으로써 부가적인 센서를 달지 않고도 추정한 상태변수를 가지고 섭동(전기한 바와 같이, 여기서는 속도, 가속도 등의 실제응답과 선형모델로 부터 도출된 이론치를 비교하여 나타난 그 차이를 말함)의 크기를 산출할 수 있게 된다.이것의 유효한 점은 실제시스템에 각종 센서를 부착하기도 어려울 뿐만 아니라 센서의 특성상 노이즈에 매우 민감하여 센서를 부착하는것 자체가 시스템의 비선형성분을 증가시키는 것이 되므로 센서를 달지 않고도 비선형제어기를 구현할 수 있다는 점과 그 제어성능을 향상시킬 수 있다는 점이다.

상기 슬라이딩섭동관측기(36)는 상기 위치센서(24)에서 출력된 신호(상태변수)를 바탕으로 상기 유압실린더(22)의 속도, 가속도 등의 섭동을 추정하여 피이드백될 수 있도록 슬라이딩모드제어기(34)와 연결된다.상기 슬라이딩모드제어기(34)는 슬라이딩모드를 제어하는 제어기이며, 슬라이딩모드란 오차와 오차 변분으로 구성되는 공간상에서 이를테면 슬라이딩 평면(S) = C+ y(1계 미방)로 표현되는 슬라이딩 평면 중에서 S=0 이 되는 일차 직선 근방을 따라 가면서 y(위치오차)가 0에 수렴하는 것을 말한다.즉, 슬라이딩모드는 슬라이딩모드제어기에서 정의한 스위칭 함수의 게인값과 오차의 상한값에 구속되어 슬라이딩 기울기를 따라 제어 입력이 스위칭되게 된다.

이를 위해, 상기 슬라이딩섭동관측기(36)는 상기 슬라이딩모드제어기(34)와 연결되되 상기 슬라이딩모드제어기(34)측으로 연결된 수식모델신호(32)와 연결되어 이로부터 송출된 주편에 대응되는 주형진동기의 이상적인 진동모델에서 획득된 이론치와 슬라이딩섭동관측기(36)로부터 추정된 값들이 비교되어 최적의 상태변수값이 상기 슬라이딩모드제어기(34)로 입력되도록 하여 준다.

수식모델신호(32)는 주형진동기의 위치궤적, 예컨대 주형진동기의 다양한 오실레이팅운동(감쇄, 조화 등의 진동모델)을 설정하는 수식모델로서, 주편의 크기에 따른 주형의 크기 및 형태에 따라 변경이 가능하며 그에 대응되는 진동모델을 갖고 가장 이상적인 이론값을 통해 위치궤적을 산출할 수 있도록 하여 준다.

상기 최적게인튜닝기(38)는 제어기(34)의 게인을 바꾸어 주는데 제어기(34)의 기준 최적 게인의 선정이 어려우므로 전문가가 아니더라도 자동적으로 게인을 선정할 수 있도록 위치센서(24)의 신호를 받아 주지된 유전알고리즘(40)을 통해 최적의 게인 적합성을 찾아 내도록 한다.통상 유전알고리즘(40)은 단일 프로세서 시스템에서 수행되는 프로그램을 여러개의 모듈로 분할한 후 각 프로세서에서 분할된 모듈을 할당하여 동시에 작업을 수행함으로써 높은 성능향상을 추구하는 것으로, 여기에서는 위치센서(24)를 통해 송신된 속도, 가속도 등의 데이터값들을 통해 산출가능한 다양한 게인들 중에서 실제응답과 가장 유사한 최적게인을 선정하도록 하는 것을 말한다.

이러한 구성으로 이루어진 본 고안은 초기 기동시 위치궤적을 생성하는 수식모델신호(32)에서 생성된 신호를 잘 추종하기 위해 필요한 속도, 가속도의 섭동 성분을 슬라이딩섭동관측기(36)에서 추정하여 슬라이딩모드제어기(34)에 반영하고, 상기 슬라이딩모드제어기(34)에서는 운전시작모드시 최적게인튜닝기(38)를 통해 선정된 최적 게인과 슬라이딩섭동관측기(36)에서 송출된 추정값을 비교하여 그 섭동값을 구하고 그 섭동값을 제어값으로 입력하여 유압실린더(22)를 구동하게 된다.상기 유압실린더(22)의 구동에 따라 주형진동기가 작동되며 동시에 유압분배기(25)에 의해 제어된 유압실린더(22)의 진동에 따른 위치변화는 위치센서(24)에 의해 감지되어 슬라이딩섭동관측기(36) 및 최적게인튜닝기(38)로 송출되고 이들 프로세서에서는 각각 수신된 실제이득, 즉 실제게인과 최초 설정치를 비교하여 다시 이를 보정한 후 상기 슬라이딩모드제어기(34)를 통해 유압실린더(22)의 구동을 재 제어하게 된다.

즉, 상기 슬라이딩섭동관측기(36)는 초기 위치지령에 따른 수식모델신호(32)와 동조되어 상기 슬라이딩모드제어기(34)로 송신되게 되고, 이를 바탕으로 상기 슬라이딩모드제어기(34)는 피이드백받은 슬라이딩섭동관측기(36)의 신호를 통해 초기 기동시 제어했던 유압분배기(25)를 서보앰프(30) 및 유압서보밸브(28)를 통해 다시 수정된 제어신호를 송출하게 된다.

수정된 제어신호를 송신한 상기 유압분배기(25)는 주형이 받는 다양한 파라미터, 이를테면 주형과 스트랜드 사이의 마찰력의 변화 등의 부하변동과 제어밸브 및 실린더, 기타 부속 설비들의 섭동에 따른 주형의 변화를 미세하고 지속적으로 조정하게 된다.

따라서, 정상조업모드에서는 최적의 튜닝된 게인을 가지고 수정된 슬라이딩모드제어기에서 섭동 등의 부하변동에 대해 지령치에 잘 추종하면서 운전하게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 고안에 따른 연속주조용 주형진동기의 비선형 강인 제어장치는 정확한 동적모델을 구할 수 없는 주형진동기의 비선형성분의 영향을 잘 추종하여 제어성능을 향상시킬 수 있게 된다.

아울러, 추정오차가 커지더라도 지속적인 피이드백에 의해 재 조정이 이루어지므로 시스템의 안정성을 확보할 수 있게 된다.

이에 따라, 제어기의 성능이 향상되므로 제품의 질이 개선되는 효과를 제공한다.

Claims (1)

1. 주형(20)을 진동시키는 유압실린더(22)에 부착되어 상기 유압실린더(22)의 위치변화를 검출하는 위치센서(24)와;

   상기 위치센서(24)와 연결되고 위치센서(24)로부터 수신받은 유압실린더(22)의 속도, 가속도 등의 섭동에 대한 실제응답과 주편의 크기에 대응되게 설정된 오실레이팅 모델인 수식모델신호(32)로부터 송출된 이상적인 이론치를 비교하여 상기 유압실린더(22) 작동시 발생하는 비선형적인 성분을 최소화하고 선형성분의 조합으로만 최적화시켜 상태변수인 속도, 가속도 등의 변화를 재설정토록 하는 슬라이딩섭동관측기(36)와;

   상기 위치센서(24)와 연결되며 운전모드시 위치센서(24)로부터 연속적으로 송출된 상태변수의 실제응답을 그와 대응되는 개수로 분할된 모듈에서 각각 최적의 게인만을 산출하는 최적게인튜닝기(38)와;

   상기 슬라이딩섭동관측기(36) 및 최적게인튜닝기(38)와 연결되어 슬라이딩섭동관측기(36)로부터 재 설정되어 피이드백된 상태변수와 최적게인튜닝기(38)로부터 송출된 최적 게인을 토대로 유압실린더(22)의 위치궤적을 추정제어할 수 있도록 최종적인 제어값을 산출하여 유압분배기(25)를 통해 상기 유압실린더(22)를 구동시키는 슬라이딩모드제어기(34)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연속주조용 주형진동기의 비선형 강인 제어장치.