WO2010110431A1 - 鋳造機の制御装置 - Google Patents

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time
gas
casting machine
pressure
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荘太 鳥居
亮 大西
圭悟 石原
俊一郎 伊藤
Original Assignee
本田技研工業株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D2/00—Arrangement of indicating or measuring devices, e.g. for temperature or viscosity of the fused mass
    • B22D2/003—Arrangement of indicating or measuring devices, e.g. for temperature or viscosity of the fused mass for the level of the molten metal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D18/00—Pressure casting; Vacuum casting
    • B22D18/08—Controlling, supervising, e.g. for safety reasons

Definitions

  • the present invention relates to a control device for controlling the pressure of a low-pressure casting machine, and more particularly to a technique for reducing the pulsation of a molten metal by predicting the state of the molten metal.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 disclose a technique for performing feedback control (PID control) of the opening degree of a proportional control valve in accordance with a difference in measured pressure with respect to a specified pressure of high-pressure air in a low-pressure casting machine.
  • PID control feedback control
  • the feedback control causes a delay in the actual pressure increase with respect to the commanded air pressure. Then, the delay is reflected in the feedback control, and an overshoot occurs in which the actual pressure becomes higher than the instructed pressure. For this reason, air pressure fluctuates greatly and pulsation occurs in the molten metal. As a result, the molten metal surface undulates or the molten metal flows backward in the mold, resulting in a hot water boundary, unfilled or air entrainment, resulting in poor casting.
  • the present invention provides a control device for a low-pressure casting machine that can be controlled without causing a delay or overshoot with respect to the indicated value, and can make the behavior of the molten metal in the mold appropriate.
  • the purpose is that.
  • the present invention is a control device for a casting machine that pressurizes a molten metal and casts it into a feeding mold, and includes a pressurizing unit that pressurizes the molten metal, and a control unit that controls the pressurizing unit.
  • the height of the molten metal that has been sent out after a predetermined time has been predicted, and the height of the molten metal that has been predicted is pressurized so that it approximates the specified height of the molten metal when the predetermined time has elapsed.
  • the means is controlled.
  • the pressurizing means is controlled while predicting the height of the molten metal that has been sent out at the time when a predetermined time has elapsed from the present, so that the occurrence of delay and overshoot is suppressed as in PID control. be able to. Therefore, it is possible to prevent the occurrence of pulsation in the molten metal and the occurrence of the hot water boundary, unfilling, or air entrainment caused by the pulsation.
  • the present invention can be applied to a casting machine in which pressure is applied with a gas such as air.
  • the casting machine can include a gas supply unit that supplies a gas that pressurizes the molten metal
  • the control unit can include a flow rate adjustment valve that adjusts the flow rate of the gas and a pressure detection unit that detects the pressure of the gas.
  • a control means estimates the height of the molten metal surface of the molten metal sent out when predetermined time passed from the present, based on the flow rate of the gas in a flow regulating valve, and the detection result of a pressure detection means.
  • the present invention can be applied not only to a casting machine that pressurizes molten metal with gas, but also to a casting machine that pressurizes molten metal with a float, a piston, or electromagnetic force.
  • the casting machine can include a holding unit that holds the molten metal and a stalk that sends the molten metal from the holding unit to the mold. And a control means estimates the height of the molten metal level of the sent out molten metal when the predetermined time has passed from the present time by the following [Equation 1] and [Equation 2].
  • P1 predicted gas pressure
  • A horizontal cross-sectional area inside stalk
  • Pi Back pressure applied to the surface of the molten metal
  • mA Mass of molten metal inside Stoke
  • g Gravitational acceleration
  • h1 Height of molten metal surface sent out
  • ⁇ (h) viscosity coefficient of molten metal
  • P1 predicted gas pressure
  • P measured gas pressure
  • V gas volume
  • R gas constant
  • T Caster air temperature
  • G Gas flow rate
  • G is proportional to the opening degree of the flow rate adjusting valve.
  • the channel is not opened until the operating voltage exceeds the lower threshold value. After opening, there is a thing whose flow rate changes linearly with respect to the operating voltage.
  • the flow path is not throttled until the operating voltage falls below the upper threshold, and the flow control valve is operated after the flow path starts to be throttled.
  • the flow rate varies linearly with voltage. Therefore, when the flow rate is obtained from the operation voltage, it is necessary to consider the operation hysteresis as described above.
  • the first term on the right side of [Formula 2] is the pressure increase due to the gas flowing into the casting machine, and the second term is due to the increase in volume as a result of the molten metal being pushed down by the gas flowing into the casting machine. This is the pressure decrease.
  • the gas pressure P after t seconds from the current time t1 can be obtained by integrating [Equation 2] from t1 to (t1 + t).
  • the gas temperature T in the casting machine can be constant, and the gas flow rate G is preset as that at time (t1 + t).
  • the gas volume V at time (t1 + t) can be obtained by adding Ah 1 to the gas volume at time t1 (which has already been obtained).
  • the back pressure Pi can be an atmospheric pressure. Further, the mass mA of the molten metal in the stalk is obtained at the time t1, and has already been obtained in the past calculation. Further, the viscosity coefficient ⁇ (h) is known from the material and temperature of the molten metal. Then, when these values and the gas pressure P obtained from [Equation 2] are substituted into [Equation 1] and integration is performed twice, the height h1 of the molten metal surface at the time (t1 + t) of the delivered molten metal is obtained. It is done.
  • the operation voltage of the flow regulating valve is lowered.
  • the operation voltage of the flow rate adjusting valve is increased.
  • the decrease amount of the operating voltage can be made proportional to the difference between the height h1 of the molten metal surface and the specified height.
  • the above aspect is the control when the molten metal surface exists in the stalk, and the undulation of the molten metal in the mold can be suppressed only by suppressing the undulating surface of the molten metal in the stalk.
  • the control means stores the horizontal cross-sectional area of the stalk and the mold, and corrects the control of the flow rate adjustment valve in accordance with the area of the molten metal surface. For example, the information of the horizontal cross-sectional area of Stoke and the mold is taken into the control system as a disturbance, and the volume increase of the molten metal from the horizontal cross-sectional area to time (t1 + t) is calculated.
  • the flow volume in a flow regulating valve be a value commensurate with the volume increase of a molten metal. It is convenient to determine the flow rate by multiplying the ratio of the horizontal cross-sectional area of the mold to the horizontal cross-sectional area of Stoke.
  • the present invention it is possible to suppress the occurrence of delay and overshoot as in PID control, and to prevent the occurrence of molten metal pulsation and the occurrence of molten metal boundary, unfilling, or air entrainment. The effect that it can do is acquired.
  • reference numeral 10 denotes a low-pressure casting machine.
  • the low pressure casting machine 10 includes a heating furnace 11. On the heating furnace 11, a lower mold 12 and an upper mold 13 that can approach and separate in the vertical direction with respect to the lower mold 12 are disposed, and a cavity 14 is formed by the lower mold 12 and the upper mold 13.
  • a stalk 15 whose axis is directed in the vertical direction is disposed so as to penetrate, and the upper end of the stalk 15 passes through the lower mold 12 and faces the cavity 14.
  • a pipe 16 connected to an air compressor (not shown) is connected to the upper part of the side wall of the heating furnace 11 via a proportional valve (flow rate adjusting valve) 17 so that air flows into the upper space of the molten metal M held inside. It is supposed to let you.
  • the heating furnace 11 is provided with a pressure sensor (pressure detection means) 18 for detecting the pressure in the upper space of the molten metal M.
  • the molten metal M is sent out to the stalk 15 and filled into the cavity 14 by increasing the pressure in the upper space (in-furnace pressure) of the molten metal M.
  • reference numeral 20 denotes a control unit
  • reference numeral 21 denotes a model prediction controller (control means).
  • the control unit 20 controls the operation of the low-pressure casting machine 10 and outputs information indicating the molten metal surface position to the model prediction controller 21.
  • the model prediction controller 21 predicts the molten metal surface position and the furnace pressure from the present three steps ahead, and the predicted molten metal surface position and the instructed molten metal surface position.
  • the proportional valve 17 is controlled so that the predicted hot water surface position approximates the instructed hot water surface position.
  • the proportional valve 17 is provided with a flow rate detection sensor, and the detection result is input to the model prediction controller 21.
  • this model prediction control will be described in detail with reference to FIGS.
  • the prediction is made up to 3 steps ahead from the present, but the number of steps ahead can be determined as appropriate, and is not limited to this embodiment.
  • FIG. 2 is a timing chart for explaining the model predictive control, and the horizontal axis indicates the time at each step where the model predictive control is performed.
  • the interval of one step is indicated by a scale of 0.1.
  • the current time is indicated by time t, and information indicating the hot water surface position is input from the controller 20 to the model prediction controller 21 at this time t.
  • the model prediction controller 21 increases the operating voltage for the proportional valve 17 and operates the proportional valve 17 to be fully opened. Since the proportional valve 17 has the operation hysteresis as described above, the flow path starts to open from time (t + 1), and air starts to flow from time (t + 1). In addition, the model prediction controller 21 substitutes the furnace pressure input from the pressure sensor 18 at the current time t into the above-described [Equation 2], and the time (t + 1), time (t + 2), and time (t + 3). Is obtained, and the obtained predicted furnace pressure is substituted into [Equation 1] to obtain the predicted hot water surface position at time (t + 1), time (t + 2), and time (t + 3). . In FIG.
  • FIG. 4 shows a state where the process proceeds from the state shown in FIG. 3 to the next step (1.1).
  • the model prediction controller 21 calculates the time (t + 1), the time (t + 2), and the time (t + 3) from the in-furnace pressure input from the pressure sensor 18 at the time of the current time t and the above-described [Equation 2] and [Equation 1].
  • the predicted hot water surface position at the time of is obtained.
  • the furnace pressure starts to increase from the middle of the current time t and time (t + 1), and as a result, the surface of the molten metal M in the heating furnace 11 is pushed, and a little at time (t + 1).
  • the molten metal M is pushed into the stalk 15 from the front, and the molten metal surface starts to rise.
  • the model prediction controller 21 maintains the current operation voltage applied to the proportional valve 17 because the predicted hot water surface position is significantly lower than the indicated hot water surface position.
  • FIG. 5 shows a state where the process proceeds from the state shown in FIG. 4 to the next step (1.2).
  • the model prediction controller 21 calculates the time (t + 1), the time (t + 2), and the time (t + 3) from the in-furnace pressure input from the pressure sensor 18 at the time of the current time t and the above-described [Equation 2] and [Equation 1].
  • the predicted hot water surface position at the time of is obtained.
  • the model prediction controller 21 since the predicted hot water surface position is close to the indicated hot water surface position at time (t + 2), it is necessary to reduce the operation voltage applied to the proportional valve 17 at time (t + 1). Maintain the current control voltage.
  • FIG. 6 shows a state where the process proceeds from the state shown in FIG. 5 to the next step (1.3).
  • the model prediction controller 21 calculates the time (t + 1), the time (t + 2), and the time (t + 3) from the in-furnace pressure input from the pressure sensor 18 at the time of the current time t and the above-described [Equation 2] and [Equation 1].
  • the predicted hot water surface position at the time of is obtained.
  • the predicted hot water surface position is close to the indicated hot water surface position at time (t + 1), and therefore the operation voltage applied to the proportional valve 17 is reduced at time t.
  • FIG. 7 shows a state where the process proceeds from the state shown in FIG. 6 to the next step (1.4).
  • the model prediction controller 21 calculates the time (t + 1), the time (t + 2), and the time (t + 3) from the in-furnace pressure input from the pressure sensor 18 at the time of the current time t and the above-described [Equation 2] and [Equation 1].
  • the predicted hot water surface position at the time of is obtained.
  • the predicted hot water surface position approximates the indicated hot water surface position after time t, but at the time (t + 2), the predicted hot water surface position is slightly lower than the indicated hot water surface position. Therefore, the model prediction controller 21 slightly increases the operation voltage of the proportional valve 17 at time t. Thereby, after time (t + 3), it will be in the stable state in which the predicted hot-water surface position substantially corresponded with the indicated hot-water surface position.
  • the surface of the molten metal M is stabilized in the stalk 15. Therefore, since the rising speed of the hot water surface in the stalk 15 can be increased, the casting time can be shortened. Further, since the stable state is substantially maintained even when the molten metal is filled in the cavity 14, it is possible to suppress the occurrence of delay and overshoot as in PID control, and the occurrence of molten metal pulsation and the resulting hot water boundary. It is possible to prevent the occurrence of unfilling or air entrainment.
  • the model prediction controller 21 stores the horizontal cross-sectional area information of the stalk 15 and the cavity 14 and corrects the operation voltage using this as a disturbance.
  • the operation voltage is multiplied by S / A for correction.
  • the rising speed of the hot water surface in the pouring gate and the cavity 14 becomes constant, and the hot water surface is prevented from being disturbed.
  • the present invention can be applied not only to the casting machine 10 that pressurizes the molten metal with air as described above, but also to a casting machine that pressurizes the molten metal with a float, a piston, or electromagnetic force.
  • a casting machine that pressurizes molten metal with a float or a piston the same control as described above can be performed if the reaction force received by the float or piston is output to the model prediction controller 21 as pressure information.
  • the present invention enables model prediction control to be applied to a casting machine for the first time, is excellent in productivity and yield, and is very promising for application in the field of casting.

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Abstract

　加熱炉１１内で溶湯Ｍを加圧してストーク１５に送り出し、キャビティ１４に鋳造する鋳造機１０の制御装置である。モデル予測コントローラ２１は、現在から所定時間経過した時点における溶湯Ｍの湯面の高さを予測し、この予測された湯面の高さが所定時間経過した時点における湯面の指定高さに近似するように比例弁１７を制御する。指示した値に対して遅れやオーバーシュートを生じることなく制御することができ、金型内での溶湯の挙動を適正にすることができる。

Description

鋳造機の制御装置
　本発明は、低圧鋳造機の圧力を制御する制御装置に係り、特に、溶湯の状況を予測することにより溶湯の脈動を低減する技術に関する。
　従来、低圧鋳造機としては、坩堝内の湯面の上の空間に高圧空気を供給し、溶湯に浸漬したストークを介して溶湯を金型に鋳造する構造のものが知られている。このような低圧鋳造機では、高圧空気の供給量を制御して金型内での溶湯の挙動を適正にする必要がある。たとえば、特許文献１や特許文献２には、低圧鋳造機において高圧空気の指定圧力に対する測定圧力の差異に応じて比例制御弁の開度をフィードバック制御（ＰＩＤ制御）する技術が開示されている。
特開平７－２７６０３１号公報 特開平８－０９０２０７号公報
　ところで、上記のような低圧鋳造機では、圧縮性のある空気によって溶湯という慣性流体を加圧するため、フィードバック制御では指示した空気圧力に対して実際の圧力上昇に遅れが生じる。そして、その遅れがフィードバック制御に反映されて次は指示した圧力よりも実際の圧力が高くなるオーバーシュートが生じる。このため、空気圧力が大きく変動し、溶湯に脈動が発生する。その結果、金型内で湯面が波立ったり溶湯が逆流したりし、湯境や未充填、あるいは空気の巻き込みなどが生じて鋳造不良となる。
　したがって、本発明は、指示した値に対して遅れやオーバーシュートを生じることなく制御することができ、金型内での溶湯の挙動を適正にすることができる低圧鋳造機の制御装置を提供することを目的としている。
　本発明は、溶湯を加圧して送り出しモールドに鋳造する鋳造機の制御装置であって、溶湯を加圧する加圧手段と、この加圧手段を制御する制御手段とを備え、制御手段は、現在から所定時間経過した時点における送り出された溶湯の湯面の高さを予測し、この予測された湯面の高さが所定時間経過した時点における湯面の指定高さに近似するように加圧手段を制御することを特徴とする。
　本発明によれば、現在から所定時間経過した時点における送り出された溶湯の湯面の高さを予測しながら加圧手段を制御するから、ＰＩＤ制御のように遅れやオーバーシュートの発生を抑制することができる。したがって、溶湯への脈動の発生とそれに起因する湯境や未充填、あるいは空気の巻き込みなどの発生を未然に防止することができる。
　本発明は、空気などのガスで加圧する方式の鋳造機に適用することができる。すなわち、鋳造機は、溶湯を加圧するガスを供給するガス供給手段を備え、制御手段は、ガスの流量を調整する流量調整弁と、ガスの圧力を検出する圧力検出手段とを備えることができる。そして、制御手段は、流量調整弁におけるガスの流量と圧力検出手段の検出結果とに基づき、現在から所定時間経過した時点における送り出された溶湯の湯面の高さを予測する。なお、本発明は、上記のように、溶湯をガスで加圧する方式の鋳造機だけでなく、溶湯をフロートやピストンあるいは電磁力で加圧する方式の鋳造機にも適用することができる。　
　鋳造機は、溶湯を保持する保持部と、この保持部からモールドに溶湯を送るストークとを備えることができる。そして制御手段は、下記［数１］および［数２］により現在から所定時間経過した時点における送り出された溶湯の湯面の高さを予測する
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 　Ｐ１：予測ガス圧力、Ａ：ストーク内部の水平断面積、
　Ｐｉ：溶湯の湯面にかかる背圧、
　ｍＡ：ストーク内部の溶湯の質量、ｇ：重力加速度、
　ｈ１：送り出された溶湯の湯面の高さ、μ（ｈ）：溶湯の粘性係数
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 　Ｐ１：予測ガス圧力、Ｐ：実測ガス圧力、
　Ｖ：ガス体積、Ｒ：気体定数、
　Ｔ：鋳造機内空気温度、Ｇ：ガス流量
　ここで、Ｇは、流量調整弁の開度に比例するものであるが、電磁式の流量調整弁の種類によっては、操作電圧が下のしきい値を超えるまで流路が開かず、流路が開いてからは操作電圧に対して流量が線形に変化するものがある。また、このような流量調整弁では、流量調整弁を全開にした状態から絞る場合にも、操作電圧が上のしきい値を下回るまで流路が絞られず、流路が絞られ始めてからは操作電圧に対して流量が線形に変化する。したがって、操作電圧から流量を求める場合には、上記のような作動ヒステリシスを加味する必要がある。また、［数２］の右辺の第１項は鋳造機に流入するガスによる圧力増加分であり、第２項は、鋳造機に流入したガスにより溶湯が押し下げられる結果、容積が増加することによる圧力減少分である。
　現在の時刻ｔ１からｔ秒後のガス圧力Ｐは、［数２］をｔ１から（ｔ１＋ｔ）まで積分することで求めることができる。この場合、鋳造機内ガス温度Ｔは一定とすることができ、ガス流量Ｇは、時刻（ｔ１＋ｔ）のものとして予め設定されている。また、時刻（ｔ１＋ｔ）のときのガス体積Ｖは、時刻ｔ１のときのガス体積（既に求められている）にＡｈ１を加えることで求めることができる。
　［数１］において背圧Ｐｉは大気圧とすることができる。また、ストーク内溶湯の質量ｍＡは、時刻ｔ１のときのものであり、過去の計算で既に求められている。さらに、粘性係数μ（ｈ）は溶湯の材質および温度から既知である。そして、それらの値と［数２］で求めたガス圧力Ｐを［数１］に代入して積分を２回行うと、送り出された溶湯の時刻（ｔ１＋ｔ）における湯面の高さｈ１が求められる。この場合において、時刻（ｔ１＋ｔ）における湯面の高さｈ１が指定した高さよりも高い場合には、流量調整弁の操作電圧を下げる。一方、時刻（ｔ１＋ｔ）における湯面の高さｈ１が指定した高さよりも低い場合には、流量調整弁の操作電圧を上げる。これにより、時刻（ｔ１＋ｔ）における湯面の実際の高さｈ１を指定した高さに近似させることができる。操作電圧の下げ幅は、湯面の高さｈ１と指定した高さとの差に比例させることができる。
　以上の態様は、溶湯の湯面がストーク内に存在するときの制御であり、ストーク内での湯面の波立ちを抑制するだけでもモールド内での溶湯の波立ちを抑制することができる。本発明では、さらに、モールド内での湯面の波立ちを確実に抑制するように制御することができる。具体的には、制御手段は、ストークおよびモールドの水平断面積を記憶し、溶湯の湯面の面積に対応して流量調整弁の制御を補正する。たとえば、ストークおよびモールドの水平断面積の情報を外乱として制御系に取り込み、水平断面積から時刻（ｔ１＋ｔ）までの溶湯の体積増加分を算出する。そして、流量調整弁における流量を溶湯の体積増加分に見合った値とする。なお、ストークの水平断面積に対するモールドの水平断面積の比を乗算して流量を決定すると簡便である。
　本発明では、送り出された溶湯の湯面の高さを予測する際の因子として種々の条件を取り入れて予測の精度を高めることができる。前述した流量調整弁の作動の遅れもその一つであるが、他には、鋳造機からのガスの漏洩などの外乱がある。
　本発明によれば、ＰＩＤ制御のように遅れやオーバーシュートの発生を抑制することができ、溶湯の脈動の発生とそれに起因する湯境や未充填、あるいは空気の巻き込みなどの発生を未然に防止することができる等の効果が得られる。
本発明の実施形態の鋳造機の制御装置を示す制御ブロック図である 実施形態のモデル予測制御を説明するためのタイムチャートである。 実施形態のモデル予測制御を説明するためのタイムチャートである。 実施形態のモデル予測制御を説明するためのタイムチャートであって、図３に示す状態から１ステップ進んだ状態を示す。 実施形態のモデル予測制御を説明するためのタイムチャートであって、図４に示す状態から１ステップ進んだ状態を示す。 実施形態のモデル予測制御を説明するためのタイムチャートであって、図５に示す状態から１ステップ進んだ状態を示す。 実施形態のモデル予測制御を説明するためのタイムチャートであって、図６に示す状態から１ステップ進んだ状態を示す。
　１０　鋳造機
　１１　加熱炉
　１２　下型（モールド）
　１３　上型（モールド）
　１４　キャビティ
　１５　ストーク
　１７　比例弁（加圧手段、圧力調整弁）
　１８　圧力センサ（圧力検出手段）
　２０　制御部
　２１　モデル予測コントローラ（制御手段）
　以下、図１～図７を参照して本発明の実施形態を説明する。図１において符号１０は低圧鋳造機である。低圧鋳造機１０は、加熱炉１１を備えている。加熱炉１１の上には、下型１２とこの下型１２に対して上下方向に接近離間可能な上型１３とが配置され、下型１２および上型１３によってキャビティ１４が形成されている。
　加熱炉１１の頂部には、軸線を上下方向に向けたストーク１５が貫通して配置され、ストーク１５の上端部は下型１２を貫通してキャビティ１４に臨んでいる。加熱炉１１の側壁の上部には、図示しない空気圧縮装置に接続された配管１６が比例弁（流量調整弁）１７を介して接続され、内部に保持された溶湯Ｍの上部空間に空気を流入させるようになっている。また、加熱炉１１には、溶湯Ｍの上部空間の圧力を検出する圧力センサ（圧力検出手段）１８が設けられている。この鋳造機１０では、溶湯Ｍの上部空間の圧力（炉内圧力）を高めることにより、溶湯Ｍがストーク１５に送り出され、キャビティ１４に充填される。
　図１において符号２０は制御部であり、符号２１はモデル予測コントローラ（制御手段）である。制御部２０は、低圧鋳造機１０の動作を制御するとともに、モデル予測コントローラ２１に、溶湯の湯面位置を指示する情報を出力する。モデル予測コントローラ２１は、圧力センサ１８から入力される圧力情報に基づき、現在から３ステップ先までの湯面位置と炉内圧力を予測するともに、予測された湯面位置と指示された湯面位置とを比較し、予測された湯面位置が指示された湯面位置に近似するように比例弁１７を制御する。なお、図示は省略するが比例弁１７には流量検出センサが設けられ、その検出結果はモデル予測コントローラ２１に入力される。以下、このモデル予測制御について図２～図７を参照して詳細に説明する。なお、この実施形態では現在から３ステップ先まで予測するが、何ステップ先まで予測するかは適宜決定することができるので、この実施形態に限定されるものではない。
　図２はモデル予測制御を説明するためのタイミングチャートであり、横軸はモデル予測制御が行われる各ステップにおける時刻を示す。なお、図２では、１ステップの間隔を０．１の目盛で示している。現在時刻は時刻ｔで示され、この時刻ｔのときにコントローラ２０からモデル予測コントローラ２１に湯面位置を指示する情報が入力される。
　すると、モデル予測コントローラ２１は、図３に示すように、比例弁１７に対する操作電圧を上げて比例弁１７を全開となるように作動させる。比例弁１７は、前述したような作動ヒステリシスを有するため、時刻（ｔ＋１）から流路を開き始め、時刻（ｔ＋１）から空気が流れ始める。また、モデル予測コントローラ２１は、現在の時刻ｔの時点で圧力センサ１８から入力された炉内圧力を前述の［数２］に代入し、時刻（ｔ＋１）、時刻（ｔ＋２）、時刻（ｔ＋３）の時の予測炉内圧力を得るとともに、得られた予測炉内圧力を［数１］に代入して時刻（ｔ＋１）、時刻（ｔ＋２）、時刻（ｔ＋３）の時の予測湯面位置を得る。なお、図３には、説明の便宜のために予測炉内圧力と予測湯面位置を時刻（ｔ＋３）よりも将来の時刻のものまで示しているが、実際には時刻（ｔ＋３）までの予測しかしていない。これについては図４以降の図面も同様である。
　図４は、図３に示す状態から次のステップ（１．１）に進んだ状態を示している。モデル予測コントローラ２１は、現在の時刻ｔの時点で圧力センサ１８から入力された炉内圧力と前述の［数２］および［数１］から時刻（ｔ＋１）、時刻（ｔ＋２）、時刻（ｔ＋３）の時の予測湯面位置を得る。モデル予測コントローラ２１による予測では、現在の時刻ｔと時刻（ｔ＋１）の中間から炉内圧力が上がり始め、その結果、加熱炉１１内の溶湯Ｍの湯面が押され、時刻（ｔ＋１）の少し手前からストーク１５内に溶湯Ｍが押し込まれて湯面が上がり始める。モデル予測コントローラ２１は、予測湯面位置が指示湯面位置よりも大幅に低いことから、比例弁１７に印加する操作電圧を現状維持する。
　図５は、図４に示す状態から次のステップ（１．２）に進んだ状態を示している。モデル予測コントローラ２１は、現在の時刻ｔの時点で圧力センサ１８から入力された炉内圧力と前述の［数２］および［数１］から時刻（ｔ＋１）、時刻（ｔ＋２）、時刻（ｔ＋３）の時の予測湯面位置を得る。モデル予測コントローラ２１による予測では、時刻（ｔ＋２）で予測湯面位置が指示湯面位置に近くなるので、時刻（ｔ＋１）で比例弁１７に印加する操作電圧を下げる必要があるが、時刻ｔでは制御電圧を現状維持する。
　図６は、図５に示す状態から次のステップ（１．３）に進んだ状態を示している。モデル予測コントローラ２１は、現在の時刻ｔの時点で圧力センサ１８から入力された炉内圧力と前述の［数２］および［数１］から時刻（ｔ＋１）、時刻（ｔ＋２）、時刻（ｔ＋３）の時の予測湯面位置を得る。モデル予測コントローラ２１の予測では、時刻（ｔ＋１）で予測湯面位置が指示湯面位置に近くなるので、時刻ｔで比例弁１７に印加する操作電圧を下げる。
　図７は、図６に示す状態から次のステップ（１．４）に進んだ状態を示している。モデル予測コントローラ２１は、現在の時刻ｔの時点で圧力センサ１８から入力された炉内圧力と前述の［数２］および［数１］から時刻（ｔ＋１）、時刻（ｔ＋２）、時刻（ｔ＋３）の時の予測湯面位置を得る。モデル予測コントローラ２１の予測では、時刻ｔ以降では予測湯面位置が指示湯面位置に近似するが、時刻（ｔ＋２）で予測湯面位置が指示湯面位置よりも少し下がる。そこで、モデル予測コントローラ２１は、時刻ｔで比例弁１７の操作電圧を少し上げる。これにより時刻（ｔ＋３）以降は予測湯面位置が指示湯面位置とほぼ一致した安定した状態となる。
　以上のようなモデル予測制御により、ストーク１５内で溶湯Ｍの湯面は安定する。したがって、ストーク１５内での湯面の上昇速度を速くすることができるので、鋳造時間を短縮することができる。また、溶湯がキャビティ１４に充填されるときも安定状態がほぼ維持されるので、ＰＩＤ制御のように遅れやオーバーシュートの発生を抑制することができ、溶湯の脈動の発生とそれに起因する湯境や未充填、あるいは空気の巻き込みなどの発生を未然に防止することができる。
　ところで、溶湯がストーク１５内を通過した後も比例弁１７の操作電圧を一定にしておくと、湯口やキャビティ１４内で水平断面積が大きく変化する場合に、湯面の上昇速度が変動して湯面が乱れることが想定される。そこで、この実施形態では、モデル予測コントローラ２１がストーク１５およびキャビティ１４の水平断面積情報を記憶し、これを外乱として操作電圧を補正する。
　具体的には、ストーク１５の水平断面積をＡとし、湯口やキャビティ１４の水平断面積をＳとしたときに、操作電圧にＳ／Ａを乗算して補正する。これにより、湯口やキャビティ１４内で湯面の上昇速度は一定となり、湯面の乱れが防止される。
　本発明は、上記のように溶湯を空気で加圧する方式の鋳造機１０だけでなく、溶湯をフロートやピストンあるいは電磁力で加圧する方式の鋳造機にも適用することができる。たとえば、溶湯をフロートやピストンで加圧する鋳造機では、フロートやピストンが受ける反力を圧力情報としてモデル予測コントローラ２１に出力すれば、上記と同様の制御を行うことができる。
　本発明は、モデル予測制御の鋳造機への適用を初めて可能としたもので、生産性や歩留まりに優れ、鋳造の分野に適用して極めて有望である。

Claims (4)

  1. 　溶湯を加圧して送り出しモールドに鋳造する鋳造機の制御装置であって、溶湯を加圧する加圧手段と、この加圧手段を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、現在から所定時間経過した時点における送り出された前記溶湯の湯面の高さを予測し、この予測された湯面の高さが前記所定時間経過した時点における湯面の指定高さに近似するように前記加圧手段を制御することを特徴とする鋳造機の制御装置。
  2. 　前記鋳造機は、溶湯を加圧するガスを供給する空気供給手段を備え、前記制御手段は、ガスの流量を調整する流量調整弁と、ガスの圧力を検出する圧力検出手段とを備え、前記制御手段は、前記流量調整弁におけるガスの流量と前記圧力検出手段の検出結果とに基づき、現在から所定時間経過した時点における送り出された前記溶湯の湯面の高さを予測することを特徴とする請求項１に記載の鋳造機の制御装置。
  3. 　前記鋳造機は、溶湯を保持する保持部と、この保持部から前記モールドに溶湯を送るストークとを備え、前記制御手段は、下記［数１］および［数２］により現在から所定時間経過した時点における送り出された前記溶湯の湯面の高さ（ｈ１）を予測することを特徴とする請求項２に記載の鋳造機の制御装置。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     　Ｐ１：予測ガス圧力、Ａ：ストーク内部の水平断面積、
    　Ｐｉ：溶湯の湯面にかかる背圧、
    　ｍＡ：ストーク内部の溶湯の質量、ｇ：重力加速度、
    　ｈ１：送り出された溶湯の湯面の高さ、μ（ｈ）：溶湯の粘性係数
    　
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
     　Ｐ１：予測ガス圧力、Ｐ：実測ガス圧力、
    　Ｐ：実測ガス圧力、Ｖ：ガス体積、
    　Ｒ：気体定数、Ｔ：鋳造機内ガス温度、Ｇ：ガス流量
  4. 　前記制御手段は、前記ストークおよび前記モールドの水平断面積を記憶し、前記溶湯の湯面の面積に対応して前記流量調整弁の制御を補正することを特徴とする請求項３に記載の鋳造機の制御装置。
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