DE10001400C2

DE10001400C2 - Vorrichtung zum Regeln des Gießspiegels einer Stranggußvorrichtung

Info

Publication number: DE10001400C2
Application number: DE2000101400
Authority: DE
Inventors: Toshiaki Kagawa
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: JP Steel Plantech Co
Priority date: 1999-01-14
Filing date: 2000-01-14
Publication date: 2003-08-14
Anticipated expiration: 2020-01-15
Also published as: DE10001400A1

Abstract

Eine Einschränkungseinheit 23 für eine periodische Störung ist bei einer Steuerkomponente vorgesehen, die mit einer Frequenz gleich einer Frequenz der periodischen Störung eines Formpegels oszilliert, die eine Einschränkungszustandsgröße der periodischen Störung eines Formpegels berechnet, und zwar unter Verwendung eines Formpegelsteuerabweichungssignals von einer Steuerabweichungsberechnungseinheit 21, und die ein Einschränkungssignal für die periodische Störung eines Formpegels ausgibt. Eine Einheit 24 zur robusten Stabilisierung der Steuerschleife empfängt ein Begrenzungssignal für die stetige Abweichung eines Formpegels von einer Einschränkungseinheit 22 für eine stetige Abweichung und das Einschränkungssignal für die periodische Störung des Formpegels, berechnet weiter eine Betriebsgröße eines Stoppers, so daß eine Formpegelsteuerschleife der Steuervorrichtung in robuste Stabilität gebracht wird und ein Betriebsgrößensignal ausgibt. Eine Anpassungseinheit 25 für die periodische Störfrequenz empfängt ein detektiertes Formpegelwertsignal und ein detektiertes Gußgeschwindigkeitswertsignal und detektiert eine Oszillationsfrequenz des Formpegels als eine periodische Störfrequenz und verändert die Berechnungscharakteristiken der Einschränkungseinheit für die periodische Störung und die Einheit zur robusten Stabilisierung der Steuerschleife, basierend auf einem Ergebnis der Detektion.

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Strang gußvorrichtung, und insbesondere auf eine Vorrichtung zur Regelung, um einen Pegel oder Gießspiegel von geschmolze nem Stahl in einer Kokille konstant zu halten.

In einem Betrieb einer Stranggußvorrichtung ist es erfor derlich, einen stabilen Betrieb zu verwirklichen und ei nen Gußstrang von hoher Qualität gleichförmig beizubehal ten. Zu diesem Zweck spielt bei der Stranggußvorrichtung eine Funktion zum Konstanthalten eines Pegels oder Gieß spiegels von geschmolzenem Stahl eine wichtige Rolle wäh rend des gesamten Betriebes. Die Funktion wird im weite ren als "Formpegelsteuerungsfunktion" bezeichnet.

Geschmolzener Stahl, der in einer Pfanne oder Birne ange sammelt ist, wird von einem Öffnungsteil, der am Unter teil der Birne angeordnet ist, über ein Rohr, welches als Einlaßdüse bezeichnet wird, zu einer rechteckigen Form oder Kokille geleitet. Es wird Wärme von dem in die Form eingelassenen, geschmolzenen Stahl abgeleitet und ge kühlt, und der geschmolzene Stahl wird an der Form ver festigt, der geschmolzene Stahl wird in einen Strang oder eine Bramme umgewandelt, und der Strang wird zu einer stromabwärts liegenden Seite ausgelassen. Es ist ein Teil vorgesehen, welches als Stopfen oder Schieber bezeichnet wird (im folgenden als Stopfen bezeichnet), welches aus einem feuerfesten Material hergestellt ist, und zwar an einem Unterteil der Birne oder an einem Teil, wo die Bir ne und die Einspritzdüse miteinander verbunden sind. Der Stopfen ist vorgesehen, um einen Fließwiderstand für den geschmolzenen Stahl in der Tauch- oder Einlaßdüse vorzu sehen. Der Stopfen weist eine Struktur auf, wobei der Stopfen durch eine Antriebskraft wie beispielsweise einen Hydraulikdruck bewegt werden kann. Durch Einstellung der Position des Stopfens wird der Fließwiderstand in der Einlaßdüse verändert. Als eine Folge kann eine Flußrate des geschmolzenen Stahls in der Tauchdüse eingestellt werden.

Idealerweise wird das Schmelzeniveau oder der Gießspiegel des geschmolzenen Stahls in der Form konstant gehalten, wenn ein Volumen pro Zeiteinheit des Strangs, der von der Stranggußvorrichtung gegossen wurde, mit der Flußrate des geschmolzenen Stahls ausbalanciert oder abgestimmt ist, der in die Form eingespritzt wird. Jedoch gibt es beim Betrieb der Stranggußvorrichtung einen Fall, wobei der Stopfen geschmolzen wird, da der Stopfen dem geschmolze nen Stahl bei hoher Temperatur ausgesetzt ist und dessen Form verändert wird. Weiterhin gibt es einen Fall, wobei eine Ablagerung mit einer Komponente des geschmolzenen Stahls an einem Teil zum Leiten des geschmolzenen Stahls anhaftet oder davon abblättert, und wobei die Flußrate des geschmolzenen Stahls verändert wird. Weiterhin gibt es einen Fall, wobei eine Menge des geschmolzenen Stahls, der in der Birne angesammelt ist, verändert wird und der Versorgungsdruck des geschmolzenen Stahls am Öffnungsteil der Einlaßdüse verändert wird. Weiterhin gibt es einen Fall, wobei eine Ablagerung des geschmolzenen Stahls an der Innenseite der Einlaßdüse anhaftet oder davon abblät tert, und wobei der Führungspfad für den geschmolzenen Stahl der Einlaßdüse verändert wird.

Durch diese nicht gleichförmigen und unvorhersagbaren Fälle wird die Flußrate des Stahls verändert, der in die Form eingespritzt wird, und zwar auch wenn die Position des Stopfens konstant gehalten wird. Weiterhin wird der erzeugte Strang zur stromabwärtsliegenden Seite in einem Zustand ausgelassen, wobei der Strang sich noch nicht vollständig verfestigt hat, und entsprechend bewirkt dies eine Veränderung der Form des Strangs, indem man den Strang in Kontakt mit einer Tragstruktur wie beispiels weise einer Vielzahl von Rollen zur Übertragung des Strangs bringt. Die Veränderung bildet einen Veränder ungsfaktor des Gießpegels von der stromabwärtsliegenden Seite durch Rückfluß des geschmolzenen Stahls in einen nicht verfestigten Teil des Strangs.

Um den Gießpegel bei der Einspritzung des geschmolzenen Stahls in die Form oder Kokille in einer solchen Situati on konstant zu halten, ist im allgemeinen ein Rückkoppe lungssteuersystem als ein Formpegelsteuersystem angepaßt. Gemäß des Rückkoppelungssteuersystems wird die Form mit einem Sensor versehen, um den Pegel des geschmolzenen Stahls in der Form zu detektieren. Weiterhin wird die Po sition des Stopfens so eingestellt, daß ein Ausgangswert des Sensors mit einem Zielwert zusammenfällt, der als ein Anweisungswert vorgesehen ist.

Gegenwärtig ist ein neuer Prozeß entwickelt worden, um direkt eine Stranggußvorrichtung mit einer Heißwalzvor richtung zu verbinden, und integral heiße Spiralen oder Rollen aus veredeltem oder gefrischten geschmolzenen Stahl zu erzeugen. Dies kommt daher, daß es Anforderungen gibt, eine Vorrichtungs- oder Fabrikgröße zu verringern und entsprechend eine Verringerung der Einrichtungskosten genauso wie eine Betriebsanordnung von hohem Wirkungsgrad und eine Verringerung der Energie vorzusehen, die zur Produktion erforderlich ist. Entsprechend spielen bei ei ner Stranggußvorrichtung außer diesen die folgende Anfor derung zusätzlich zu den oben beschriebenen Anforderungen eine wichtige Rolle. Das heißt zum Zweck der Erleichte rung der Belastung in einem Heißwalzprozeß sind Eigen schaften nötig, daß eine Dicke des erzeugten Stranges nur 80 bis 120 (mm) ist, und daß der Strang auf vergleichs weise hoher Temperatur bleibt. Auf diese Weise ist eine Gußgeschwindigkeit von 5 bis 8 (Meter pro Minute) für ei ne Stranggußvorrichtung erforderlich, da die Strangdicke vergleichsweise dünn ist, um eine Priorität bei der Pro duktionskapazität im Vergleich zu einer herkömmlichen Vorrichtung zu bieten.

Da die Strangdicke verdünnt wird und die Querschnittsflä che des Strangs in der Form kleiner ist als bei der her kömmlichen Vorrichtung wirkt sich die eingestellte Fluß rate des geschmolzenen Stahls empfindlich auf den Gieß spiegel aus. Da weiter die Temperatur des erzeugten Strangs hoch ist, wird der Strang zur stromabwärtsliegen den Seite in einem Zustand ausgegeben oder extrahiert, wobei der Strang weicher ist als bei der herkömmlichen Vorrichtung. Als eine Folge ist eine Formveränderung des Stranges auf der stromabwärtsliegenden Seite wahrschein licher, und zwar aufgrund des Kontaktes des Strangs mit einer Tragstruktur wie beispielsweise von Rollen, und der Grat oder Walzgrat wird vergrößert. Als eine Folge wird der Fluktuations- oder Abweichungsgrad des Gießspiegels, der von der stromabwärtsliegenden Seite abgeleitet wird, vergrößert. Eine solche Variation der Form des flexiblen Strangs wird als unstetige Aufbeulung bezeichnet. Eine Erklärung zu dem schwerwiegenden Einfluß, der von der un stetigen Aufbeulung bewirkt wird, wird im folgenden dar gelegt.

Die Erfinder haben eine Gießspiegelsteuervorrichtung eingerichtet durch Anwenden einer PI-(Proportional- Integral-)Steuerung, die oft in chemischen Fabriken als Rückkoppelungssteuersystem verwendet wird. Wenn in diesem Fall der Betrieb bei einer speziellen Gußgeschwindigkeit aus geführt wird, ist den Erfindern das Problem gegenüberge treten, daß der Pegel des geschmolzenen Stahls in der Form, der hervorragend gesteuert worden ist, abrupt mit einer Frequenz von ungefähr 0,3 (Hz) zu oszillieren be ginnt, wobei sich die Oszillation schließlich steigert und ein stabiler Betrieb der Vorrichtung nicht beibehal ten werden kann.

Wenn eine Oberfläche des gegossenen Strangs beobachtet wird, ist eine ungleichförmige Verteilung des Oberflä chenzustandes des Strangs, die mit einem Intervall der Rollen zusammenpaßt, in einer Bewegungsrichtung des Strangs zu erkennen. Weiterhin fällt die Oszillationsfre quenz des Gießspiegels im wesentlichen mit einem Wert der Gußgeschwindigkeit zusammen, und zwar geteilt durch das Intervall zwischen den Rollen. Die Erfinder haben die Er kenntnis gewonnen, daß der Oszillationszustand des Gieß spiegels wie folgt verursacht wird, und zwar aufgrund von Untersuchungen und Beobachtungen bei einer Anzahl von Be triebszuständen.

A) Wenn ein flexibler Strang bei hoher Temperatur durch die Rollen unterstützt wird, bildet der Strang eine Beu lenform übereinstimmend mit dem Intervall zwischen den Rollen.
B) Wenn ein solcher Strang sich zur stromabwärtsliegen den Seite mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, bewirkt eine räumliche Ungleichförmigkeit des Zustandes des Strangs, wie beispielsweise eine Oszillations- oder Schwingungsmarkierung eine Reibkraft, und der Strang be ginnt zu pulsieren. Wenn die Intervalle zwischen einer Vielzahl von Rollen gleich bleiben, werden die Impulsausmaße, die von den jeweiligen Rollenintervallen verursacht werden, gegenseitig dadurch verstärkt.
C) Durch die oben beschriebene Impulswirkung oder Schwingung fließt nicht verfestigter, geschmolzener Stahl in den Strang zurück zur Seite der Form, um dadurch einen periodischen Störfluß zu bilden, der auf den Gießspiegel aufgebracht wird. Der periodische Störfluß erzeugt eine Pegelfluktuation in der Form bei einer seiner Frequenzen. Dadurch wird eine Ungleichförmigkeit bei der oben be schriebenen Periode im Kühlvorgang der Form und bei ähn lichem erzeugt. Als eine Folge wird der gegossene Strang mit einer räumlichen Ungleichförmigkeit in der oben be schriebenen Periode im Oberflächenzustand, bei der Zusam mensetzung usw. versehen.
D) Wenn ein Teil des Strangs, der den oben beschriebenen Zustand (C) hat, eine Gruppe von Tragrollen erreicht, die den oben beschriebenen Betrieb (B) erreichen oder ausfüh ren, wird die Impulswirkung oder Schwingung bei der oben beschriebenen Periode weiter verstärkt. Dies geschieht weiter, um den Grat des periodischen Störflusses zu stei gern, der auf dem Gießspiegel aufgebracht wird. Als eine Folge kommt es zu einer Situation, wobei die Oszillation des Gießspiegels gesteigert wird, und ein stabiler Be trieb der Stranggußvorrichtung behindert wird.

Da auf diese Weise die Fluktuation des Gießspiegels, die von der nichtstetigen Aufbeulung des flexiblen Strangs bewirkt wird, selbst ansteigend ist, ist es extrem schwierig, die Fluktuation zu begrenzen.

Wie zuvor beschrieben worden ist, ist es ein Ziel der Gießspiegelsteuervorrichtung, die Störung einzuschränken, die auf das Objekt der Gießspiegelsteuerung aufgebracht wird, um dadurch den Gießspiegel bei einem vorbestimmten Wert zu halten. Im allgemeinen wird gemäß einer in der PI-Steuerung ausgeführten Steuerschleife, wenn eine ste tige Störung in stufenartiger Form aufgebracht wird, eine Betriebsgröße oder Regelgröße gebildet, um die stetige Störung (angewiesene Stopfenposition im Fall der Gieß spiegelsteuerung) durch einen Integrations- oder Integ ralausdruck zu löschen, der in einer Steuervorrichtung der Steuerschleife vorhanden ist. Die Phase des Integra tionsausdruckes ist um 90 Grad verzögert, und daher ist ein Korrekturvorgang durch den Integrationsausdruck be trächtlich verzögert, da die Störung aufgenommen worden ist. In der Steuerschleife gibt es weiter Faktoren, die die Gießspiegelsteuerung schwierig machen, wie beispiels weise die Verzögerung der Stopfenpositionssteuerung, die Fallzeit des geschmolzenen Stahls und die Detektionsver zögerungszeit des Sensors, um den Gießspiegel zu detek tieren. Gemäß eines Steuerobjektes, bei dem der Korrek turvorgang verzögert ist, kommt es zu einem gefährlichen Zustand, wenn die Verstärkung (gain) des Integrations- oder Integralausdruckes auf groß eingestellt ist, wobei die Steuerschleife divergiert und entsprechend wird die Störung, begrenzt, die den Betrieb in der PI-Steuerung einschränkt.

Um das oben beschriebene Problem zu lösen, welches von der PI-Steuerung bewirkt wird, sind verschiedene Gieß spiegelsteuerverfahren(-vorrichtungen) vorgeschlagen worden.

Beispielsweise wird gemäß des offengelegten japanischen Patentes JP 05-031560 A (im folgenden als Stand der Tech nik 1 bezeichnet) ein "Pegelsteuerverfahren beim Strang guß" offenbart, welches den Pegel stabil, schnell und durchgängig in Übereinstimmung mit allen Störungen halten kann. Gemäß des Standes der Technik 1 arbeitet eine Rück koppelungssteuerschleife so, daß ein tatsächlicher Wert des Pegels mit dem Zielwert des Pegels übereinanderfällt. Eine die Störung auslöschende Steuerschleife sagt eine restliche Differenzstörungsgröße vorher, die nicht durch eine Rückkoppelungssteuerschleife durch Rückkoppelung o der Feedback gesteuert werden kann, und zwar unter Ver wendung eines Anweisungswertes, der an eine Betätigungs vorrichtung ausgegeben wird, ein Ist-Wert des Pegels und ein Pegelsteuermodell, was ein Korrektursignal hinzufügt, um die Restdifferenzgröße auf dem Anweisungswert auszulö schen oder auszugleichen, und einen addierten Wert zur Betätigungsvorrichtung ausgibt.

Gemäß des Standes der Technik 1 wird die Störungsaus löschschleife auf die Innenseite einer Steuervorrichtung eingestellt, die Störung, die auf das Objekt oder Ziel der Gießspiegelsteuerung aufgebracht wird, wird vorherge sagt, und eine Betriebsgröße wird berechnet durch Additi on einer Korrekturgröße, um die vorhergesagte Restdiffe renzgröße der Störung auszulöschen. Dadurch ist die vor hergesagte Restdifferenzgröße der Störung einem Wert ä quivalent, der durch Ableitung einer Variationsgröße durch die Störung in einem detektierten Wert des Gieß spiegels erzeugt wird, und die Vorrichtung wird betrie ben, um sofort die Fluktuation des Gießspiegels einzu schränken, die durch die Störung verursacht wird.

Weiterhin wird gemäß des offengelegten japanischen Paten tes JP 05-177321 A (welches im folgenden als Stand der Technik 2 bezeichnet wird) eine "Gießspiegelsteuervor richtung" offenbart, um den Pegel in der Form in einem Stranggußprozeß mit hoher Genauigkeit zu steuern. Ein Steuersystem eines Gießspiegels gemäß des Standes der Technik 2 weist eine Gleitdüse oder einen Stopfen auf (worauf im folgenden als Gleitdüse Bezug genommen wird), um die Menge des eingespritzten oder eingelassenen ge schmolzenen Stahls zu bestimmen, ein Pegelmeßgerät, um den Pegel des geschmolzenen Stahls in der Form zu messen, und eine Gießspiegelsteuervorrichtung zur Berechnung ei nes Öffnungsgrades der Gleitdüse. Die Gießspiegelsteuer vorrichtung ist mit einer Datenverarbeitungseinheit ver sehen, um einen gemessenen Wert des Gießspiegels und ei nen eingestellten Wert des Gießspiegels als Dateneingabe einzustellen, und um eine dynamische Kompensationsberech nung mit höherer Ordnung auszuführen, und eine Steueran weisungsausgabeeinheit zum Schalten der Steuerausgangs größe nach dem Vergehen einer vorbestimmten Zeitperiode.

Gemäß des offengelegten japanischen Patentes JP 05-189009 A (auf welches im folgenden als Stand der Technik 3 Bezug genommen wird) wird eine "Steuervorrichtung" offenbart, die merklich die Ansprechleistung in einem Steuersystem verbessert, bei dem die Verzögerungszeit und die periodi sche Veränderung (Störung) eingeschlossen sind. Die Steu ervorrichtung, die im Stand der Technik 3 offenbart wird, ist eine Steuervorrichtung der Bauart mit dynamischer Kompensation höherer Ordnung, die das Merkmal aufweist, eine Datenverarbeitungseinheit aufzuweisen, um einen ge messenen Wert des Pegels und einen eingestellten Wert des Pegels als Dateneingabe einzugeben und eine dynamische Kompensationsberechnung höherer Ordnung auszuführen, und eine Steueranweisungseingabeeinheit zum Schalten der Steuerausgabe nach dem Vergehen einer vorbestimmten Zeit periode.

In den Ständen der Technik 2 und 3 tritt das Problem der gemischten Empfindlichkeit in der H∞-(unendlich-)Steu ertheorie bei der Gießspiegelsteuerung auf, und eine Gießspiegelsteuervorrichtung wird durch einen speziellen Linearfilter mit einer Zahl höherer Ordnung gebildet. Da durch ist eine Steuervorrichtung vorgesehen, die eine Störungseinschränkungsfunktion besitzt, die besser ist als bei einer einfachen PI-Steuervorrichtung ist. Weiter hin wird die robuste Stabilität der Gießspiegelsteuer schleife sichergestellt durch Einstellung einer oberen Grenze der Prozeßstörung und durch Zurückführen der Steu erung auf das Problem der gemischten Empfindlichkeit.

Gemäß der japanischen Patentveröffentlichung JP 02-598201 B2 (im folgenden als Stand der Technik 4 bezeichnet) wird eine "Steuervorrichtung eines Pegels in einer Form einer Stranggußvorrichtung" offenbart, die in einem frühen Zu stand das Jagen oder Übersteuern des Pegels des geschmol zenen Stahls in der Form selbst steuern kann, und zwar beeinflußt durch eine Veränderung in einem Steuerparame ter oder die Aufbringung der Störung oder durch ähnli ches. Der Stand der Technik 4 ist eine Steuervorrichtung, bei der beim Erzeugen eines Strangblocks durch dessen Ex traktion aus einer Birne, während man den Pegel des ge schmolzenen Stahls in der Form konstant hält, eine Ein spritzmenge des geschmolzenen Stahls in die Form so ge steuert wird, daß ein detektierter Gießspiegel nahe an einem Zielwert des Pegels liegt. Gemäß der Steuervorrich tung wird eine Region eines gesteuerten Zustandes ange nommen, die durch einen Steuerzustand gebildet wird, der eine Abweichung zwischen dem Zielwert und dem detektier ten Wert des Pegels und einen Differenz- oder Differenzi alwert erster Ordnung der Abweichung aufweist. Die Steu ereinrichtung ist mit einer Steuervorrichtung beziehungs weise einem Controller versehen, mit einem Steuerverstär kungseinstellabschnitt und mit einem Steuerabschnitt für die Menge des eingespritzten geschmolzenen Stahls. Ent sprechend der Steuervorrichtung kann eine Charakteristik eingestellt werden, wobei eine gewichtete Summe der Abweichung und der Differenzwert erster Ordnung der Abwei chung auf Null gestellt wird, um eine Region mit vorbe stimmtem Steuerzustand in der Steuerzustandsregion zu teilen. Entsprechend dem Steuerverstärkungseinstellab schnitt wird die Steuervorrichtung mit Steuerverstärkun gen versehen, um Steuerzustände in den jeweiligen Steuer zustandsregionen nahe an die Charakteristik bei den je weiligen Steuerzustandsregionen zu legen. Gemäß dem Steu erabschnitt für die Menge des eingespritzten geschmolze nen Stahls wird die Einspritzmenge des geschmolzenen Stahls gesteuert durch Verwendung der Steuervorrichtung basierend auf der Steuerverstärkung der Steuerzustandsre gion, auf die sich ein detektierter Steuerzustand be zieht.

Gemäß des Standes der Technik 4 werden die Steuervorrich tungen, die unterschiedliche Steuerverstärkungen haben, die so eingestellt werden, daß die gewichtete Summe der Abweichung bei der Steuerung des Gießspiegels und der zeitliche Differenzialwert der Abweichung nullgestellt werden, so gesteuert, daß sie gemäß der jeweiligen Steu erzustandsregionen schalten, um dadurch einen Anwendungs betriebszustand eines Steuersystems mit variabler Struk tur zu bilden. Das Steuersystem mit variabler Struktur ist mit einer vorzuziehenden Eigenschaft versehen, wobei es eine sehr robuste Leistung zeigt, und zwar durch Ein schränkung eines Steuerzustandes auf eine stabile Schalt fläche mit hoher Verstärkung.

Gemäß dem offengelegten japanischen Patent JP 06-79423 A (im folgenden als Stand der Technik 5 bezeichnet) ist ein "Pegelsteuerverfahren beim Strangguß" offenbart, um eine Fluktuation des Pegels einzuschränken, und zwar durch Verwirklichung einer stabilen und hervorragenden Pegel steuerung mit Bezug auf eine Störung mit unstetigem Zustand, wie beispielsweise eine Aufbeulung oder eine Ver stopfung der Düse, ein Abblättern, ein Parameterfehler oder eine Parameterveränderung oder beobachtetes Rau schen, welches eine schnelle Ansprechleistung erfordert.

Gemäß des Standes der Technik 5 wird jeweils eine erste Gewichtsfunktion eingestellt, um die Größe einer Trans ferfunktion zu reduzieren, die eine Störung bewirkende Pegelvariation zu einer Pegelsteuerausgangsgröße in einer erwünschten Frequenzregion abdeckt, und eine zweite Ge wichtsfunktion zur Reduzierung einer Größe einer Trans ferfunktion, die von der Störung zu einem Punkt vor der Aufbringung der Störung in einer gewünschten Frequenzre gion abdeckt. Weiter wird eine Zustandsgleichung und eine Ausgangsgleichung beschrieben, und zwar mit den Gewichts funktionen und eine Steuerausgangsgröße, eine Steuerbe triebsgröße und einen geschätzten Wert der Störung als Zustandsvariablen. Weiterhin wird durch Anwendung der H∞-Steuertheorie darauf ein Rückkoppelungsberechnungs signal berechnet, und eine Summe des Rückkoppelungsbe rechnungssignals und das entsprechende Signal zum Auslö schen einer Störungsgröße wird auf eine Betätigungsvor richtung aufgebracht, um eine Menge des in die Form flie ßenden geschmolzenen Metalls zu steuern.

Der Stand der Technik 5 ist mit einem Störungsgrößen schätzmechanismus ausgerüstet, ähnlich wie beim oben be schriebenen Stand der Technik 1. Entsprechend wird das Steuerverfahren betrieben, um die Veränderungsgröße des Gießspiegels durch Störung auszulöschen. Weiterhin wird die robuste Steuerfunktion der Steuerschleife gefördert durch Kombination mit einer H∞-Steuervorrichtung.

Jedoch tauchen bei den oben beschriebenen Ständen der Technik 1 bis 5 die folgenden Probleme auf.

Zuerst sind die Störungsabschätzmechanismen der Stände der Technik 1 und 5 als Observatoren mit geringer Ordnung ausgebildet. Wenn daher der Prozeß eine Störung höherer Ordnung aufnimmt, gibt es das Problem, daß ein Phänomen erzeugt wird, welches als Überlauf (spill over) bezeich net wird, wobei der Störungsschätzmechanismus selbst mit hoher Frequenz oszilliert. Um das Überlaufen oder den spill over zu verhindern, wird eine Störungsabschätzver stärkung notwendigerweise klein eingestellt. Entsprechend wird das Störungsabschätzergebnis mehr als die tatsächli che Störungsveränderung verzögert, und der Effekt der Störungsabschätzmechanismen ist eingeschränkt.

Auch in ähnlicher Weise im Fall des Standes der Technik 4 wird eine Schaltfläche des Steuersystems mit variabler Struktur durch eine einfache Linearkombination der Steu erabweichung und des Zeitdifferenzialwertes der Abwei chung gebildet. Daher gibt es das Problem, einen Überlauf oder einen spill over zu verursachen. Der Überlauf oder spill over des Steuersystems mit variabler Struktur zeigt sich als ein Phänomen, wobei der Steuerzustand des Objek tes der Gießspiegelsteuerung nicht auf die Schaltfläche eingeschränkt wird und divergiert. Weiterhin werden im Fall des Standes der Technik 4 die Steuerverstärkungen der Steuervorrichtung mit kurzen Zeitintervallen geschal tet, und zwar durch Hin- und Herschalten des Steuerzu standes der Steuergröße oder des Steuerobjektes bei der Schaltfläche, und dies bewirkt das Phänomen der Zerstreu ung des zeitlichen Übergangs der Betriebsgröße.

Weiterhin wird im Fall der Stände der Technik 2 und 3 die obere Grenze der Prozeßstörung eingestellt, und entspre chend kann die robuste Stabilität der Gießspiegelsteuer schleife sichergestellt werden, und der oben beschriebene Überlauf wird nicht verursacht. Jedoch ist die H∞-Steu ervorrichtung mit dem Problem der gemischten Empfindlich keit, wobei der detektierte Wert des Gießspiegels die Eingangsgröße bildet, und wobei die angewiesene Position des Stopfens die Ausgangsgröße bildet, nicht so sehr an ders als eine PID-Steuervorrichtung, die optimal im Hin blick auf die Frequenzcharakteristik eingestellt ist. Da her sind die Erfinder der Meinung, daß die Steuerfunktion nicht so sehr anders ist als die der PID-Steuervorrich tung, die optimal eingestellt ist.

Wie oben beschrieben wird die Fluktuation des Gießspie gels, die durch die unstetige Aufbeulung des flexiblen Strangs bewirkt wird, selbst vergrößernd oder selbst an steigend, und es ist entsprechend schwierig, die Fluktua tion durch eine Steuervorrichtung mit einer mehr oder we niger die Störung einschränkenden Funktion einzuschrän ken.

Ferner wird auf die Druckschrift EP 0 798 061 A1 verwie sen. Obwohl sich das dort beschriebene Verfahren mit ei ner Störung befasst, ist eine solche Störung grundlegend unterschiedlich von der periodischen Störung, um die es bei der vorliegenden Erfindung geht. Das Verfahren dient zum Steuern einer Niveauänderung des geschmolzenen Me talls aufgrund einer Änderung der Betriebsbedingungen, wie beispielsweise der Gieß- bzw. Ziehgeschwindigkeit und der Walzgeschwindigkeit. Jenes Verfahren ist gekennzeich net durch den Schritt des Schätzens der Störung aufgrund einer Änderung der Betriebsbedingungen einer Strangguss vorrichtung. Die Pegeländerung bei jenem Verfahren steht in keinerlei Beziehung zur der periodischen Störung, um die es bei der vorliegenden Erfindung geht. Das Problem der periodischen Störung gemäß der vorliegenden Erfindung besteht unabhängig von einer Änderung von Betriebs bedingungen.

Schließlich sei auf US 5 311 925 A Bezug genommen. Obwohl das Verfahren und die Vorrichtung gemäß dieser Druck schrift eine Störungsschätzung offenbaren, betrifft diese Störungsschätzung eine Fluktuation der Strömungsmenge des geschmolzenen Metalls, was grundlegend unterschiedlich ist von der Gießspiegel-Fluktuation, mit der sich die vorliegende Erfindung beschäftigt. Bei der Steuereinrich tung zur Steuerung des Gießspiegels des gemäß diesem Stand der Technik schätzt eine Strömungsstörungsschätz vorrichtung Fluktuationen der Strömung, die dadurch ver ursacht werden, daß geschmolzenes Metall in die und aus der Kokille fließt. Eine Korrekturberechnungseinheit be rechnet einen Betrag, welcher für den Strömungs steuerungsbetätiger notwendig ist, um die geschätzte Strömungsstörung auszugleichen. Der Betrag für den Strö mungssteuerungsbetätiger wird durch einen Addierer ledig lich zu der Ausgabe eines PID-Controllers hinzuaddiert. Die Korrekturgröße wird daher in ähnlicher Weise erreicht wie bei dem vorangehend beschriebenen Stand der Technik.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist daher ein Ziel der Erfindung, eine Gießspiegel steuervorrichtung vorzusehen, die einen Gießspiegel sta bil und konstant steuern kann, auch wenn die Gießspiegel steuervorrichtung dem Einfluß einer periodischen Störung unterliegt, wie oben beschrieben.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Gießspiegel steuervorrichtung vorzusehen, die die selbstansteigende periodische Störung in der Fluktuation des Gießspiegels durch eine starke die Störung einschränkende Funktion einschränken kann, auch wenn die Gießspiegelsteuervor richtung mit der periodischen Störung mit einer speziel len Frequenz angewandt wird.

Diese sowie weitere Ziele und Vorteile werden erfindungs gemäß erreicht durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, um eine selbst anstei gende Fluktuation eines Gießspiegels bei einem herkömmlichen Steuermodell zu erklären;

Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, welches ein Beispiel ei ner Gießspiegelsteuervorrichtung und von dabei angetroffenen Zuständen gemäß der Erfindung zeigt;

Fig. 3 ist ein Blockdiagramm, um einen Oszillations- oder Schwingungszustand des Gießspiegels zu er klären;

Fig. 4 ist ein Diagramm, welches ein Steuerobjekt oder eine Steuergröße des Gießspiegels durch ein Blockdiagramm darstellt;

Fig. 5 ist ein Diagramm, welches ein Zusammenstell ungsbeispiel einer allgemeinen Fabrik zeigt, und zwar beim Studium einer H∞- Steuervorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 6 ist ein Blockdiagramm, welches eine spezielle Transferfunktion zum Steuerobjekt oder zur Steuergröße des in Fig. 4 gezeigten Gießspie gels aufbringt;

Fig. 7A und 7B sind Bode-Diagramme zum Erklären des Be triebes einer Stetig-Zustands-Abweichungsein schränkungseinheit und einer Einschränkungseinheit für eine periodische Störung, wobei Fig. 7A ein Diagramm ist, welches eine Gain- oder Verstärkungscharakteristik zeigt, und wobei Fig. 7B ein Diagramm ist, welches eine Phasen charakteristik zeigt;

Fig. 8A und 8B sind Bode-Diagramme, um die robuste Sta bilität einer Gießspiegelsteuerschleife mit Be zug auf die Störung des Steuerobjektes oder der Steuergröße des Gießspiegels gemäß der Erfin dung auszudrücken, wobei Fig. 8A ein Diagramm ist, welches eine Gain- oder Verstärkungscha rakteristik zeigt, und wobei Fig. 8B ein Dia gramm ist, welches eine Phasencharakteristik zeigt;

Fig. 9A und 9B sind Bode-Diagramme, die eine Störungs einschränkungsfunktion der Gießspiegelsteuer vorrichtung gemäß der Erfindung zeigen, wobei Fig. 9A ein Diagramm ist, welches eine Ver stärkungscharakteristik zeigt, und wobei Fig. 9B ein Diagramm ist, welches eine Phasencharakteristik zeigt; und

Fig. 10 ist ein Diagramm, welches ein Messungsergebnis zeigt, um einen Effekt der Gießspiegelsteuer vorrichtung gemäß der Erfindung im Vergleich zu einem herkömmlichen Beispiel zeigt.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbei spiele

Es wird eine Erklärung eines herkömmlichen Feedback- oder Rückkoppelungssteuermodells mit Bezug auf Fig. 1 darge legt, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern. Die folgende Erklärung kann als Zusammenfassung der Stän de der Technik 1 bis 5 angesehen werden, die oben erwähnt wurden. Eine Erklärung wird hier für einen Fall darge legt, wobei das Steuerobjekt ein Stopfen ist.

In Fig. 1 sind eine Steuervorrichtung 1, ein Stopfen 2, eine Form 3 und ein Sensor 4 zum Detektieren des Pegels der Form 3 in Reihe verbunden. Ein detektierter Wert, der vom Sensor 4 detektiert wird, wird zu einer Subtraktions vorrichtung 5 zurückgekoppelt. Die Subtraktionsvorrich tung 5 sieht eine Abweichung zwischen dem Anweisungswert und dem detektierten Wert des Gießspiegels der Form 3 für die Steuervorrichtung 1 vor. Die Steuervorrichtung 1 steuert den Stopfen so, daß die Abweichung auf Null ge setzt wird.

In Fig. 1 wird eine Störung hinzugefügt, die durch eine nicht stetige Aufbeulung als ein Faktor zur Fluktuation des Pegels der Form 3 verursacht wird. Das heißt, wie von Fig. 1 gezeigt, wird eine selbst ansteigende oder sich aufschaukelnde Gießspiegelfluktuation dargestellt durch ein Steuermodell, wobei eine Rückkoppelungsschleife einer unstetigen Aufbeulungscharakteristik der nicht stetigen Aufbeulungsstörung der Störung der Form 3 durch den Sen sor 4 vorgesehen wird. Bei einem solchen Steuermodell muß eine Betriebsgröße des Stopfens 2 berechnet und ausgege ben werden, um die Störung durch eine Störungseinschrän kungsfunktion auszulöschen, die größer ist als eine Rück koppelungsverstärkung der Rückkoppelungsschleife, um die selbstansteigende Fluktuation aufzulösen.

Gemäß der Steuervorrichtung jedoch wird die Betriebsgröße des Stopfens 2 vergrößert (die Steuerverstärkung muß auf hoch eingestellt sein) und die Steuerschleife selbst wird instabil, wenn die Störung ausgelöscht werden soll.

Eine Erklärung der vorzuziehenden Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung wird wie folgt dargelegt.

Zuerst wird eine Erklärung einer Studienprozedur darge legt, der die Erfindung unterliegt. Im folgenden wird die Beschreibung derart dargelegt werden, daß ein Stopfen verwendet wird, um eine Einspritz- oder Einlaßmenge des geschmolzenen Stahls in die Gießspiegelsteuerung einzu stellen. Natürlich kann die Erfindung in ähnlicher Weise auch im Fall der Verwendung eines Schiebers anstelle des Stopfens verwirklicht werden.

Im Hinblick auf die Steuertheorie kann der periodische Störfluß, der durch ein Pulsieren eines flexiblen Strangs verursacht wird, der durch Rollen auf der stromabwärts liegenden Seite der Form erzeugt wird, als eine Art von resonantem Engbandpaßfilter angesehen werden. Der Schwin gungszustand des Gießspiegels, wie oben beschrieben, kann durch ein in Fig. 3 gezeigtes Blockdiagramm dargestellt werden. In dieser Steuerschleife empfängt eine Gießspie gelsteuervorrichtung 20 eine Abweichung zwischen einem Pegelanweisungswert "r", der angewiesen ist, und einen detektierten Wert "y" des Gießspiegels. Die Gießspiegel steuervorrichtung 20 berechnet eine Betriebsgröße "u" des Stopfens und gibt diese aus, so daß die Abweichung auf Null eingestellt wird.

Der detektierte Wert "y" des Gießspiegels unter der Steu erung nimmt eine Veränderung durch Rauschen auf. Der zeitliche Übergang des detektierten Wertes "y" des Gieß spiegels, der anfänglich unregelmäßig variiert wird, wird einer Filterung mit einer scharfen Spitze bei einer cha rakteristischen Frequenz oder Eigenfrequenz unterworfen. Dadurch wird eine Oszillationskomponente des resonanten Engbandpaßfilters stimuliert, und ein periodischer Störungsfluß Q_d, der bei der Frequenz oszilliert, wird er zeugt. Weiter wird der periodische Störfluß Q_d als eine Störflußrate "d" rückgekoppelt, die in die Form fließt.

Fig. 4 ist ein Diagramm, welches ein Steuerobjekt oder Steuerziel des Gießspiegels durch ein Blockdiagramm dar stellt. Eine Stopfensteuervorrichtung 14 bewegt den Stop fen durch eine Betätigungsvorrichtung, so daß eine Stop fenposition "x" gleich einer Stopfenbetriebsgröße "u" wird. Die Betätigungsvorrichtung wird beispielsweise durch einen Hydraulikzylinder verwirklicht. Eine Flußrate "q" des geschmolzenen Stahls, der durch ein Spiel oder einen Freiraum zwischen einem vorderen Ende des Stopfens und einem perforierten Teil am Unterteil der Birne läuft, wird abhängig von der Stopfenposition "x" verändert. Eine Beziehung zwischen der Stopfenposition "x" und der Fluß rate "q" des geschmolzenen Stahls, wird als Flußratencha rakteristik bezeichnet. Geschmolzener Stahl fließt mit einer Flußrate Q für geschmolzenen Stahl mit einem Volu men pro Zeiteinheit, wobei die Einflußstörungsflußrate "d" auf einem Wert überlagert wird, der gebildet wird durch Subtrahieren eines Produktes einer Gußgeschwindig keit v_c mit einem Formquerschnittsgebiet A (d. h. ein Vo lumen pro Zeiteinheit des erzeugten Stranges) von der Einflußflußrate "q" des geschmolzenen Stahls in die Form 10. Ein Volumen, welches durch Integration der Flußrate Q des geschmolzenen Stahls, die mit der Zeit in die Form 10 fließt, bildet ein Volumen des geschmolzenen Stahls in der Form. Ein Raum in der Form 10 wird im allgemeinen be schrieben durch ein rechteckiges Parallelepiped und ent sprechend bildet eine Größe, die durch Teilen des Volu mens des rechteckigen Parallelepipedes durch die Form querschnittsfläche A erzeugt wird, einen Gießspiegel "h". Der Gießspiegel "h" wird detektiert durch einen Gießspie geldetektor 12 als der detektierte Wert "y". Der Gießspiegeldetektor 12 wird beispielsweise durch einen Dis tanz- oder Entfernungssensor der Wirbelstrombauart verwirklicht.

Es wird angenommen, daß alle jeweiligen Elemente der Fig. 4 durch mathematische Modelle von linearen gewöhnli chen Differenzialgleichungen dargestellt werden können, das heißt rationelle Funktionen (Transferfunktionen)des Laplaceoperators "s". Eine Gießspiegelsteuervorrichtung 20 gibt auch die Stopfenbetriebsgröße "u" aus, und zwar durch Ausführung einer Berechnung eines numerischen Wer tes, der durch eine Transferfunktion dargestellt wird. Die Transferfunktion wird durch die Bezeichnung K be zeichnet.

Es werden als die Transferfunktionen der jeweiligen Ele mente der Fig. 4 eine Transferfunktion der Stopfensteu ervorrichtung 14 angenommen, eine Transferfunktion der Stopfenflußratencharakteristik, eine Transferfunktion des Integrationsbetriebes der Form 10 und eine Transferfunk tion des Gießspiegeldetektors 12. Eine Transferfunktion, die durch ein Produkt von allen diesen dargestellt wird, wird durch die Bezeichnung P bezeichnet, und die Bezeich nung P bezeichnet eine Transferfunktion des Gießspiegel steuerobjektes.

Die Flußrate "q" des geschmolzenen Stahls ist eine Zu standsgröße, die durch die Gießspiegelsteuervorrichtung 20 eingestellt wird. Zwischenzeitlich ist die Stö rungsflußrate "d", die in die Form fließt, eine Zustands größe, die von außerhalb der Steuerschleife gemischt wird und nicht durch die Gießspiegelsteuervorrichtung 20 ge steuert werden kann. In diesem Fall wird in der Steuer schleife eine Transferfunktion S von der Störungsflußrate "d" zur Flußrate Q des geschmolzenen Stahls, der in die Form 10 fließt, durch die folgende Gleichung dargestellt.

S = 1/(1 + L) (3-1)

Die Bezeichnung S bezeichnet die Transferfunktion, auf die als eine Empfindlichkeitsfunktion der Steuerschleife Bezug genommen wird. Hier bezeichnet die Bezeichnung L eine Transferfunktion, die durch ein Produkt von Elemen ten in der Steuerschleife erzeugt wird, das heißt, L = K.P. Auf dies wird als Transferfunktion mit offener Schleife (open loop) Bezug genommen. Durch die oben beschriebenen Dinge wird folgende Gleichung aufgestellt.

Q = S.d + A.v_c (3-2)

Wenn die Gießspiegelsteuervorrichtung 20 idealerweise die Einflußstörung beschränkt, fällt die Flußrate Q des ge schmolzenen Stahls, die in die Form 10 fließt, mit einem Volumen pro Zeiteinheit der Strangerzeugung zusammen, und der Gießspiegel wird konstant gehalten. Gemäß der Glei chung (3-2) S = 0. Obwohl tatsächlich die Menge S nicht auf Null gestellt werden kann, ist es offensichtlich, daß zur Reduzierung des Einflusses der Störungsflußrate "d", die in die Form fließt, die Größe S verringert werden muß. Bei der Untersuchung des Frequenzansprechens der Größe S ist die Größe S von komplexer Funktion mit einer Frequenz "w". Durch das oben Beschriebene läßt sich sagen, daß je kleiner der absolute Wert des Frequenzcharakteristikwer tes der Größe S ist, das heißt je kleiner der Verstär kungswert ist, desto kleiner der Einfluß der Einflußstö rung gemacht werden kann.

Es ist aus dem oben Beschriebenen offensichtlich, daß bei dem mit Bezug auf Fig. 3 untersuchten Gießspiegeloszillationszustand eine Notwendigkeit besteht, den Einfluß der Störungsflußrate zu begrenzen, die in die Form fließt, die zurück zur Steuerschleife gespeist wird, und zwar durch Reduzierung der Frequenzcharakteristik der Empfindlichkeitsfunktion S bei der Bildung der Steuer schleife bei der problematischen periodischen Störfre quenz. Dadurch wird der zeitliche Übergang des detektier ten Gießspiegelwertes bei der Bildung der Steuerschleife von der Komponente der Störflußrate entfernt, die in die Form mit der periodischen Störfrequenz fließt, und die Oszillationskomponente des resonanten Engbandpaßfilters, der die unstetige Aufbeulung darstellt, wird nicht stimu liert. Als eine Folge kann die selbstansteigende Fluktua tion des Gießspiegels aufgelöst werden. Im folgenden wird eine Beschreibung der Charakteristik der Transferfunktion K der Gießspiegelsteuervorrichtung 20 dargelegt, die die Empfindlichkeitsfunktion S verwirklicht, die benötigt wird.

Wie von der Gleichung (3-1) gezeigt, wird die Empfind lichkeitsfunktion S von der Transferfunktion L mit offe ner Schleife (open loop) der Steuerschleife abgeleitet, und die Transferfunktion L mit offener Schleife erscheint im Nenner der Gleichung (3-1). Das heißt, es scheint, daß durch Steigerung der Verstärkung der Transferfunktion L mit offener Schleife bei der periodischen Störfrequenz der absolute Wert des Nenners der Gleichung (3-1) gestei gert werden kann, und daß die Verstärkung der Empfind lichkeitsfunktion S bei der periodischen Störfrequenz verringert werden kann.

Die Transferfunktion L mit offener Schleife wird durch das Produkt aller Transferfunktionen der Elemente in der Steuerschleife gebildet und kann nicht durch eine andere als die Transferfunktion K der Gießspiegelsteuervorrichtung 20 eingestellt werden, und entsprechend kann die Verstärkung der Transferfunktion K selbst der Gießspie gelsteuervorrichtung 20 auf hoch bei der periodischen Störfrequenz eingestellt werden. Insbesondere kann eine Oszillationseigenschaft der Resonanz bei der periodischen Störfrequenz für die Transferfunktion K der Gießspiegel steuervorrichtung 20 vorgesehen werden.

Im folgenden wird die Transferfunktion K der Gießspiegel steuervorrichtung 20 abgeleitet, so daß die Verstärkung bei der periodischen Störfrequenz vergrößert wird. Ent sprechend dem Verfahren wird eine Oszillationskomponente der Resonanz bei der periodischen Störfrequenz zur Trans ferfunktion K der Gießspiegelsteuervorrichtung 20 ad diert, die Steuerschleife wird geformt durch Anwendung der H∞-Steuertheorie, und gleichzeitig wird die robuste Stabilität sichergestellt.

Fig. 5 zeigt ein Zusammenstellungsbeispiel einer allge meinen Fabrik beim Studium einer H∞-Steuervorrichtung. In Fig. 5 bezeichnen die Bezeichnungen w₁ und w₂ Ein gangsstatusgrößen, und die Bezeichnungen z₁ und z₂ be zeichnen Ausgangsstatusgrößen mit Bezug auf eine allge meine Fabrik bei der Anwendung der H∞-Steuertheorie. Die Bezeichnungen α und ε bezeichnen positive Konstanten. Die Bezeichnung C bezeichnet eine Transferfunktion zur Ver größerung der Verstärkung der Transferfunktion K der Gießspiegelsteuervorrichtung 20 bei einer festgelegten Frequenz. Die Bezeichnung W_T bezeichnet eine Transfer funktion, um den Einfluß der Unsicherheit (Modellierungs fehler) von beispielsweise einer Zeitperiode zur Bewegung des geschmolzenen Stahls durch die Einlaßdüse zu vermei den (im allgemeinen als Fallzeit des geschmolzenen Stahls bezeichnet) oder den eines Totbandes oder Leergangs der Stopfenbetätigungsvorrichtung. Weiterhin bezeichnet die Bezeichnung H eine Transferfunktion, die berechnet wird durch Lösung des H∞-Steuerproblems, und die Bezeichnun gen u_g und y_g bezeichnen Zustandsgrößen, die eine Steuer eingangsgröße und eine Steuerausgangsgröße der allgemei nen Fabrik darstellen.

Es sei angenommen, daß das H∞-Steuerproblem, welches von der Gleichung (3-3) dargestellt wird, die unten gezeigt wird, bei der oben beschriebenen allgemeinen Fabrik ge löst wird, um dadurch die Transferfunktion H vorzusehen.

Dann kann die erwünschte Transferfunktion K der Gießspie gelsteuervorrichtung 20 wie folgt vorgesehen werden.

K = C.H (3-4)

In der Gleichung (3-3) bezeichnen die Bezeichnungen S_i und T₀ eine Empfindlichkeitsfunktion und eine komplemen täre Empfindlichkeitsfunktion einer in Fig. 5 gezeigten Steuerschleife für die allgemeine Fabrik.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, während spezifische Transferfunktionen ge zeigt werden. Obwohl weiterhin ein einfachstes mathemati sches Modell zur Bequemlichkeit bei der Erklärung verwen det wird, um die Zusammensetzung der Erfindung zu er leichtern, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Es scheint, daß wenn jeweilige Transferfunktionen vollstän diger dargestellt werden, die Gießspiegelsteuervorrich tung 20 mit guter Funktion und hoher Genauigkeit zusam mengestellt werden kann. Es sei jedoch zuvor bemerkt, daß die Zusammensetzung leicht erfaßbar ist, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Fig. 6 zeigt ein Blockdiagramm, welches spezifische Transferfunktionen auf das Steuerobjekt des Gießspiegels anwendet, wie von Fig. 4 gezeigt.

In Fig. 6 bezeichnen die Bezeichnungen T_n, K_q, A und T_s jeweils eine Betriebsverzögerungszeit der Stopfenbetäti gungsvorrichtung, eine Flußratenverstärkung des Stopfens, ein Querschnittsgebiet der Form und eine Betriebsverzöge rungszeit des Gießspiegeldetektors 12, und diese bilden Parameter, die mit der Zeit nicht variabel sind. Dadurch wirk die Transferfunktion P des Steuerobjektes des Gieß spiegels wie unten gezeigt.

P = K_q/{A.s(1 + s.T_s).(1 + s.T_n)} (3-5)

Die Transferfunktion C zur Steigerung der Verstärkung der Transferfunktion K der Gießspiegelsteuervorrichtung 20 bei der spezifischen Frequenz ist unten gezeigt.

C = {ω_n2/(s² + 2.ξ.ω_n.s + ω_n2)} + 1/(T_i.s) (3-6)

Der erste Ausdruck in der Gleichung (3-6) zeigt eine Os zillations-(oder Resonanz-)komponente, die durch eine pe riodische Störung zurückgeworfen wird, und die Bezeich nung ω_n bezeichnet eine periodische Störoszillationsfre quenz. Die Bezeichnung ξ bezeichnet einen Dämpfungskoef fizienten der Oszillationskomponente, die einen Betrieb der Einstellung der Verstärkung der Größe C bei der Fre quenz ω_n erreicht. Je kleiner die Größe ξ ist, desto grö ßer wird die Verstärkung der Größe C bei der Frequenz ω_n. Weiterhin wird der zweite Ausdruck in der Gleichung (3-6) eingeführt, um den gleichen Vorgang auszuführen, wie der Integralausdruck in der PI-Steuervorrichtung, das heißt die stetige Abweichung in der Gießspiegelsteuerung auf Null zu setzen.

Die Fig. 7A und 7B zeigen ein Ergebnis der Aufzeich nung der Frequenzcharakteristik der Größe C durch ein Bo de-Diagramm.

Um den Einfluß des Modellierungsfehlers zu vermeiden, kann die Transferfunktion W_T so definiert werden, daß der Ausdruck W_T.P.C in der Gleichung (3-3) ausgeglichen oder gleich wird. Beispielsweise ist W_T wie folgt definiert.

W_T = T₁.(1 + s.T₂)(1 + s.T₃) (3-7)

In Gleichung (3-7) bezeichnen die Bezeichnungen T₁, T₂ und T₃ Einstellparameter, und die Verstärkungskurve des Frequenzansprechens der Größe W_T kann definiert werden, um eine Verstärkungskurve des Frequenzansprechens der Multiplikationsstörung Δ_m des Gießspiegelsteuerobjektes oder -zieles P abzudecken (eine Transferfunktion P' des gestörten Gießspiegelsteuerobjektes wird ausgedrückt als P' = (1 + Δ_m)P).

Die Fig. 8A und 8B zeigen ein Beispiel zum Ausdrucken der Frequenzcharakteristik von W_T durch ein Bode-Dia gramm.

Durch den oben beschriebenen Vorgang werden Zustandsglei chungen der in Fig. 5 gezeigten allgemeinen Fabrik aus Gleichung (3-8) berechnet, die unten gezeigt ist.

Übrigens bezeichnen die Bezeichnungen a₀, a₁, a₂, a₃, a₄, a₅, a₆, b₀, b₁, b₂, b₃, b₄, b₅, c₀, c₁, c₂, c₃, c₄ und c₅ Ko effizienten der jeweiligen Ausdrücke, wenn ein Ergebnis des jeweiligen Einsetzens der Gleichung (3-5), der Glei chung (3-6) und der Gleichung (3-7) für den Ausdruck W_T.P.C und den Ausdruck P.C und die Entwicklung bezie hungsweise Umstellung des Nenners und des Zählers der Transferfunktion durch die Gleichung (3-9) definiert wird, wie unten gezeigt.

Das H∞-Steuerproblem wird gelöst durch die Zustandsglei chungen der Gleichung (3-8) um dadurch die Größe H zu be rechnen, und die Transferfunktion K der Gießspiegelsteu ervorrichtung 20 wird berechnet durch die Gleichung (3- 4).

Die Fig. 9A und 9B zeigen ein Ergebnis der Aufzeich nung der Frequenzcharakteristik der Steuerschleifenemp findlichkeitsfunktion S unter Verwendung der berechneten Transferfunktion K der Gießspiegelsteuervorrichtung 20 durch ein Bode-Diagramm. Gemäß der Fig. 9A und 9B sei bemerkt, daß ein scharfes Tal der Verstärkungskurve bei der periodischen Störungsfrequenz vorhanden ist, und es ist bekannt, daß es einen Effekt der Einschränkung des periodischen Störflusses in die Form 10 gibt. In den Bei spielen der Fig. 9A und 9B wird die angenommene Perio de der periodischen Störung auf 0,3 (Hz) eingestellt.

Die Periode der periodischen Störung, die beim Betrieb der Stranggußvorrichtung erzeugt wird, wird abhängig von der Situation der Veränderung der Gußgeschwindigkeit oder ähnlichem verändert. Entsprechend damit wird die Stö rungseinschränkungsfunktion der Gießspiegelsteuervorrich tung 20 optimiert, um dadurch zu ermöglichen, die Oszil lation des Gießspiegels in irgendeinem Betriebszustand einzuschränken. Dies wird durchgeführt, indem man die Frequenz der periodischen Störung beim Fließen in die Form 10 mit der Frequenz beim Tal der Verstärkungskurve im Bode-Diagramm der Steuerschleifenempfindlichkeitsfunk tion S übereinstimmen läßt. Anders gesagt wird die Oszil lationsfrequenz ω_n in der Gleichung (3-6) auf die Fre quenz der periodischen Störung eingestellt. Zu diesem Zweck werden die folgenden Verfahren benötigt.

1. Es ist bekannt, daß die Frequenz der periodischen Störung im wesentlichen gleich einem Wert der Guß geschwindigkeit geteilt durch den Intervall zwischen den Rollen ist, und daher wird die Frequenz der periodischen Störung durch Detektieren der Gußgeschwindigkeit angenom men.
2. Der zeitliche Übergang des detektierten Wertes des Gießspiegels wird verarbeitet beispielsweise durch Ver wendung einer Hochgeschwindigkeitsfrequenzfouriertrans formations- oder Fast-Fourier-Transformations-(FFT- )Berechnung, und die Oszillationsfrequenz des Gießspie gels, die im Hinblick auf den Betrieb problematisch ist, wird detektiert.

Durch die oben beschriebenen Verfahren kann die erwünsch te Oszillationsfrequenz ω_n der Transferfunktion der Gieß spiegelsteuervorrichtung 20 abgeschätzt werden, und die Gießspiegelsteuervorrichtung 20 kann gemäß der Situation erneut geplant werden.

Insbesondere werden die folgenden ersten und zweiten Ver fahren angewandt. Gemäß des ersten Verfahrens wird zuvor eine Vielzahl von Transferfunktionen der Gießspiegelsteu ervorrichtung 20 vorbereitet, und zwar mit unterschiedli chen Oszillationsfrequenzen ω_n, und unter diesen wird ge mäß der Situation eine optimale Transferfunktion der Gießspiegelsteuervorrichtung 20 ausgewählt und zur Anwendung geschaltet. Gemäß des zweiten Verfahrens wird eine Prozedur der Berechnung der Transferfunktion der Gieß spiegelsteuervorrichtung 20 automatisiert, und während des Betriebes wird gemäß der Situation die Transferfunk tion der Gießspiegelsteuervorrichtung 20 verwendet, die durch Ausführung der Prozedur berechnet wurde. Diese wer den bei einer Anpassungseinheit 25 für die periodische Störfrequenz in Fig. 2 ausgeführt, die später erwähnt wird.

Fig. 2 zeigt die Zusammensetzung der Gießspiegelsteuer vorrichtung 20 gemäß der Erfindung und von damit in Ver bindung stehenden Elementen, und es wird eine Erklärung der Funktionen der jeweiligen Zusammensetzungselemente dargelegt.

(1) Gießspiegelanweisungswerteinstellungseinheit 11

Die Gießspiegelanweisungswerteinstelleinheit 11 stellt einen Anweisungswert des Gießspiegels ein und gibt ein Gießspiegelanweisungswertsignal aus.

(2) Gießspiegeldetektor 12

Der Gießspiegeldetektor 12 detektiert den Pegel des ge schmolzenen Stahls in der Form und gibt ein Signal für den detektierten Gießspiegelwert aus.

(3) Greifrollenantriebsvorrichtung 13

Die Greifrollenantriebsvorrichtung 13 ist auf der strom abwärtsgelegenen Seite der Form angeordnet, um den er zeugten Strang zur stromabwärtsgelegenen Seite zu trans portieren, und gibt ein Signal für den detektierten Guß geschwindigkeitswert aus.

(4) Stopfensteuervorrichtung 14

Die Stopfensteuervorrichtung 14 empfängt ein Stopfenbe triebsgrößensignal, welches aus der Gießspiegelsteuervor richtung 20 ausgegeben wird, und steuert den Stopfen ba sierend auf einem Stopfenbetriebsgrößensignal.

(5) Steuerungsabweichungsberechnungseinheit 21

Die Steuerungsabweichungsberechnungseinheit 21 wird mit dem Gießspiegelanweisungswert und dem detektierten Gieß spiegelwert von dem Gießspiegelanweisungswertsignal und dem Signal für den detektierten Gießspiegelwert versorgt, sie berechnet eine Gießspiegelsteuerabweichung (das heißt eine Zustandsgröße, die durch Subtrahieren des detektier ten Gießspiegelwertes von dem Gießspiegelanweisungswert erzeugt wird) und gibt ein Gießspiegelsteuerabweichungs signal aus.

(6) Einschränkungseinheit 22 für die stetige Abweichung

Die Einschränkungseinheit 22 für die stetige Abweichung berechnet eine Einschränkungszustandsgröße für die steti ge Abweichung des Gießspiegels durch den zweiten Ausdruck in Gleichung (3-6) und gibt ein Einschränkungssignal für die stetige Abweichung des Gießspiegels aus, die die Zu standsgröße anzeigt. Aufgrund der Integrationscharakte ristik des zweiten Ausdruckes in Gleichung (3-6) wird die Einschränkungszustandsgröße für die stetige Abweichung des Gießspiegels allmählich gesteigert und arbeitet da hingehend, daß sie die stetige Abweichung des Gießspie gels einschränkt, wenn die stetige Abweichung für eine lange Zeitperiode andauert. Die Einschränkungseinheit 22 für die stetige Abweichung arbeitet ähnlich wie in dem gleichen Aufbau wie der Integrations- oder Integralaus druck der herkömmlichen PI-Steuervorrichtung.

(7) Einschränkungseinheit 23 für die periodische Störung

Die Einschränkungseinheit 23 für die periodische Störung berechnet eine Einschränkungszustandsgröße für die perio dische Störung des Gießspiegels gemäß des ersten Aus drucks der Gleichung (3-6) und gibt ein Einschränkungs signal für die periodische Störung des Gießspiegels aus, welches die Zustandsgröße anzeigt. Wie zuvor beschrieben wird die Einschränkungseinheit 23 für die periodische Störung mit einem bemerkenswerten Merkmal dahingehend versehen, daß die Einschränkungseinheit 23 für die perio dische Störung mit einem Steuerelement versehen ist, wel ches mit einer Frequenz gleich der periodischen Störfre quenz an der Innenseite davon oszilliert. Die Einschrän kungseinheit 23 für die periodische Störung ist mit einer Eigenschaft versehen, wobei wenn der detektierte Gieß spiegelwert (und entsprechend die Gießspiegelsteuerabwei chung) mit der oben beschriebenen periodischen Störfre quenz oszilliert, das oben beschriebene Steuerelement stimuliert wird und synchron mit der oben beschriebenen periodischen Störfrequenz oszilliert. Durch den Resonanz zustand wird die große Einschränkungszustandsgröße für die periodische Störung des Gießspiegels geformt. Dies zeigt, daß auch in einem Zustand, wobei ein Grad des Os zillationszustandes des Gießspiegels klein ist, das heißt wobei eine Amplitude der Gießspiegelsteuerabweichung klein ist, die große Einschränkungszustandsgröße für die periodische Störung des Gießspiegels sofort gebildet wird. Durch diese Eigenschaft wird der Oszillations zustand während einer Zeitperiode beschränkt, wobei die selbstansteigende Fluktuation des Gießspiegels klein ist, das heißt ein stabiler Betrieb wird nicht behindert, um dadurch das Problem der Erfindung zu erreichen. Weiterhin ist eine Erklärung bei der Spezifikation durch Zuschrei ben der Eigenschaft zur Eigenschaft der Steuerschleifen empfindlichkeitsfunktion S dargelegt worden.

(8) Einheit 24 zur robusten Stabilisierung der Steuer schleife

Die Einheit 24 zur robusten Stabilisierung der Steuer schleife berechnet die Stopfenbetriebsgröße, so daß die Gießspiegelsteuerschleife durch die Gießspiegelsteuervor richtung eine robuste Stabilität einrichtet, und zwar durch Empfang des Einschränkungssignals für die stetige Abweichung des Gießspiegels und des Einschränkungssignals für die periodische Störung des Gießspiegels, und gibt ein Stopfenbetriebsgrößensignal aus. Die Einheit 24 für die robuste Stabilisierung der Steuerschleife führt eine Berechnung aus, die von der Transferfunktion H in der Be schreibung dargestellt wird.

Wenn die Stopfenbetriebsgröße basierend auf einer Summe der Einschränkungszustandsgröße der stetigen Abweichung des Gießspiegels und der Einschränkungszustandsgröße der periodischen Störung des Gießspiegels berechnet wird, gibt es einen Fall, wobei die Steuerschleife instabil wird. Das heißt, wenn die periodische Störfrequenz hoch ist und nahe an einer Crossover- oder Kreuzfrequenz der Steuerschleife ist, kann dies eine Situation verursachen, wobei es keinen Verstärkungsrahmen und keinen Phasenrah men in der Steuerschleife gibt. Auch kann weiter wie oben beschrieben ein Fall vorhergesagt werden, wobei die Steu erschleife durch den Einfluß eines Modellierungsfehlers instabil wird, der aus der Untersuchung von beispielswei se der Fall- oder Einlaßzeit des geschmolzenen Stahls o der der Totzone oder dem Leergang der Stopfenbetätigungsvorrichtung weggelassen wurde, oder durch eine Variation der Charakteristik des Steuerobjektes oder Steuerziels des Gießspiegels, die unerwarteter Weise beim Betrieb der Stranggußvorrichtung verursacht wurde.

Gemäß der Erfindung werden daher die oben beschriebenen zwei Probleme gelöst durch Zuordnung der Probleme zum H∞-Steuerproblem.

(9) Anpassungseinheit 25 für die periodische Störfre quenz

Die Anpassungseinheit 25 für die periodische Störfrequenz verändert die Berechnungscharakteristiken der Einschrän kungseinheit 23 für die periodische Störung und der Ein heit 24 zur robusten Stabilisierung der Steuerschleife durch Aufnahme des detektierten Gießspiegelwertsignals und des detektierten Gußgeschwindigkeitswertsignals. Wie beim Erklären der Einschränkungseinheit 23 für die perio dische Störung beschrieben, liegt das Merkmal der Gieß spiegelsteuervorrichtung 20 gemäß der Erfindung darin, daß die Einschränkungseinheit 23 für die periodische Stö rung mit einem Steuerelement versehen ist, welches mit einer Frequenz oszilliert, die gleich der periodischen Störfrequenz ist, um dadurch in bemerkenswerter Weise die Funktion der Einschränkung der periodischen Störung zu begünstigen. Jedoch wird die periodische Störfrequenz ab hängig von verschiedenen Zuständen im Betrieb der Strang gußvorrichtung verändert. Wenn die Frequenz des Oszilla tionssteuerelementes, welches in der Gießspiegelsteuer vorrichtung vorgesehen ist, anders ist als die periodi sche Störfrequenz, wird der Effekt der Gießspiegelsteuer vorrichtung verringert. Daher ist die Anpassungseinheit 25 für die periodische Störfrequenz aufgebaut, um die Transferfunktion K der Gießspiegelsteuervorrichtung 20 zu verändern, wie es für den oben beschriebenen Wert nötig ist, der erzeugt wird durch Teilung der Gußgeschwindig keit durch das Rollenintervall oder durch die Messung, die im Absatz über die FFT beschrieben wurde.

Weiterhin kann eine solche Gießspiegelsteuervorrichtung 20 durch einen Computer verwirklicht werden.

Fig. 10 zeigt ein Ergebnis der Anwendung der Gießspie gelsteuervorrichtung gemäß der Erfindung. In Fig. 10 er zeugt eine Wellenform einer durchgezogenen Linie an der oberen Seite den zeitlichen Übergang des detektierten Gießspiegelwertes, und eine Wellenform mit gestrichelter Linie an der unteren Seite zeigt den zeitlichen Übergang der Stopfenbetriebsgröße an.

Um den Effekt der Gießspiegelsteuervorrichtung zu zeigen, zeigt Fig. 10 ein Verhalten, wobei ein Steuerzustand des herkömmlichen PI-Steuersystems auf einen Steuerzustand der Gießspiegelsteuervorrichtung geschaltet wird. Das heißt, bis zu 150 Sekunden auf der Zeitachse ist eine Si tuation gezeigt, in der der Gießspiegel durch die her kömmliche PI-Steuervorrichtung gesteuert wird. Es ist ei ne Situation gezeigt, wobei zum Zeitpunkt von 150 Sekun den die Steuerung auf jene der Gießspiegelsteuervorrich tung geschaltet wird, und wobei danach der Gießspiegel durch die Gießspiegelsteuervorrichtung gesteuert wird.

Gemäß Fig. 10 ist ein Verhalten bekannt, wobei in einer Zeitperiode, in der die Steuerung durch die PI-Steuer vorrichtung ausgeführt wird, der Gießspiegel stark oszil liert und weiter die Amplitude allmählich ansteigt. Ande rerseits ist ein Verhalten bekannt, wobei nach dem Schal ten auf die Gießspiegelsteuervorrichtung die Oszillation schnell umgewandelt wird und der Gießspiegel stabil gesteuert wird. Das Verhalten bestätigt die Studien, die hinter der Erfindung stehen, die beschrieben worden ist, und zeigt, daß die Erfindung ihr Ziel erreicht.

Übrigens fällt gemäß der Erfindung ein spezieller numeri scher Wert des Effektes der Einschränkung der periodi schen Pegelfluktuation entsprechend dem herkömmlichen Steuersystem in einen Bereich von 20 bis 30 (%), wobei dort der Effekt der Einschränkung der periodischen Pegel fluktuation von 96,7 (%) oder höher erreicht wird.

Wie gemäß der Erfindung erklärt, kann die Gießspiegel steuervorrichtung vorgesehen werden, die stabil und kon stant den Gießspiegel steuert, auch wenn die Vorrichtung dem Einfluß der periodischen Störung im Gießspiegel un terläuft.

Claims

1. Vorrichtung zum Regeln des Gießspiegels in einer Stranggusskokille auf einen vorgegebenen Sollwert unter Einwirken auf einen Stopfen oder Schieber in der Schmelzezufuhr, mit einem den Gießspiegel erfassenden Detektor (12), dessen Ausgangssignal als Istwert-Signal einer Recheneinheit (21) zugeführt wird, an der eingangsseitig ferner ein Sollwert-Signal angelegt wird, um ein die Sollwert-Istwert-Differenz angebendes Abweichsignal zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass
der Recheneinheit (21) zwei Rechenmodule (22, 23) nachgeordnet sind, von denen das eine Rechenmodul (22) auf Basis des Abweichsignals eine Zustandsgröße betreffend die stationäre Abweichung des Gießspiegels berechnet und ein entsprechendes, dieser Abweichung entgegen wirkendes Signal abgibt,
wogegen das andere Rechenmodul (23) eine mit einer Frequenz gleich der Frequenz einer periodischen Störung im Gießspiegel oszillierende Regelkomponente aufweist und auf Basis des Abweichsignals eine Zustandsgröße betreffend die periodische Störung des Gießspiegels berechnet und ein entsprechendes, dieser periodischen Störung entgegenwirkendes Signal abgibt,
wobei die von den beiden Rechenmodulen (22, 23) abgegebenen Signale einer Stabilisierungseinheit (24) zugeführt werden, die eine Stellgröße für den Stopfen oder Schieber berechnet und ausgibt, um die so gebildete Regelschleife in robuste Stabilität zu versetzen, und
wobei eine Frequenzanpassungseinheit (25), der das Gießspiegel-Istwert- Signal sowie ein Gießgeschwindigkeits-Istwert-Signal zugeführt werden, die Oszillationsfrequenz des Gießspiegels als Frequenz der periodischen Störung ermittelt und ein entsprechendes Einstellsignal an das Rechen modul (23) für die periodische Störung sowie an die Stabilisierungseinheit (24) zur Änderung von Berechnungscharakteristiken abgibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzanpassungseinheit (25) die Oszillationsfrequenz aus dem Gießgeschwindigkeits-Istwert-Signal und dem Rollenabstand von der Stranggusskokille nachgeordneten Rollen ermittelt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzanpassungseinheit (25) bei der Ermittlung der Oszillations frequenz zeitliche Übergänge des Gießspiegel-Istwert-Signals mittels schneller Fourier-Transformation (FFT) verarbeitet.