在雙輥薄帶連鑄機中熔鋼液位的魯棒控制法的製作方法
2024-02-28 03:19:15 1
專利名稱：在雙輥薄帶連鑄機中熔鋼液位的魯棒控制法的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種在雙輥薄帶連鑄過程中使鑄模中的熔鋼液位保持恆定的方法。
背景技術：
圖1用示意圖表示了雙輥薄帶連鑄過程。鋼包1中的熔鋼通過滑動水口被注入澆口盤2，然後再通過塞棒系統3和浸入式水口4被注入鑄模中，其中鑄模包括壓延輥6和邊擋板7。注入鑄模的熔鋼液位可用照相機5來測量。注入的熔鋼通過水冷的壓延輥6來冷卻並且通過輥隙形成鋼帶8。隨後通過張拉輥和輥軋機圍繞卷取機11纏繞起來。
這樣，用於在雙輥薄帶鑄造過程中把熔鋼注入鑄模的系統包括一個塞棒和一個浸入式水口。並且，使用照相機的圖像處理法是為了測量熔鋼液位而被作為一個系統使用。為了確保穩定的鑄造條件，在雙輥薄帶連鑄過程中對鑄模中熔鋼液位的精確控制是必不可少的。如果在雙輥薄帶連鑄過程中熔鋼液位有所變化，熔鋼與水冷壓延輥的接觸時間就會有所變化，這樣就會降低即將被生產的鋼帶的質量。並且即使是熔鋼液位的單一故障也可能破壞昂貴的壓延輥和其他部件，因此必須確保熔鋼液位的可靠控制。
關於鑄模中熔鋼液位的控制方法已經進行了許多研究。例如，在申請號為10-2000-80776和10-1996-57612的韓國專利和申請號為2001-69265、1999-141926、1996-167075和1996-110550的日本專利中提到的幾種方法。
在上述公開的論文中(控制技術實踐，6(1998)，191-196)，塞棒和浸入式水口的流量係數的快速變化和熔鋼注入時間的延遲被視為在鑄模中熔鋼液位穩定控制的障礙，並且關於它們已經進行了許多的研究。
為了克服上述障礙，(JP-1999-141926)專利中提到了一種方法，即在鑄造過程的起始階段和中間階段使用性能不同的成比例/整體/有差異的控制器，並且(US-1998-034239)專利中已經提出了一種方法，在該方法中，當使用塞棒和浸入式水口不可能控制熔鋼液位時可通過改變壓延輥的旋轉速度來控制熔鋼液位。
然而，在鑄造過程的初始階段會出現過衝量。由於擾動，在鑄造過程的中間階段也可能出現過衝量。並且，過多的過衝量可能會毀壞彎月形遮護板或壓延輥並且降低產品的質量和鑄造的穩定性。過衝量的主要起因是變化的，可能是熔鋼注入硬體，耐火材料加工錯誤，沒有對塞棒高度進行零位調整，澆口盤中熔鋼液位的變化和鋼帶生產速度的變化。
尤其是由下列公式(1)表達的塞棒的流量係數在鑄造過程中是變化的，因此為了對由於流量係數變化而導致的擾動做出準備，有效地控制熔鋼液位是非常重要的。
塞棒的流量係數＝每小時鋼帶的生產數量/通過塞棒出口注入熔鋼的最大數量 ----------(1)然而，為了控制熔鋼液位而主要使用的控制器是PID(成比例/整體/有差異的)控制器，該控制器由於具有結構簡單和容易調節的優點而被廣泛使用，但是它有一個缺點，即它很難對周圍環境的變化和突發事件做出響應。並且，還存在一個問題，即很難把該控制器應用到需要高修復費用的裝置上。
同時，魯棒控制器能夠輕鬆地對周圍環境的變化和突發事件做出響應。然而，因為是開發的初始階段，所以需要各種數學模型和評價標準。並且，在煉鋼或者連續鑄造領域也沒有應用的先例。
在雙輥薄帶連鑄器中，因為熔鋼即使僅僅溢流一次，連鑄器的部件也會被損壞，所以需要一次也不允許熔鋼溢流的魯棒控制器。
發明內容
本發明將要解決的技術任務本發明是針對出現在現有技術中的上述問題而開發的，並且它的目的就是提供一個魯棒控制器，該魯棒控制器能解決PID控制器的缺點並且一次也不允許失敗，因此很容易被應用在鋼鐵生產過程中。
技術解決方案為了達到上述目的，本發明提供了一種在雙輥薄帶連鑄過程中的熔鋼液位的魯棒控制法，其中在雙輥薄帶連鑄過程中既使用被置於澆口盤中使熔融液進入鑄模的塞棒系統，又使用測量鑄模中熔鋼液位的照相系統。該魯棒控制方法包括通過使用先行控制器和反饋控制器來控制熔鋼液位，其中先行控制器在鑄造過程的初始階段或出現擾動時控制熔鋼液位的目標值，以致使目標液位符合熔鋼液位控制系統的性能特徵，反饋控制器在正常鑄造的條件下使熔鋼液位保持恆定。
在本發明中，在雙輥薄帶連鑄過程中使用的塞棒和浸入式水口的流量係數、熔鋼注入時間的延遲和鋼帶生產的速度從存儲的鑄造數據中獲得，並且據此可以確定它們的變化範圍。隨後，在已確定的變化範圍內，由雙輥薄帶鑄造機的熔鋼液位控制系統控制的熔鋼液位的目標值被設定。設計魯棒控制器是為了使熔鋼液位能夠滿足在雙輥薄帶連鑄過程中所需的技術條件，而不管導致塞棒和浸入式水口的流量係數快速變化的出口的關閉/打開事件，這樣就實現了熔鋼液位的目標值。並且，由魯棒控制器控制熔鋼液位可使得熔鋼液位在鑄造過程的初始階段儘可能快的達到目標值，而不管最小限度的過衝量。
根據上述的設計，魯棒控制器的操作如下。
在鑄造過程的初始階段，由以下幾個步驟執行魯棒控制器的操作提升塞棒鐵芯；啟動先行控制器；應用先行控制器直到熔鋼液位達到正常值；當熔鋼液位達到正常值時運用反饋控制器；並且維持在正常控制狀態。
並且，在出現擾動的情況下，由以下幾個步驟執行魯棒控制器的操作檢測擾動；啟動先行控制器；當熔鋼液位達到正常值時啟動反饋控制器；維持在正常控制狀態。
有利的效果在本發明中，從執行雙輥薄帶鑄造的過程中獲得的經驗基礎上，可以確定塞棒和浸入式水口的流量係數、熔鋼注入的時間延遲和鋼帶生產的速度的變化範圍。此後，在熔鋼液位控制過程中所需的詳細技術條件在預設的參數變化範圍內被確定。因此本發明有下列優勢。
在本發明的雙輥薄帶鑄造過程中，在鑄造過程的初始階段使熔鋼液位達到目標值之前需要的時間在8秒至26秒之間的範圍。此時，過衝量被控制致使最大過衝量不超過目標值的1％。
在鑄造過程的中間階段，即使塞棒系統的流量係數從0.4變化到0.8或者浸入式水口的流量係數從0.45變化到0.85，熔鋼液位被控制致使其變化在目標值的3％之內。
當用於把熔鋼注入鑄模的塞棒系統3和浸入式水口4的注入時間延遲在0.5秒至0.7秒之間變化時，在鑄造過程的初始階段熔鋼液位達到目標值所需的時間在8秒至26秒之間變化，並且最大過衝量不超過目標值的1％。
即使塞棒系統3的流量係數突然從0.4變到0.8或者浸入式水口的流量係數突然從0.45變到0.85，以致輕微關閉的出口被正常地打開，熔鋼液位也可以被控制致使其在目標值的3％之內。
因此，假如熔鋼液位的控制滿足在本發明中的需要，就能保證鑄造過程的穩定性和產品的高質量，並且也可以避免導致高費用事件的發生。
圖1是一張示意圖，表示了雙輥薄帶鑄造過程；圖2是一張流程圖，表示了本發明的控制系統；圖3是一張示意圖，表示了根據本發明在雙輥薄帶鑄造過程中的魯棒熔鋼液位控制法；圖4是分布曲線圖，表示了根據本發明在雙輥薄帶鑄造過程中使用的塞棒和浸入式水口的流量係數分布情況；圖5是曲線圖，表示了根據本發明在雙輥薄帶鑄造過程的初始階段執行魯棒熔鋼液位控制的先行控制器的響應特性；圖6是數據圖表，表示了根據本發明在雙輥薄帶鑄造過程中出現過衝量的初始階段魯棒熔鋼液位控制試驗的結果；圖7是數據圖表，表示了根據本發明在雙輥薄帶鑄造過程中當出現擾動時熔鋼液位的響應特徵。
具體實施的最佳方式在下文中，本發明的魯棒控制器的設計將參照附圖加以詳細地描述。
圖2是一張流程圖，表示了本發明的控制系統。
在圖1表示的過程中，熔鋼液位的目標值被輸入先行控制器，反饋控制器接收到關於熔鋼液位的反饋並且給塞棒發送一個輸出信號，以致通過浸入式水口注入鑄模的熔鋼的數量被調整，因此控制了鑄模中的熔鋼液位。由P特指的那一部分表示一個描繪包括塞棒、浸入式水口和鑄模硬體的公式模型。鑑於魯棒控制器，為了開發該系統，該模型可由重要參數的範圍來表示。由F特指的先行控制器是軟體，設置該軟體使得在鑄造過程的初始階段使熔鋼液位達到目標值。K代表反饋控制器，它向硬體傳遞控制信號，使熔鋼液位被維持在理想的數值上。
圖3是一張放大圖，表示了把熔鋼注入雙輥薄帶鑄造機中的過程。
塞棒系統3包括一個驅動塞棒上下運動的塞棒電機驅動系統12、塞棒杆13和調節澆口盤中塞棒出口的截面面積As的塞棒鐵芯14。通過下列公式可以看出，通過塞棒出口注入浸入式水口4中的熔鋼的流量Qs既和澆口盤中的熔鋼液位(17，HT)有關，又和塞棒的水平高度(18，u)有關，並且通過浸入式水口4的出口注入鑄模的熔鋼的流量Qi既和浸入式水口中的熔鋼液位(24，Hi)有關，又和浸入式水口出口的截面積Ai有關。
Qs=Cs2ghTAs(u)---(2)]]>Qi=Ci2ghiAi(u)---(3)]]>這裡的Cs和Ci分別代表塞棒和浸入式水口的流量係數，g代表重力加速度。從500次的雙輥薄帶鑄造試驗中，Cs和Ci可由圖4的分布圖來表示。流量係數被定義為(每小時鋼帶的生產數量)/(每小時通過塞棒或浸入式水口出口注入熔鋼的最大量)。
並且，注入浸入式水口4中的熔鋼的總量Vi與液位(24，hi)和注入鑄模中的熔鋼的總量(Vm，hm)與液位(21，hm)可以由下列公式(4)和公式(5)來表達。
dVidhi=fi(hi)=2Li(Dihitano),hi>0---(4)]]>dVmdhm=fm(hm)=LR(2R-2R2-hm2+rg)-2Lo(Do+hm-Hotano),hm>Ho---(5)]]>這裡的Li和Di代表浸入式水口下端的內部長度和內徑25，Lo和Do代表浸入式水口下端的外部長度和外部寬度26，LR和R代表每個壓延輥的長度和半徑22，rg代表輥距20，θ0代表浸入式水口輪廓彎曲的角度，H0代表自壓延輥輥距算起的浸入式水口的安裝高度27。
在該系統中，在時間t的範圍內控制鑄模內熔鋼液位21的動力學可由下列公式(6)和公式(7)來表達。
dVidt=Qs(t-Ts)-Qi(t)---(6)]]>dVmdt=Qi(t-Ti)-Qo(t)---(7)]]>Q0代表通過輥隙形成的鋼帶的生產速度，Ts和Ti分別代表把熔鋼從塞棒的出口注入到浸入式水口中所需要的時間延遲和把熔鋼從浸入式水口注入到鑄模所需的時間延遲。測定每一個時間延遲是困難的，但是從當鑄造被中斷時塞棒開始關閉的時間與鑄模中熔鋼液位降低的時間之差中，可以計算出兩個時間延遲的總和Td。這樣，時間延遲的總和能夠從存儲的鑄造數據中獲得。此外，Q0的變化範圍也能夠從存儲鑄造數據中獲得。
因此，把塞棒的高度18作為輸入量，控制鑄模中熔鋼液位21的控制模型由下列公式表達。
dVidt=dVidhidhidtdhidt=dhidVi(Qs(t-Ts)-Qi(t))=1fi(Cs2ghTAs(u(t-Ts))-Ci2ghiAi)]]>dVmdt=dVmdhmdhmdtdhmdt=dhmdVm(Qi(t-Ti)-Qo(t))=1fm(Ci2ghiAi-LRrR(t)vr(t))]]>當該公式變成線性模型並且經過拉普拉斯變換時，它可以由下列公式來表達。應用在公式中的參數具有變化範圍，變化範圍在下面的表1中給出。
PR(s)=Y(s)R(s)=Sm(s+i)(s+o)15.29s+21.7s3+8.5s2+23.78s+21.7e-Tos---(8)]]>Y(s)代表鑄模中熔鋼液位實測值hm的拉普拉斯算子，R(s)代表塞棒高度指令值的拉普拉斯算子。該公式右邊的第一個多項式是從上述的公式中獲得的。第二個多項式是由線性模擬塞棒的高度指令值R(s)和塞棒高度實測值U(s)獲得的。因為表示塞棒高度的動力學比用公式右邊第一個多項式表達的鑄模中熔鋼液位的動力學反應地更快，所以為了從動力學中排出不確定因素，表示塞棒高度的動力學是由已知恆定的參數來確定。
表1
在這個表中，考慮到熔鋼液位從410mm變化到450mm、澆口盤中的熔鋼液位從375mm變化到425mm、浸入式水口中的熔鋼液位從26mm變化到54mm、在輥隙中鋼帶的生產速度從0.0047變化到0.0116(平方米/秒)、塞棒的流量係數從0.41變化到0.85和浸入式水口的流量係數從0.42變化到0.92時，參數的變化範圍如表中所示。
在上述的控制模型的控制器中所需要的性能標準可由下面三個頻域性能評價標準來表示。
1.穩定性評價標準|P(j)G(j)1+P(j)G(j)|1.8,forallPPR,
---(9)]]>2.擾動評價標準|P(j)1+P(j)G(j)|1.03,forallPPR,
---(10)]]>在圖2所示的輸出量Y(s)和輸入量D(s)中傳遞函數的大小是由公式(10)的左邊來表示。
3.起始反應評價標準|TL(j)||P(j)G(j)1+P(j)G(j)||TU(j)|,forallPPR,0---(11)]]>在圖2所示的輸出量Y(s)和輸入量R(s)中傳遞函數的大小是由公式(10)的左邊來表示。TL和Tu的頻域和時域響應特徵如圖5所示。
TL(jw)=0.0225(s+1)(10s+1)(s2+0.2036s+1),---(12)]]>TU(jw)=(s0.18+1)(s0.4+1)(s0.3+1)(s0.2+1)---(13)]]>滿足上述評價標準的魯棒控制器包括下列先行控制器和反饋控制器。
先行控制器F(s)=1(s0.5+1)0.48s2+1.224s+0.1296---(14)]]>反饋控制器G(s)=0.016(s0.02+1)(s0.4+1)s(s2+1)(s9+1)(s100+1)---(15)]]>如上所述，本發明用來在雙輥薄帶鑄造過程中使熔鋼液位保持恆定。魯棒控制器的性能標準被設定為，使其不受下列阻礙熔鋼液位恆定的因素的影響，如塞棒和浸入式水口易變的流量係數、變化的鋼帶的生產速度和熔鋼注入時間延遲的影響，因而塞棒的高度由魯棒控制器來控制。
在本發明中，用來在雙輥薄帶鑄造過程中使熔鋼液位保持恆定的模擬信號處理先行控制器和反饋控制器的可以用數位訊號處理控制器來代替。因此它們可用於具有實時作業系統的計算機系統，其中實時作業系統可以精確地實現使用者的應用程式的時間同步。
如圖6中所示的在雙輥薄帶鑄造過程中魯棒控制熔鋼液位的測試結果，可以確定的是，鑄模中的熔鋼液位在鑄造過程的初始階段被控制為，以致需要花8到26秒的時間使熔鋼液位升到目標值，並且過衝量不超過目標值的1％。
並且，如圖7中所示的在雙輥薄帶鑄造過程中魯棒控制熔鋼液位的測試結果，可以確定的是，當出現擾動時，過衝量不超過目標值的3％並且熔鋼液位會立刻回到正常值。
權利要求
1.一種既使用塞棒系統又使用照相系統的在雙輥薄帶連鑄過程中熔鋼液位的魯棒控制法，該塞棒系統被置於澆口盤中使熔融液進入鑄模，該照相系統測量鑄模中熔鋼液位，該方法包括通過使用先行控制器和反饋控制器來控制熔鋼液位，其中先行控制器在鑄造過程的初始階段或出現擾動時控制熔鋼液位的目標值，以致使目標液位符合熔鋼液位控制系統的性能特徵，反饋控制器在正常鑄造的條件下使熔鋼液位保持恆定。
2.如權利要求1所述的在雙輥薄帶連鑄過程中熔鋼液位的魯棒控制法，其中設計先行控制器和反饋控制器的過程包括以下步驟從存儲的鑄造數據中獲得用在雙輥薄帶鑄造過程中的塞棒和浸入式水口的流量係數、熔鋼注入時間延遲和鋼帶生產速度，並且確定它們的變化範圍；在確定的變化範圍內設置由雙輥薄帶鑄造機的熔鋼液位控制系統來控制的熔鋼液位的目標值；以及設計魯棒控制器使得熔鋼液位滿足在雙輥薄帶鑄造過程中所需的技術條件，而不管導致塞棒和浸入式水口的流量係數快速變化的出口關閉/打開事件，這樣就實現了熔鋼液位的目標值。
3.如權利要求1所述的在雙輥薄帶連鑄過程中熔鋼液位的魯棒控制法，其中先行控制器和反饋控制器的應用包括以下步驟在鑄造過程的初始階段或出現擾動時啟動先行控制器；運用先行控制器直到熔鋼液位達到正常值；以及當熔鋼液位達到正常值時運用反饋控制器。
4.如權利要求1至3的任何一條所述的在雙輥薄帶連鑄過程中熔鋼液位的魯棒控制法，其中先行控制器被設置為，以致在鑄造過程的初始階段熔鋼液位達到目標值以前需要8秒至26秒的時間，並且出現在初始階段的最大過衝量在目標值的1％之內。
5.如權利要求1至3的任何一條所述的在雙輥薄帶連鑄過程中熔鋼液位的魯棒控制法，其中反饋控制器被設置為，以致當塞棒系統的流量係數突然從0.4變到0.8或者浸入式水口的流量係數突然從0.45變到0.85，從而已經輕微關閉的出口變為正常地打開時，熔鋼液位在目標值的3％之內。
6.如權利要求1至3的任何一條所述的在雙輥薄帶連鑄過程中熔鋼液位的魯棒控制法，其中反饋控制器被設置為，即使通過塞棒系統和浸入式水口把熔鋼注入鑄模所需的時間被延遲0.5秒至0.7秒，在鑄造過程的初始階段的最大過衝量也在目標值的1％之內，並且即使塞棒或浸入式水口的流量係數突然從0.4變化到0.8或從0.45變化到0.85，熔鋼液位也在目標值的3％之內。
全文摘要
本發明提供了一個為在雙輥薄帶連鑄過程中讓熔鋼液位在鑄模中保持恆定的魯棒控制法。在雙輥薄帶連鑄過程中，不管是使用被置於澆口盤(2)中使熔融液進入鑄模的塞棒系統(3)，還是使用用於測量鑄模中熔鋼液位的照相系統，本發明的魯棒控制法通過使用一個先行控制器和一個反饋控制器來控制熔鋼液位，其中先行控制器是在鑄造過程的初始階段或出現擾動時控制熔鋼液位的目標值，以使得目標液位符合熔鋼液位控制系統的性能特徵，反饋控制器是在正常鑄造的條件下使熔鋼液位保持恆定。
文檔編號B22D11/16GK101094738SQ200580045299
公開日2007年12月26日 申請日期2005年12月26日 優先權日2004年12月28日
發明者李大成, 文熙景, 金倫夏 申請人:株式會社Posco