JP2018069260A - 湯面レベル制御装置及び湯面レベル制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】制御動作中における実動作特性の変化による影響を低減可能な湯面レベル制御装置及び湯面レベル制御方法を提供する。【解決手段】本発明の一実施形態に係る湯面レベル制御装置２０は、タンディッシュ１１から鋳型１３に供給される溶鋼量を調整する流量調整部１８と、鋳型１３における溶鋼の湯面レベルを検出するレベルセンサ１９と、レベルセンサ１９が検出した湯面レベルの実測値と、湯面レベルの目標値とに基づいて、湯面レベルを制御するための操作量を生成し、操作量を操作指令として流量調整部１８に指示する制御部２１とを備え、制御部２１は、線形制御入力信号を生成する線形制御部２２１と、非線形制御入力信号を生成する外乱抑制制御部２２２と、線形制御部２２１及び外乱抑制制御部２２２の制御パラメータを変更する制御パラメータ変更部と、を含む。【選択図】図４

Description

本発明は、湯面レベル制御装置及び湯面レベル制御方法に関し、特に、鋳型内の溶鋼の湯面レベルを目標値に制御するために、当該鋳型への溶鋼の注湯量を調整する連続鋳造機の鋳型内湯面レベル制御装置及び湯面レベル制御方法に関するものである。

連続鋳造機による連続鋳造工程において、連続鋳造機の鋳型内の溶鋼の湯面レベルが変動すると、鋳片の表面疵及び割れが発生したり、操業上の支障を引き起こすブレークアウト等が発生したりする場合がある。そのため、鋳型内の溶鋼の湯面レベルは、できる限り変動しないことが好ましい。この課題に対し、例えば特許文献１には、湯面レベルの目標値からの偏差と該偏差の一次微分値との和に基づく値が０になるような希望特性で湯面レベルの変動を抑制可能な制御器を備える湯面レベル制御装置が開示されている。

特開平５−２７７６９０号公報

しかしながら、特許文献１に開示された湯面レベル制御装置による制御動作において、湯面レベルの目標値からの偏差と該偏差の一次微分値との和に基づく値が０になるような希望特性そのものは変更されることなく、一定となっている。そのため、例えば制御動作中に、様々な物理的要因により実動作特性が変化した場合には、希望特性での制御が不安定になり、湯面レベルの変動が抑えにくくなる場合が生じる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、制御動作中における実動作特性の変化による影響を低減可能な湯面レベル制御装置及び湯面レベル制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一実施形態に係る湯面レベル制御装置は、
タンディッシュから鋳型に供給される溶鋼量を調整する流量調整部と、
前記鋳型における溶鋼の湯面レベルを検出するレベルセンサと、
前記レベルセンサが検出した前記湯面レベルの実測値と、前記湯面レベルの目標値とに基づいて、前記湯面レベルを制御するための操作量を生成し、該操作量を操作指令として前記流量調整部に指示する制御部と
を備え、
前記制御部は、線形制御入力信号を生成する線形制御部と、非線形制御入力信号を生成する外乱抑制制御部と、線形制御の制御パラメータを変更する制御パラメータ変更部と、を含むことを特徴する。

本発明の一実施形態に係る湯面レベル制御装置において、
前記線形制御部は、前記湯面レベルの実測値と前記湯面レベルの目標値との偏差に所定の係数を乗じて得られる信号と、該偏差の変化量に所定の係数を乗じて得られる信号と、に基づいて、前記線形制御入力信号を算出することを特徴とする。

本発明の一実施形態に係る湯面レベル制御装置において、
前記外乱抑制制御部は
前記湯面レベルの実測値と前記湯面レベルの目標値との偏差と、該偏差の変化量と、の各信号の線形結合で定まる切替線を定義し、該切替線に該偏差及び該偏差の変化量を代入して定まる値の符号によって、前記非線形制御入力信号を生成することを特徴とする

本発明の一実施形態に係る湯面レベル制御装置において、
前記制御パラメータ変更部は、湯面レベル制御系の制御対象の規範モデルを定め、該規範モデルを用いて湯面レベル推定値を計算し、該湯面レベル推定値と湯面レベル実測値との差により、前記制御対象の特性の変動を評価し、制御パラメータを変更する演算を実施することにより、前記線形制御の制御パラメータを変更することを特徴とする。

また、本発明の一実施形態は、上述した装置に実質的に想到する方法としても実現し得るものであり、本発明の範囲にはこれらも包含されるものと理解されたい。

例えば、本発明の一実施形態に係る湯面レベル制御方法は、
タンディッシュから鋳型に供給される溶鋼量を調整する流量調整部と、前記鋳型における溶鋼の湯面レベルを検出するレベルセンサと、前記流量調整部に操作指令を出力する制御部とを備える湯面レベル制御装置による湯面レベル制御方法であって、
線形制御入力信号を生成するステップと、
非線形制御入力信号を生成するステップと、
線形制御の制御パラメータを変更するステップと、
前記変更された制御パラメータにより、前記レベルセンサが検出した前記湯面レベルの実測値と、前記湯面レベルの目標値とに基づいて、前記湯面レベルを制御するための操作量を生成し、該操作量を操作指令として出力するステップと、
を含む。

本発明の一実施形態に係る湯面レベル制御装置及び湯面レベル制御方法によれば、制御動作中における実動作特性の変化による影響を低減可能である。

本発明の一実施形態に係る湯面レベル制御装置により湯面レベルの制御を行う連続鋳造機の概略構成の一例を示す図である。 ダミーバーの構造の一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る湯面レベル制御装置の概略構成を示す機能ブロック図である。 図１の連続鋳造機における制御の一例を数学的モデルとして示すブロック線図である。 図４の制御信号演算部における処理の一例を示すブロック線図である。 切替関数σの一例を位相平面上に示す概略図である。 切替線σと出力信号ｕ_ｎｌとの関係の一例を示す概略図である。 図４の制御信号演算部から出力される制御信号に基づいて制御を行った場合における、湯面レベルの変動を示す図である。 ダミーバーの落ち込みを模式的に示す図である。 図４の規範モデル演算部、パラメータ演算部及びパラメータ更新部からなる制御パラメータ変更部における処理の一例を示すブロック線図である。 Ｐゲイン変更結果を示す図である。

以下、本発明に係る一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る湯面レベル制御装置により湯面レベルの制御を行う連続鋳造機の概略構成の一例を示す図である。連続鋳造機１０は、タンディッシュ１１と、タンディッシュ１１の底面から下方に突出するように形成されたノズル１２と、タンディッシュ１１の下方に配置された鋳型（モールド）１３と、鋳型１３より下方に配置されたサポートロール１４及び冷却水スプレー１５と、搬送用ロール（ピンチロール）１６と、切断機１７とを備える。サポートロール１４は、鋳型１３の下方から、水平に配置された搬送用ロール１６までの、湾曲した鋳片通路を形成する。鋳型１３から搬送用ロール１６に向かう、鋳片通路に沿った方向を鋳込方向という。

タンディッシュ１１は、取鍋からの溶鋼を貯留する中間容器である。タンディッシュ１１に貯留された溶鋼は、内径が一定のノズル１２を介して鋳型１３に供給される。ノズル１２の流入口１２ａには、ノズル流入口１２ａの開度を調整することにより、タンディッシュ１１から鋳型１３に流入する溶鋼量を調整する流量調整部１８が設けられる。すなわち、流量調整部１８は、流入口１２ａの開度を調整することにより、タンディッシュ１１から鋳型１３に供給される溶鋼量を調整する。本実施形態において、流量調整部１８は、一例として、流入口１２ａに対して直交する方向（上下方向）に変位することにより流入口１２ａの開度を調整するステッピングシリンダであるとして、以下説明する。

流量調整部１８がステッピングシリンダである場合、ステッピングシリンダを流入口１２ａから遠ざける（図１では上方向に変位させる）と、流入口１２ａの開度が高くなり、タンディッシュ１１から鋳型１３に供給される溶鋼量が増加する。一方、ステッピングシリンダを流入口１２ａに近付ける（図１では下方向に変位させる）と、流入口１２ａの開度が低くなり、タンディッシュ１１から鋳型１３に供給される溶鋼量が減少する。

鋳型１３に供給された溶鋼は、鋳型１３の内壁面において冷却されて、内部が未凝固のスラブを形成する。鋳型１３で形成されたスラブは、鋳込方向に沿って鋳型１３から引き抜かれる。鋳型１３には、例えば渦流式レベルセンサ等のレベルセンサ１９が設けられる。レベルセンサ１９は、鋳型１３における溶鋼の湯面レベルを測定する。

鋳型１３から引き抜かれたスラブは、サポートロール１４により支持されて、サポートロール１４により形成される鋳片通路を、搬送用ロール１６に向かって移動する。サポートロール１４は、少なくともその一部が駆動ロールにより構成されており、スラブを連続的に引き抜いて、搬送用ロール１６に向かって移動させる。

冷却水スプレー１５は、鋳片通路を通るスラブに向けて水を噴射することにより、スラブを冷却する。スラブが鋳片通路を移動するに従って、冷却水スプレー１５による冷却によって、スラブ内部の未凝固部分が固化する。スラブは、搬送用ロール１６に達するまでに完全に凝固する。

搬送用ロール１６に達したスラブは、搬送用ロール１６により搬送されて、例えばトーチカッター等の切断機１７により切断される。切断機１７で切断されたスラブは、例えば次工程である圧延工程へ搬送される。

なお、連続鋳造工程の開始時には、鋳型１３の下端から搬送用ロール１６に亘って、鋳片の代わりにダミーバーが挿入される。ダミーバーは、連続鋳造開始時において、鋳型１３の下端から鋳片通路を塞いでいる。連続鋳造開始時には、ダミーバーが配置された状態で、タンディッシュ１１から鋳型１３に溶鋼が供給される。そして、サポートロール１４によりダミーバーが切断機１７側に引き抜かれることにより、連続鋳造が開始される。

ダミーバーは、例えば図２（ａ）及び（ｂ）に、それぞれ側面図及び平面図の一例として示すように、複数のリンク部材３１を連結ピン３２で連ねて構成される。ダミーバー３０において、互いに隣接するリンク部材３１同士は、連結ピン３２を中心に回動可能である。

図３は、本実施形態に係る湯面レベル制御装置の概略構成を示す機能ブロック図である。湯面レベル制御装置２０は、制御部２１と、記憶部２２と、流量調整部（ステッピングシリンダ）１８と、レベルセンサ１９とを備える。湯面レベル制御装置２０は、レベルセンサ１９が測定した鋳型１３における溶鋼の湯面レベルに基づき、ステッピングシリンダ１８を操作する。

制御部２１は、湯面レベル制御装置２０の各機能ブロックをはじめとして、湯面レベル制御装置２０の全体を制御及び管理するプロセッサである。制御部２１は、制御手順を規定したプログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサで構成され、かかるプログラムは、例えば記憶部２２又は外部の記憶媒体等に格納される。

制御部２１は、鋳型１３における溶鋼の湯面レベルに基づいてステッピングシリンダ１８を操作するための信号を生成する。より詳細には、湯面レベル制御装置２０は、ステッピングシリンダ１８を操作するアクチュエータに送信する制御信号（操作指令）を生成する。制御部２１が行う制御（処理）の詳細については後述する。

記憶部２２は、湯面レベル制御装置２０が湯面レベル制御において使用するための各種データを記憶する。記憶部２２が記憶するデータの一例については、制御部２１が行う制御の詳細と合わせて、適宜説明する。

次に、制御部２１が実行する処理の詳細について、図４乃至図８を参照して説明する。以下の説明において、ステッピングシリンダ１８の開度をｘ、湯面レベルをｙで示す。

制御部２１は、下記説明する処理を繰り返し行う。以下、時刻ｔにおいて制御部２１が実行する処理について説明する。以下の説明で使用する各記号において、時刻ｔにおける処理を示す場合には、下付き文字でｔを付す。例えば、時刻ｔの処理におけるステッピングシリンダ１８の開度及び湯面レベルは、それぞれｘ_ｔ及びｙ_ｔのように表される。

図４は、図１の連続鋳造機１０における鋳型内湯面レベル制御系を示すブロック図である。図４は、制御部２１における演算で用いられるモデル図を示すものである。図４では、図１の連続鋳造機１０における制御系を、一部に数学モデルを用いながらモデル化している。制御部２１は、制御信号演算部２１１と、規範モデル演算部２１２と、パラメータ演算部２１３と、パラメータ更新部２１４とを有し、これらの各機能部において、後述する所定の演算を行う。

制御信号演算部２１１は、鋳型１３内の湯面レベル目標値rと、レベルセンサ１９により測定された鋳型１３における実際の湯面レベル（実測値）ｙ_ｔとの偏差Ｅ_ｔに基づき、偏差Ｅ_ｔが０となるようにステッピングシリンダ１８の操作量ｕ_ｔを定める。湯面レベルの目標値ｒは、例えば記憶部２２にあらかじめ記憶されている。

図４の各機能部以外の部分は、ステッピングシリンダ１８の操作によって鋳型１３に流れ込む溶鋼と初期凝固後の鋳片の鋳型１３からの引き抜きによって定まる鋳型１３内の溶鋼湯面レベルの変化を示す数学モデルである。ここで、図中の“ｓ”はラプラス演算子である。

ステッピングシリンダ１８の数学モデル（動特性モデル）は、さまざま考えられるが、ここで示す例では、パルスモータをベースとして動作させるケースを想定した。ここで示す例では、操作量ｕ_ｔは、開度全体を表すものではなく、現在の位置からの変化量として与えられている。したがって全体の開度Ｘ_ｔは操作量ｕ_ｔの積分値としてえられる。操作量ｕ_ｔは、操作指令として制御信号演算部２１１から流量調整部１８に出力される。また、ここで示す例では、ステッピングシリンダ１８の動特性は一次遅れとしてモデル化した。

ステッピングシリンダ１８の開度Ｘ_ｔと溶鋼流量ｇ（Ｘ_ｔ）との関係は、関数ｇ（ｘ）として与えられている。関数ｇ（ｘ）は、開度Ｘ_ｔに基づく開度面積を算出し、開度面積に基づいてレードル（取鍋）内の溶鋼量を用いて定まる一般的な流量設定の関数であり、当業者間ではよく知られている。

次に、図４に示す制御信号演算部２１１、規範モデル演算部２１２、パラメータ演算部２１３、及びパラメータ更新部２１４における演算処理について、説明する。

図５は、制御信号演算部２１１における処理の一例を示すブロック線図である。図５に示すように、制御信号演算部２１１は、線形制御部２２１と、外乱抑制制御部２２２とを有し、これらの制御部２１において所定の演算を実行する。

線形制御部２２１は、線形制御系を定めるもので、出力フィードバック、状態フィードバック等、任意の制御系を採択し得る。ここでは、一例として、線形制御部２２１が、湯面レベル偏差（ｅ_ｔ）とその差分（Δｅ_ｔ）に基づくフィードバック制御系として記載した。

ここで、図５では離散時間系の記載とした。実際の制御系では、制御周期をΔｔとすると、制御周期Δｔ毎に操作量ｕ_ｔが算出され、ステッピングシリンダ１８を操作するアクチュエータに指令値として与えられる。また、図５に示す湯面レベル偏差ｅ_ｔ及び湯面レベル偏差の差分Δｅ_ｔは、それぞれ下式（１）で記述される。

線形制御部２２１は、湯面レベル偏差ｅ_ｔと湯面レベル偏差の差分Δｅ_ｔとに基づいて、操作量信号（線形制御入力信号）ｕ_ｌを生成する。操作量信号ｕ_ｌは、湯面レベル偏差ｅ_ｔに所定の係数（例えばＰ_１）を乗じて得られる信号と、湯面レベル偏差の差分Δｅ_ｔに所定の係数（例えばＰ_２）を乗じて得られる信号とに基づいて算出される。

外乱抑制制御部２２２はスライディングモード制御に基づく非線形の操作量信号（非線形入力信号）ｕ_ｎｌを設定する。外乱抑制制御部２２２は、湯面レベル偏差ｅ_ｔと、湯面レベル偏差の差分Δｅ_ｔとの線形結合で定まる切替線を定義し、切替線に、湯面レベル偏差ｅ_ｔ及び湯面レベル偏差の差分Δｅ_ｔを代入して定まる値の符号に基づいて、操作量信号ｕ_ｎｌを生成する。外乱抑制制御部２２２による処理について、次に具体的に説明する。

スライディングモード制御は、すべり状態を発生させる位相空間上の超平面に状態を拘束させることで制御目的を達成する制御系である。また、当該超平面は操作量ｕ_ｔの切替超平面であり、切替関数となる。本実施形態において、湯面レベル制御の操作量ｕ_ｔとして与えるステッピングシリンダ１８への制御信号を算出する際に使用される切替関数σは、ｅ_ｔ及びΔｅ_ｔの線形結合として、次の式（２）により切替線として表される。

図６は、切替関数σの一例を位相平面上に示す概略図である。式（２）において、Ｐ_１及びＰ_２は、例えば、線形制御系をＰＩ（proportional integral）制御で実現した場合には、Ｐ_１＝Ｐ_ｔＩ_ｔｔ_Ｓであり、Ｐ_２＝Ｐ_ｔにより表される。ここで、Ｐ_ｔは比例ゲイン（Ｐゲイン：proportional gain）であり、Ｉ_ｔは積分ゲイン（Ｉゲイン：integral gain）であり、ｔ_Ｓは制御周期（Δｔ）である。

本実施形態において、制御信号演算部２１１は、ＰゲインＰ_ｔをパラメータ更新部２１４から取得する。パラメータ更新部２１４によるＰゲインＰ_ｔの算出の詳細については後述する。また、ＩゲインＩ_ｔ及び制御周期ｔ_Ｓは、例えば予め記憶部２２に記憶されている。

本実施形態において、制御信号ｕ_ｔは、上述のように、線形制御部２２１により算出される、線形制御系の操作量信号ｕ_ｌと、外乱抑制制御部２２２により算出される、スライディングモード制御に基づく操作量信号（外乱補償信号）ｕ_ｎｌとの和により表される。ここで、操作量信号ｕ_ｌは、次の式（３）により表される。

式（４）において、Ｐ１及びＰ２は、上述の通りである。

一方外乱補償信号ｕ_ｎｌは、スライディングモード制御における非線形操作量であり、切替関数σの値により次の式（４）により与えられる。

式（４）において、スライディングモード制御における到達条件が満足されていれば、切替線から離れた状態から切替線に到達させることが可能となる。

ここで、上述のような切替関数σのもとでの外乱補償信号ｕ_ｎｌは、σの値の正負が変わることにより、不連続に変化し、アクチュエータの動作への負荷が増す場合もある。そこで、外乱補償信号ｕ_ｎｌを下式（５）のような飽和関数により定めてもよい。

式（５）において、Ｋは、外乱抑制制御部２２２のゲイン係数である。Ｋ_ｍａｘは、外乱抑制制御部２２２の入力の最大値であり、例えばあらかじめ記憶部２２に記憶されている。また、σ_１及びσ_２は一種の境界層を定めるもので、適宜に設定される。σ_１及びσ_２はそれぞれσ_１＞０及びσ_２＜０を満たす。

図７は、切替関数σの値と外乱補償信号ｕ_ｎｌとの関係を示す概略図である。このように外乱補償信号ｕ_ｎｌを飽和関数により決定することで、図７に示すように、σの値が変動しても外乱補償信号ｕ_ｎｌの値は連続的に変化する。そのため、σの値が変動しても、外乱補償信号ｕ_ｎｌの値が振動するハンチングが発生しにくくなり、滑らかな制御入力生成を実現できる。すなわち、本願発明のように、外乱補償信号ｕ_ｎｌを式（５）のような飽和関数とすることにより、制御信号演算部２１１は、平滑化された制御入力を行うことができる。

本実施形態において、式（２）の切替関数σに基づいて構成される制御信号ｕ_ｔは、次の式（６）のように表される。

制御信号演算部２１１は、式（６）に基づいて算出した制御信号ｕ_ｔを、ステッピングシリンダ１８を制御するアクチュエータに対して出力する。アクチュエータは、取得した制御信号ｕ_ｔに基づき、ステッピングシリンダ１８を制御する。ステッピングシリンダ１８の制御より、ノズル流入口１２ａの開度が調整され、タンディッシュ１１から鋳型１３に供給される溶鋼量が制御される。

図８は、図４の制御信号演算部２１１から出力される制御信号ｕ_ｔに基づいて制御を行った場合における、湯面レベルの変動を示す図である。図８（ａ）は、従来知られている一般的なＰＩ制御に基づく湯面レベルの変動を示しており、図８（ｂ）は、制御信号演算部２１１から出力される制御信号ｕ_ｔに基づく制御を行った場合の湯面レベルの変動を示している。すなわち、図８（ｂ）に示す図は、図８（ａ）に示す図と比較して、外乱抑制のための外乱補償信号ｕ_ｎｌが反映された湯面レベルの変動を示す。図８（ａ）及び（ｂ）において、既設実測のグラフは、既設の設備で制御を行った場合における湯面レベルの変動の実測値を示す。また、図８（ａ）及び（ｂ）において、シミュレーションのグラフは、既設実測において観測された外乱を入力して湯面レベル制御のシミュレーションを行った場合に導出された湯面レベルの変動を示す。

図８（ａ）及び（ｂ）から理解できるように、本実施形態に係る湯面レベル制御装置２０による湯面レベルの制御を行った場合、従来のＰＩ制御を行った場合と比較して、湯面レベルの目標値４０ｍｍに対して変動（振れ幅）が小さくなっている。このように、上記実施形態に係る湯面レベル制御装置２０によれば、従来のＰＩ制御を行う制御装置と比較して、湯面レベルの変動を低減できる。

このように、本実施形態に係る湯面レベル制御装置２０は、外乱抑制制御部２２２を有することにより、外乱補償信号ｕ_ｎｌに基づいて、制御信号ｕ_ｔを生成する。そのため、湯面レベル制御装置２０は、外乱補償信号ｕ_ｎｌにより、外乱の影響を抑えるように制御信号ｕ_ｔを生成できる。従って湯面レベル制御装置２０によれば、制御動作中における外乱の影響を低減可能である。

例えば、湯面レベル制御装置２０によれば、連続鋳造工程の初期段階に、図９に示すように、ダミーバー３０の連結ピン３２で連結された箇所が鋳片通路から外れる、いわゆる落ち込みが発生した場合であっても、落ち込みによる外乱の影響を低減することができる。そのため、湯面レベル制御装置２０によれば、外乱による湯面レベルの変動を抑えることができる。

次に、制御部２１の規範モデル演算部２１２、パラメータ演算部２１３及びパラメータ更新部２１４による処理について説明する。規範モデル演算部２１２、パラメータ演算部２１３及びパラメータ更新部２１４をまとめて、「制御パラメータ変更部」とも称する。制御パラメータ変更部は、実際の湯面レベルの変化量（実測湯面レベル変化量）と、制御部２１が算出した湯面レベルの変化の算出値（推定湯面レベル変化量）とに基づいて、制御信号演算部２１１で使用される制御パラメータを変更するために各演算を行う。制御パラメータ変更部による処理の詳細について、以下、図１０を参照して説明する。

パラメータ更新部２１４は、制御パラメータのうちＰＩ制御を用いる場合の比例係数を更新するものである。パラメータ更新部２１４は、制御パラメータ変更の一例として示したものであり、規範モデル演算部２１２により予測された湯面レベルと現実の湯面レベルとの差に基づき、制御対象の変動に応じて、変動に適した制御パラメータを提供する。ここで、図１０のブロック図では、各処理が制御周期（ｔ_ｓ又はΔｔ）に合わせ離散的に実施されるものとして記載されている。具体的には、規範モデル演算部２１２、パラメータ演算部２１３及びパラメータ更新部２１４は、時刻ｔの制御信号ｕ_ｔに基づく制御による実測湯面レベル変化量及び湯面レベル変化推定値に基づき、時刻ｔ＋Δｔの制御において使用されるＰゲインＰ_ｔ＋Δｔを算出する。

規範モデル演算部２１２は、湯面レベル制御系の制御対象の規範モデルを定め、この規範モデルを用いて湯面レベルの推定値を計算し、湯面レベルの推定値と、実際の湯面レベルの測定値との偏差により、制御対象の特性の変動を評価する。具体的には、規範モデル演算部２１２には、制御信号ｕ_ｔ、ステッピングシリンダ１８の開度ｘ_ｔ、サポートロール１４による溶鋼の引抜速度Ｖ_ｔ及び湯面レベルｙ_ｔが入力される。規範モデル演算部２１２は、入力された湯面レベルｙ_ｔに基づき、湯面レベルの変化量Δｙ_ｔを算出する。湯面レベルの変化量Δｙ_ｔは、入力された湯面レベルｙ_ｔと、例えば記憶部２２に記憶された時間Δｔ前の湯面レベルｙ_ｔ−Δｔとの差として算出され、Δｙ_ｔ＝ｙ_ｔ−ｙ_ｔ−Δｔと表される。

規範モデル演算部２１２は、実際の制御対象の動作をモデル化（ステッピングシリンダ１８の動特性とプロセス動特性とをモデル化）した規範モデルを有する。規範モデル演算部２１２は、規範モデルに基づき、制御信号演算部２１１から出力される制御信号ｕ_ｔによる湯面レベルの変動を算出する。規範モデルにおいては、ステッピングシリンダ１８の開度から溶鋼の流量を算出するモデルは線形モデルであり、特定動作点回りの線形係数Ｎとして固定されている。

規範モデル演算部２１２は、規範モデルに基づいて、推定湯面レベル変化量の絶対値と、鋳型１３における実測湯面レベル変化量の絶対値との差を算出することにより、時刻ｔの制御で使用された制御特性におけるモデル偏差ｅ_Ｍ、ｔを算出する。モデル偏差ｅ_Ｍ、ｔは、鋳型１３における実測湯面レベル変化量をｙ_ｔとすると、次の式（７）により表される。

モデル偏差ｅ_Ｍ、ｔは、湯面レベル変化量の推定値と実測値との差を表し、すなわち、制御上想定しているモデルと実際のプロセスとの差を表している。例えば、実測湯面レベルの変化量が、規範モデルの出力する湯面レベルの変化量より平均的に大きいのであれば、規範モデルのプラントゲインが小さいため、実制御ゲインは大きくする必要がある。逆に、実測湯面レベルの変化量が、規範モデルの出力する湯面レベルの変化量より平均的に小さいのであれば、規範モデルのゲインが大きいため、制御ゲインを小さくする必要がある。これは、ステッピングシリンダ１８の開口部に非線形特性があり、動作点が変更されると特性が変わることにより必要となる。また、地金付着などにより特性が変わる場合もあり、これに対応するためである。モデル偏差ｅ_Ｍ、ｔは、規範モデル演算部２１２により、パラメータ演算部２１３に入力される。

パラメータ演算部２１３及びパラメータ更新部２１４は、制御パラメータを変更する演算を実施し、線形制御の制御パラメータを変更する。具体的には、パラメータ演算部２１３は、取得したモデル偏差ｅ_Ｍ、ｔに基づき、時刻ｔ＋Δｔの処理におけるＰゲインＰ_ｔ＋Δｔを決定するため比例帯としての調整量ΔＰ_Ｂ、ｔを算出する。具体的には、パラメータ演算部２１３は、まず、時刻Ｔ_０から時刻Ｔ_１までの所定の期間Ｔの処理におけるモデル偏差ｅ_Ｍ、ｔの平均値（モデル平均偏差）ｅ_{ｓｕｍ、ｔ}を算出する。Ｔ_１−Ｔ_０＝Ｔであり、Ｔ_１は、例えば現在の時刻ｔである。モデル平均偏差ｅ_{ｓｕｍ、ｔ}は、次の式（８）のように表される。

パラメータ演算部２１３は、モデル平均偏差ｅ_{ｓｕｍ、ｔ}に基づいて、Ｐゲインの調整量を決定する。本実施形態において、パラメータ演算部２１３は、次の式（９）に示す階段関数により、ΔＰ_Ｂ、ｔを決定する。

式（９）において、α_ｅ１及びα_ｅ２は、α_ｅ１＜α_ｅ２を満たす正の数である。また、β_Ｐ１及びβ_Ｐ２は、β_Ｐ１＜β_Ｐ２を満たす正の数である。α_ｅ１、α_ｅ２、β_Ｐ１及びβ_Ｐ２は、例えばあらかじめ記憶部２２に記憶される。

式（９）によれば、パラメータ演算部２１３は、モデル平均偏差ｅ_{ｓｕｍ、ｔ}の値に応じて、ΔＰ_Ｂ、ｔを、−β_Ｐ２、−β_Ｐ１、０、β_Ｐ１、β_Ｐ２のいずれかに決定する。このように、パラメータ演算部２１３は、階段関数を使用してΔＰ_Ｂ、ｔを決定することにより、一定の範囲のモデル平均偏差ｅ_{ｓｕｍ、ｔ}に対し、同一のΔＰ_Ｂ、ｔを出力する。なお、本実施形態では、ΔＰ_Ｂ、ｔを、階段関数を使用して決定すると説明したが、ΔＰ_Ｂ、ｔは、例えば線形な関数等、他の関数を用いて決定してもよい。また、ΔＰ_Ｂ、ｔは、階段関数等の関数で自動的に決定するのではなく、オペレータによる比例帯の直接の変更量として受け付け、パラメータ更新部２１４に与えられてもよい。

パラメータ演算部２１３は、このように複数のモデル偏差ｅ_Ｍ、ｔの平均値であるモデル平均偏差ｅ_{ｓｕｍ、ｔ}に基づいてΔＰ_Ｂ、ｔを決定するため、例えば一時的な誤検出等による誤ったΔＰ_Ｂ、ｔの決定を回避しやすくなる。

パラメータ演算部２１３がΔＰ_Ｂ、ｔを決定すると、次の式（１０）に示すＰゲイン更新式を使用して、時刻ｔ＋Δｔの処理におけるＰゲインＰ_ｔ＋Δｔを算出する。

制御部２１により算出された時刻ｔ＋Δｔの処理におけるＰゲインＰ_ｔ＋Δｔは、図４の制御信号演算部２１１に入力され、時刻ｔ＋Δｔの処理において使用される。つまり、時刻ｔ＋Δｔの処理において、ＰゲインＰ_ｔ＋Δｔに基づいて、制御特性を決定する。ＰゲインＰ_ｔ＋Δｔが、ＰゲインＰ_ｔと等しい場合には、時刻ｔの処理と、時刻ｔ＋Δｔの処理とで、同一の制御特性が使用される。

制御部２１は、このように推定湯面レベル変化量と実測湯面レベル変化量との差に基づいて、制御特性を自動的に決定する。これにより、例えば、連続鋳造工程において、ステッピングシリンダ１８の先端が摩耗したり、先端に異物が付着したりした場合に、制御部２１は、この変化を制御特性に反映させて制御を行うことができる。制御部２１は、パラメータ更新部２１４により算出されたＰゲインＰ_ｔ＋Δｔに基づいて決定された制御特性を用いてステッピングシリンダ１８を操作させることにより、推定湯面レベル変化量と実測湯面レベル変化量との差を小さくし得る。

具体的には、制御部２１は、推定湯面レベル変化量と、実測湯面レベル変化量とに基づいてＰゲインを算出し、算出したＰゲインに基づいて流量調整部１８の制御特性を決定する。そして、制御部２１は、決定した制御特性に基づいて制御信号ｕ_ｔを生成し、生成した制御信号ｕ_ｔで流量調整部１８を操作させる。そのため、湯面レベル制御装置２０によれば、制御動作中における特性の変化による影響を低減可能である。

図１１は、実際のＰゲイン変更結果を示す図であり、実際の設備を用いて上述の制御を行った結果を示す図である。図１１において、横軸はＰゲインを示し、縦軸は連続鋳造のチャージ数とストランドとの積により表されるＮ数を示している。また、図１１において、棒グラフは各ＰゲインにおけるＮ数を示し、曲線のグラフは棒グラフを曲線で近似したものである。図１１より、操業中の制御対象のパラメータ（特性）の変化に応じてＰゲインの変更も適切に調整された結果が示されており、実動作特性に対応できていることがわかる。

以上、本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各手段、各ステップ等に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段やステップ等を１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

１０ 連続鋳造機
１１ タンディッシュ
１２ ノズル
１２ａ 流入口
１３ 鋳型
１４ サポートロール
１５ 冷却水スプレー
１６ 搬送用ロール
１７ 切断機
１８ ステッピングシリンダ（流量調整部）
１９ レベルセンサ
２０ 湯面レベル制御装置
２１ 制御部
２２ 記憶部
３０ ダミーバー
３１ リンク部材
３２ 連結ピン
２１１ 制御信号演算部
２１２ 規範モデル演算部
２１３ パラメータ演算部
２１４ パラメータ更新部
２２１ 線形制御部
２２２ 外乱抑制制御部

Claims (5)

1. タンディッシュから鋳型に供給される溶鋼量を調整する流量調整部と、
   前記鋳型における溶鋼の湯面レベルを検出するレベルセンサと、
   前記レベルセンサが検出した前記湯面レベルの実測値と、前記湯面レベルの目標値とに基づいて、前記湯面レベルを制御するための操作量を生成し、該操作量を操作指令として前記流量調整部に指示する制御部と
   を備え、
   前記制御部は、線形制御入力信号を生成する線形制御部と、非線形制御入力信号を生成する外乱抑制制御部と、前記線形制御部及び前記外乱抑制制御部の制御パラメータを変更する制御パラメータ変更部と、を含むことを特徴する湯面レベル制御装置。
2. 前記線形制御部は、前記湯面レベルの実測値と前記湯面レベルの目標値との偏差に所定の係数を乗じて得られる信号と、該偏差の変化量に所定の係数を乗じて得られる信号と、に基づいて、前記線形制御入力信号を算出することを特徴とする請求項１記載の湯面レベル制御装置。
3. 前記外乱抑制制御部は
   前記湯面レベルの実測値と前記湯面レベルの目標値との偏差と、該偏差の変化量と、の各信号の線形結合で定まる切替線を定義し、該切替線に該偏差及び該偏差の変化量を代入して定まる値の符号によって、前記非線形制御入力信号を生成することを特徴とする
   請求項１または請求項２記載の湯面レベル制御装置。
4. 前記制御パラメータ変更部は、湯面レベル制御系の制御対象の規範モデルを定め、該規範モデルを用いて湯面レベル推定値を計算し、該湯面レベル推定値の変動量と湯面レベル実測値の変動量との差により、前記制御対象の特性の変動を評価し、制御パラメータを変更する演算を実施することにより、前記線形制御の制御パラメータを変更することを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれか一項に記載の湯面レベル制御装置。
5. タンディッシュから鋳型に供給される溶鋼量を調整する流量調整部と、前記鋳型における溶鋼の湯面レベルを検出するレベルセンサと、前記流量調整部に操作指令を出力する制御部とを備える湯面レベル制御装置による湯面レベル制御方法であって、
   線形制御入力信号を生成するステップと、
   非線形制御入力信号を生成するステップと、
   線形制御の制御パラメータを変更するステップと、
   前記変更された制御パラメータにより、前記レベルセンサが検出した前記湯面レベルの実測値と、前記湯面レベルの目標値とに基づいて、前記湯面レベルを制御するための操作量を生成し、該操作量を操作指令として出力するステップと、
   を含む、湯面レベル制御方法。

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