JP6915428B2 - Manufacturing process control systems, methods and programs - Google Patents

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Description

本発明は、製品の製造プロセスの挙動を説明する物理モデルを用いた製造プロセスの制御システム、方法及びプログラムに関する。 The present invention relates to a manufacturing process control system , method and program using a physical model that describes the behavior of the manufacturing process of a product.

製品の製造プロセスにおいては、製造プロセスの挙動を物理的見地から説明する物理モデルを構築し、これから製造しようとする製品(以下、対象製品と呼ぶ)が製造条件を満たすように製造プロセスの操作量を求めて、セットアップする制御(以下、セットアップ制御と呼ぶ)が広汎に用いられている。
しかしながら、物理モデルのパラメータの値が不確かで、直接観測もできないことがあり、製造プロセスの挙動を正確に説明する物理モデルの構築が困難である場合が多い。
例えば鋼材の塑性加工では、所望の形状や機械特性を得るため、鋼材の温度を制御する必要がある。しかしながら、鋼材の内部まで含めた温度を測定する手段はなく、計算で推定する場合には材料の変形に伴い発生する熱の単位量が必要であるが、これまでの知見ではこの単位量を導出する方法は確立されていない。
また、例えば鋼板の熱間圧延工程の下流では加速冷却を行い、所定の温度まで鋼板を冷却することで製品に必要な機械特性を得る。この冷却温度の計算に必要な熱伝達率は冷却水の鋼板への接し方や鋼板の表面性状によって異なるが、冷却水の状態を測定する手段はなく、また、鋼板の表面性状が熱伝達率に与える影響の定量的な解明は未だなされていない。
In the manufacturing process of a product, a physical model that explains the behavior of the manufacturing process from a physical point of view is constructed, and the amount of operation in the manufacturing process is such that the product to be manufactured (hereinafter referred to as a target product) satisfies the manufacturing conditions. Control to set up (hereinafter referred to as setup control) is widely used.
However, the values of the parameters of the physical model are uncertain and may not be directly observed, so it is often difficult to construct a physical model that accurately explains the behavior of the manufacturing process.
For example, in plastic working of steel materials, it is necessary to control the temperature of the steel materials in order to obtain desired shapes and mechanical properties. However, there is no means to measure the temperature including the inside of the steel material, and when estimating by calculation, the unit amount of heat generated by the deformation of the material is required, but the knowledge so far derives this unit amount. There is no established way to do this.
Further, for example, in the downstream of the hot rolling process of the steel sheet, accelerated cooling is performed to cool the steel sheet to a predetermined temperature, thereby obtaining the mechanical properties required for the product. The heat transfer coefficient required to calculate this cooling temperature differs depending on how the cooling water comes into contact with the steel sheet and the surface properties of the steel sheet, but there is no means to measure the state of the cooling water, and the surface properties of the steel sheet are the heat transfer coefficient. The quantitative elucidation of the effect on the disease has not yet been made.

このような点に鑑みて、理論や計測技術でなく、経験・統計的な観点から、物理モデルの不確かさを補償する学習制御が用いられている。
例えば製造プロセスの観測可能な出力実績値を収集し、出力実績値と物理モデルによる計算値である出力予測値とが一致するようにパラメータを同定し、次回以降のセットアップ制御に反映させる学習制御方式が採用される。物理モデルのパラメータを同定する具体的な手法は、例えば非特許文献1に開示されている。
この場合に、製造条件がとりうる範囲(以下、製造条件空間と呼ぶ)の全域にわたって未知のパラメータを一意に同定し、対象製品の制御に反映させても、実際には製造条件空間内の位置によりパラメータの真値が変わるため、誤差が発生し、制御精度が最大化されない場合が多い。
上述した鋼材の塑性加工における温度計算の例では、鋼種によって材料の変形に伴い発生する熱の単位量が変わる。また、上述した加速冷却の例でも、鋼板の厚みによってノズルからの距離が変わるため冷却水の鋼板への接し方が変わり、さらに鋼種によって表面性状も変わるため熱伝達率も変わる。
In view of these points, learning control that compensates for the uncertainty of the physical model is used from an empirical / statistical point of view rather than a theoretical or measurement technique.
For example, a learning control method that collects observable output actual values of the manufacturing process, identifies parameters so that the actual output values and the predicted output values calculated by the physical model match, and reflects them in the setup control from the next time onward. Is adopted. A specific method for identifying the parameters of the physical model is disclosed in, for example, Non-Patent Document 1.
In this case, even if an unknown parameter is uniquely identified over the entire range that the manufacturing condition can take (hereinafter referred to as the manufacturing condition space) and reflected in the control of the target product, the actual position in the manufacturing condition space is actually obtained. Since the true value of the parameter changes due to this, an error occurs and the control accuracy is often not maximized.
In the above-mentioned example of temperature calculation in plastic working of steel materials, the unit amount of heat generated by the deformation of the material changes depending on the steel type. Further, also in the above-mentioned example of accelerated cooling, the distance from the nozzle changes depending on the thickness of the steel sheet, so that the way the cooling water comes into contact with the steel sheet changes, and the surface texture also changes depending on the steel type, so that the heat transfer coefficient also changes.

そこで、製造条件を一定の値毎に区分し、製品が製造された際、パラメータを同定した結果をその製品が属する製造条件の区分もしくはその周りの区分に反映し、製品を製造する際には、その製品が属する区分のパラメータを物理モデルに適用する層別テーブル学習方式が採用されることが多い。
図13に、層別テーブル学習方式を採用した製造プロセスの制御システムの構成例を示す。セットアップ計算部902は、物理モデルを用いて、対象製品の製造条件下での製造プロセス901の操作量を求める。このとき、物理モデルの所定のパラメータには、対象製品の製造条件に従って層別テーブル904から取得した値を適用する。パラメータ学習計算部903は、製造プロセス901の観測可能な出力実績値を収集し、出力実績値と物理モデルによる出力予測値とが一致するように所定のパラメータを学習して、その結果を、層別テーブル904における対象製品が属する製造条件の区分もしくはその周りの区分に反映させる。
Therefore, when manufacturing a product, the manufacturing conditions are classified by a certain value, and when the product is manufactured, the result of identifying the parameters is reflected in the classification of the manufacturing conditions to which the product belongs or the classification around it. , A stratified table learning method that applies the parameters of the division to which the product belongs to the physical model is often adopted.
FIG. 13 shows a configuration example of a control system for a manufacturing process that employs a stratified table learning method. The setup calculation unit 902 uses a physical model to determine the amount of operation of the manufacturing process 901 under the manufacturing conditions of the target product. At this time, the values obtained from the stratified table 904 are applied to the predetermined parameters of the physical model according to the manufacturing conditions of the target product. The parameter learning calculation unit 903 collects the observable output actual value of the manufacturing process 901, learns a predetermined parameter so that the output actual value and the output predicted value by the physical model match, and layers the result. It is reflected in the classification of the manufacturing conditions to which the target product belongs or the classification around it in the separate table 904.

層別テーブル学習方式に関連する技術として、例えば特許文献1には、プロセスラインでの処理に係る材料層別に対応する学習係数を修正するに際し、モデル予測値と実績値との誤差が所定の傾向を有する他の層別に係る学習係数についても修正を行うようにすることが記載されている。 As a technique related to the stratified table learning method, for example, in Patent Document 1, when correcting the learning coefficient corresponding to each material layer related to the processing in the process line, the error between the model predicted value and the actual value tends to be predetermined. It is described that the learning coefficient related to other strata having the above is also corrected.

なお、製造プロセスの非線形性が強くパラメータの学習が難しい場合には、パラメータ学習計算903によるパラメータの学習を行わず、熟練したオペレータが手動で各区分のパラメータの調整を行う場合もある。 When the non-linearity of the manufacturing process is strong and it is difficult to learn the parameters, a skilled operator may manually adjust the parameters of each category without learning the parameters by the parameter learning calculation 903.

特開平6−259107号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 6-259107 特許第3351376号公報Japanese Patent No. 3351376

コンピュートロールNo.2、コロナ社、1983、p49−59Compute Roll No. 2, Corona Publishing Co., Ltd., 1983, p49-59 図解 伝熱工学の学び方、オーム社、1982Illustrated How to Learn Heat Transfer Engineering, Ohmsha, 1982

層別テーブル学習方式では、層別テーブルを区分する際に、区分が大きすぎると、上述したように製造条件空間の全域にわたってパラメータを一意に同定する場合と同様、同一区分内でパラメータの真値が変わるため、誤差が発生し、制御精度が最大化されない場合がある。また、区分が小さすぎると、一つ一つの区分に入る製造実績が少なく、あまり製造しない希少材等の区分では学習が進まず、誤差の発生の要因となる。特許文献1では、その対処法として、ある層別の値を修正するときに、他の層別の値にも反映させる手法を提案しているが、反映する範囲を広くとりすぎると、区分が大きすぎる場合と同様、制御精度が低くなる。 In the stratified table learning method, when the stratified table is divided, if the division is too large, the true value of the parameter within the same division is the same as the case where the parameter is uniquely identified over the entire manufacturing condition space as described above. Therefore, an error may occur and the control accuracy may not be maximized. In addition, if the categories are too small, there are few manufacturing records that fall into each category, and learning does not proceed in categories such as rare materials that are rarely manufactured, which causes an error. Patent Document 1 proposes a method of reflecting a value of a certain stratum on the value of another stratum as a countermeasure, but if the range of reflection is too wide, the classification will be classified. As with the case of being too large, the control accuracy is low.

また、層別テーブル学習方式では、層別に利用する製造条件を増やすと層別テーブルの区分が細かくなり、上述したように誤差の発生の要因となる。そのため、層別に利用可能な製造条件の数は限られてしまい、物理モデルのパラメータに影響すると考えられる製造条件であっても、層別に利用する製造条件に入れられない場合がある。 Further, in the stratified table learning method, if the manufacturing conditions used for each stratum are increased, the classification of the stratified table becomes finer, which causes an error as described above. Therefore, the number of manufacturing conditions that can be used for each layer is limited, and even manufacturing conditions that are considered to affect the parameters of the physical model may not be included in the manufacturing conditions that are used for each layer.

本発明は上記のような点に鑑みてなされたものであり、指定された対象製品を製造する際の製造プロセスの挙動を説明する物理モデルの所定のパラメータを精度良く同定できるようにし、物理モデルを用いた製造プロセスの制御の制御精度を向上させることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and makes it possible to accurately identify predetermined parameters of a physical model that explains the behavior of a manufacturing process when manufacturing a specified target product, and to perform physics. The purpose is to improve the control accuracy of the control of the manufacturing process using the model.

上記の課題を解決するための本発明の要旨は、以下のとおりである。
[1] 製品の製造プロセスの挙動を説明する物理モデルを用いて、対象製品の製造条件下での前記製造プロセスを制御する製造プロセスの制御システムであって、
過去に製造した製品の製造条件と前記製造プロセスの出力実績値とを紐付けた製造実績データを保存するデータベースから、前記対象製品の製造条件との製造条件空間内の距離に基づいて製造実績データを抽出する抽出手段と、
前記抽出手段により抽出した製造実績データを用いて、前記物理モデルの所定のパラメータの同定計算を行う同定計算手段と
前記同定計算手段により同定計算した前記所定のパラメータを反映させた前記物理モデルによる出力予測値の誤差を予測した誤差予測値を、回帰モデルにより求める回帰計算手段と、
前記製造プロセスを制御するに際して、前記回帰計算手段により求めた前記誤差予測値を用いて、前記物理モデルによる出力予測値を補正する補正手段とを備えたことを特徴とする製造プロセスの制御システム
[2] 前記同定計算手段は、前記抽出手段により抽出した製造実績データにおける出力実績値と前記物理モデルによる出力予測値との誤差を含む目的関数に基づいて、前記所定のパラメータの値を求めることを特徴とする[1]に記載の製造プロセスの制御システム
[3] 前記所定のパラメータの値が所定の範囲内に含まれるとする制約条件を課すことを特徴とする[2]に記載の製造プロセスの制御システム
[4] 前記目的関数は、前記抽出手段により抽出した製造実績データにおける出力実績値と前記物理モデルによる出力予測値との誤差に加えて、前記所定のパラメータの値と予め設定された前記所定のパラメータの基準値との誤差を更に含むことを特徴とする[2]又は[3]に記載の製造プロセスの制御システム
[5] 前記物理モデルに、前記同定計算手段により同定計算した前記所定のパラメータと、前記対象製品の製造条件とを入力して前記対象製品の出力予測値を求め、該出力予測値が前記対象製品の製造条件下での出力目標値と略一致するように前記製造プロセスの操作量を決定するセットアップ計算手段を備え、
前記セットアップ計算手段が、前記補正手段として機能し、前記対象製品の出力予測値を補正することを特徴とする[1]乃至[4]のいずれか一つに記載の製造プロセスの制御システム。
[6] 前記セットアップ計算手段は、前記出力予測値が前記出力目標値と略一致するまで、前記操作量に修正を加えて前記物理モデルの計算を繰り返す収束計算を行い、前記操作量を決定することを特徴とする[5]に記載の製造プロセスの制御システム。
[7] 前記回帰計算手段は、
前記同定計算手段により同定計算した前記所定のパラメータを反映させた前記物理モデルを用いて、前記抽出手段により抽出した製造実績データにおける製造条件に対する出力予測値を計算し、
前記出力予測値と前記抽出手段により抽出した製造実績データにおける出力実績値との誤差を、製造条件を説明変数として回帰して前記回帰モデルを生成し、
前記回帰モデルに前記対象製品の製造条件を与えて、前記対象製品についての前記誤差予測値を求めことを特徴とする[1]乃至[6]のいずれか一つに記載の製造プロセスの制御システム。
[8] 製品の製造プロセスの挙動を説明する物理モデルを用いて、対象製品の製造条件下での前記製造プロセスを制御する製造プロセスの制御方法であって、
抽出手段が、過去に製造した製品の製造条件と前記製造プロセスの出力実績値とを紐付けた製造実績データを保存するデータベースから、前記対象製品の製造条件との製造条件空間内の距離に基づいて製造実績データを抽出するステップと、
同定計算手段が、前記抽出した製造実績データを用いて、前記物理モデルの所定のパラメータの同定計算を行うステップと
回帰計算手段が、前記同定計算した前記所定のパラメータを反映させた前記物理モデルによる出力予測値の誤差を予測した誤差予測値を、回帰モデルにより求めるステップと、
補正手段が、前記製造プロセスを制御するに際して、前記誤差予測値を用いて、前記物理モデルによる出力予測値を補正するステップとを有することを特徴とする製造プロセスの制御方法
[9] 製品の製造プロセスの挙動を説明する物理モデルを用いて、対象製品の製造条件下での前記製造プロセスを制御するためのプログラムであって、
過去に製造した製品の製造条件と前記製造プロセスの出力実績値とを紐付けた製造実績データを保存するデータベースから、前記対象製品の製造条件との製造条件空間内の距離に基づいて製造実績データを抽出する処理と、
前記抽出した製造実績データを用いて、前記物理モデルの所定のパラメータの同定計算を行う処理と
前記同定計算した前記所定のパラメータを反映させた前記物理モデルによる出力予測値の誤差を予測した誤差予測値を、回帰モデルにより求める処理と、
前記製造プロセスを制御するに際して、前記誤差予測値を用いて、前記物理モデルによる出力予測値を補正する処理とをコンピュータに実行させるためのプログラム。
The gist of the present invention for solving the above problems is as follows.
[1] A manufacturing process control system that controls the manufacturing process under the manufacturing conditions of the target product by using a physical model that explains the behavior of the manufacturing process of the product.
The manufacturing conditions of products manufactured in the past and the output actual value of the manufacturing process from a database that stores manufacturing performance data linked, manufacturing performance data based on the distance of the manufacturing conditions in the space between the production conditions of the target product Extraction means to extract
An identification calculation means that performs identification calculation of a predetermined parameter of the physical model using the manufacturing record data extracted by the extraction means, and an identification calculation means.
A regression calculation means for obtaining an error prediction value by predicting an error of an output predicted value by the physical model reflecting the predetermined parameter identified and calculated by the identification calculation means by a regression model.
A manufacturing process control system including a correction means for correcting an output predicted value by the physical model by using the error predicted value obtained by the regression calculation means when controlling the manufacturing process.
[2] The identification calculation means obtains the value of the predetermined parameter based on an objective function including an error between the output actual value in the production actual data extracted by the extraction means and the output predicted value by the physical model. The manufacturing process control system according to [1].
[3] The control system for a manufacturing process according to [2], which imposes a constraint condition that the value of the predetermined parameter is included in a predetermined range.
[4] In the objective function, in addition to the error between the output actual value in the manufacturing actual data extracted by the extraction means and the output predicted value by the physical model, the predetermined parameter value and the preset predetermined value are set. The control system for a manufacturing process according to [2] or [3], which further includes an error from a reference value of a parameter.
[5] to the physical model, and the predetermined parameters identified calculated by the identification calculation unit, wherein by inputting the manufacturing conditions of the products calculated output prediction value of the target product, the output predicted value the target A setup calculation means for determining the operation amount of the manufacturing process so as to substantially match the output target value under the manufacturing conditions of the product is provided.
The manufacturing process control system according to any one of [1] to [4], wherein the setup calculation means functions as the correction means and corrects an output predicted value of the target product.
[6] The setup calculation means determines the operation amount by performing a convergence calculation in which the operation amount is modified and the calculation of the physical model is repeated until the output prediction value substantially matches the output target value. The manufacturing process control system according to [5].
[7] the regression calculation means,
Using the physical model that reflects the predetermined parameters identified and calculated by the identification calculation means, the output predicted value for the manufacturing conditions in the manufacturing record data extracted by the extraction means is calculated.
An error between the output result value in the extracted manufacturing performance data by the extracting means and the output prediction value to generate the regression model by regressing the manufacturing conditions as explanatory variables,
Giving the products of manufacturing conditions on the regression model, the control of the manufacturing process according to any one of the characterized in that said asking you to the error prediction value for the target products [1] to [6] system.
[8] A method for controlling a manufacturing process that controls the manufacturing process under the manufacturing conditions of the target product by using a physical model that explains the behavior of the manufacturing process of the product.
Extraction means, from a database that stores manufacturing performance data and an output actual value correlated manufacturing conditions of products manufactured in the past and the manufacturing process, based on the distance of the manufacturing conditions in the space between the production conditions of the target product And the steps to extract manufacturing record data
A step in which the identification calculation means performs identification calculation of a predetermined parameter of the physical model using the extracted manufacturing record data.
A step in which the regression calculation means obtains an error predicted value by predicting an error of the output predicted value by the physical model reflecting the predetermined parameter identified and calculated by the regression model.
A method for controlling a manufacturing process, wherein the correction means includes a step of correcting an output predicted value by the physical model by using the error predicted value when controlling the manufacturing process .
[9] A program for controlling the manufacturing process under the manufacturing conditions of the target product by using a physical model that explains the behavior of the manufacturing process of the product.
The manufacturing conditions of products manufactured in the past and the output actual value of the manufacturing process from a database that stores manufacturing performance data linked, manufacturing performance data based on the distance of the manufacturing conditions in the space between the production conditions of the target product And the process of extracting
Using manufacturing performance data the extracted, the process for identifying calculation of certain parameters of the physical model,
A process of obtaining an error predicted value by predicting an error of an output predicted value by the physical model reflecting the predetermined parameter identified and calculated by a regression model.
A program for causing a computer to perform a process of correcting an output predicted value by the physical model using the error predicted value when controlling the manufacturing process.

本発明によれば、指定された対象製品を製造する際の製造プロセスの挙動を説明する物理モデルの所定のパラメータを精度良く同定することができ、物理モデルを用いた製造プロセスの制御の制御精度を向上させることができるAccording to the present invention, it is possible to accurately identify predetermined parameters of a physical model that explains the behavior of the manufacturing process when manufacturing a specified target product, and control accuracy of control of the manufacturing process using the physical model. Can be improved .

第1の実施形態に係る製造プロセスの制御システムの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the control system of the manufacturing process which concerns on 1st Embodiment. 第2の実施形態に係る製造プロセスの制御システムの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the control system of the manufacturing process which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態におけるセットアップ計算部による収束計算の例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the example of the convergence calculation by the setup calculation part in 2nd Embodiment. ピアサによる鋼管製造プロセスの概要を示す図である。It is a figure which shows the outline of the steel pipe manufacturing process by a piercer. 比較例(1)における加工終了温度予測値と加工終了温度実績値とを示す特性図である。It is a characteristic figure which shows the machining end temperature predicted value and the machining end temperature actual value in the comparative example (1). 比較例(2)における加工終了温度予測値と加工終了温度実績値とを示す特性図である。It is a characteristic figure which shows the machining end temperature predicted value and the machining end temperature actual value in the comparative example (2). 実施例(1)における加工終了温度予測値と加工終了温度実績値とを示す特性図である。It is a characteristic figure which shows the machining end temperature predicted value and the machining end temperature actual value in Example (1). 実施例(2)における加工終了温度予測値と加工終了温度実績値とを示す特性図である。It is a characteristic figure which shows the machining end temperature predicted value and the machining end temperature actual value in Example (2). 実施例(1)で求めたパラメータの値を示す特性図である。It is a characteristic figure which shows the value of the parameter obtained in Example (1). 実施例(3)、(4)で求めたパラメータの値を示す特性図である。It is a characteristic figure which shows the value of the parameter obtained in Examples (3) and (4). パラメータの基準値を示す特性図である。It is a characteristic diagram which shows the reference value of a parameter. 実施例(3)、(4)における加工終了温度予測値と加工終了温度実績値とを示す特性図である。It is a characteristic figure which shows the machining end temperature predicted value and the machining end temperature actual value in Examples (3) and (4). 層別テーブル学習方式を採用した製造プロセスの制御システムの構成例を示す図である。It is a figure which shows the configuration example of the control system of the manufacturing process which adopted the stratified table learning method.

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
[第1の実施形態]
図1に、第1の実施形態に係る製造プロセスの制御システムの構成例を示す。
製造プロセスの制御システムは、製品の製造プロセス101の挙動を説明する物理モデルを用いて、対象製品の製造条件下での製造プロセス101の操作量を求めるセットアップ制御を行う。製造プロセス101が鋼材の塑性加工や鋼板の加速冷却である場合、製造条件は、例えば鋼材のサイズ、鋼材の成分値、プロセス開始温度等、製造プロセス101の挙動を説明するのに必要と考えられる項目となる。なお、対象製品とは、これから製造しようとする製品のことであり、以下に述べるようにパラメータの同定の対象となる製品である。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[First Embodiment]
FIG. 1 shows a configuration example of a control system for a manufacturing process according to the first embodiment.
The manufacturing process control system uses a physical model that explains the behavior of the manufacturing process 101 of the product to perform setup control for obtaining the operation amount of the manufacturing process 101 under the manufacturing conditions of the target product. When the manufacturing process 101 is plastic working of a steel material or accelerated cooling of a steel sheet, the manufacturing conditions are considered necessary to explain the behavior of the manufacturing process 101, for example, the size of the steel material, the component value of the steel material, the process start temperature, and the like. It becomes an item. The target product is a product to be manufactured from now on, and is a product to be identified as a parameter as described below.

セットアップ計算部102は、物理モデルを用いて、対象製品の製造条件下での製造プロセス101の操作量を求める。このとき、物理モデルの所定のパラメータには、パラメータ同定計算部104により求めた値を適用する。製造プロセスの操作量を求める方式としては、物理モデルによる計算値である出力予測値が出力目標値と略一致するまで、操作量に修正を加えて計算を繰り返す収束計算方式が一般的である。なお、ここでいう略一致とは、出力予測値が出力目標値を基準として予め定められた範囲内の値となるという条件を満たすことを意味する。また、収束計算方式に限らず、1回のみ物理モデル計算を行い、その出力予測値と出力目標値との差に応じて操作量を修正する方式等でもよい。 The setup calculation unit 102 obtains the operation amount of the manufacturing process 101 under the manufacturing conditions of the target product by using the physical model. At this time, the value obtained by the parameter identification calculation unit 104 is applied to the predetermined parameter of the physical model. As a method for obtaining the manipulated variable of the manufacturing process, a convergent calculation method in which the manipulated variable is modified and the calculation is repeated until the output predicted value, which is a calculated value by the physical model, substantially matches the output target value, is generally used. It should be noted that the term "substantially matching" as used herein means that the condition that the predicted output value is within a predetermined range based on the output target value is satisfied. Further, the method is not limited to the convergence calculation method, and a method in which the physical model calculation is performed only once and the operation amount is corrected according to the difference between the output predicted value and the output target value may be used.

データベース105は、過去に製造した製品の製造条件と、それに対応する製造プロセス101の観測可能な出力実績値とを紐付けた製造実績データを保存、蓄積する。 The database 105 stores and accumulates manufacturing record data in which the manufacturing conditions of the products manufactured in the past and the observable output actual values of the corresponding manufacturing process 101 are linked.

抽出部103は、データベース105から、対象製品の製造条件との製造条件空間内の距離に基づいて類似データとして製造実績データを抽出する。抽出部103は、対象製品の製造条件が与えられると、対象製品の製造条件とデータベース105に保存されている製造実績データにおける製造条件との製造条件空間内の距離を計算し、この距離が近い順に所定の数だけ製造実績データを類似データとして抽出する。製造条件空間内の距離は、ユークリッド距離やマハラノビス距離等、多次元空間内の距離の定義として公知のものが適用可能である。なお、製造条件空間を定義する製造条件は、製造条件のすべてでなく、製造条件の一部としてもよい。 The extraction unit 103 extracts the manufacturing record data as similar data from the database 105 based on the distance in the manufacturing condition space from the manufacturing condition of the target product. When the manufacturing conditions of the target product are given, the extraction unit 103 calculates the distance between the manufacturing conditions of the target product and the manufacturing conditions in the manufacturing record data stored in the database 105 in the manufacturing condition space, and this distance is close. A predetermined number of manufacturing record data are extracted as similar data in order. As the distance in the manufacturing condition space, those known as the definition of the distance in the multidimensional space such as the Euclidean distance and the Mahalanobis distance can be applied. The manufacturing conditions that define the manufacturing condition space may be a part of the manufacturing conditions, not all of the manufacturing conditions.

パラメータ同定計算部104は、抽出部103によりデータベース105から抽出した製造実績データを用いて、物理モデルのパラメータ同定計算を行う。パラメータ同定計算部104により求めた所定のパラメータの値はセットアップ計算部102に与えられる。
いま、物理モデルが式(1)で表わされるとする。y´は物理モデルによる出力予測値、xは製造条件、pはパラメータである。
The parameter identification calculation unit 104 performs the parameter identification calculation of the physical model using the manufacturing record data extracted from the database 105 by the extraction unit 103. The value of a predetermined parameter obtained by the parameter identification calculation unit 104 is given to the setup calculation unit 102.
Now, suppose that the physical model is represented by equation (1). y'is the output predicted value by the physical model, x is the manufacturing condition, and p is the parameter.

Figure 0006915428
Figure 0006915428

データベース105から抽出した製造実績データ(類似データ)を{xi,yi}(i=1、・・・、N)とする。添え字iは類似データのインデックスであり、Nは類似データの個数である。xiはi番目の類似データの製造条件、yiはそれに対応する製造プロセス101の出力実績値である。
パラメータ同定計算部104は、式(1)の物理モデルを用いて、式(2)によりi番目の類似データの出力予測値yi´を求め、式(3)又は式(4)のように、データベース105から抽出した該類似データの出力実績値yiとの誤差の2乗和又は絶対値の和で表される目的関数Jを最小化するパラメータpの値を求める。
なお、物理モデルのパラメータを同定する具体的な手法は、例えば非特許文献1に開示されており、また、それ以外にも公知のパラメータ同定手法が適用可能である。
Let the manufacturing record data (similar data) extracted from the database 105 be {x i , y i } (i = 1, ..., N). The subscript i is an index of similar data, and N is the number of similar data. x i is the manufacturing condition of the i-th similar data, and y i is the output actual value of the corresponding manufacturing process 101.
The parameter identification calculation unit 104 uses the physical model of the equation (1) to obtain the output predicted value y i ′ of the i-th similar data by the equation (2), as in the equation (3) or the equation (4). , The value of the parameter p that minimizes the objective function J represented by the sum of squares or the sum of the absolute values of the error with the actual output value y i of the similar data extracted from the database 105 is obtained.
A specific method for identifying the parameters of the physical model is disclosed in, for example, Non-Patent Document 1, and other known parameter identification methods can be applied.

Figure 0006915428
Figure 0006915428

以上述べたとおり、層別テーブル学習方式のように製造条件を区分するのではなく、製造条件空間内の距離に基づいて抽出される製造実績データに基づいて、有機的に物理モデルの所定のパラメータを同定するようにしたので、指定された対象製品を製造する際の製造プロセスの挙動を説明する物理モデルの所定のパラメータを精度良く同定することができる。
すなわち、製造条件空間内の距離が近い製造実績データを優先的に採用するとともに、製造条件空間内の距離が遠く、パラメータの真値が変わるような製造実績データはパラメータ同定計算に反映されにくくなるので、層別テーブル学習方式のように区分が大きすぎるときに生じる制御精度の悪化を排除することができる。
また、希少材等については、製造条件空間内の距離が近い製造実績データが多くは存在しないケースとなるが、近くに製造実績データがないときでも、可能な限り製造条件が似通った製造実績データを抽出してパラメータ同定計算に反映させることができるので、層別テーブル学習方式のように学習が進まないことによる誤差の発生を抑えることができる。
さらに、層別テーブル学習方式では、層別に利用可能な製造条件の数は限られてしまうが、本発明を適用したパラメータ同定計算においては、利用可能な製造条件の数は、理論上は無限である。
As described above, instead of classifying the manufacturing conditions as in the stratified table learning method, the predetermined parameters of the physical model are organically determined based on the manufacturing performance data extracted based on the distance in the manufacturing condition space. Therefore, it is possible to accurately identify a predetermined parameter of the physical model that explains the behavior of the manufacturing process when manufacturing the specified target product.
That is, the manufacturing record data in which the distance in the manufacturing condition space is short is preferentially adopted, and the manufacturing record data in which the distance in the manufacturing condition space is long and the true value of the parameter changes is difficult to be reflected in the parameter identification calculation. Therefore, it is possible to eliminate the deterioration of the control accuracy that occurs when the division is too large as in the stratified table learning method.
In addition, for rare materials, there are not many manufacturing record data that are close to each other in the manufacturing condition space, but even when there is no manufacturing record data nearby, manufacturing record data with similar manufacturing conditions as much as possible. Can be extracted and reflected in the parameter identification calculation, so that it is possible to suppress the occurrence of an error due to the learning not progressing as in the stratified table learning method.
Further, in the stratified table learning method, the number of manufacturing conditions that can be used for each layer is limited, but in the parameter identification calculation to which the present invention is applied, the number of manufacturing conditions that can be used is theoretically infinite. be.

ところで、出力実績値yiと出力予測値yi´との誤差だけに着目して評価関数Jを最小化するパラメータpの値を求めると、場合によっては、過度にパラメータpの値が調整され、その結果、パラメータpの値が非現実的な値となることがある。これは、出力実績値yiと出力予測値yi´との誤差が、物理モデルのパラメータp以外に因る場合に生じる。このように出力実績値yiと出力予測値yi´との誤差が小さくなるとしても、非現実的なパラメータpの値となる場合には、物理モデルの予測値の信頼性が低くなるおそれがある。 By the way, if the value of the parameter p that minimizes the evaluation function J is obtained by focusing only on the error between the actual output value y i and the predicted output value y i ´, the value of the parameter p is excessively adjusted in some cases. As a result, the value of the parameter p may be an unrealistic value. This occurs when the error between the actual output value y i and the predicted output value y i ′ is due to a factor other than the parameter p of the physical model. Even if the error between the actual output value y i and the predicted output value y i ´ becomes smaller in this way, if the value of the parameter p is unrealistic, the reliability of the predicted value of the physical model may decrease. There is.

そこで、以下の2つの手法により物理モデルのパラメータpの値を制限するようにしてもよい。なお、以下に述べる第1の手法及び第2の手法は、いずれかを単独で利用してもよいし、その両方を併せて利用してもよい。
第1の手法は、パラメータpの値が所定の範囲内に含まれるとする制約条件を課す手法である。
具体的には、添え字jをパラメータpのインデックスとし、pLjをj番目のパラメータpjの下限値、pUjをj番目のパラメータpjの上限値として、pLj≦pj≦pUjのように範囲を設定する。下限値pLj及び上限値pUjは、対象製造プロセスの物理的考察により予め判っているものとする。
この制約条件の下で、式(3)又は式(4)の目的関数Jを最小化するパラメータpの値を求めれば、パラメータpの値が非現実的な値となることを防ぐことができる。
なお、下限値pLj及び上限値pUjの両方を設定する例を説明したが、いずれか一方だけを設定するようにしてもよい。
Therefore, the value of the parameter p of the physical model may be limited by the following two methods. In addition, either of the first method and the second method described below may be used alone, or both of them may be used in combination.
The first method is a method of imposing a constraint condition that the value of the parameter p is included in a predetermined range.
Specifically, p Lj ≤ p j ≤ p U j, where the subscript j is the index of the parameter p, p L j is the lower limit of the j-th parameter p j, and p U j is the upper limit of the j-th parameter p j. Set the range as follows. The lower limit value p Lj and the upper limit value p Uj shall be known in advance by physical consideration of the target manufacturing process.
If the value of the parameter p that minimizes the objective function J of the equation (3) or the equation (4) is obtained under this constraint condition, it is possible to prevent the value of the parameter p from becoming an unrealistic value. ..
Although an example of setting both the lower limit value p Lj and the upper limit value p Uj has been described, only one of them may be set.

第2の手法は、目的関数Jが、出力実績値yiと出力予測値yi´との誤差に加えて、パラメータpの値と予め設定されたパラメータpの基準値との誤差を更に含むようにした手法である。
具体的には、式(3.1)又は式(4.1)のように、評価関数Jを、出力実績値yiと出力予測値yi´との誤差を表わす項に加えて、パラメータpjの値とその基準値p0jとの誤差を表わす項(誤差の2乗和又は絶対値の和で表される項)を含むようにし、この評価関数Jを最小化とするパラメータpの値を求める。p0jはj番目のパラメータpjの基準値、Kjはj番目のパラメータpjの値の基準値からのずれの大きさを調整する重み係数、Mは物理モデルのパラメータの個数である。なお、基準値pj0及び重み係数Kjは、それぞれ一定値であってもよいし、予測対象の製造条件毎に異なる値であってもよい。
In the second method, the objective function J further includes an error between the value of the parameter p and the preset reference value of the parameter p, in addition to the error between the actual output value y i and the predicted output value y i ´. This is the method.
Specifically, as in Eq. (3.1) or Eq. (4.1), the evaluation function J is added to the term representing the error between the actual output value y i and the predicted output value y i ′, and a parameter. A term representing the error between the value of p j and its reference value p 0j (a term represented by the sum of squares of errors or the sum of absolute values) is included, and the evaluation function J is minimized by the parameter p. Find the value. p 0j is the reference value of the j-th parameter p j , K j is the weighting coefficient for adjusting the magnitude of the deviation of the value of the j-th parameter p j from the reference value, and M is the number of parameters of the physical model. The reference value p j0 and the weighting coefficient K j may be constant values or different values depending on the manufacturing conditions to be predicted.

Figure 0006915428
Figure 0006915428

物理モデルでは、対象製造プロセスの物理的知見(物性値の場合には理科年表等から基準値を取得できる)やオペレータの過去の経験により、パラメータpのおおよその値が判っていることがあり、その値を基準値として、そこから大きくずれない範囲でパラメータpの値を決定したい場合がある。このような場合に、式(3.1)又は式(4.1)のように、パラメータpの値とその基準値との誤差を含む評価関数に基づいて、パラメータpの値を決定すれば、パラメータpの値が非現実的な値となることを防ぐことができる。 In the physical model, the approximate value of the parameter p may be known from the physical knowledge of the target manufacturing process (in the case of physical property values, the reference value can be obtained from the science chronology, etc.) and the operator's past experience. , There is a case where it is desired to determine the value of the parameter p within a range that does not deviate significantly from the reference value. In such a case, if the value of the parameter p is determined based on the evaluation function including the error between the value of the parameter p and its reference value as in the equation (3.1) or the equation (4.1). , It is possible to prevent the value of the parameter p from becoming an unrealistic value.

式(3.1)では右辺第1項及び第2項がいずれも2次式となっており、式(4.1)では右辺第1項及び第2項がいずれも1次式となっているが、特に次数を同じにする必要はなく、問題の特徴に応じて選択すればよい。例えば右辺第1項を2次式で、第2項を1次式としたり、その逆としたりしてもよい。例えば出力実績値にノイズが含まれ、外れ値が存在する場合、右辺第1項は1次式にした方が、ノイズの影響を受けにくいロバストな同定結果になる。一方、右辺第2項を1次式にすると、基準値から変化するパラメータの数が少なくなる効果があり、多数のパラメータがある場合に、出力予測値を出力実績値に合わせ込むために、どのパラメータを調整しなければならないかが判り易くなる。 In equation (3.1), both the first and second terms on the right side are quadratic equations, and in equation (4.1), both the first and second terms on the right side are linear equations. However, it is not necessary to make the order the same, and it can be selected according to the characteristics of the problem. For example, the first term on the right side may be a quadratic expression, the second term may be a linear expression, or vice versa. For example, when noise is included in the actual output value and an outlier exists, it is better to make the first term on the right side a linear expression to obtain a robust identification result that is less susceptible to noise. On the other hand, if the second term on the right side is made into a linear expression, it has the effect of reducing the number of parameters that change from the reference value, and when there are many parameters, which one is used to match the output predicted value with the actual output value. It makes it easier to see if the parameters need to be adjusted.

[第2の実施形態]
第2の実施形態では、第1の実施形態に係る製造プロセスの制御システムをベースに、回帰計算部106により誤差予測値を求め、この誤差予測値を用いて、セットアップ計算部102において計算する対象製品についての物理モデルによる出力予測値を補正する構成を追加した例を説明する。
図2に、第2の実施形態に係る製造プロセスの制御システムの構成例を示す。なお、第1の実施形態と共通の要素には同一の符号を付してその説明を省略し、第1の実施形態との相違点を中心に説明する。
[Second Embodiment]
In the second embodiment, the regression calculation unit 106 obtains an error prediction value based on the control system of the manufacturing process according to the first embodiment, and the setup calculation unit 102 calculates the error prediction value using this error prediction value. An example of adding a configuration for correcting the output predicted value by the physical model of the product will be described.
FIG. 2 shows a configuration example of a control system for the manufacturing process according to the second embodiment. The elements common to the first embodiment are designated by the same reference numerals, the description thereof will be omitted, and the differences from the first embodiment will be mainly described.

回帰計算部106には、対象製品の製造条件と、抽出部103によりデータベース105から近傍教師データとして抽出した製造実績データと、パラメータ同定計算部104により求めた所定のパラメータの値とが与えられる。
回帰計算部106は、パラメータ同定計算部104により同定した所定のパラメータと、抽出部103によりデータベース105から抽出した製造実績データにおける製造条件を式(2)に入力し、製造実績データにおける製造条件に対する出力予測値を計算する。そして、この出力予測値と、抽出部103によりデータベース105から抽出した製造実績データにおける出力実績値との誤差を目的変数とし、製造条件を説明変数とする回帰モデルを生成する。回帰手法は、線形重回帰、PLS(Partial Least Squares)回帰、Ridge回帰等、公知の回帰手法が適用可能である。そして、生成した回帰モデルに対象製品の製造条件を与えて、対象製品についての誤差予測値を求める。なお、説明変数とする製造条件は、製造条件のすべてでなく、製造条件の一部(例えば鋼材のサイズ、鋼材の成分値)としてもよい。
The regression calculation unit 106 is given the manufacturing conditions of the target product, the manufacturing record data extracted from the database 105 by the extraction unit 103 as neighborhood teacher data, and the values of predetermined parameters obtained by the parameter identification calculation unit 104.
The regression calculation unit 106 inputs the predetermined parameters identified by the parameter identification calculation unit 104 and the production conditions in the production record data extracted from the database 105 by the extraction unit 103 into the equation (2), and the manufacturing conditions in the production record data are set. Calculate the output prediction value. Then, a regression model is generated in which the error between the output predicted value and the output actual value in the actual production data extracted from the database 105 by the extraction unit 103 is used as the objective variable and the manufacturing conditions are used as the explanatory variables. As the regression method, known regression methods such as linear multiple regression, PLS (Partial Least Squares) regression, and Ridge regression can be applied. Then, the manufacturing conditions of the target product are given to the generated regression model, and the error prediction value for the target product is obtained. The manufacturing conditions used as explanatory variables are not all of the manufacturing conditions, but may be a part of the manufacturing conditions (for example, the size of the steel material and the component value of the steel material).

ここで、パラメータ同定計算部104で用いる類似データとしての製造実績データと、回帰計算部106で用いる近傍教師データとしての製造実績データとは同じでもよいし、異なるものでもよい。回帰計算とパラメータ同定計算とは異なる値を予測するものであるので、製造実績データを同じにする必要はなく、それぞれの予測する値と相関の高い製造条件を用いて製造実績データを抽出した方が、精度の高い係数(回帰係数やパラメータの値)を計算できるからである。例えばパラメータ同定計算部104で用いる製造実績データ(類似データ)としては、製造条件A(例えば鋼材のサイズ、プロセス開始温度)の製造条件空間において定義される距離が近い製造実績データを抽出する一方、回帰計算部106で用いる製造実績データ(近傍教師データ)としては、製造条件B(例えば鋼材のサイズ、鋼材の成分値)の製造条件空間において定義される距離が近い製造実績データを抽出するようにしてもよい。なお、図2では一の抽出部103として図示したが、例えば類似データを抽出する抽出部と、近傍教師データを抽出する抽出部とに分けて構成してもよい。 Here, the manufacturing record data as similar data used by the parameter identification calculation unit 104 and the manufacturing record data as neighborhood teacher data used by the regression calculation unit 106 may be the same or different. Since the regression calculation and the parameter identification calculation predict different values, it is not necessary to make the manufacturing record data the same, and the manufacturing record data is extracted using the manufacturing conditions that are highly correlated with the predicted values. However, it is possible to calculate highly accurate coefficients (regression coefficients and parameter values). For example, as the manufacturing record data (similar data) used by the parameter identification calculation unit 104, while extracting the manufacturing record data having a short distance defined in the manufacturing condition space of the manufacturing condition A (for example, the size of the steel material and the process start temperature), As the manufacturing record data (neighborhood teacher data) used in the regression calculation unit 106, the manufacturing record data having a short distance defined in the manufacturing condition space of the manufacturing condition B (for example, the size of the steel material and the component value of the steel material) is extracted. You may. Although it is shown as one extraction unit 103 in FIG. 2, for example, it may be divided into an extraction unit for extracting similar data and an extraction unit for extracting neighborhood teacher data.

第1の実施形態でも述べたように、セットアップ計算部102において製造プロセス101の操作量を求めるとき、物理モデルによる出力予測値が出力目標値と略一致するまで、操作量に修正を加えて計算を繰り返す収束計算方式が一般的である。
図3に、第2の実施形態におけるセットアップ計算部102による収束計算の例を示す。図3の処理は、製造プロセスの仮の操作量を設定した状態で実行される。
ステップS301で、セットアップ計算部102は、物理モデルを用いて、対象製品の製造条件下での出力予測値を求める。このとき、物理モデルの所定のパラメータには、パラメータ同定計算部104により求めた値を適用する。
ステップS302で、セットアップ計算部102は、ステップS301において求めた出力予測値を、回帰計算部106により求めた誤差予測値を用いて補正した上で、目標値と略一致するか否かを判定する。その結果、出力予測値が出力目標値と略一致すれば(ステップS302:Y)、現在設定している仮の操作量を採用して、操作量として出力する。それに対して、出力予測値が出力目標値と略一致しなければ(ステップS302:N)、ステップS303に進み、現在設定している仮の操作量を修正して、ステップS301に戻る。
As described in the first embodiment, when the setup calculation unit 102 obtains the operation amount of the manufacturing process 101, the operation amount is calculated by modifying the operation amount until the output predicted value by the physical model substantially matches the output target value. A convergence calculation method that repeats the above is common.
FIG. 3 shows an example of convergence calculation by the setup calculation unit 102 in the second embodiment. The process of FIG. 3 is executed with a temporary operation amount of the manufacturing process set.
In step S301, the setup calculation unit 102 obtains an output predicted value under the manufacturing conditions of the target product using the physical model. At this time, the value obtained by the parameter identification calculation unit 104 is applied to the predetermined parameter of the physical model.
In step S302, the setup calculation unit 102 corrects the output predicted value obtained in step S301 using the error predicted value obtained by the regression calculation unit 106, and then determines whether or not it substantially matches the target value. .. As a result, if the output predicted value substantially matches the output target value (step S302: Y), the temporarily set temporary operation amount is adopted and output as the operation amount. On the other hand, if the output predicted value does not substantially match the output target value (step S302: N), the process proceeds to step S303, the currently set temporary operation amount is corrected, and the process returns to step S301.

[実施例A]
本発明を適用することによる制御精度の向上の効果を数値実験にて検証した。以下では、実施例(1)は第1の実施形態、実施例(2)は第2の実施形態に対応する。なお、実施例Aでは、第1の実施形態で説明した手法のうち、パラメータの値を制限しない手法を適用している。
実施例Aで対象とする製造プロセスはピアサによる鋼管製造プロセスとし、ピアサによる加工終了温度を予測すべき出力とした。図4に、ピアサによる鋼管製造プロセスの概要を示す。ビレット402は加工対象の材料であり、工具であるロール401を回転させながらビレッド402を挟み、バー404でプラグ403を支えて回転させながらビレット402に押し込むことで、ビレット402に孔を開け所定の径の管に加工する。ピアサによる鋼管製造の際の加工終了温度は、非特許文献2や特許文献2を参照すれば計算可能である。
[Example A]
The effect of improving the control accuracy by applying the present invention was verified by numerical experiments. In the following, Example (1) corresponds to the first embodiment, and Example (2) corresponds to the second embodiment. In Example A, among the methods described in the first embodiment, a method that does not limit the value of the parameter is applied.
The manufacturing process targeted in Example A was a steel pipe manufacturing process using a piercer, and the processing end temperature by the piercer was set as an output to be predicted. FIG. 4 shows an outline of the steel pipe manufacturing process by Piasa. The billet 402 is a material to be processed, and the billet 402 is sandwiched while rotating the roll 401, which is a tool, and the plug 403 is supported by the bar 404 and pushed into the billet 402 while rotating to make a hole in the billet 402. Process into a tube with a diameter. The processing end temperature at the time of manufacturing a steel pipe by a piercer can be calculated by referring to Non-Patent Document 2 and Patent Document 2.

鋼管を半径方向の微小要素に分割すると、半径方向位置rにおける要素の熱収支方程式は式(5)式のように表わされる。 When the steel pipe is divided into small elements in the radial direction, the heat balance equation of the elements at the radial position r is expressed by Eq. (5).

Figure 0006915428
Figure 0006915428

式(5)において、cは比熱、ρは密度、vrは要素の体積、Trは要素の温度である。
nextは隣接要素からの伝熱による入熱であり、式(6)で表わされる。λは熱伝導率、Arは隣接要素との接触面積である。
fricは工具(ロール)401との摩擦熱であり、式(7)で表わされる。ηは仕事から熱への変換係数、μは摩擦係数、Pは工具と鋼管の接触面圧、ΔVsは工具と鋼管の速度差である。
formは鋼の変形に伴って発生する熱であり、式(8)で表わされる。αは変形から熱への変換係数、εはひずみ、Kfは変形抵抗である。
In equation (5), c is the specific heat, ρ is the density, v r is the volume of the element, and Tr is the temperature of the element.
Q next is the heat input due to heat transfer from the adjacent element, and is expressed by the equation (6). λ is the thermal conductivity and Ar is the contact area with the adjacent element.
Q fric is the frictional heat with the tool (roll) 401 and is expressed by the formula (7). η is the coefficient of conversion from work to heat, μ is the coefficient of friction, P is the contact surface pressure between the tool and the steel pipe, and ΔV s is the speed difference between the tool and the steel pipe.
Q form is the heat generated by the deformation of steel and is expressed by the formula (8). α is the conversion coefficient from deformation to heat, ε is strain, and K f is the deformation resistance.

Figure 0006915428
Figure 0006915428

式(5)〜式(8)の物理モデルにおいて、ほとんどの係数や変数は測定可能であったり、理論式や実験式が与えられたりするが、変換係数αは先行知見では定式化されておらず、製造プロセス毎、製造条件毎に異なるため経験的に決めるしかないパラメータであり、今回同定すべき所定のパラメータとした。 In the physical models of equations (5) to (8), most of the coefficients and variables are measurable, and theoretical equations and experimental equations are given, but the conversion coefficient α is formulated in the previous knowledge. However, since it differs for each manufacturing process and each manufacturing condition, it is a parameter that must be determined empirically, and it is a predetermined parameter that should be identified this time.

数値実験は、計算機内で、図1、図2に示したセットアップ計算部102、抽出部103、パラメータ同定計算部104、データベース105、回帰計算部106を再現して実施した。数値実験用のデータは、鋼管製造工場の操業実績を蓄積しているデータベース(工場データベースと呼ばれる)のものを用いた。
ただし、数値実験であるため、図1、図2のように製造プロセスの操作量を計算しても、実際の操業に反映させて、制御精度を比較することはできない。そこで、本発明を適用して同定したパラメータと、工場データベースに保存されている操作量の実績とを用いて、図3に示した物理モデル計算を行い、加工終了温度を予測した。この加工終了温度予測値(出力予測値)と、該操作量の実績を用いて実プロセスを操業した結果である加工終了温度実績値(工場データベースに保存している)とを比較した。この温度予測精度が向上していれば、実際に操業に反映した際の制御精度も向上すると考えられる。なお、実施例(2)における回帰計算では、パラメータ同定計算と同じ製造条件及び製造実績データを用いた。
The numerical experiment was carried out by reproducing the setup calculation unit 102, the extraction unit 103, the parameter identification calculation unit 104, the database 105, and the regression calculation unit 106 shown in FIGS. 1 and 2 in the computer. The data for the numerical experiments used was from a database (called a factory database) that accumulates the operational results of steel pipe manufacturing plants.
However, since it is a numerical experiment, even if the operation amount of the manufacturing process is calculated as shown in FIGS. 1 and 2, the control accuracy cannot be compared by reflecting it in the actual operation. Therefore, the physical model calculation shown in FIG. 3 was performed using the parameters identified by applying the present invention and the actual results of the manipulated variable stored in the factory database, and the machining end temperature was predicted. This machining end temperature predicted value (output predicted value) was compared with the machining end temperature actual value (stored in the factory database), which is the result of operating the actual process using the actual operation amount. If this temperature prediction accuracy is improved, it is considered that the control accuracy when actually reflected in the operation is also improved. In the regression calculation in Example (2), the same manufacturing conditions and manufacturing record data as in the parameter identification calculation were used.

比較例(1)として、非特許文献1にあるように、製造条件空間の全域にわたって一意に同定したパラメータを用いた加工終了温度予測値と加工終了温度実績値とを比較した。その結果を図5に示す。また、比較例(2)として、オペレータが手動で調整した層別テーブルのパラメータを用いた加工終了温度予測値と加工終了温度実績値とを比較した。その結果を図6に示す。
それに対して、実施例(1)の数値実験により、加工終了温度予測値と加工終了温度実績値とを比較した結果を図7に示す。また、実施例(2)の数値実験により、加工終了温度予測値と加工終了温度実績値とを比較した結果を図8に示す。
図5〜図8に示すように、比較例(1)及び比較例(2)と比較して、実施例(1)では誤差平均、誤差σともに低減しており、実施例(2)ではさらに誤差平均、誤差σともに低減しており、温度予測精度が向上していることが確認できる。
As a comparative example (1), as described in Non-Patent Document 1, the predicted machining end temperature value and the actual machining end temperature value using the parameters uniquely identified over the entire manufacturing condition space were compared. The result is shown in FIG. Further, as a comparative example (2), the machining end temperature predicted value using the parameters of the stratified table manually adjusted by the operator and the machining end temperature actual value were compared. The result is shown in FIG.
On the other hand, FIG. 7 shows the result of comparing the predicted machining end temperature value and the actual machining end temperature value by the numerical experiment of Example (1). Further, FIG. 8 shows the result of comparing the predicted machining end temperature value and the actual machining end temperature value by the numerical experiment of Example (2).
As shown in FIGS. 5 to 8, both the error average and the error σ are reduced in Example (1) as compared with Comparative Example (1) and Comparative Example (2), and further in Example (2). Both the error average and the error σ are reduced, and it can be confirmed that the temperature prediction accuracy is improved.

[実施例B]
実施例Bとして、実施例Aと同じピアサによる加工終了温度を予測する問題に対して、第1の実施形態で説明した手法のうち、パラメータの値を制限する手法を適用した結果を示す。
図9は、パラメータの値を制限しない手法、すなわち実施例Aの実施例(1)で求めたパラメータの値を示す。横軸はピアサによる圧延番号、縦軸はパラメータの値を示す。
ここで、物理モデルのパラメータとしては、実施例Aで述べたように変形から熱への変換係数(加工発熱係数とも呼ばれる)αと、式(9)に示す加熱炉温度による変形抵抗の補正係数βを同定する。実施例Aでは説明を省略したが、実施例Aでも補正係数βを同定対象のパラメータとしている。
[Example B]
As Example B, the result of applying the method of limiting the value of the parameter among the methods described in the first embodiment to the problem of predicting the machining end temperature by the same piercer as in Example A is shown.
FIG. 9 shows a method that does not limit the value of the parameter, that is, the value of the parameter obtained in Example (1) of Example A. The horizontal axis shows the rolling number by the piercer, and the vertical axis shows the parameter value.
Here, as the parameters of the physical model, as described in Example A, the conversion coefficient from deformation to heat (also called the processing heat generation coefficient) α and the correction coefficient of the deformation resistance due to the heating furnace temperature shown in the equation (9) are used. Identify β. Although the description is omitted in Example A, the correction coefficient β is also used as the parameter to be identified in Example A.

Figure 0006915428
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パラメータの値を制限しない手法では、出力実績値と出力予測値との誤差の原因が全てパラメータの値にあるという前提でパラメータを同定することになる。そのため、誤差の原因がパラメータ以外の未知な要因の場合に、パラメータの値が材料毎に大きく変わることがある。補正係数βは物理的に負の値を取らないが、図9の例では、多くの材料で負の値となってしまっている。 In the method that does not limit the value of the parameter, the parameter is identified on the assumption that the cause of the error between the actual output value and the predicted output value is all the parameter value. Therefore, when the cause of the error is an unknown factor other than the parameter, the value of the parameter may change significantly for each material. The correction coefficient β does not physically take a negative value, but in the example of FIG. 9, it has become a negative value in many materials.

図10は、パラメータの値を制限する手法で求めたパラメータの値を示す。図9と同じく、横軸はピアサによる圧延番号、縦軸はパラメータの値を示す。
図10(a)は、上述した第1の手法を利用した結果を示し、パラメータの上下限値を設定する(実施例(3)とする)。上下限値は、物理現象として正しいと想定される範囲に設定し、変換係数αは0.5〜1.5、補正係数βは0〜0.5に制限した。このような制約条件を課すことにより、補正係数βが負の値となることもなく、同定結果は所定の範囲内となっている。
FIG. 10 shows the parameter values obtained by the method of limiting the parameter values. As in FIG. 9, the horizontal axis shows the rolling number by the piercer, and the vertical axis shows the parameter value.
FIG. 10A shows the result of using the first method described above, and sets the upper and lower limit values of the parameters (referred to as Example (3)). The upper and lower limits were set within a range assumed to be correct as a physical phenomenon, the conversion coefficient α was limited to 0.5 to 1.5, and the correction coefficient β was limited to 0 to 0.5. By imposing such a constraint condition, the correction coefficient β does not become a negative value, and the identification result is within a predetermined range.

図10(b)は、上述した第2の手法を利用した結果を示し、パラメータの値とその基準値との誤差を含む評価関数を用いる(実施例(4)とする)。変換係数αの基準値及び補正係数βの基準値は、オペレータが過去の経験からおおよそ正しいと考えている値とした。図11に、変換係数αの基準値及び補正係数βの基準値を示す。実施例(4)では、変換係数αに上下限値を設定しないが、補正係数βには下限値をゼロに設定した。評価関数は、式(3.1)を使用し、重み係数Kj=1とした。重み係数Kjの大きさにより効果は異なるが、基準値から大きくずれない範囲で、物理モデルが高精度となるようパラメータを調整している。
図9の結果と比べると、パラメータの変動は小さくなった。変換係数α及び補正係数βについて、図9の場合、基準値とのRMSEはそれぞれ0.186及び0.086であったのに対して、図10(b)の場合、基準値とのRMSEはそれぞれ0.181及び0.030となり、基準値とのRMSEが小さくなるようにパラメータの値が求められた。特に補正係数βでは、基準値との差が大幅に小さくなり、実績データに合せるためのパラメータの過度な変動が抑制された。
FIG. 10B shows the result of using the second method described above, and uses an evaluation function including an error between the parameter value and the reference value thereof (referred to as Example (4)). The reference value of the conversion coefficient α and the reference value of the correction coefficient β are set to values that the operator considers to be approximately correct from past experience. FIG. 11 shows a reference value of the conversion coefficient α and a reference value of the correction coefficient β. In Example (4), the upper and lower limit values are not set for the conversion coefficient α, but the lower limit value is set to zero for the correction coefficient β. The evaluation function used the equation (3.1) and set the weighting coefficient K j = 1. The effect differs depending on the magnitude of the weighting coefficient K j , but the parameters are adjusted so that the physical model has high accuracy within a range that does not deviate significantly from the reference value.
Compared with the result of FIG. 9, the variation of the parameter was small. Regarding the conversion coefficient α and the correction coefficient β, in the case of FIG. 9, the RMSE with the reference value was 0.186 and 0.086, respectively, whereas in the case of FIG. 10B, the RMSE with the reference value was 0.186 and 0.086, respectively. The values were 0.181 and 0.030, respectively, and the parameter values were determined so that the RMSE with the reference value would be small. In particular, with the correction coefficient β, the difference from the reference value became significantly smaller, and excessive fluctuations in the parameters for matching with the actual data were suppressed.

図7は、既述したとおり、実施例(1)により、加工終了温度予測値と加工終了温度実績値とを比較した結果を示す。この場合の誤差は6.81℃であった。
それに対して、図12(a)は、図10(a)に対応し、実施例(3)により、加工終了温度予測値と加工終了温度実績値とを比較した結果を示す。この場合の誤差は6.99℃であり、パラメータの値を制限しない実施例(1)と比べて物理モデルの予測精度は同等であり、良好な予測精度となった。
また、図12(b)は、図10(b)に対応し、実施例(4)により、加工終了温度予測値と加工終了温度実績値とを比較した結果を示す。この場合の誤差は6.76℃であり、パラメータの値を制限しない実施例(1)と比べて物理モデルの予測精度は同等であり、良好な予測精度となった。
このように、物理モデルのパラメータに上下限値を設定したり、基準値との誤差評価を行ったりすることで、パラメータの過度な変動が抑制され、信頼性の優れた同定結果が得られた。
As described above, FIG. 7 shows the result of comparing the predicted machining end temperature value and the actual machining end temperature value according to the first embodiment. The error in this case was 6.81 ° C.
On the other hand, FIG. 12A corresponds to FIG. 10A and shows the result of comparing the machining end temperature predicted value and the machining end temperature actual value according to the embodiment (3). The error in this case was 6.99 ° C., and the prediction accuracy of the physical model was the same as that of Example (1) in which the value of the parameter was not limited, and the prediction accuracy was good.
Further, FIG. 12 (b) corresponds to FIG. 10 (b), and shows the result of comparing the machining end temperature predicted value and the machining end temperature actual value according to the embodiment (4). The error in this case was 6.76 ° C., and the prediction accuracy of the physical model was the same as that of Example (1) in which the value of the parameter was not limited, and the prediction accuracy was good.
In this way, by setting the upper and lower limit values for the parameters of the physical model and evaluating the error from the reference value, excessive fluctuations in the parameters were suppressed, and highly reliable identification results were obtained. ..

以上、本発明を一実施形態と共に説明したが、上記実施形態は本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
例えばセットアップ計算部102、抽出部103、パラメータ同定計算部104、回帰計算部106は、例えばCPU、ROM、RAM等を備えたコンピュータ装置により実現される。この場合に、一つのハードウェアで各部を構成してもよいし、複数のハードウェアで各部を構成してもよい。
また、上記実施形態では、抽出部103が本発明でいう抽出手段として機能し、パラメータ同定計算部104が本発明でいう計算手段として機能して、パラメータ同定装置を構成する。この場合、抽出部103及びパラメータ同定計算部104は一つのハードウェアで構成されることに限らず、複数のハードウェアで構成されてもよい。
また、本発明は、ソフトウェア(プログラム)をネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータがプログラムを読み出して実行することによっても実現可能である。
Although the present invention has been described above with one embodiment, the above-described embodiment is merely an example of embodiment of the present invention, and the technical scope of the present invention is limitedly interpreted by these. It should not be. That is, the present invention can be implemented in various forms without departing from the technical idea or its main features.
For example, the setup calculation unit 102, the extraction unit 103, the parameter identification calculation unit 104, and the regression calculation unit 106 are realized by a computer device including, for example, a CPU, a ROM, a RAM, and the like. In this case, each part may be configured by one hardware, or each part may be configured by a plurality of hardware.
Further, in the above embodiment, the extraction unit 103 functions as the extraction means according to the present invention, and the parameter identification calculation unit 104 functions as the calculation means according to the present invention to form the parameter identification device. In this case, the extraction unit 103 and the parameter identification calculation unit 104 are not limited to being composed of one hardware, but may be composed of a plurality of hardware.
The present invention can also be realized by supplying software (program) to a system or device via a network or various storage media, and the computer of the system or device reads and executes the program.

101:製造プロセス
102:セットアップ計算部
103:抽出部
104:パラメータ同定計算部
105:データベース
106:回帰計算部
101: Manufacturing process 102: Setup calculation unit 103: Extraction unit 104: Parameter identification calculation unit 105: Database 106: Regression calculation unit

Claims (9)

製品の製造プロセスの挙動を説明する物理モデルを用いて、対象製品の製造条件下での前記製造プロセスを制御する製造プロセスの制御システムであって、
過去に製造した製品の製造条件と前記製造プロセスの出力実績値とを紐付けた製造実績データを保存するデータベースから、前記対象製品の製造条件との製造条件空間内の距離に基づいて製造実績データを抽出する抽出手段と、
前記抽出手段により抽出した製造実績データを用いて、前記物理モデルの所定のパラメータの同定計算を行う同定計算手段と
前記同定計算手段により同定計算した前記所定のパラメータを反映させた前記物理モデルによる出力予測値の誤差を予測した誤差予測値を、回帰モデルにより求める回帰計算手段と、
前記製造プロセスを制御するに際して、前記回帰計算手段により求めた前記誤差予測値を用いて、前記物理モデルによる出力予測値を補正する補正手段とを備えたことを特徴とする製造プロセスの制御システム
A manufacturing process control system that controls the manufacturing process under the manufacturing conditions of the target product using a physical model that describes the behavior of the manufacturing process of the product.
The manufacturing conditions of products manufactured in the past and the output actual value of the manufacturing process from a database that stores manufacturing performance data linked, manufacturing performance data based on the distance of the manufacturing conditions in the space between the production conditions of the target product Extraction means to extract
An identification calculation means that performs identification calculation of a predetermined parameter of the physical model using the manufacturing record data extracted by the extraction means, and an identification calculation means.
A regression calculation means for obtaining an error prediction value by predicting an error of an output predicted value by the physical model reflecting the predetermined parameter identified and calculated by the identification calculation means by a regression model.
A manufacturing process control system including a correction means for correcting an output predicted value by the physical model by using the error predicted value obtained by the regression calculation means when controlling the manufacturing process.
前記同定計算手段は、前記抽出手段により抽出した製造実績データにおける出力実績値と前記物理モデルによる出力予測値との誤差を含む目的関数に基づいて、前記所定のパラメータの値を求めることを特徴とする請求項1に記載の製造プロセスの制御システムThe identification calculation means is characterized in that the value of the predetermined parameter is obtained based on an objective function including an error between the output actual value in the manufacturing actual data extracted by the extraction means and the output predicted value by the physical model. The control system for the manufacturing process according to claim 1. 前記所定のパラメータの値が所定の範囲内に含まれるとする制約条件を課すことを特徴とする請求項2に記載の製造プロセスの制御システム The control system for a manufacturing process according to claim 2, wherein a constraint condition is imposed such that the value of the predetermined parameter is included in the predetermined range. 前記目的関数は、前記抽出手段により抽出した製造実績データにおける出力実績値と前記物理モデルによる出力予測値との誤差に加えて、前記所定のパラメータの値と予め設定された前記所定のパラメータの基準値との誤差を更に含むことを特徴とする請求項2又は3に記載の製造プロセスの制御システムThe objective function is, in addition to the error between the output actual value in the manufacturing actual data extracted by the extraction means and the output predicted value by the physical model, the value of the predetermined parameter and the preset reference of the predetermined parameter. The control system for a manufacturing process according to claim 2 or 3, further comprising an error from the value. 前記物理モデルに、前記同定計算手段により同定計算した前記所定のパラメータと、前記対象製品の製造条件とを入力して前記対象製品の出力予測値を求め、該出力予測値が前記対象製品の製造条件下での出力目標値と略一致するように前記製造プロセスの操作量を決定するセットアップ計算手段を備え、
前記セットアップ計算手段が、前記補正手段として機能し、前記対象製品の出力予測値を補正することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の製造プロセスの制御システム。
The predetermined parameter identified and calculated by the identification calculation means and the manufacturing conditions of the target product are input to the physical model to obtain the output predicted value of the target product, and the output predicted value is the manufacturing of the target product. A setup calculation means for determining the operation amount of the manufacturing process so as to substantially match the output target value under the conditions is provided.
The control system for a manufacturing process according to any one of claims 1 to 4, wherein the setup calculation means functions as the correction means and corrects an output predicted value of the target product.
前記セットアップ計算手段は、前記出力予測値が前記出力目標値と略一致するまで、前記操作量に修正を加えて前記物理モデルの計算を繰り返す収束計算を行い、前記操作量を決定することを特徴とする請求項5に記載の製造プロセスの制御システム。 The setup calculation means is characterized in that the operation amount is determined by performing a convergence calculation in which the operation amount is modified and the calculation of the physical model is repeated until the output prediction value substantially matches the output target value. The control system for the manufacturing process according to claim 5. 前記回帰計算手段は、
前記同定計算手段により同定計算した前記所定のパラメータを反映させた前記物理モデルを用いて、前記抽出手段により抽出した製造実績データにおける製造条件に対する出力予測値を計算し、
前記出力予測値と前記抽出手段により抽出した製造実績データにおける出力実績値との誤差を、製造条件を説明変数として回帰して前記回帰モデルを生成し、
前記回帰モデルに前記対象製品の製造条件を与えて、前記対象製品についての前記誤差予測値を求めことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の製造プロセスの制御システム。
The regression calculation means
Using the physical model that reflects the predetermined parameters identified and calculated by the identification calculation means, the output predicted value for the manufacturing conditions in the manufacturing record data extracted by the extraction means is calculated.
An error between the output result value in the extracted manufacturing performance data by the extracting means and the output prediction value to generate the regression model by regressing the manufacturing conditions as explanatory variables,
The given conditions for producing the target product, the control system of the manufacturing process according to any one of claims 1 to 6, characterized in that asking you to the error prediction value for said products to the regression model.
製品の製造プロセスの挙動を説明する物理モデルを用いて、対象製品の製造条件下での前記製造プロセスを制御する製造プロセスの制御方法であって、
抽出手段が、過去に製造した製品の製造条件と前記製造プロセスの出力実績値とを紐付けた製造実績データを保存するデータベースから、前記対象製品の製造条件との製造条件空間内の距離に基づいて製造実績データを抽出するステップと、
同定計算手段が、前記抽出した製造実績データを用いて、前記物理モデルの所定のパラメータの同定計算を行うステップと
回帰計算手段が、前記同定計算した前記所定のパラメータを反映させた前記物理モデルによる出力予測値の誤差を予測した誤差予測値を、回帰モデルにより求めるステップと、
補正手段が、前記製造プロセスを制御するに際して、前記誤差予測値を用いて、前記物理モデルによる出力予測値を補正するステップとを有することを特徴とする製造プロセスの制御方法
A method for controlling a manufacturing process that controls the manufacturing process under the manufacturing conditions of the target product by using a physical model that explains the behavior of the manufacturing process of the product.
Extraction means, from a database that stores manufacturing performance data and an output actual value correlated manufacturing conditions of products manufactured in the past and the manufacturing process, based on the distance of the manufacturing conditions in the space between the production conditions of the target product And the steps to extract manufacturing record data
A step in which the identification calculation means performs identification calculation of a predetermined parameter of the physical model using the extracted manufacturing record data.
A step in which the regression calculation means obtains an error predicted value by predicting an error of the output predicted value by the physical model reflecting the predetermined parameter identified and calculated by the regression model.
A method for controlling a manufacturing process, wherein the correction means includes a step of correcting an output predicted value by the physical model by using the error predicted value when controlling the manufacturing process .
製品の製造プロセスの挙動を説明する物理モデルを用いて、対象製品の製造条件下での前記製造プロセスを制御するためのプログラムであって、
過去に製造した製品の製造条件と前記製造プロセスの出力実績値とを紐付けた製造実績データを保存するデータベースから、前記対象製品の製造条件との製造条件空間内の距離に基づいて製造実績データを抽出する処理と、
前記抽出した製造実績データを用いて、前記物理モデルの所定のパラメータの同定計算を行う処理と
前記同定計算した前記所定のパラメータを反映させた前記物理モデルによる出力予測値の誤差を予測した誤差予測値を、回帰モデルにより求める処理と、
前記製造プロセスを制御するに際して、前記誤差予測値を用いて、前記物理モデルによる出力予測値を補正する処理とをコンピュータに実行させるためのプログラム。
A program for controlling the manufacturing process under the manufacturing conditions of the target product by using a physical model that explains the behavior of the manufacturing process of the product.
The manufacturing conditions of products manufactured in the past and the output actual value of the manufacturing process from a database that stores manufacturing performance data linked, manufacturing performance data based on the distance of the manufacturing conditions in the space between the production conditions of the target product And the process of extracting
Using manufacturing performance data the extracted, the process for identifying calculation of certain parameters of the physical model,
A process of obtaining an error predicted value by predicting an error of an output predicted value by the physical model reflecting the predetermined parameter identified and calculated by a regression model.
A program for causing a computer to perform a process of correcting an output predicted value by the physical model using the error predicted value when controlling the manufacturing process.
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