JP2002153909A - 平坦度を測定及び/又は制御する方法乃至装置、平坦度制御システム - Google Patents

平坦度を測定及び/又は制御する方法乃至装置、平坦度制御システム

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JP2002153909A JP2001249605A JP2001249605A JP2002153909A JP 2002153909 A JP2002153909 A JP 2002153909A JP 2001249605 A JP2001249605 A JP 2001249605A JP 2001249605 A JP2001249605 A JP 2001249605A JP 2002153909 A JP2002153909 A JP 2002153909A
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    • B21BROLLING OF METAL
    • B21B37/00Control devices or methods specially adapted for metal-rolling mills or the work produced thereby
    • B21B37/28Control of flatness or profile during rolling of strip, sheets or plates
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B65CONVEYING; PACKING; STORING; HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL
    • B65HHANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL, e.g. SHEETS, WEBS, CABLES
    • B65H2557/00Means for control not provided for in groups B65H2551/00 - B65H2555/00
    • B65H2557/20Calculating means; Controlling methods
    • B65H2557/264Calculating means; Controlling methods with key characteristics based on closed loop control
    • B65H2557/2644Calculating means; Controlling methods with key characteristics based on closed loop control characterised by PID control

Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 帯材を圧延する際の平坦度を測定および/ま
たは制御する方法を提供すること。 【解決手段】 圧延時の帯材の平坦度を測定及び/又は
制御する方法において、測定値を検出するステップ、前
記各測定値を独立した各成分に分解するステップ、及び
各制御量を制御するステップを有し、各測定値の分解を
直交他項式を用いて行い、独立した各成分を目標値一平
坦度モデルからの各目標値とを比較し、制御偏差を多変
量制御器に減結合部を介して供給する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は帯材(帯鋼)を圧延
する際の平坦度を測定および/または制御する方法、平
坦度制御システムに関する。
【0002】
【従来の技術】帯材の圧延時には帯材の最適な平坦度お
よび形状を維持することが特に問題となる。このために
は加工中の帯材が一貫して所定の帯材プロフィルを有
し、中央で最終ライン(Fertigstrasse)へ入ると有利で
ある。さらに個々のスタンドでは、全てのスタンドでそ
れぞれ均一な長さの帯材が帯材の全幅にわたって得られ
るように個々のスタンドごとのパスの圧延率を定めなけ
ればならない。さらに平坦度が許容範囲を外れる帯材の
長さを(最終製品として)低減しなければならない。こ
れは特に帯材の頭部および脚部に当てはまる。
【0003】このために圧延金属板の長さの分布を平坦
度測定システムを用いて求めることが知られている(図
1を参照)。種々の形式の誤り、例えば中央リップル
(中央部での波状の誤り変形)、縁リップル(縁部での波
状の誤り変形)、1/4リップル(1/4部での波状の誤
り変形)、またはさらに高次の非平坦度などが測定され
た長さの分布を数学的に解析することにより求められ、
所望に応じて適切な調整要素が誤り補正に使用される。
【0004】長さの分布を表すには、通常、多項式 p(x)=a+ax+a+a+a
を用いる。ここでは係数a,aにより帯材の左側ま
たは右側での一方側の縁リップルを示す。また係数
,aは帯材の左側および右側での対称の中央リッ
プルまたは対称の縁リップルを示す。係数a,a
いしa,aはしたがって共通の情報成分を含む。
【0005】これまで少なくとも大抵の実際の平坦度制
御の実施形態では主に係数(以下では要素とも称する)
,aが使用されている。
【0006】最終段での平坦度を制御するために、多く
の場合、作業ロールの曲げ部の調整量を使用して要素a
,aを排除し、また操作者側および作業側(旋回
部)での液圧による調整を用いて誤り成分a,a
除去する。したがって制御のために旋回部では係数
,aが使用され、曲げ部に対して係数a,a
が制御量として使用される。
【0007】幾つかの圧延スタンドでは作業ロールの軸
方向シフトが圧延ギャップ輪郭の予調整のために優先的
に用いられ、場合により制御回路内部で1/4リップル
を補正する曲げ部と組み合わされる。さらに作業ロール
の選択的な多ゾーン冷却により高次の平坦度誤りの補正
が可能となる。この種の制御は例えばドイツ連邦共和国
特許出願第19758466号明細書から公知である。
【0008】この場合そのつどセットアップ計算によっ
て設定される圧延力および曲げ力の調整分について調整
量が計算される。制御回路として周知のPI制御回路が
使用されるが、この回路ではラインの無駄時間を明確に
考慮することができない。したがって制御回路増幅率
(特にI成分の増幅率)の調整が弱くなり、制御回路の
不安定性を回避しにくくなる。
【0009】この制御システムはますます高まってくる
平坦度品質への要求を満足することができない。なぜな
ら平坦度制御は比較的長い時間が経過しないと目標値曲
線に達しないからである。これによりまず平坦度が許容
範囲を外れる帯材が大きくなることを甘受しなければな
らない。しかも目標値曲線は完全に得られることは少な
く、近似するのみであって、大きな縁リップルないし中
央リップルが発生することもある。
【0010】さらに欠点として、要素a,a
,a,aが反作用をもたらし、無駄時間が考慮
ないし補償されないことが挙げられる。さらに調整要素
特性(影響関数)は帯材ごとにたった1回しか計算され
ず、一定であると見なされてしまう。これは計算に反復
モデル式が使用されるからである。
【0011】前述の従来技術の平坦度制御法に基づい
て、既に、従来技術の制御コンセプトを拡張して前述の
欠点を部分的に除去することが提案されている。
【0012】測定された平坦度を相互に直交しない影響
関数(Einflussfunktion)へ分解することは、Schneider,
A.; Kern,P.; Steffens,M., "Model Supported Profile
andFlatness Control Systems", Proc. of 49°Congre
sso Internaciona de Tecnnologia Metalurgica e de M
aterials-International Conference, 9-14 October199
4, S±o Paulo, Vol.6, 49/60、およびMcDonald,I.R.;
Mason,J.D., "Advances in flatness control technolo
gy", Proc. of the Conf. on the Control of Profile
and Flateness, 25-27 March 1996, The Institute of
Materials, Birmingham, 161/70頁に記載されている。
これにより改善された結果を得ることができるが、調整
量が冗長的できわめて類似している場合にはシステムの
コンディショニングが劣悪であることにより(システム
の反転能力が劣悪であることにより)きわめて大きな調
整量が発生する。ここからきわめて強い負荷が生じるこ
とがある。
【0013】Grimble,M.J.; Fotakis,J., "The Design
of Strip Shape Control Systems for Sendzimir Mill
s", IEEE Trans. on Automatic Control 27(1982), No.
3, 656/666、および Ringwood,J.V., "Shape Control S
ystems for Sendzimir SteelMills", IEEE Trans. on C
ontrol Systems Technology 8(2000)no.1, 70/86頁には
センジミアスタンドに対する平坦度制御法が示されてお
り、平坦度制御を改善するために平坦度の値をチェビシ
ェフ多項式へ分解することが提案されている。ただしこ
こでは無駄時間の補償および調整量の制限は考慮されて
いない。調整量はここでは多変量制御回路により求めら
れる。この多変量制御回路はオンラインダイナミック最
適化するようには構成されていない。
【0014】観察者と従来技術の状態制御回路とによる
平坦度制御法は、Hoshino,I.; Kimura,H., "Observer-b
ased multivariable control of rolling mills", Prep
rints of the IFAC Workshop on Automation in Minin
g, Mineral and Metal Processing, 1-3 September 199
8, Cologne 251/256頁に提案されている。非線形モデル
およびダイナミック最適化するように拡張した方法は、
Pu,H.; Nern,H.-J.; Roemer,R.; NourEldin,H.A.; Ker
n,P.; Jelali,M., "State-observer design andverific
ation towards developing an integrated flatness-th
ickness control system for the 20 roll sendzimir c
luster mill", Proc.Intern.Conf. on Steel Rolling
(Steel Rolling '98), 9-11 November 1998, The Iron
and SteelInstitute of Japan, Chiba, 124/29頁、およ
び Pu,H.; Nern,H.-J.; Roemer,R.; NourEldin,H.A.; J
elali,M.; Totz,O.; Kern,P., "The Hardware-in-Loop
simulations and on-line tests of an integrated thi
ckness and flatness control system for the 20 roll
s sendzimir cold rolling mill", Proc.Intern.Conf.
on Modelling of Metal Rolling Processes, 13-15 Dec
ember 1999, London208/16頁に記載されている。ただし
これらの解決法では平坦度を直交多項式へ分解する手段
は行われていない。このためこれらのアプローチによっ
ても無駄時間は補償されない。
【0015】Smithプレディケータ(予測器)を用いて無
駄時間を補償することによる平坦度制御の改善法は、So
da,K.; Amanuma,Y.; Tsuchii,K.; Ohno,S., "Improveme
nt in Flatness Control Response for Tandem Cold St
rip Mill", Proc.Intern.Conf. on Steel Rolling (Ste
el Rolling '98), 9-11 November 1998, The Iron and
Steel Institute of Japan, Chiba, 760/765頁に記載さ
れている。ここではプレディケータが第1のサンプリン
グステップで無駄時間の経過後に発生する制御量を計算
し、これによって無駄時間が補償される。平坦度は影響
関数にしたがって分解される。調整量が冗長的できわめ
て類似している場合、システムのコンディショニングが
劣悪であることにより(システムのインバート制御能力
(inverierbare)が劣悪であることにより)きわめて大き
な調整量が発生する。これにより装置は大きな負荷を受
けることがある。Smithプレディケータには従来技術の
多変量制御回路(PID制御回路)が集積されている。
ただしこれによっても無駄時間を超える制御量特性を予
測するダイナミック最適化は行えない。この場合は直接
に第1のサンプリングステップで無駄時間後に発生する
制御量が予測される。
【0016】従来技術の多くの平坦度測定システムでは
測定値は予め定められたサンプリング時点で送出されて
いる。時間離散的な制御回路、例えばPI制御回路を使
用する場合、サンプリング時間は一定であることが前提
となる。サンプリング時間が一定に維持されない場合に
は、制御結果が劣化したり制御回路が不安定になったり
する。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】本発明の基礎とする課
題は、帯材を圧延する際の平坦度を測定および/または
制御する方法を提供することである。課題はまた、本発
明の方法を実施する装置を提供することである。
【0018】
【課題を解決するための手段】この課題は、請求項1に
特徴部分に記載された方法、請求項9の特徴部分に記載
された装置および請求項14の特徴部分に記載された平
坦度制御システムによって解決される。有利な発展形態
は従属請求項に記載されている。
【0019】
【発明の実施の形態】本発明は、平坦度を検出して、こ
れを直交成分へ分解するモデル支援された直交の多変量
平坦度制御システムにより、従来技術の平坦度制御を改
善するという技術思想に基づいている。有利にはこの多
変量平坦度制御システムでは、調整量の制限を考慮した
ダイナミックオンライン最適化による調整量が決定さ
れ、ダイナミック最適化に使用される制御量(平坦度
値)が予測される。制御量の予測は無駄時間を超えて、
つまり、考慮して行われる。モデルベースの予測的な方
式では、制御量の予測は、無駄時間後の第1サンプリン
グステップから予測範囲(地平)(Pr"adikationshorizon
t)まで使用される。これによって、個別の調整要素の
時定数が大きく異なっている場合にも各時点に最適な調
整量が計算される。これらの情報は有利にもダイナミッ
ク最適化にも同様に使用される。
【0020】有利には成分と、装置のオンライン制御可
能なモデルを提供する値とを比較することができる。得
られた偏差(差分)は制御量として使用することができ、
引き続いて独立した成分に分解された目標平坦度曲線と
比較することができる。得られた制御偏差(差分)は、最
適な減結合を介して多変量制御器に供給することができ
る。
【0021】本発明の方法で殊に有利であるのは、無駄
時間を内部モデル制御(Internal Model Control IMC)
方式によって考慮できることである。これによって制御
(整定)時間を短縮し、許容範囲外にある帯材長を低減す
ることがことができる。
【0022】平坦度測定値を独立した成分に分解するこ
とによって、さらに各平坦度誤りを一義的に識別するこ
とでき、これにより制御の質を格段に改善することがで
きる。
【0023】また平坦度を直交成分に分解することによ
って、所要の調整量の数および形式が決定されることも
有利である。
【0024】本発明の方法によってさらに、圧延力の変
化と、温度による反りと、装入される帯材の特性とを時
間ステップ毎に外乱変数作用システム部によって考慮す
ることができる。
【0025】さらにこの方法は、この方法により、区間
に並列に配置されたオンライン制御可能な装置のモデル
によって、この装置の非線形性をオンラインで明示的に
考慮できるという利点を有する。
【0026】本発明の方法および所属のシステムでは有
利にも、イベント発生器とイベント駆動されるサンプル
ホールド要素とを有するIMC(Internal Model Contr
ol)方式によって、時間的に変化するサンプリング時間
を有する平坦度測定システムが考慮される。
【0027】有利な実施形態では、本発明の多変量平坦
度制御システムは以下を有する。すなわち測定システム
による、帯材の平坦度の検出と、平坦度誤り(長さの分
布)の直交成分への分解と、圧延過程に関与する重要な
すべての量(曲げ、旋回、ずれ、温度による反りその
他)を考慮する、明示的なオンライン制御可能な線形ま
たは非線形のプロフィールおよび平坦度モデルと、平坦
度制御に対する目標値を計算する、明示的なオンライン
制御可能なモデルと、帯材の平坦度を制御するための多
変量制御器と、無駄時間を超えるダイナミックな最適化
に使用される、制御量(平坦度値)の予測と、装入され
るバンドの特性と、圧延力および温度による反りの変化
とを考慮する外乱変数作用部と、可変のサンプリング時
間を有する平坦度測定システムを考量する、イベント駆
動されるサンプリングシステムとを有する。
【0028】成分の分解は有利には直交多項式、例えば
チェビシェフ多項式またはグラム多項式を用いて行わ
れ、これはW. H. Press, S. A. Teukolsky, W. T. Vett
erling, B. P. Flannery: Numerical Recipies in C, C
ambridge University Press (1992)またはA. Ralston,
P. Rabinowitz: A first course in numerical analysi
s, International series in pure applied mathematic
s, McGraw-Hill (1978)に記載されている。
【0029】送出される金属板の平坦度は、ローラの軸
のシフト(ずらし)、曲げ、旋回によって、ならびに選択
的な多ゾーン冷却によって制御することができる。個々
の調整量は多変量制御器を用いて上記の制御偏差(差分)
から決定することができる。ここでは圧延力、装入され
る帯材特性および温度による反りの影響を、外乱変数作
用部によって補償することができる。
【0030】
【実施例】図2に示したように平坦度偏差を測定システ
ムによって決定し、引き続き直交した(独立した)成分
に分解する。これらの成分と、装置のオンライン制御可
能なモデルが供給する値とを較する。得られた偏差(差
分)は制御量として使用する。引き続いてこれと、独立
した成分に分解された目標平坦度曲線とを比較し、得ら
れた制御偏差(差分)を多変量制御器に供給する。ここで
この多変量制御器は、調整量制限と予測された制御量経
過特性と使用するダイナミック(動的)最適化部と、オン
ライン制御可能なモデルとからなる。可変のサンプリン
グ時間を有する平坦度測定システムを考慮するため、イ
ベント駆動されるサンプリングシステムが設けられてお
り、ここでこれは2つのサンプルホールド要素と共に作
用するイベント発生器を有する。
【0031】送出される金属板の平坦度は、圧延の軸の
ズラし、曲げおよび旋回によって、ならびに選択的な多
ゾーン冷却によって制御される。個々の調量量は多変量
制御器を用いて上記の制御偏差(差分)から決定される。
ここでは圧延力、装入される帯材特性および温度による
反りの影響は、外乱変数作用部によって補償される。
【0032】従来技術に対して新しいコンセプトの利点
が例示的にシミュレーションによって図3a,3b,4
aおよび4bに示されている。ここではセンジミアスタ
ンドのモデルが使用されており、ここで時定数は調整要
素において大きく異なっている。ここでは円錐ローラを
誤って逆方向にずらすことによる平坦度誤りが前提にさ
れている。この新しいコンセプトによって平坦度誤りが
約30mの帯材長の後、制御される(図3b参照)。こ
れに対して現在の従来技術のコンセプトでは10 lU
nitの平坦度残差のままである(図3a参照)。この
残差は約300mの帯材長の後、ようやくなくなる。こ
の原因は、現在のコンセプトでは、無駄時間を超えかつ
予測による制御量を考慮しダイナミック最適化が使用さ
れないからである。
【0033】図4bの調整量の経過から分かるのは、本
発明の多変量平坦度システムはまず曲げないしは旋回に
応答し、引き続き緩慢な円錐ローラに追従し、これによ
って平坦度誤りが制御され、ひいては各時点に最適な調
整量が決定される。現在のコンセプト(図4a参照)は
円錐ローラに所要の速度で応答できておらず、ひいては
平坦度誤りを制御できない。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来技術による平坦度制御を示す図である。
【図2】測定した平坦度の直交成分への分解部と、外乱
変数作用部と、制限を考慮するダイナミック最適化部と
を有する、モデルに支援され予測によって帯材を多変量
平坦度制御する本発明の方法を示す図である。
【図3a】慣用の制御システムにおける制御結果を示す
図である。
【図3b】本発明による制御システムにおける制御結果
を示す図である。
【図4a】慣用の制御システムにおける調整量経過を示
す線図である。
【図4b】本発明による制御システムにおける調整量経
過を示す線図である。
フロントページの続き (72)発明者 モヒーディン ジェラリ ドイツ連邦共和国 ドゥイスブルク ケー ニッヒグレッツァー シュトラーセ 38 (72)発明者 ウルリッヒ ミュラー ドイツ連邦共和国 モンハイム アム ラ イン マリア−モンテッソーリ−シュトラ ーセ 59 (72)発明者 ゲルト ティーマン ドイツ連邦共和国 ボーフム カッセンベ ルガー シュトラーセ 168ベー (72)発明者 アンドレアス ヴォルフ ドイツ連邦共和国 デュッセルドルフ カ イザー シュトラーセ 34アー Fターム(参考) 4E024 AA02 DD02 DD05 DD09

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 圧延時の帯材の平坦度を測定及び/又は
    制御する方法において、測定値を独立した各成分に分解
    することを特徴とする方法。
  2. 【請求項2】 圧延時の帯材の平坦度を測定及び/又は
    制御する方法であって、以下の各ステップ: −測定値を検出するステップ、 −前記各測定値を独立した各成分に分解するステップ、
    及び −各制御量を制御するステップを有する方法。
  3. 【請求項3】 各測定値の分解を直交多項式を用いて行
    う請求項1又は2記載の方法。
  4. 【請求項4】 独立した各成分を、目標値−平坦度モデ
    ルからの各目標値と比較する請求項1から3迄の何れか
    1記載の方法。
  5. 【請求項5】 各目標値と独立した各成分との制御差分
    を検出する請求項4記載の方法。
  6. 【請求項6】 外乱変数作用システムを設ける請求項1
    から5迄の何れか1記載の方法。
  7. 【請求項7】 多変量制御器を用いる請求項1から6迄
    の何れか1記載の方法。
  8. 【請求項8】 制御偏差を多変量制御器に減結合部を介
    して供給する請求項7記載の方法。
  9. 【請求項9】 各制御量を動的最適化を用いて各制限を
    考慮して特定する請求項1から8迄の何れか1記載の方
    法。
  10. 【請求項10】 無駄時間を超過する各制御量の予測
    を、動的最適化に利用する請求項9記載の方法。
  11. 【請求項11】 測定システムを時変数サンプリング時
    間を用いて考慮するために、IMC(内部モデル制御:
    Internal Model Control)数式
    を、イベント(事象)トリガされるサンプリングホールド
    要素と共に使用する請求項1から10迄の何れか1記載
    の方法。
  12. 【請求項12】 殊に、請求項1から8迄の何れか1記
    載の方法を実施するための、帯材の平坦度を測定及び/
    又は制御する装置において、圧延時に、 −平坦度偏差の検出用の測定システムと、 −多変量を独立した成分に分解するためのユニットとを
    有していることを特徴とする装置。
  13. 【請求項13】 制御差分を検出するユニットを有する
    請求項12記載の装置。
  14. 【請求項14】 多変量制御器を有する請求項9又は1
    0記載の装置。
  15. 【請求項15】 平坦度制御システムにおいて、 −測定システムを用いて、帯材の平坦度を測定し、 −平坦度誤差(長手方向分布)を直交成分に分解し、 −圧延プロセスに寄与する量全てを考慮した、明示的な
    オンライン制御可能なプロフィール−及び平坦度モデル
    を有しており、 −平坦度制御用の目標値を算出する明示的なオンライン
    制御可能なモデルを有しており、 −帯材の平坦度の制御用の多変量制御器を有しており、 −無駄時間を超過する動的最適化に利用される各制御量
    (平坦度値)を有しており、 −並びに、装入された帯材の特性、圧延力及び熱による
    反りの変化を考慮する外乱変数作用システムを有するこ
    とを特徴とする平坦度制御システム。
  16. 【請求項16】 IMC(Internal Mode
    l Control)数式を、イベント(事象)トリガ
    されるサンプリングホールド要素と共に使用して、測定
    システムを時変数サンプリング時間を用いて考慮する請
    求項15記載のシステム。
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