JP2009269040A

JP2009269040A - 連続鋳造機におけるピンチロールの速度制御装置

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Publication number: JP2009269040A
Application number: JP2008119107A
Authority: JP
Inventors: Sachifumi Yamanaka; 祥史山中
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2008-04-30
Filing date: 2008-04-30
Publication date: 2009-11-19
Anticipated expiration: 2028-04-30
Also published as: JP5181810B2

Abstract

【課題】ピンチロールへの外乱の振動があっても、ピンチロール速度振動を従来よりも抑制して、安定かつ良好なピンチロール速度制御を実現することを目的とする。
【解決手段】電動モータからなるアクチュエータによってピンチロール５の速度に伝播する鋳型の振動を第２速度制御器３及び電流制御器４により抑制する第２のフィードバック制御系８と、予め設定したピンチロール速度目標値に基づいてピンチロールの速度制御を行なう第１のフィードバック制御系７とを用いるピンチロール速度制御装置であって、ピンチロール５の速度応答性を設定する部分と外乱応答性を設定する部分を個別に有しており、ピンチロール５の速度を補正する信号６を電動モータからなるアクチュエータに加える。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶融金属の連続鋳造機におけるピンチロールの速度制御装置に関し、特に、鋳型振動等の外乱信号があっても、当該鋳型振動の影響を抑制してピンチロールの回転速度を安定して制御するのに好適な技術である。

例えば鉄鋼業における連続鋳造機では、溶融金属の一つである溶鋼が鋳型内に連続的に注入されて表面から凝固し、当該鋳型の下から引き抜かれ、その後に所望の長さに切断されて連続的に鋳片が製造される。図２は、その連続鋳造機の構成の一例の概略を示す図である。図２において、９は溶鋼、１０は取鍋、１１はノズル、１２はタンディッシュ、１３は浸漬ノズル、１４は鋳型、１５はピンチロール、１６はカッター台車、１７は鋳片をそれぞれ表す。

取鍋１０内の溶鋼９は、タンディッシュ１２に一旦移されて浸漬ノズル１３を通って、鋳型１２に注入される。内部に水を通じて冷却されている鋳型１４内の溶融金属は鋳型１４の壁との接触部において凝固シェルを形成しつつ、鋳型１４下方のピンチロール１５で引き抜かれ、更に冷却されて内部まで凝固した後に、カッター台車１６で所定の長さに切断され、鋳片１７が製造される。このとき鋳型１４は数Ｈｚ程度の周波数で上下に振動されることが多く、又、ピンチロール１５はその軸を介して接続された電動モータからなるアクチュエータ（以下ではピンチロールとも記す）により回転駆動される。

連続鋳造機において、複数のピンチロール１５の回転速度（以下ではピンチロール速度とも記す）を予め設定された目標値（ピンチロール速度目標値）に安定して追従させるように制御することは、良好な鋳片品質を確保し、かつ製造を安定化させる上で極めて重要である。ピンチロール速度がピンチロール目標値に追従しない原因として、鋳型１４の振動が鋳片１７に伝播し、鋳片１７に接するピンチロールのピンチロール速度を振動的に変動（以下ではピンチロール速度振動とも記す）させることがある。鋳造速度が上がるにつれて鋳型１４の振動周波数は高くなるように構成されているため、鋳造速度を上げると鋳型１４の振動周波数は高くなる。鋳型１４の振動周波数が高くなると、鋳片１７を所望の長さに切断するカッター台車１６が鋳片１７上で振動し、鋳片１７を幅方向に真っ直ぐに切断できなくなる。

この様子を説明するために、鋳片を切断する際のカッター台車の概略構成の一例を図３に示す。鋳片１７を所望の長さに切断する方法は、カッター台車１６のクランプ装置５０が鋳片１７の上に乗り、トーチカッター２２により鋳片１７を切断する。カッター台車１６は、鋳片１７の上にクランプ装置５０が乗っているため、鋳型１４の振動により鋳片１７が振動することで、鋳片１７の振動がカッター台車１６に伝播し、真っ直ぐに切断できないことがある。

また、鋳片１７が真っ直ぐに切断できないことで、後工程で鋳片１７の端部を再度真っ直ぐに切断するため、生産効率が悪化することがある。また、最悪の場合はピンチロール速度の振動により鋳片の凝固シェルが破れるブレークアウトの原因となりうる。

ところで、連続鋳造機においては、電動モータからなるアクチュエータに軸を介して接続されているピンチロールの回転速度（ロールの周速度）を、当該アクチュエータに取り付けられた回転速度センサ（ロータリーエンコーダ）によって実測する。実測されたピンチロール速度実績値がピンチロール速度目標値に一致するように、アクチュエータによってピンチロール速度を制御するピンチロール速度制御が行われている。

ピンチロール速度制御においては、第一にピンチロール速度実績値をピンチロール速度目標値に一致させるように制御するフィードバック制御が行われる。

図４は、ピンチロール速度制御に用いられる従来の制御方法のブロック構成の一例を示す図である。当該制御方法は、ピンチロール速度測定値Ｖｃとピンチロール速度目標値Ｖｒｅｆの偏差を速度制御器１８に入力してピンチロール速度目標値に追従させるために必要なアクチュエータの電流値を算出し、算出した値を電流制御器１９に入力してアクチュエータ（電動モータ）に駆動電流を流して、ピンチロール速度目標値Ｖｒｅｆとピンチロール速度測定値Ｖｃとを一致させる制御方法である。連続鋳造機のピンチロール速度制御方法では、主に速度制御器１８にＰＩ制御器（伝達関数：（Ｋｐ・ｓ＋Ｋｉ）／ｓ）を、電流制御器１９に一次遅れフィルタ（伝達関数：１／（１＋Ｔ・ｓ））を適用することが多い。

上記の従来の制御方法である速度制御器１８と電流制御器１９を用いたピンチロール速度制御においては、速度制御器１８と電流制御器１９とを用いることで、ピンチロール速度実績値をピンチロール速度目標値に追従させる役割を有しており、ピンチロール速度に鋳型振動により発生した振動成分も抑制しなければならない。このため、速度制御器１８と電流制御器１９はピンチロール速度目標値追従と外乱抑制の２つの役割を持っている。

特許文献１にはピンチロール駆動異常監視装置の発明が開示されており、ピンチロールを駆動するアクチュエータに供給される負荷電流を時間的に連続して監視し、負荷電流の変化のパターンを解析することにより、全ピンチロールの軸受の磨耗・ロールの磨耗・ロールの偏心・圧下の異常を検出する装置及び方法が記載されている。すなわち、ピンチロールのアクチュエータの負荷電流を監視することによってピンチロールの速度の異常を検出している。

特開平７−２４５６０号公報

特許文献１に記載のピンチロール駆動異常を監視する方法では、ピンチロールのアクチュエータの負荷電流を監視することで、ピンチロール速度に生じた異常を検出するが、ピンチロール速度に生じた振動を抑制することは考慮していない。このため、ピンチロール速度に振動が生じた場合、当該振動を抑制することができないという問題があった。そのためにカッター台車が鋳片を真っ直ぐに切断できなくなり、生産効率が悪化することがあった。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、ピンチロールへの外乱の振動があっても、ピンチロール速度振動を従来よりも抑制して、安定かつ良好なピンチロール速度制御を実現することを目的とする。その結果、カッター台車により鋳片を真っ直ぐに切断することが可能な、連続鋳造におけるピンチロール速度制御方法を提供することを目的とする。

本発明の連続鋳造機におけるピンチロールの速度制御装置は、アクチュエータに軸を介して接続されたピンチロールの速度を実測してピンチロール速度測定値Ｖｃを検出するする回転速度センサと、前記アクチュエータとピンチロールとからなるピンチロール系の動作を模擬してピンチロール速度推定値Ｖｓを推定するシミュレータ部とを有してピンチロール速度を制御する、連続鋳造機におけるピンチロール速度制御装置であって、予め設定されたピンチロール速度目標値Ｖｒｅｆと前記シミュレータ部から出力されたピンチロール速度推定値Ｖｓとの第１の偏差（Ｖｒｅｆ−Ｖｓ）を算出する第１減算器と、前記第１の偏差（Ｖｒｅｆ−Ｖｓ）を入力値として、Ｐ制御、ＰＩ制御及びＰＩＤ制御のいずれかの制御処理で第１制御信号Ｖｃｎｔ１を算出して前記シミュレータ部に入力する第１速度制御器と、前記シミュレータ部から出力されたピンチロール速度推定値Ｖｓを第２のピンチロール速度目標値Ｖｒｅｆ２として、前記ピンチロール速度測定値Ｖｃとの第２の偏差（Ｖｒｅｆ２−Ｖｃ）を算出する第２減算器と、前記第２の偏差（Ｖｒｅｆ２−Ｖｃ）を入力値として、第１速度制御器と同じ制御処理で第２制御信号Ｖｃｎｔ２を算出して出力する第２速度制御器と、前記第１制御信号Ｖｃｎｔ１と前記第２制御信号Ｖｃｎｔ２とを加算して制御電圧信号Ｖｃｎｔ３を出力する加算器と、前記制御電圧信号Ｖｃｎｔ３を入力値として前記アクチュエータを電流駆動する電流制御器と、を具備することを特徴とする。

また、本発明の連続鋳造機におけるピンチロールの速度制御装置の他の特徴とするところは、前記第１速度制御器及び第２速度制御器は、それぞれのゲインを個別に設定可能として、前記アクチュエータの速度応答性と前記外乱応答性とを独立に設定できるようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、アクチュエータに軸を介して接続されているピンチロールの速度を、アクチュエータに取り付けられたセンサによって実測し、アクチュエータによってピンチロール速度を制御する連続鋳造におけるピンチロール速度制御方法において、フィードバック制御系と外乱抑制制御系とを用いることに際し、ピンチロール速度と外乱抑制を個別に制御することにより、鋳型の振動が鋳片に伝播することによりピンチロール速度を振動させるような場合でもピンチロール速度振動の少ない安定したピンチロール速度制御を行なうことができる。これにより、ピンチロール速度の振動を抑制できる上に、カッター台車の振動も抑制できるため、鋳片を真っ直ぐに切断することができる。

本発明を実施するための形態のピンチロールの速度制御装置の一例を、以下で図面及び数式を用いて詳細に説明する。連続鋳造機には複数のピンチロールがあるが、以下では単一のピンチロールを制御する構成で説明する。複数のピンチロールの速度制御には、各ピンチロールについて、以下で説明する構成を適用するとよい。
図１は、本実施の形態のピンチロールの速度制御装置のブロック構成の概略を示す図である。以下の説明では、第１速度制御器１及び第２速度制御器３はＰＩ制御器（伝達関数は（Ｋｐ・ｓ＋Ｋｉ）／ｓの形式で表される。Ｋｐ及びＫｉは定数）、シミュレータ（シミュレータ部）２は電動モータからなるアクチュエータからピンチロールまでを数式で表現した数式モデルを用いるシミュレータ、及び、アクチュエータを電流駆動する電流制御器は一次遅れフィルタ（伝達関数は１／（１＋Ｔ・ｓ）、Ｔは定数）とする場合を例として説明する。シミュレータ２はピンチロール系の動作を模擬する。
また、本実施形態のピンチロールの速度制御装置は、第１速度制御器１及び第２速度制御器３が、他の制御処理、例えばＰ制御やＰＩＤ制御のような場合でも代替することが可能である。

ピンチロール速度目標値Ｖｒｅｆと、アクチュエータからピンチロールまでを表現した数式モデルで構成したシミュレータ２が出力したピンチロール速度推定値Ｖｓとを第１減算器４０で比較し、第１の偏差（Ｖｒｅｆ−Ｖｓ）を入力値として第１速度制御器１で比例積分（ＰＩ）演算を行って第１制御信号Ｖｃｎｔ１を出力する。なお、シミュレータ２は偏差（Ｖｒｅｆ−Ｖｓ）を入力値としてピンチロール速度推定値Ｖｓを出力する。第１速度制御器１とシミュレータ２とで第１のフィードバック制御系７を構成する。

シミュレータ２が出力したピンチロール速度推定値Ｖｓを連続鋳造機の第２ピンチロール速度目標値Ｖｒｅｆ２とする。ピンチロール５（又はその代替物）に設置した回転速度センサ（ロータリーエンコーダ）による、ピンチロール５の回転速度の実測値であるピンチロール速度測定値Ｖｃと、第２ピンチロール速度目標値Ｖｒｅｆ２との偏差（Ｖｒｅｆ２−Ｖｃ）を、第２の偏差として第２減算器４１で求めて、比例積分演算を行なう第２速度制御器３へ入力する。そして、当該第２速度制御器３の出力を第２制御信号Ｖｃｎｔ２とする。当該第２制御信号Ｖｃｎｔ２に上記フィードバック制御系７で出力した、電流補正信号６である第１制御信号Ｖｃｎｔ１とを加算器４２で加算（Ｖｃｎｔ１＋Ｖｃｎｔ２）して制御電圧信号Ｖｃｎｔ３を演算して電流制御器４に入力する。電流制御器４は、制御電圧信号Ｖｃｎｔ３に所定のゲインで比例する電流値の制御電流Ｉｃｎｔをピンチロール５のアクチュエータ（図示せず）へ出力して、ピンチロール５をピンチロール速度目標値Ｖｒｅｆに追従して回転させる。ここで、第２速度制御器３の制御処理の方式は、第１速度制御器１の方式と同一であることが望ましい。

電動モータを用いるアクチュエータとピンチロールとで構成されるピンチロール系の構成例を図５に示す。アクチュエータ２４を、駆動軸２５とギヤ部２６を介してピンチロール１５に接続する構成となっている。また、当該構成においてアクチュエータからピンチロールまでの機械的結合のモデルで、駆動軸２５をバネで表現し、そのバネ定数をＫｓとする。

シミュレータ２は、アクチュエータからピンチロールまでのピンチロール系の動作を数式で記述した数式モデルである、（１）、（２）式で表される状態方程式を用いてシミュレーションを実行する。

ここで、θｍはアクチュエータ（電動モータ）の回転角度、θｌはピンチロールの回転角度、ωｍはアクチュエータの回転角速度、ωｌはピンチロールの回転角速度、Ｊmはアクチュエータの慣性、Ｊｌはピンチロールの慣性、Ｋｓは駆動軸のバネ定数、Ｇｒはギア部のギヤ比、Ｔｍはモータに加わるトルク、Ｔｌはロールに加わるトルク、ｄ／ｄｔは微分演算である。

シミュレータ２は、数式モデルを表す（１）、（２）式を用いて、第１速度制御器１から出力された第１制御信号Ｖｃｎｔ１に基づいて、シミュレータ２の電動モータに加わるトルクＴｍを設定することで、ピンチロール速度推定値Ｖｓを計算して出力する。なお、シミュレータ２の出力であるピンチロール速度推定値Ｖｓは（２）式内のωｌである。以上がシミュレータ２で実行する処理の説明である。

第１のフィードバック制御系７では、鋳片の振動等による外乱を含まない連続鋳造機のピンチロール速度をシミュレーションによって導出する。この際、シミュレータ２に入力される第１制御信号Ｖｃｎｔ１を、実際の連続鋳造機のピンチロール速度制御に用いる電流制御器４に入力する。これにより、ピンチロール速度実績値をピンチロール速度目標値に追従させる。したがって、第１のフィードバック制御系７はピンチロール速度をピンチロール速度目標値Ｖｒｅｆに追従させるために制御をする役割を持っているといえる。

連続鋳造機のピンチロール速度測定値Ｖｃを帰還させる第２のフィードバック制御系８は、シミュレータ２を含むフィードバック制御系７により算出したアクチュエータへの第１制御信号Ｖｃｎｔ１を、アクチュエータへピンチロール速度目標値に追従させるための制御量として入力するため、外乱を抑制する制御系として第２のフィードバック制御系８を使用することが可能となる。

また、本実施の形態の構成は、ピンチロールのアクチュエータの速度応答性を決定する第１のフィードバック制御系７と、外乱応答性を決定する第２のフィードバック制御系である外乱抑制制御系８の応答は、第１速度制御器及び第２速度制御器それぞれのゲインを個別に設定可能であり、ゲインを個別に設定することによって、独立に設定することできる特徴を持っている。

すなわち、ピンチロールのアクチュエータの速度応答性を速くしたい場合には、第１速度制御器１のゲインであるＫｐ，Ｋｉを上げることで所望の速度応答性を得ることができ、外乱応答性を高くしたい場合には、第２速度制御器３のゲインであるＫｐ，Ｋｉを上げることで所望の外乱応答性能を得ることができる。また、アクチュエータの速度応答性と前記外乱応答性とを独立に設定することができる。

図１に示した制御方法を、パーソナルコンピュータ又はＰＬＣ等で構成する主幹制御装置に組み込む際には、第１速度制御器１、アクチュエータからピンチロールまで動作を数式で表現した数式モデルを用いてシミュレーションを実施するシミュレータ２、第２速度制御器３、電流制御器４を所定のクロック時間で動作するように、離散化して構成する。当該主幹制御装置をパーソナルコンピュータ又はＰＬＣで構成する際、半導体メモリやハードディスクドライブ、入力手段としてキーボード及びマウス、出力手段としてコンピュータディスプレー、及びディジタル又はアナログ入出力ボードを用いるとよい。又、工場内のネットワークに接続するためのＬＡＮボードを具備してもよい。そして、上記した制御用の各計算等の信号処理・データ処理を実行するためのコンピュータプログラムを作成してインストールするとよい。又、電流制御器４は例えばＣＣタイプの電力増幅器を用いて構成することができる。

上記した実施の形態のピンチロールの速度制御装置の振動性外乱の抑制効果を調べるために以下のようなシミュレーションをパーソナルコンピュータを用いて実施した。
シミュレーションに用いたパラメータの値は、電動モータからなるアクチュエータの慣性J_m=0.9[kgm²]、ピンチロールの慣性J_l=31.3[kgm²]、軸のバネ定数Ks=2800000[kgm]、ギヤ比Gr=1/255である。これらの値を（１）式に代入してシミュレーションを行なった。

ピンチロール速度の振動抑制を確認するためのシミュレーションにおいて、ピンチロール速度目標値として３００[ｍ／分]を入力し、ピンチロール速度に入力する外乱として周波数は２[Ｈｚ]、振幅は電動モータからなるアクチュエータの定格トルクの[１％]とした。

従来の制御方法である、ピンチロール速度実績値を利用したフィードバック制御８と、本発明による方法の制御例を、図６、図７に示す。従来法では、電動モータからなるアクチュエータの速度実績値が振動的になり、±５［ｍ／分］の持続振動が発生しているが、本発明による方法を適用することで電動モータからなるアクチュエータの速度実績は±２［ｍ／分］に低減することを確認した。

本発明のピンチロール速度制御装置の構成を示すブロック図である。本発明を適用する連続鋳造設備の一部を示す図である。カッター台車の概略を示す図である。従来のピンチロール速度制御方法のブロック図を示す図である。電動モータからなるアクチュエータとピンチロールの一例の構成を示す図である。従来制御方法を適用したときの電動モータからなるアクチュエータの速度実績を示す図である。本発明法を適用したときの電動モータからなるアクチュエータの速度実績を示す図である。

符号の説明

１第１速度制御器
２シミュレータ
３第２速度制御器
４電流制御器
５ピンチロール系
６電流補正信号
７第１のフィードバック制御系
８第２のフィードバック制御系（外乱抑制制御系）
９溶鋼
１０取鍋
１１ノズル
１２タンディッシュ
１３浸漬ノズル
１４鋳型
１５ピンチロール
１６カッター台車
１７鋳片
１８速度制御器
１９電流制御器
２０ピンチロールモデル
２２トーチカッター
２４電動モータからなるアクチュエータ
２５駆動軸
２６ギヤ部
３０鋳造された鋼材
４０第１減算器
４１第２減算器
４２加算器
５０クランプ装置

Claims

アクチュエータに軸を介して接続されたピンチロールの速度を実測してピンチロール速度測定値Ｖｃを検出するする回転速度センサと、前記アクチュエータとピンチロールとからなるピンチロール系の動作を模擬してピンチロール速度推定値Ｖｓを推定するシミュレータ部とを有してピンチロール速度を制御する、連続鋳造機におけるピンチロール速度制御装置であって、
予め設定されたピンチロール速度目標値Ｖｒｅｆと前記シミュレータ部から出力されたピンチロール速度推定値Ｖｓとの第１の偏差（Ｖｒｅｆ−Ｖｓ）を算出する第１減算器と、
前記第１の偏差（Ｖｒｅｆ−Ｖｓ）を入力値として、Ｐ制御、ＰＩ制御及びＰＩＤ制御のいずれかの制御処理で第１制御信号Ｖｃｎｔ１を算出して前記シミュレータ部に入力する第１速度制御器と、
前記シミュレータ部から出力されたピンチロール速度推定値Ｖｓを第２のピンチロール速度目標値Ｖｒｅｆ２として、前記ピンチロール速度測定値Ｖｃとの第２の偏差（Ｖｒｅｆ２−Ｖｃ）を算出する第２減算器と、
前記第２の偏差（Ｖｒｅｆ２−Ｖｃ）を入力値として、第１速度制御器と同じ制御処理で第２制御信号Ｖｃｎｔ２を算出して出力する第２速度制御器と、
前記第１制御信号Ｖｃｎｔ１と前記第２制御信号Ｖｃｎｔ２とを加算して制御電圧信号Ｖｃｎｔ３を出力する加算器と、
前記制御電圧信号Ｖｃｎｔ３を入力値として前記アクチュエータを電流駆動する電流制御器と、を具備することを特徴とする連続鋳造機におけるピンチロールの速度制御装置。
前記第１速度制御器及び第２速度制御器は、それぞれのゲインを個別に設定可能として、
前記アクチュエータの速度応答性と前記外乱応答性とを独立に設定できるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造機におけるピンチロールの速度制御装置。