JP2013081970A - 圧延機の板厚制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】BISRA−AGCとPI制御を併用した板厚制御における最適な比例ゲインG及び積分ゲインGの決定方法を提供すると共に、この決定方法を採用した板厚制御方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る圧延機の板厚制御方法は、圧延材を圧延する一対のワークロールを備えた圧延機において、ワークロール間のロールギャップ量Sを制御する板厚制御方法において、比例制御及び/又は積分制御を行うPI制御とBISRA−AGCとを併用しつつ、圧延機のロールギャップ量Sの修正量ΔSを求めるに際し、PI制御に関する比例ゲインGをBISRA−AGCの寄与率αbを用いた式により求める。
【選択図】図2

Description

本発明は、厚板を圧延する圧延機の板厚制御方法に関する。
従来から、圧延装置を用いて厚鋼板を圧延する場合には、当該圧延装置に備えられた圧延機の1対のワークロールの間隙(以下、ロールギャップ量と呼ぶ)を調整して、圧延材の板幅方向端部の出側板厚を目標値に一致させる板厚制御が行われている。
圧延装置は板厚を制御するための板厚制御部を有しており、この板厚制御部では、自動板厚制御(AGC)として、フィードフォワードAGC、BISRA−AGC、及びモニタAGCや絶対値AGCが採用されている。
フィードフォワードAGCは、例えば、前パスや一つ前の制御周期での圧延機の出側板厚や板の変形抵抗を当該圧延機にフィードフォワードして適用する制御である。BISRA−AGCは、圧延機直下の板厚を圧延荷重を基に推定する制御である。モニタAGCは、出側板厚を実測し、その実測値(積分値)を圧延機へフィードバックする制御である。絶対値AGCは、例えば、板の先端部の圧延に着目した制御であって、通板前に予め決めた固定値の板厚を用いる制御である。上述のモニタAGCや絶対値AGCは、比例動作と積分動作を組み合わせたPI制御を採用している。
特許文献1には、タンデム圧延機に対して上述したAGCを複数用いつつ自動板厚制御を行う技術が開示されている。
特許文献1に開示のタンデム圧延機は、検出された圧延荷重変動から板厚変動を判定して圧下操作量を修正するBISRA−AGCと、圧延ロール偏芯による板厚変動を補償するロール偏芯制御装置と、所定スタンドより出側の板厚測定に従ってそのスタンドの圧下操作量を修正する圧下モニタAGCと、所定スタンド間で検出された板厚偏差をその後方スタンド直下までトラッキングしながら、該スタンドの圧延ロール回転速度を修正する速度FF−AGCと、最終スタンド出側で検出された板厚偏差に従って、該検出位置より前方の圧延ロール回転速度を修正する出側速度AGCとを備え、当該タンデム圧延機の出側の板厚偏差を取り除くようにしたものである。
このタンデム圧延機は、所定スタンド出側の板厚偏差を、少なくとも所定時間連続的に検出する板厚偏差検出手段と、該板厚偏差の周波数成分を解析する周波数解析手段と、各圧延ロールのロール偏芯周波数が記憶されている判定データ記憶手段と、前記解析された周波数成分に基づいて、前記各ロール偏芯周波数を用いながら、自動板厚制御系の異常を推定する異常推定手段とを備えたことを特徴とする。
特開平5−293523号公報
通常、厚鋼板の圧延においても、特許文献1に開示された技術のように、複数のAGCが同時に実行されている。しかしながら、複数のAGCが全て同時に実行されているわけではなく、狙った板厚を実現するため、排他的に実行されるAGCや、選択的に組み合わせて併用されるAGCがある。
複数のAGCを併用する場合、併用される各AGCが発揮する能力を適切に決定しなければ、圧延機全体としての安定した制御が困難となる。本願発明者らは、BISRA−AGCと例えばモニタAGCとを併用した場合に板厚の制御を安定させるためには、モニタAGCにて実行されるPI制御に関する比例ゲインGや積分ゲインGを適切に決定しなければならないことを、現場の実績を基に知見した。
しかし、特許文献1には、複数のAGCを実行した際に制御を安定させるための技術が開示されておらず、当然に、PI制御を採用した際に安定制御を可能にする比例ゲインGと積分ゲインGを求める手法も開示されていない。
そこで本発明は、上記問題点に鑑み、BISRA−AGCとモニタAGC等におけるPI制御とを併用した板厚制御における、最適な比例ゲインG及び積分ゲインGの決定方法を提供すると共に、この決定方法を採用した板厚制御方法を提供することを目的とする。
上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明の板厚制御方法は、圧延材を圧延する一対のワークロールを備えた圧延機において、ワークロール間のロールギャップ量Sを制御するものであって、
比例制御及び/又は積分制御を行うPI制御とBISRA−AGCとを併用しつつ、圧延機のロールギャップ量Sの修正量ΔSを求めるに際し、PI制御に関する比例ゲインGを次式にて求めることを特徴とする。
ここで、前記PI制御の積分制御に関する積分ゲインGを、次式にて求めてもよい。
また、前記PI制御の積分制御に関する積分ゲインGを、次式にて求めてもよい。
さらに、前記PI制御の積分制御に関する積分ゲインGを、次式にて求めてもよい。
ここで、BISRA−AGCと、モニタAGCまたは絶対値AGCとを併用し、前記併用されたモニタAGCまたは絶対値AGCにおいて、PI制御を採用していてもよい。
本発明によれば、BISRA−AGCとPI制御を併用した板厚制御における最適な比例ゲインG及び積分ゲインGの決定方法を提供することができると共に、この決定方法を採用した板厚制御方法を提供することができる。
本発明の第1実施形態による圧延装置の構成を示す概略図である。 本発明の圧延機(粗圧延機乃至は仕上げ圧延機)の構成を示す概略図である。 従来技術において比例ゲインGを変更した際のステップ応答波形のグラフを示す図である。 (a)は、本発明の第1実施形態によってGを変更した場合に、M,Qが変動した際のステップ応答波形のグラフを示す図、(b)は、その変動における安定性を示すナイキスト線図である。 (a)は、従来技術においてGを変更した場合に、M,Qが変動した際のステップ応答波形のグラフを示す図、(b)は、その変動における安定性を示すナイキスト線図である。 (a)は、本発明の第1実施形態によってGを変更した場合に、M,Qが変動した際のステップ応答波形のグラフを示す図、(b)は、その変動における安定性を示すナイキスト線図である。 本発明の第2実施形態による圧延機(粗圧延機乃至は仕上げ圧延機)の構成を示す概略図である。 本発明の第1実施形態及び第2実施形態での圧延機及び板厚制御装置の構成を示したブロック図である。
以下、図面を基に、本発明にかかる圧延機の板厚制御方法を説明する。
図1を参照して、厚鋼板等の圧延材を圧延する圧延装置1は、その上流側に圧延材2を加熱する加熱炉3を有し、加熱炉3の下流側には、圧延材2の粗圧延を行う粗圧延機4が備えられている。粗圧延機4の下流側には、仕上げ圧延を行う仕上げ圧延機5が備えられている。加熱炉3で加熱されたスラブは、粗圧延機4や仕上げ圧延機5で複数回(複数パス)圧延されて、製品の厚鋼板となる。
(第1実施形態)
図2には、圧延装置1に備えられている仕上げ圧延機5(以下、圧延機5という)が示されている。圧延機5は、圧延材2を圧延する一対のワークロール6,6とそれをバックアップする一対のバックアップロール7,7とを有している。
さらに、圧延機5には、ワークロール6,6の間隙長(以下、ロールギャップ量Sと呼ぶ)を調整する油圧駆動の圧下装置が備えられている。圧下装置は、例えば油圧シリンダ8と、油圧シリンダ8を制御してワークロール6の圧下位置を調整する油圧圧下位置制御部9とを有している。
ワークロール6の両端を支持するロールチョック10には、圧延機5のフレーム11に支持された油圧シリンダ8の基端が接続され、この油圧シリンダ8を支持するフレーム11には圧延荷重を計測するロードセル12が設けられている。
また、ロールチョック10と圧延機5のフレーム11の間には、油圧シリンダ8に沿ってフレーム11からロールチョック10までの距離を測定するリニアゲージ13が設けられており、このリニアゲージ13で測定した距離から、ロールギャップ量S乃至はロールギャップ量の変化量ΔSが得られる。
さらに、圧延機5の出側には、圧延材2の出側板厚(出側エッジ厚)を計測するための板厚計14が設けられている。板厚計14としては、γ線板厚計などを採用することができる。
圧延機5には、ロードセル12が計測した圧延荷重と板厚計14が計測した出側板厚とを受けて、圧延材2の出側板厚が所定のものとなるように油圧圧下位置制御部9を制御する板厚制御部15aが設けられている。この板厚制御部15aはプロコンやPLCから構成されており、内部には、後述するAGC制御系やベンダ制御系などがプログラムの形で組み込まれている。
図8に示される如く、本実施形態における板厚制御部15aは、AGC制御系として、比例制御と積分制御を組み合わせたPI制御を採用するモニタAGCと、BISRA−AGCとを実行し、油圧圧下位置制御部を制御している。尚、図8において、絶対値AGCが示されているが、本実施形態においては実行されていないものとする。図8において、FF−AGCも示されているが、本実施形態による板厚制御部15aにおいてFF−AGCは存在しないものとする。
モニタAGCは、板厚計14にて出側板厚を実測し、その実測値を積分したものを圧延機5へフィードバックする制御である。また、BISRA−AGCは、ゲージメータAGCの一種であり、圧延機5の弾性や圧延材2の変形抵抗を考慮した上で、圧延機5の出側板厚を求めるものであって、例えば、圧延荷重を基にミル定数などを用いて出側板厚を推定し、その値を基に圧延機5の制御を行うものである。
このように、本実施形態による板厚制御部15aは、モニタAGCのPI制御とBISRA−AGCとを併用している。ところが、PI制御とBISRA−AGCとを併用する場合に制御安定性を確保するには、以下に述べるような課題が従来より存在する。
例えば、特開昭59−19016号公報に記載の板厚制御方法では、油圧圧下系の油圧シリンダ位置のフィードバック制御に関する最適ゲインKOPTについて、次に示す式(1)などが与えられている。
ここで、αは、制御全体に対するBISRA−AGCの寄与率であって、BISRA−AGCのチューニング率である。
しかしながら、モニタAGCのPI制御のP(比例)ゲインG(絶対値AGCとモニタAGCのPゲインの和でもよい)に関しては、決定するための方法が開示されていない。そこで、式(1)で得られた最適ゲインKOPTを、PI制御の比例ゲインGとして用いる場合を考える。
この場合、従来の板厚制御方法においては、MやQが変動した場合でも同じ応答及び同じ制御安定性を確保すべく、式(2)のように、比例ゲインGを(M+Q)/Mに比例して変更することが一般的に行われている。
しかし、図3のグラフに示すように、PI制御とBISRA−AGCを併用した場合、式(2)に基づき比例ゲインGを変更しても、応答性や安定性はMやQの変動によって大きく変化する。
図3は、式(2)に基づいて、様々なM,Q対して比例ゲインGを変更した場合のステップ応答を示すグラフである。但し、BISRA−AGCの寄与率であるαの値を1としている。図3において、式(2)のMが大きくなる、あるいはQが小さくなると、グラフは左の方向(応答が早くなる)にシフトし、Mが小さくなる、あるいはQが大きくなると、グラフは右の方向(応答が遅くなる)にシフトする。
図3によると、式(2)に基づいた比例ゲインGの変更では、M,Qの変動によって応答波形が変化してしまうことがわかる。すなわち、従来より用いられる式(2)では、M,Qの変動に対して同じ応答性、同じ安定性を確保できないということである。
そこで、本実施形態による板厚制御部15aは、モニタAGCのPI制御における比例ゲインGを、式(3)によって決定する。ここでは、積分ゲインGを0として、比例ゲインGだけを変更する場合について説明する。
比例ゲインGを、式(2)ではなく式(3)によって決定することにより、M,Qが変動しても、αの値が一定であれば、常に同じ応答及び安定性を確保することができることを本願出願人は知見している。但し、ただし、a+b・α≦0の場合、G+α≦0となり、BISRA−AGC及びPI制御で構成される板厚制御部15aは板厚を悪化させる方向に作用するため、a+b・α>0の範囲でa,b,αを与える方が好ましい。
ここで、図4に、式(3)においてa+b・α=1.2とし、比例ゲインGを変更した際の応答及び安定性についての結果を示す。図4(a)はステップ応答を示すグラフであり、図4(b)は安定性を示すナイキスト線図である。図3のステップ応答と対比するため、α=1の場合について考える。
図4(a)を参照すると、比例ゲインGの変更を式(3)に基づいて行えば、M,Qが変動しても応答波形が変化せず、同じ応答が得られることがわかる。また、図4(b)を参照すると、ナイキスト線図も変化していないので、M,Qが変動しても同じ安定性を保つことができる。
ここで、式(3)に基づいた比例ゲインGの変更において、ステップ応答時の時定数Tは、式(4)で与えられる。
なお、一次遅れ系の時定数であるTは一次遅れ分とむだ時間の和(≒T+L)と考えることもでき、上述のようにα=1の場合、Tは、式(5)で与えられる。
式(5)からわかるように、式(3)によって比例ゲインGを変更する場合、αが同じであれば、常に同じ応答と安定性を与えることができる。
ここで、定数a,bの与え方による応答及び安定性の違いについて述べる。
図4(a)に示すように、例えばb=0とした場合、αが変化しても、ステップ応答時に常に同じ立ち上がり速度を得ることができ、式(4)から時定数Tは式(6)で与えられる。
また、b=1とした場合、同様に式(4)から時定数Tは式(7)で与えられる。
これは、αが変化してもステップ応答の時定数は変化しないことを示しており、また、ナイキスト線図においても、αに関係なく一定で同じ安定性を得ることができる。
以上から、αの変更時に保ちたい特性に応じて定数bを適切に与えればよい。例えば、上述したように、立ち上がり速度を一定に保ちたいときはb=0、時定数や安定性を一定に保ちたいときはb=1とすればよい。
以上、比例ゲインGの変更方法について説明した。続いて、モニタAGCのPI制御における積分ゲインGの変更方法について、説明する。
従来、モニタAGCのPI制御のI(積分)ゲインG(絶対値AGCとモニタAGCのIゲインの和でもよい)に関しては、積分時間を比例制御と同じくする観点から、式(8)のように比例ゲインGに比例して変更していた。
図5に、式(8)によって積分ゲインGを変更した際の応答及び安定性についての結果を示す。図5(a)はステップ応答を示すグラフであり、図5(b)は安定性を示すナイキスト線図である。但し、α=0.9としている。
図5(a)及び(b)に示すように、M,Qの変動に伴って応答(ステップ応答)や安定性(ナイキスト線図)は変化してしまう。図5(a),(b)において、Mが小さくなる、あるいはQが大きくなると、グラフはハンチング気味になる。
図5(a)に示すように、式(8)を用いた従来技術ではαを考慮していないため、M,Qの変動によって、板厚制御では最も敬遠されるオーバーシュートが発生するなど、安定性や応答が変動してしまう。
操業条件(M,Q,α)によって安定性や応答が様々に変動するため、全ての操業条件においてオーバーシュートをしないように、あるいは不安定にならないように制御するには、積分ゲインGを下げるしか方法がなかった。
通常、積分ゲインGを大きく与えすぎるとオーバーシュートが発生する。そこで、本実施形態による板厚制御部15aは、モニタAGCのPI制御における積分ゲインGの上限を、G+αと1−αを考慮した式(9)によって変更する。
この式(9)によって積分ゲインGの上限を与え、その上限を超えないように積分ゲインGを修正する。こうすることで、M,Qが変化してもオーバーシュートしない適切な積分ゲインGを与えることができる。また、M,Qによらず一定の応答を確保したい場合は、積分ゲインの寄与率に相当するαを導入した式(10)によって、積分ゲインGを与えればよい。
式(9)を守りつつ、αi及びαが一定であれば、常に同じ応答波形及び安定性を確保することができる。
更に、積分ゲインGをできるだけ大きく与え、且つ外乱の影響を抑制するロバスト性を高めたい場合、αi=1として、式(11)を与える。
式(11)によって、オーバーシュートしない範囲で常に積分ゲインGを最大に保つことができる。式(11)で積分ゲインGを与えた場合、定数Tは式(12)で与えられる。
更に、この式(12)に対して式(3)で得られた比例ゲインGを与えた場合、時定数Tdは、式(13)で与えられる。
積分ゲインGを0とし式(3)にて比例ゲインGを与えた場合の式(4)とは異なり、式(11)で積分ゲインGを与えた場合、b=0とすればαに関係なく常に一定の時定数を得ることができる。
図6に、式(3)及び式(11)によって比例ゲインG及び積分ゲインGを与えた場合の応答及び安定性の結果を示す。図6(a)はステップ応答を示すグラフであり、図6(b)は安定性を示すナイキスト線図である。但し、図5と同様に、α=0.9としている。
図6を参照すると、式(3)及び式(11)によって比例ゲインG及び積分ゲインGを与えると、応答波形やナイキスト線図はM,Qの変動によっては変化せず、同じ応答波形及び安定性を実現することができることがわかる。
図5に結果を示したような従来技術と比較すると、安定余裕も大きくなっていることがわかる。
上述のように、式(3)によって与えられる比例ゲインGと式(11)によって与えられる積分ゲインGとを用いてPI制御を実行することで、板厚制御部15aは、PI制御(モニタAGC)とBISRA−AGCを併用した場合でも、M,Qの変動の影響を受けない応答及び安定性を実現することができる。
例えば、板厚制御部15aにおいて、式(3)によって与えられる比例ゲインGと式(11)によって与えられる積分ゲインGとを用いることで、PI制御によるロールギャップ修正量ΔSpiを算出し、併せて、BISRA−AGCよるロールギャップ修正量ΔSを算出して、式(14)により、圧延機に適用するロールギャップ修正量ΔSを求めるようにする。
斯かるロールギャップ修正量ΔSを用いることで、PI制御(モニタAGC)とBISRA−AGCを併用した場合でも、M,Qの変動の影響を受けない応答及び安定性を実現することができる。
(第2実施形態)
以下、本発明に係る圧延機の板厚制御方法の第2実施形態について説明する。
前述した第1実施形態による板厚制御部15aは、モニタAGCとBISRA−AGCとを併用していたが、第2実施形態による板厚制御部15bは、絶対値AGCのPI制御とBISRA−AGCとを併用している。
すなわち、第2実施形態による板厚制御部15bの絶対値AGCも、モニタAGCと同様にPI制御を採用しているので、本実施形態においても、第1実施形態と同様の方法で比例ゲインGと積分ゲインGを決定することができる。
尚、推定板厚推定部16は、ロードセル12とリニアゲージ13から取得した値を基にゲージメータ板厚を推定するものであり、板厚制御部15bの絶対値AGCは、推定されたゲージメータ板厚を用いて油圧圧下位置制御部9をフィードバック制御する。
このような本実施形態による板厚制御部15bは、第1実施形態において説明した式(3)によって与えられる比例ゲインGと式(11)によって与えられる積分ゲインGとを用いてPI制御を実行することで、絶対値AGCとBISRA−AGCを併用した場合でも、M,Qの変動の影響を受けない応答及び安定性を実現することができる。
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
1 圧延装置
2 圧延材
3 加熱炉
4 粗圧延機
5 仕上げ圧延機
6 ワークロール
7 バックアップロール
8 油圧シリンダ
9 油圧圧下位置制御部
10 ロールチョック
11 フレーム
12 ロードセル
13 リニアゲージ
14 板厚計
15a,15b 板厚制御部
16 板厚推定部

Claims (5)

  1. 圧延材を圧延する一対のワークロールを備えた圧延機において、ワークロール間のロールギャップ量Sを制御する板厚制御方法において、
    比例制御及び/又は積分制御を行うPI制御とBISRA−AGCとを併用しつつ、圧延機のロールギャップ量Sの修正量ΔSを求めるに際し、PI制御に関する比例ゲインGを次式にて求めることを特徴とする圧延機の板厚制御方法。
  2. 前記PI制御の積分制御に関する積分ゲインGを、次式にて求めることを特徴とする請求項1に記載の圧延機の板厚制御方法。
  3. 前記PI制御の積分制御に関する積分ゲインGを、次式にて求めることを特徴とする請求項1に記載の圧延機の板厚制御方法。
  4. 前記PI制御の積分制御に関する積分ゲインGを、次式にて求めることを特徴とする請求項1に記載の圧延機の板厚制御方法。
  5. BISRA−AGCと、モニタAGCまたは絶対値AGCとを併用し、前記併用されたモニタAGCまたは絶対値AGCにおいて、PI制御を採用していることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の圧延機の板厚制御方法。
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