JP2016022530A - 連続圧延機の制御装置及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アルミ材などの圧延材の圧延において、ＩＬＱ設計法により制御モデルを設計したとしても、適切な圧延の制御が行える連続圧延機の制御装置及び制御方法を提供する。【解決手段】本発明にかかる連続圧延機の制御装置は、一対のワークロールを備え、圧延材を連続的に圧延する２つ以上の圧延スタンドと、該圧延スタンドの間にルーパを有する連続圧延機の制御装置であって、制御装置は、実測して得られたモデルパラメータが採用された制御モデルを有しており、制御モデルに基づいて圧延スタンドの主機速度指令値、及び圧下指令値を算出し、算出された主機速度指令値、及び圧下指令値を用いて、圧延スタンドを制御するように構成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、連続圧延機に備えられた圧延スタンドを多変数制御する制御技術に関する。

従来から、圧延材は、複数の圧延スタンドを有する連続圧延機により製造されている。
この連続圧延機には、圧延材の板厚や張力を所定の値にするために、圧延スタンドにおける圧下荷重やロールギャップなどを制御する制御装置が設けられている。このような制御装置においては、板厚制御と張力制御とを同時に行うことが多いが、これらを別々の制御手段を用いて制御すると互いに干渉が起こり悪影響を与える。この干渉を小さく抑えるためには、板厚・張力干渉系全体を一つの系として捉え、例えば、ＩＬＱ（Inverse Linear Quadratic）設計法により制御器を設計して非干渉化する方法が有効である。

上記した連続圧延機の制御装置に関する技術としては、特許文献１に開示されたものがある。
特許文献１は、複数のスタンドに対応してそれぞれ圧延機駆動主電動機の速度を制御する主機速度制御装置と、ロールギャップを制御するロールギャップ制御装置とを設け、前記主機速度制御装置に対する速度指令値および前記ロールギャップ制御装置に対するロールギャップ指令値を、それぞれ圧延材の板厚およびスタンド間張力の干渉系をモデル化したプロセスモデルを用いて演算する連続熱間圧延機の制御装置であって、前記プロセスモデルを表現する変数、圧延材の板厚目標値、圧延材のスタンド間張力目標値、板厚およびスタンド間張力の応答を指定するための変数、ならびに、板厚およびスタンド間張力の応答を調整するための変数を設定する設定手段と、設定された前記各変数を所定の制御ゲイン演算式に代入して制御ゲインを数値として求める演算手段と、演算された前記制御ゲインを用いて、板厚とスタンド間張力との相互干渉を小さくしながら、板厚を前記板厚目標値に、スタンド間張力を前記スタンド間張力目標値に追随させる前記速度指令値およびロールギャップ指令値を演算する制御ゲイン演算手段と、を備えた連続熱間圧延機の制御装置を開示する。

特開平６−５２６号公報

前述の特許文献１などの連続圧延機の制御技術は、セットアップ用の物理モデル（例えば、荷重モデルや先進率モデルなど）を用いて、圧延材の板厚およびスタンド間張力の干渉系をモデル化した制御モデル（＝プロセスモデル）を構築し、得られた制御モデルを用いて、連続圧延機を制御する制御器を設計している。
しかしながら、前述の特許文献１などの連続圧延機の制御技術は、鋼板を圧延する連続圧延機を制御対象としたものであり、アルミ材などの圧延材を圧延する連続圧延機を制御対象とした場合、不具合が生じることが現場の実績として挙がってきている。

その理由としては、アルミ材などの圧延材を圧延するときの特有の問題として、ロールコーティング状態（表面に形成されている皮膜が薄くなるなどのワークロールの状況変化）の影響により、物理モデルのパラメータである摩擦係数の変化が大きくなるので、制御モデルの基になる物理モデルを作成することは困難になることが挙げられる。
そこで、ロールコーティング状態を反映した物理モデルを構築しようと試みたとしても、物理モデルが徒に複雑なものとなってしまう虞がある。また、複雑な物理モデルの開発は、作成（開発）する期間も長期に亘ったり、開発コストが嵩んでしまう虞がある。

つまり、アルミ材などの圧延材を圧延する連続圧延機の制御器を、特許文献１などの連続圧延機の制御技術を用いて設計する場合、上記したロールコーティング状態の影響を受けた複雑な物理モデルを用いることとなるので、制御モデル、および制御器を正確に設計することは現実的ではない。
そこで、本発明は、上記問題点を鑑み、アルミ材などの圧延材の圧延において、ＩＬＱ設計法により制御器を設計したとしても、適切な圧延の制御が行える連続圧延機の制御装置及び制御方法を提供することを目的とする。

上記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。
本発明にかかる連続圧延機の制御装置は、一対のワークロールを備え、圧延材を連続的に圧延する２つ以上の圧延スタンドと、該圧延スタンドの間にルーパを有する連続圧延機の制御装置であって、前記制御装置は、実測して得られたモデルパラメータが採用された制御モデルを有しており、前記制御モデルに基づいて前記圧延スタンドの主機速度指令値、及び圧下指令値を算出し、算出された前記主機速度指令値、及び前記圧下指令値を用いて、前記圧延スタンドを制御するように構成されていることを特徴とする。

好ましくは、実際の圧延工程で用いられる圧延スタンド乃至は実験用の圧延スタンドにおいて、圧延条件を、前記ワークロールの表面に施されたロールコーティング状態の変化が発現しない時間スパンで変更すると共に、当該圧延条件が変更された時の圧延実績値を測定し、計測した前記圧延実績値から、前記モデルパラメータを算出するように構成されているとよい。

好ましくは、前記制御装置は、ＩＬＱ設計法により設計されたものであるとよい。
また、本発明にかかる連続圧延機の制御方法は、一対のワークロールを備え、圧延材を連続的に圧延する２つ以上の圧延スタンドと、該圧延スタンドの間にルーパを有する連続圧延機の制御方法であって、実測して得られたモデルパラメータが採用された制御モデルを用意しておき、前記制御モデルに基づいて、前記圧延スタンドの主機速度指令値、及び圧下指令値を算出し、算出された前記主機速度指令値、及び前記圧下指令値を用いて、前記圧延スタンドを制御することを特徴とする。

好ましくは、実際の圧延工程で用いられる圧延スタンド乃至は実験用の圧延スタンドにおいて、前記圧延条件を、前記ワークロールの表面に施されたロールコーティング状態の変化が発現しない時間スパンで変更すると共に、当該圧延条件が変更された時の圧延実績値を測定し、計測した前記圧延実績値から、前記モデルパラメータを算出するとよい。
好ましくは、前記制御方法は、ＩＬＱ設計法により設計されるとよい。

本発明にかかる連続圧延機の制御装置及び制御方法によれば、アルミ材などの圧延材の圧延において、ＩＬＱ設計法により制御器を設計したとしても、適切な圧延の制御が行うことができる。

本発明にかかる連続圧延機に備えられた圧延スタンドを示した模式図である。 圧延スタンドのプロセスモデルを示した図である。

以下、本発明の実施形態を、図を基に説明する。
なお、以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。
図１は、本実施形態にかかる連続圧延機１に備えられた圧延スタンド２を示した模式図である。

本実施形態にかかる連続圧延機１は、複数の圧延スタンド２，２，・・・を有するタンデム型である。また、本実施形態では、アルミ材を圧延材Ｗとして、説明を進める。
図１に示すように、圧延材Ｗの圧延工程では、上流側の圧延スタンド２に圧延材Ｗが通された後、下流側に位置する圧延スタンド２を通過する毎に圧下され、最終段の圧延スタンド２を出たところで所定の仕上げ板厚となり、巻き取り装置（図示せず）で巻き取られる。また、圧延スタンド２，２の間には、ルーパ３が設けられており、このルーパ３の高さが可変とされることで、圧延材Ｗの張力などが調整される。

このように、目標の仕上げ板厚に形状が整えられた圧延材Ｗが最終製品となる。
以下、連続圧延機１に備えられた圧延スタンド２の詳細について説明を行う。
図１に示すように、圧延スタンド２は上下一対のワークロール４，４を有している。このワークロール４，４は、各々に設けられた電動機５（主機と呼ぶこともある）で駆動され、圧延材Ｗを圧延する。上下一対のワークロール４，４の間隔は、油圧などで駆動される圧下装置６によって、圧下量（ロールギャップ量）を調整できる構造になっている。

上下のワークロール４，４はそれぞれバックアップロール７，７により背後から支持されるようになっており、圧延スタンド２の出側には、圧延材Ｗの板厚を検出する出側板厚計８が設けられている。また、圧延スタンド２の入側には、圧延材Ｗの板厚を検出する入側板厚計９が設けられている。
圧延スタンド２，２の間には、圧延材Ｗの張力（スタンド間張力）を調整可能なルーパ３が設けられている。このルーパ３には、トルク計などの張力測定手段（図示せず）が設けられ、スタンド間張力を計測可能となっている。

さらに、本実施形態の連続圧延機１には、制御装置２０が備えられている。
圧延材Ｗを製造する連続圧延機１において、製品である圧延材Ｗの板厚を目標値に一致させ、且つ圧延材Ｗ全般に渡って板厚を均一に保つため、板厚制御が適用されている。加えて、圧延材Ｗに作用する張力を破断限界内に保たなければ安定な操業にならないため、ルーパ３制御などによる張力制御も適用されている。このような制御を行うのが制御装置２０であり、具体的には、プロコン、ＰＬＣ等で実現されている。

この制御装置２０は、圧延材Ｗのスタンド間張力及び板厚を基に、圧延スタンド２の主機速度指令値（電動機５に対する速度指令値、言い換えるならば、ワークロール４の速度指令値）及び圧下指令値（ロールギャップ量の指令値であって圧下装置６に対する指令値）を算出すると共に、算出された主機速度指令値及び圧下指令値を基にして圧延スタンド２を制御するものとなっている。

詳しくは、制御装置２０は、制御対象（プロセスモデル）を表現するための変数を設定する設定手段２１と、プロセスモデルにおける制御ゲインを算出する制御ゲイン演算手段２２と、算出された制御ゲインに基づいて、圧延スタンド２に対する圧下指令値と主機速度指令値を演算する多変数制御演算手段２３と、を有している。
まず、設定手段２１と制御ゲイン演算手段２２と多変数制御演算手段２３と備える制御装置２０で行われる制御処理の詳細について説明する。

図２は、ルーパ３を除く圧延スタンド２のプロセスモデル（制御モデル）を示している。図２における変数のうち、設定手段２１において設定する変数と、その変数の意味を以下に示す。

上記した変数のうち、∂ｆ／∂ｔ、∂ε／∂ｔ、∂Ｐ／∂ｔ、∂ε／∂ｈ、Ｑなどは、制御モデル内に存在する重要なパラメータであり、以降、モデルパラメータと呼ぶ。また、Ｑを別の表記にすれば∂Ｐ／∂ｈであり、他の影響係数同様、物理モデルあるいは実機テストで得られる係数である。
設定手段２１において設定はしないものの、制御において用いる変数は以下の通りである。

以上述べた変数を用いて表されるルーパ３を除く圧延スタンド２のプロセスモデルは、以下の通りであり、制御ゲイン演算手段２２内に設定されている。

式（１）における係数は、以下の通りである。

制御ゲイン演算手段２２では、設定手段２１から出力される各種変数（プロセスモデルを表現する変数、板厚およびスタンド間張力の応答を指定するための変数）を用いて、制御ゲイン（多変数制御ゲイン）を演算する。
本発明においては、ＩＬＱ（Inverse Linear Quadratic）設計法に基づき、多変数制御ゲインを決定する。ＩＬＱ設計法は、逆問題の結果を巧妙に応用した最適サーボ系設計法であり、多くの文献に詳細が開示されている（例えば、ロバスト制御、木村英紀、藤井隆雄、森武宏著、コロナ社、1994年、pp.141〜153を参照）。

図２のプロセスモデルを用い、ＩＬＱ設計法に基づき、多変数制御ゲイン（多変数制御ゲインの演算式）Ｋ_Ｉ１１，Ｋ_Ｉ１２，Ｋ_Ｉ２２，Ｋ_Ｆ１１，Ｋ_Ｆ１２，Ｋ_Ｆ２１，Ｋ_Ｆ２３，を算出した結果を以下に示す。

ここで、Ｔ_ｔはスタンド間張力の応答を指定するための変数、Ｔ_ｈは板厚の応答を指定するための変数である。
次に、多変数制御演算手段２３について説明する。
多変数制御演算手段２３は、算出された多変数制御ゲインに基づいて、圧延スタンド２に対する圧下指令値と主機速度指令値を演算する。

詳しくは、多変数制御演算手段２３では、設定手段２１から出力される板厚目標値、スタンド間張力目標値、板厚およびスタンド間張力の応答を調整するための変数σ_１，σ_２、制御ゲイン演算手段２２から出力される多変数制御ゲイン、出側板厚計８及び入側板厚計９から出力される各板厚実績値、ルーパ３の張力測定手段から出力される圧延スタンド２，２間の張力実績値、圧下装置６から出力される圧下実績値、圧延スタンド２の駆動電動機５から出力される主機速度実績値などを用いて、圧下指令値と主機速度指令値を演算する。

なお、圧延スタンド２によっては、その出側に出側板厚計８が設置されていない場合もある。そのときはゲージメータ式およびマスフロー一定式などに基づき板厚を推定し、この板厚推定値を多変数制御演算手段２３に入力するようにするとよい。
ところで、圧延材Ｗを圧延する連続圧延機１の制御モデル（プロセスモデル）を構築するにあたっては、「発明が解決しようとする課題」で精説したように、ワークロール４のロールコーティング状態の影響により、制御モデルを正確に構築することが困難となる場合がある。

詳しくは、ロールコーティング状態の影響が、アルミ材などの圧延材Ｗを圧延する圧延工程において摩擦係数を大きく変化させる原因となる。その原因により、物理モデル（荷重モデルや先進率モデルなど）が複雑なものとなってしまう虞がある。それ故、この複雑な物理モデルを用いてＩＬＱ設計法で連続圧延機１の制御器を設計したとしても、正確に設計することは困難を極める。

そこで、本願出願人らは、鋭意研究を重ねた結果、圧延材Ｗの圧延において、ＩＬＱ設計法により連続圧延機１の制御器を正確に設計し、その制御器を連続圧延機１に適用させて制御する制御装置２０及び制御方法を発明した。
以下に、本発明の制御装置２０及び制御方法について、詳細に説明する。
本発明の制御装置２０では、実測して得られたモデルパラメータが採用された制御モデルを用い、その制御モデルに基づいて、圧延スタンド２の主機速度指令値、及び圧下指令値を算出し、算出された主機速度指令値、及び圧下指令値を用いて、圧延スタンド２を制
御することとしている。

具体的には、図２に示すように、連続圧延機１の制御モデルを構築するにあたり、まず当該連続圧延機１にて、圧延材Ｗのテスト圧延（実機を用いた圧延材Ｗのテスト圧延）を行う。
実機テスト、すなわち連続圧延機１によるテスト圧延とは、実際の圧延工程の前に行うテスト圧延工程であって、実際の圧延工程で使用されている連続圧延機１において、最終製品となる圧延材Ｗとは別に用意したテスト用圧延材（ただし、最終製品となる圧延材Ｗと同じ材質）を、実際の圧延工程と同じ圧延条件で圧延する工程である。なお、本実施形態のテスト圧延においては、圧延速度を一定としている。

なお、前述したテスト圧延においては、実際の圧延工程で用いる連続圧延機１（圧延スタンド２）にてテスト圧延を行ってもよいし、実験室などに配備されている実験用の圧延機（実験用の圧延スタンド）や実際の圧延工程で用いる連続圧延機１を模した実験用の圧延機（実験用の圧延スタンド）でテスト圧延を行ってもよい。
その上で、制御装置２０は、圧延材Ｗのテスト圧延において、ワークロール４の表面に施されたロールコーティング状態の変化が発現しない時間スパン、すなわち「ロールコーティング状態の影響」が発現しない非常に短い時間スパン（例えば、数秒程度）にて、圧下位置などの圧延条件を変更する。

圧延条件が変更されると、制御装置２０において、当該圧延条件が変更された時の圧延実績値を測定し、計測した圧延実績値から、制御モデルを構築するのに必要なモデルパラメータを算出する。モデルパラメータとしては、∂ｆ／∂ｔ、∂ε／∂ｔ、∂Ｐ／∂ｔ、∂ε／∂ｈ、Ｑなどがあり、各変数は、先進率ｆ、後進率ε、圧延荷重Ｐ、出側板厚ｈ、張力ｔ、塑性係数Ｑである。

具体的には、例えば、図１に示すｉ番目の連続圧延機１のモデルパラメータ、∂Ｐ／∂ｔを算出するにあたっては、制御装置２０は、まず圧延条件を変更する前に、圧延荷重Ｐ_１と、圧延スタンド２の出側のスタンド間張力ｔ_１とを測定する。そして、「ロールコーティング状態の影響」が発現しない非常に短い時間スパン（例えば、１０秒）にて、圧下位置などの圧延条件を変更する。

続いて、制御装置２０は、圧延条件を変更した直後の圧延荷重Ｐ_２と、圧延スタンド２の出側のスタンド間張力ｔ_２とを測定する。その後、制御装置２０は、変更前の圧延荷重Ｐ_１と変更後の圧延荷重Ｐ_２との差と、変更前のスタンド間張力ｔ_１と変更後のスタンド間張力ｔ_２との差を求め、求めた圧延荷重の差（Ｐ_１−Ｐ_２）と、スタンド間張力の差（ｔ_１−ｔ_２）を用いて、ｉ番目の連続圧延機１のモデルパラメータ、∂Ｐ／∂ｔを算出する。

∂ｆ／∂ｔ、∂ε／∂ｔなどの他のモデルパラメータも同様に、圧延条件が変更された時の圧延実績値を測定し、計測した圧延実績値から算出することができる。
このようにして算出したモデルパラメータ（実機テストのデータから得られた∂ｆ／∂ｔ、∂ε／∂ｔ、∂Ｐ／∂ｔなど）を、連続圧延機１（圧延スタンド２）の制御モデルに適用し、その制御モデルを用いてＩＬＱ設計法で設計された制御器を制御装置２０における制御器とする。

そして、圧延材Ｗのテスト圧延（実機テスト）を終えて、実際の圧延材Ｗの圧延工程に移行する。
実際の圧延材Ｗの圧延工程に移行すると、制御装置２０は、圧延材Ｗのテスト圧延において得られたモデルパラメータを採用した制御器に基づいて、圧延スタンド２の主機速度指令値（電動機５に対する速度指令値、言い換えるならば、ワークロール４の速度指令値）、及び圧下指令値（ロールギャップ量の指令値であって圧下装置６に対する指令値）を算出し、算出された主機速度指令値、及び圧下指令値を用いて、圧延スタンド２を制御する。

以上述べたように、連続圧延機（実機）１でのテスト圧延において、制御装置２０は、圧下位置などの圧延条件を非常に短い時間で変更し、そのときの実機テストのデータ（モデルパラメータ）を測定し、その測定したモデルパラメータを、圧延スタンド２の制御モ
デルに適用すると、正確な制御モデルを得ることができる。そして、その制御モデルを用いてＩＬＱ設計法により制御器を設計する。

そして、実際の圧延材Ｗの圧延工程にて、設計した制御器に基づいて制御することで、圧延材Ｗのスタンド間張力と板厚の変動を可及的に低減し適切な圧延が行えるようになる。
以上述べたように、アルミ圧延中において、ワークロール４における「ロールコーティング状態の影響」が発現しないように極めて短い時間で変化させて測定した、連続圧延機１における入側板厚、出側板厚などの圧延条件を基にして、ＩＬＱ設計法で設計した制御器により制御することで、圧延材Ｗのスタンド間張力と板厚の変動を可及的に低減し適切な圧延が行えるようになる。

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。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
例えば、本実施形態において、連続圧延機１を熱間圧延機として説明を行っていたが、本発明の適用がこれに限定されるわけではなく、冷間圧延機であっても何ら問題はない。

また、本実施形態では、圧延材Ｗをアルミ材として説明を行ったが、圧延材Ｗが銅材などの軟金属であっても、本発明の技術を適用可能である。

１ 連続圧延機
２ 圧延スタンド
３ ルーパ
４ ワークロール
５ 圧延スタンドの駆動電動機
６ 圧下装置
７ バックアップロール
８ 出側板厚計
９ 入側板厚計
２０ 制御装置
２１ 設定手段
２２ 制御ゲイン演算手段
２３ 多変数制御演算手段

Claims (6)

1. 一対のワークロールを備え、圧延材を連続的に圧延する２つ以上の圧延スタンドと、該圧延スタンドの間にルーパを有する連続圧延機の制御装置であって、
   前記制御装置は、
   実測して得られたモデルパラメータが採用された制御モデルを有しており、
   前記制御モデルに基づいて前記圧延スタンドの主機速度指令値、及び圧下指令値を算出し、
   算出された前記主機速度指令値、及び前記圧下指令値を用いて、前記圧延スタンドを制御するように構成されている
   ことを特徴とする連続圧延機の制御装置。
2. 実際の圧延工程で用いられる圧延スタンド乃至は実験用の圧延スタンドにおいて、圧延条件を、前記ワークロールの表面に施されたロールコーティング状態の変化が発現しない時間スパンで変更すると共に、当該圧延条件が変更された時の圧延実績値を測定し、
   計測した前記圧延実績値から、前記モデルパラメータを算出するように構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の連続圧延機の制御装置。
3. 前記制御装置は、ＩＬＱ設計法により設計されたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の連続圧延機の制御装置。
4. 一対のワークロールを備え、圧延材を連続的に圧延する２つ以上の圧延スタンドと、該圧延スタンドの間にルーパを有する連続圧延機の制御方法であって、
   実測して得られたモデルパラメータが採用された制御モデルを用意しておき、
   前記制御モデルに基づいて、前記圧延スタンドの主機速度指令値、及び圧下指令値を算出し、
   算出された前記主機速度指令値、及び前記圧下指令値を用いて、前記圧延スタンドを制御する
   ことを特徴とする連続圧延機の制御方法。
5. 実際の圧延工程で用いられる圧延スタンド乃至は実験用の圧延スタンドにおいて、前記圧延条件を、前記ワークロールの表面に施されたロールコーティング状態の変化が発現しない時間スパンで変更すると共に、当該圧延条件が変更された時の圧延実績値を測定し、
   計測した前記圧延実績値から、前記モデルパラメータを算出する
   ことを特徴とする請求項４に記載の連続圧延機の制御方法。
6. 前記制御方法は、ＩＬＱ設計法により設計されることを特徴とする請求項４又は５に記載の連続圧延機の制御方法。