JP5459604B2 - Control method for suppressing torsional vibration of rolling mill - Google Patents
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Description
本発明は、鋼帯の冷間圧延機に適した圧延機の軸ねじれ振動抑制制御方法に関するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for controlling torsional vibration of a rolling mill suitable for a cold rolling mill of a steel strip.
鋼帯の板厚制御方法としては、圧延機のロール圧下量を制御する方法と、スタンド間の張力を制御する方法とがあるが、冷間圧延においては熱間圧延とは異なり鋼帯が硬化しているので圧下量制御は有効ではなく、主として張力制御が行われている。この張力制御を正確に行うためには、各圧延スタンドのロールを駆動しているモーター速度を正確に制御する必要がある。特に最近ではユーザーが要求する板厚公差が厳格化しているため、モーター速度応答を従来よりも大幅に向上させることによって板厚精度を向上させることが求められている。 There are two methods for controlling the thickness of the steel strip: a method of controlling the roll reduction amount of the rolling mill and a method of controlling the tension between the stands. Unlike cold rolling, the steel strip is hardened in cold rolling. Therefore, the reduction control is not effective, and tension control is mainly performed. In order to perform this tension control accurately, it is necessary to accurately control the speed of the motor driving the rolls of each rolling stand. In particular, since the plate thickness tolerance required by users has become stricter recently, it is required to improve the plate thickness accuracy by greatly improving the motor speed response than before.
鋼帯の圧延機は、図1に示すように、モーター1とロール2との間にカップリング3、減速機4、スピンドル5等の多くの動力伝達手段が配置された構造である。このため単純にモーター1の速度応答を向上させてモーター速度を理想的に制御したとしても、実際に圧延を行うロール2の速度が理想的に制御される訳ではない。即ち、モーター1の速度が変化したときには、軸が完全な剛体でなくバネの性質を持つためロールの速度はやや遅れて変化することとなる。つまり、この軸にねじれが発生し、モーター1の速度が設定値に達した後にも軸ねじり振動が発生する。軸ねじり振動が発生するとロール端、またはモーター端での速度が振動的になり、速度応答を下げざる得ない状況に陥る。また更にロール2の回転速度が設定値から微妙に変動し、鋼帯の張力変動を招いて板厚精度を低下させる原因となるケースもあり得る。
As shown in FIG. 1, the steel strip rolling machine has a structure in which many power transmission means such as a
このような軸ねじり振動を抑制するために、従来から特許文献1に記載のような軸ねじれ振動抑制制御方法が採用されている。この特許文献1の制御方法は、ロールを駆動しているモーターの回転速度を検出し、軸ねじれ振動によるモーターの回転速度の変動を打ち消すようにモーターにトルク指令を与えるフィードバック制御方法である。圧延機ではロール端に速度検出器を設置することは難しく、このため電動機端のフィードバック信号から軸振動成分を推定する事が一般的な手法である。
In order to suppress such shaft torsional vibration, a shaft torsional vibration suppression control method as described in
この特許文献1の制御方法は、フィードバック制御方法であるから外乱に対して効果的である。またモーターの慣性モーメントよりもロールの慣性モーメントが大きい場合には、軸ねじれ振動によるロールの回転速度の変動をモーターの回転速度の変動として検出し易いため、特に効果的である。しかし実際の設備では、ロールの慣性モーメントはモーターの慣性モーメントがよりも小さいケースが起こりえるため、軸ねじれ振動に起因するロールの回転速度の変動を、モーターの回転速度の変動として検出することは容易ではないケースもある。このようなケースでは軸ねじり振動を十分に抑制することができないという問題があった。
Since the control method of
このほかに、モーターによって駆動される機械系(前記した動力伝達手段及びロール)を剛体と仮想して1慣性で近似し、これに対応する1慣性モデルをモーター制御ドライブ中に設け、ロールの回転速度を設定速度とするためにモーターに与えるべきトルク指令を演算し、その演算されたトルク指令を実際のモーターに与えるという制御方法も使用されている。この制御方法はモデル規範制御と呼ばれるもので、モーターの回転速度の変動に伴うロールの回転速度の変動をモーター制御ドライブ中の1慣性モデルにより数値演算するため、ロールの慣性モーメントが小さい場合にも特許文献1のような問題は生じない。
In addition to this, a mechanical system driven by a motor (the power transmission means and the roll described above) is approximated as a rigid body with one inertia, and a corresponding one inertia model is provided in the motor control drive to rotate the roll. A control method is also used in which a torque command to be given to the motor is calculated in order to set the speed to the set speed, and the calculated torque command is given to the actual motor. This control method is called model reference control. Since the fluctuation of the rotation speed of the roll accompanying the fluctuation of the rotation speed of the motor is numerically calculated by one inertia model in the motor control drive, even when the moment of inertia of the roll is small The problem as in
しかし上記したように、実際の圧延機はモーターとロールとの間にカップリング、減速機、スピンドル等の多くの動力伝達手段が配置された構造であるから、モーターによって駆動されるこれらの部分を1慣性とみなすという前提に無理があり、特にモーター速度応答を従来の10〜20rad/secから50rad/secのレベルまで高めた場合には、1慣性モデルでは現れない軸ねじり振動が顕在化するため、軸ねじり振動を十分に抑制し、ロール端応答を高応答化することができないのが実情であった。 However, as described above, an actual rolling mill has a structure in which many power transmission means such as a coupling, a speed reducer, and a spindle are arranged between a motor and a roll. It is impossible to assume that it is regarded as one inertia, especially when the motor speed response is increased from the conventional 10 to 20 rad / sec to 50 rad / sec because shaft torsional vibration that does not appear in the one inertia model becomes obvious. The actual situation is that the torsional vibration of the shaft cannot be sufficiently suppressed, and the roll end response cannot be increased.
従って本発明の目的は上記した従来の問題点を解決し、ロールの慣性モーメントがモーターの慣性モーメントよりも小さいケースでも、モーターに速度変化を与えた場合に生じる軸ねじり振動を有効的に抑制し、モーター速度応答を高めることができる新規な圧延機の軸ねじれ振動抑制制御方法を提供することである。 Therefore, the object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems and effectively suppress the shaft torsional vibration that occurs when the motor is subjected to a speed change even when the moment of inertia of the roll is smaller than the moment of inertia of the motor. Another object of the present invention is to provide a novel rolling mill shaft torsional vibration suppression control method capable of enhancing the motor speed response.
上記の課題を解決するために、本発明者は従来技術の問題点に対する検討を重ねた結果、特に冷延圧延機では外乱応答が低くても実操業上は問題ないこと、モデル規範制御が有効であるが、実機は多慣性であるため1慣性とみなして制御することは妥当でないこと、しかし多慣性モデルを用いると演算装置が複雑化するとともに長い演算時間を要し、実機の制御に適用できないことなどが判明した。そして更に検討を進めた結果、実際は10慣性程度である実際の圧延機を2慣性にまで単純化してモデル化しても、十分効果のある制御が可能であることを究明した。 In order to solve the above problems, the present inventor has repeatedly studied the problems of the prior art. As a result, the cold rolling mill has no problem in actual operation even if the disturbance response is low, and the model reference control is effective. However, since the actual machine is multi-inertia, it is not appropriate to control it as one inertia. However, using a multi-inertia model complicates the arithmetic unit and requires a long calculation time, and is applicable to control of the real machine. It became clear that things could not be done. As a result of further investigations, it has been found that even if an actual rolling mill, which is actually about 10 inertia, is simplified to 2 inertia and modeled, a sufficiently effective control is possible.
本発明は上記の知見に基づいて完成されたものであり、圧延機のモーターとロールとそれらの間の動力伝達手段を、モーターとロールとの2つの慣性がばねによって連結された2慣性であると仮想し、この2慣性を考慮した分子が2次あるいは3次式で分母が3次以上の式の分数式を使用する理想モーター速度モデルの伝達関数と、この2慣性を考慮した分子が2次あるいは3次式で分母が3次以上の式の分数式を使用する理想トルクモデルの伝達関数とを備えたドライブ装置のモーター速度補償器によって、モーターに速度変化指令が与えられたときのロール速度がねじり振動のない理想応答波形となる理想モーター速度と理想トルク指令とを逆算し、これらの値に基づいてモーター速度を制御することを特徴とするものである。 The present invention has been completed on the basis of the above knowledge, and the motor and roll of the rolling mill and the power transmission means between them are two inertias in which the two inertias of the motor and the roll are connected by a spring. The transfer function of an ideal motor speed model using a quadratic expression in which the numerator taking into account these two inertias is a quadratic or cubic expression and the denominator being a third or higher order, and the numerator taking into account these two inertias are 2 Roll when a speed change command is given to a motor by a motor speed compensator of a drive device having a transfer function of an ideal torque model using a second or third order denominator whose denominator is a third or higher order denominator The ideal motor speed and ideal torque command in which the speed becomes an ideal response waveform without torsional vibration are calculated backward, and the motor speed is controlled based on these values.
本発明によれば、2慣性を考慮した理想モーター速度モデルと、この2慣性を考慮した理想トルクモデルとを備えたドライブ装置によって、ロール速度がねじり振動のない理想応答波形となるような理想モーター速度と理想トルク指令とを逆算したうえでこれらの値に基づいてモーター速度を制御するため、モーターに速度変化を与えた場合におけるロール速度を、理想応答波形に近づけることができる。また、実際は10慣性程度である実際の圧延機を2慣性にまで単純化したので、演算装置が徒に複雑化したり長い演算時間を要したりすることもなく、ドライブ装置への実装も容易に可能となる。本発明によれば、モーター速度応答を従来の10〜20rad/secから50rad/secのレベルまで高めた場合にも、軸ねじり振動によるロールの回転速度の変動を抑制することが可能となった。また2慣性を考慮した理想モーター速度モデルの伝達関数と、2慣性を考慮した理想トルクモデルの伝達関数として、分子が2次式で分母が3次式の分数式を使用することにより、応答を安定させることが可能である。 According to the present invention, an ideal motor in which the roll speed has an ideal response waveform free of torsional vibrations by a drive device including an ideal motor speed model considering two inertias and an ideal torque model considering these two inertias. Since the motor speed is controlled based on these values after reversely calculating the speed and the ideal torque command, the roll speed when a speed change is applied to the motor can be brought close to the ideal response waveform. In addition, since the actual rolling mill, which is actually about 10 inertia, has been simplified to 2 inertia, the arithmetic device is not complicated and does not require long calculation time, and can be easily mounted on the drive device. It becomes possible. According to the present invention, even when the motor speed response is increased from the conventional 10 to 20 rad / sec to a level of 50 rad / sec, it is possible to suppress fluctuations in the rotation speed of the roll due to shaft torsional vibration. In addition, as the transfer function of the ideal motor speed model that takes into account the two inertias and the transfer function of the ideal torque model that takes into account the two inertias, the response is obtained by using a fractional expression with a quadratic equation for the numerator and a cubic equation for the denominator. It is possible to stabilize.
以下に本発明を更に詳細に説明する。
本発明では、圧延機のモーターとロールとそれらの間の動力伝達手段を、モーターとロールとの2つの慣性がばねによって連結された2慣性であると仮想した2慣性のモデルを用いる。図2はその説明図であり、モーター1とロール2とが、軸を表わすばね6によって連結された様子を示している。図2は図1に示したカップリング3、減速機4、スピンドル5等の多くの動力伝達手段を単純化したものである。ここでモーター1とロール2とは、それぞれJ1とJ2の慣性モーメントを持ち、またω1とω2との回転速度を持つものとする。またばね6のばね定数をk1とする。この2慣性モデルをブロック線図で表現すると、図2の下段のようになる。
The present invention is described in further detail below.
In the present invention, a two-inertia model in which the two inertias of the motor and the roll and the two inertias of the motor and the roll are connected by a spring is used for the motor and the roll of the rolling mill. FIG. 2 is an explanatory diagram showing a state in which the
また、この2慣性モデルの速度制御をブロック図で表現すると図3上段の図のようになる。ここで7はG1(s)の伝達関数を持つ速度制御装置(ASR)であり、T1はこの速度制御装置7から出力されるトルク指令である。電流制御系は簡略化のため省略している。このブロック図を等価変換すると図3の下段の通りとなる。ここでH2(s)の出力はモーター1の速度を表わし、H3(s)の出力はロール2の速度を表わしている。この図3においては数1の連立方程式が成立するので、これを解くとH2(s)とH3(s)は数2の通りとなる。
Further, when the speed control of the two inertia model is expressed in a block diagram, it is as shown in the upper diagram of FIG. Here, 7 is a speed control device (ASR) having a transfer function of G 1 (s), and T 1 is a torque command output from the
図4は本発明の制御方法全体を示すブロック図である。この図4中の、G1(s)とH2(s)とH3(s)の内容は上記の通りである。このブロック図を更に簡略化してREFに対してトルク部に入る部分にH4(s)を速度制御器の前にはいる部分にH5(s)を置くような構成も可能である事は言うまでもない。 FIG. 4 is a block diagram showing the entire control method of the present invention. The contents of G 1 (s), H 2 (s), and H 3 (s) in FIG. 4 are as described above. It goes without saying that this block diagram can be further simplified so that H4 (s) is placed in the part entering the torque part with respect to REF, and H5 (s) is placed in front of the speed controller. .
図4の上部に示されるH1(s)の伝達関数を持つブロックは、モーター1によって駆動される機械系部分を軸ねじれのない理想剛体と仮定した場合の理想応答波形モデル8である。G1(s)の伝達関数を持つ速度制御装置(ASR)7からトルク指令がこの理想剛体モデル8に与えられると理想速度ω0を出力することとなる。この理想速度ω0は加え合わせ点9に入力されて、指令モーター速度(REF)との偏差がゼロとなるように速度制御装置(ASR)7がトルク指令を変化させてモーター速度を制御している。
The block having the transfer function of H 1 (s) shown in the upper part of FIG. 4 is an ideal response waveform model 8 when the mechanical system portion driven by the
しかしこの速度制御装置(ASR)7から出力されるトルク指令は、機械系部分を理想剛体(1慣性)と仮定したときの値であるから、そのまま実際のモーター1のトルク指令として入力しても、軸ねじり振動を抑制することはできない。そこで本発明では、2慣性を考慮した理想トルクモデルをドライブ装置内に設ける。これが図4中のトルク補償器10であり、速度制御装置(ASR)7から出力されるトルク指令はこのトルク補償器10に入力される。
However, the torque command output from the speed control device (ASR) 7 is a value when the mechanical system portion is assumed to be an ideal rigid body (one inertia). The shaft torsional vibration cannot be suppressed. Therefore, in the present invention, an ideal torque model considering two inertias is provided in the drive device. This is the
このトルク補償器10から出力されるトルク指令はH2(s)の伝達関数を持つブロックに入力されてω1のモーター回転速度となり、このモーター回転速度ω1がH3(s)の伝達関数を持つブロックに入力されるとロール速度ω2となる。H2(s)とH3(s)は前記した数2のとおりであるから、トルク補償器10から出力されるトルク指令を確定すれば、ロール速度ω2を一義的に算出できる。このことは逆に、ロール速度ω2を与えればそれに対応するトルク指令を逆算できることを意味している。そこで本発明のトルク補償器10は、モーターに速度変化指令が与えられたときのロール速度ω2がねじり振動のない理想応答波形となるようなトルク指令を逆算する。これが図4中に記載された理想トルクである。この理想トルクによってモーター制御を行うことにより、ロール速度ω2をねじり振動のない理想応答波形とすることが可能となる。
This is the torque command output from the
また本発明では、2慣性を考慮した理想速度モデルをドライブ装置内に設ける。これが図4中のモーター速度補償器11である。前記した理想剛体モデル8から出力される理想速度ω0はモーター速度補償器11によって2慣性を考慮した理想モーター速度に変換される。このモーター速度補償器11は理想剛体(1慣性)モデル8と2慣性モデルとのモデル誤差を補正するために、理想速度ω0から2慣性モデルに適した理想モーター速度を逆算する。そして実測されたモーター回転速度ω1との偏差を加え合わせ点12において算出し、その値を速度制御装置(ASR)13に入力してトルクに返すものである。これにより実際に外乱などの影響でモーター速度変動が発生した場合にも速度制御装置(ASR)により指令値通りに制御できることがわかる。理想的なトルク指令及びモーター速度指令はモーター、ロール、軸の機械構成から一意に決まることから、それぞれの伝達関数は1つの伝達関数で表現することができる。すなわち、図4のブロック線図は等価的に図5のように表現できる。図4のブロック線図よりも図5のブロック線図の方がソフトボリュームを軽減できることから、実機導入の際には図5が好ましい。
In the present invention, an ideal speed model considering two inertias is provided in the drive device. This is the
なお、トルク補償器10(2慣性を考慮した理想トルクモデル)の伝達関数をH4、モーター速度補償器11(2慣性を考慮した理想速度モデル)の伝達関数をH5とすると、これらは数3の通りとなる。 If the transfer function of the torque compensator 10 (ideal torque model considering two inertias) is H 4 and the transfer function of the motor speed compensator 11 (ideal speed model considering two inertias) is H 5 , these are several. It becomes 3 streets.
数3に示されるように、2慣性を考慮したモデルの伝達関数は分子が2次あるいは3次となるため、分母を3次として応答を安定させる必要がある。このためには数に示したように分母を3次式とするほか、3次のベッセルフィルターを用いることもできる。なお3次のベッセルフィルターの伝達関数は、H(s)=15/(S3+6S2+15s+15)である。2慣性を考慮したモデルの応答の安定性を確保するためには分母を3次以上とすればよいが、次数を4次以上に増加させることによる特別の利点はなく、演算が複雑化するだけであるから、3次とすれば十分である。
As shown in
上記のように、本発明によれば圧延機のモーターに速度変化指令が与えられたときのロール速度を理想応答波形とすることができ、軸ねじり振動の発生を防止することができる。図6はモーターにステップ状の速度変化指令を与えたときの従来の速度応答波形図であり、軸ねじり振動の影響によってロール速度が振動している様子が示されている。これに対して本発明によれば、モーターにステップ状の速度変化指令を与えたときの速度応答波形図は図7のようになり、軸ねじり振動の影響によるロール速度の変動が抑制されていることが確認できる。なおいずれもモーター速度応答を50rad/secとしたシミュレーション結果である。 As described above, according to the present invention, the roll speed when a speed change command is given to the motor of the rolling mill can be made an ideal response waveform, and the occurrence of shaft torsional vibration can be prevented. FIG. 6 is a conventional speed response waveform diagram when a step-like speed change command is given to the motor, and shows how the roll speed vibrates due to the influence of shaft torsional vibration. On the other hand, according to the present invention, the speed response waveform diagram when the step-like speed change command is given to the motor is as shown in FIG. I can confirm that. Both are simulation results with a motor speed response of 50 rad / sec.
1 モーター
2 ロール
3 カップリング
4 減速機
5 スピンドル
6 ばね
7 速度制御装置
8 理想剛体モデル
9 加え合わせ点
10 トルク補償器
11 モーター速度補償器
12 加え合わせ点
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