JP5817130B2

JP5817130B2 - 熱間圧延ラインにおけるロール制御方法

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Publication number: JP5817130B2
Application number: JP2011015611A
Authority: JP
Inventors: 知義小笠原; 浅野　一哉; 一哉浅野
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2011-01-27
Filing date: 2011-01-27
Publication date: 2015-11-18
Anticipated expiration: 2031-01-27
Also published as: JP2012152808A

Description

本発明は、仕上圧延機で圧延された鋼板等の被圧延材を巻取機でコイル状に巻き取る熱間圧延ラインにおけるロール制御方法に関する。

一般に、鋼板の熱間圧延ラインは、加熱炉で高温に加熱されたスラブを、粗圧延機および仕上圧延機により所望の板厚まで圧延して鋼板帯状に薄く延ばした後、巻取機にてコイル状に巻き取るように構成されている。また、巻取機の上流側にはピンチロールが設けられており、鋼板を所望の押力により挟持することにより、ピンチロールに巻き取られる鋼板に所定の鋼板張力を付与することで、テレスコや絞りといった巻取り不良の発生を抑制しようとしている。

特許文献１では、熱間圧延ラインにおける巻取り制御に関して、ピンチロールの押力値又はトルク値を所定の範囲内にして鋼板を巻き取ることで、絞り疵などを生じることなく安定してコイル状に巻き取る方法が示されている。

特許文献２では、鋼板等の金属帯の尾端が仕上圧延機を抜けた後に、ピンチロールを回転させる電動機の電流の実績をとらえ、それに基づいて上下ピンチロールのギャップを調整するように制御する方法が示されている。これにより鋼板の張力を目標通りに制御することで、絞りの発生を防ぐものである。

特許文献３では、仕上圧延機と巻取機との間の被圧延材に生じる張力を推定する推定演算器を設け、該推定演算器による張力推定値に基づいて巻取機の駆動トルクを修正することにより、被圧延材の張力を目標張力に制御する巻取り制御方法が示されている。

非特許文献１には、システムに印加される信号に制御量を追従させる、又は、抑制するためには、システムの内部にその信号の発生機構を含まなければならないという旨（いわゆる内部モデル原理）が記載されている。

特開２００６−２８１２６２号公報特開２００６−１５０４０３号公報特開平０９−０５２１１９号公報

中野道雄ら、「繰り返し制御」社団法人計測自動制御学会編、コロナ社、1989年

しかしながら、このような鋼板の巻取り制御において、鋼板張力が周期的に変動し、その抑制が困難な場合があった。そこで、本発明者等が鋭意検討した結果、鋼板張力の周期変動の原因が、ピンチロールの偏芯にあることを突き止めた。

なお、特許文献１、２はともに、ピンチロールの押力値又はトルク値（電流値）が適正範囲になるようにピンチロールのギャップを制御することで、絞り疵やテレスコの発生を抑制するものである。このようにピンチロールの押力値又はトルク値（電流値）を制御することで、巻取り形状不良を抑制できるが、ピンチロールに偏芯がある場合には、偏芯による周期的なピンチロールギャップ外乱のために前記制御量を適正範囲内に制御することが容易ではないという問題があった。

また、特許文献３では、鋼板張力の外乱を推定し、巻取機のトルクを修正するものである。しかし、張力の外乱を推定するためには、非特許文献１にも記載されているように外乱の発生機構を推定器に組み込む必要があるが、本文献の場合には、定常外乱（周波数が０Ｈｚの外乱）を想定範囲としているため、ピンチロールの偏芯が外乱となっている場合には、その影響を除去することは困難であり、張力変動が抑制できず巻取り形状の不良に繋がるという問題があった。

ところで、仕上圧延機に関しては、ワークロールの偏芯の影響による被圧延材の板厚の周期的な変動を防止する技術が知られている。しかしながら、この対応策は、ワークロールの偏芯による凹凸に関する絶対的な位置情報としての角度情報を用いて制御を行うものである。このため、事前にワークロールを回転させて周波数解析を行ってロール偏芯量を割り出す必要があり複雑で汎用性に欠ける上に、エンコーダも必要とするものである。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、被圧延材を挟持するロールの偏芯による周期的な影響を簡単に抑制してロールの挟持状態を目標値に保持することができる熱間圧延ラインにおけるロール制御方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる熱間圧延ラインにおけるロール制御方法は、仕上圧延機で圧延された被圧延材を巻取機で巻き取る熱間圧延ラインにおけるロール制御方法であって、対で設けられて前記被圧延材を挟持するロールの偏芯による周期信号の発生機構を用い、該周期信号の発生機構が発生する周期信号に同期して前記ロールのギャップを操作することで、該ロールの挟持状態を目標値に保持するようにしたことを特徴とする。

また、本発明にかかる熱間圧延ラインにおけるロール制御方法は、上記発明において、前記周期信号の周期は、前記ロールの周速度に応じて可変であることを特徴とする。

また、本発明にかかる熱間圧延ラインにおけるロール制御方法は、上記発明において、前記周期信号の発生機構は、繰り返し制御器であることを特徴とする。

また、本発明にかかる熱間圧延ラインにおけるロール制御方法は、上記発明において、前記周期信号の発生機構は、外乱推定器であることを特徴とする。

本発明によれば、ロールの偏芯による周期信号の発生機構を用い、該周期信号の発生機構が発生する周期信号に同期してロールのギャップを操作することで、ロールに対する押力変動等を抑制することができ、よって、被圧延材を挟持するロールの偏芯による周期的な影響を簡単に抑制して被圧延材張力等のロールの挟持状態を目標値に保持することができる熱間圧延ラインにおけるロール制御方法を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態１にかかる熱間圧延ラインの一部を概略的に示す図である。図２は、繰り返し制御器の構成例を示すブロック図である。図３は、本発明の実施の形態２にかかる熱間圧延ラインの一部を概略的に示す図である。図４は、従来法と繰り返し制御器を用いた実施の形態１との押力制御のシミュレーション結果を比較して示す説明図である。図５は、ロール偏芯の実績と推定量との比較例を示す説明図である。図６は、外乱推定器を用いた実施の形態２のシミュレーションによる制御結果を示す説明図である。

以下に、図面を参照して本発明にかかる実施の形態について詳細に説明する。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１について図１及び図２を参照して説明する。図１は、熱間圧延ラインの一部を概略的に示す図である。熱間圧延ライン１Ａでは、図示しない加熱炉により高温に加熱された金属材料を粗圧延機（図示せず）、仕上圧延機２により所望の板厚まで圧延して鋼板帯状の被圧延材３として薄く延ばす。ここで、仕上圧延機２は、高温の被圧延材３を複数の圧延機で同時に圧延する熱間タンデム圧延機の形式をとるが、図１では対をなして最終段の圧延機を構成するロール２１のみを図示する。

また、熱間圧延ライン１Ａでは、仕上圧延機２の後段に位置させて冷却機（図示せず）、巻取機４が設けられ、仕上げ圧延されて冷却された被圧延材３をコイル状に巻き取るように構成されている。巻取機４は、被圧延材３をコイル状に巻き取る回転心棒となるマンドレル４１や、マンドレル４１の上流側に位置して対をなし被圧延材３を押力による押圧状態で挟持するピンチロール４２や、このピンチロール４２を回転させる電動機４３や、マンドレル４１の巻取回転速度に応じて電動機４３によるピンチロール４２の速度を制御する速度制御器４４を備える。ここで、巻き取り動作において、ピンチロール４２は、被圧延材３に対してマンドレル４１による鋼板張力ＴＭＤに対抗する所定の鋼板張力ＴＰＲを付与することで、テレスコや絞りの発生を抑制するものであり、ピンチロール４２の挟持状態としては鋼板張力ＴＰＲを所望の基準値（目標値）に保持する必要がある。

このようなピンチロール４２の鋼板張力ＴＰＲは、例えば、ピンチロール４２のロール間ギャップを操作することによる押力（圧下力）の調整により制御可能である。或いは、ピンチロール４２を回転させる電動機４３の電流値実績から鋼板張力を逆算し、その鋼板張力が目標値となるようにロール間ギャップを操作することにより制御可能である。

そこで、本実施の形態１では、ピンチロール４２を制御対象として、その鋼板張力ＴＰＲを所望の基準値に保持するよう制御するものであり、制御器５を備えている。この制御器５は、演算器５１と繰り返し制御器５２とＰＩ制御器５３とを備えている。演算器５１は、鋼板張力ＴＰＲの目標値に対応する指示値として図示しないプロセスコンピュータ等から付与される基準押力又はトルクに対して、張力を調整するためにピンチロール４２から検出される実績押力又はトルクを加算（減算）することで、両者の偏差をとるためのものである。実績トルクの場合には、ピンチロール４２を回転させる電動機４３の実績電流値から換算される。

繰り返し制御器５２は、ピンチロール４２の偏芯による周期信号の発生機構であり、図２に示すように、演算器５２ａと演算器５２ｂとからなる。繰り返し制御器５２は、演算器５１からの信号を入力とし、ＰＩ制御器５３に出力信号を出力するものである。演算器５２ａは、入力信号と演算器５２ｂからの１周遅れのフィードバック信号とを加算する。演算器５２ｂは、演算器５２ａの出力に対してｅ^−Ｔｓなる演算処理をして演算器５２ａに１周遅れでフィードバックさせるものである。ここで、Ｔは、ピンチロール４２が１回転にかかる時間であり、ピンチロール４２の半径をＲ、周速をＶＰＲとすれば、Ｔ＝２πＲ／ＶＰＲとして計算できる。したがって、周期を示す時間Ｔは、ピンチロール４２の周速（速度）が変化する場合には、周速ＶＰＲに応じて可変とし、テーブル等を参照するようにすればよい。また、ｓはラプラス演算子であり、ｅは自然対数の底である。これにより、繰り返し制御器５２は、ピンチロール１周期分の周期信号の発生機構となり、ＰＩ制御器５３による比例制御や積分制御を介して、ピンチロール４２に対してその偏芯に同期したロールギャップ指令信号を付与することとなる。ピンチロール４２は、偏芯に同期したロールギャップ指令信号に応じてロールギャップが開く側又は閉じる側に操作されることで、鋼板張力ＴＰＲを基準値に保持する。

このように、本実施の形態１によれば、鋼板張力ＴＰＲを基準値に保持するためのピンチロール４２の押力制御又はトルク制御において、ピンチロール４２の偏芯周期、つまりピンチロール４２の外周長さに対応する信号の発生機構である繰り返し制御器５２を用いるようにしたので、ピンチロール４２の偏芯の周期に同期したロールギャップ制御が可能となり、ピンチロール４２の偏芯による影響（押力変動又はトルク変動）を完全に除去することができる。この実施の形態１では、ピンチロール４２の偏芯の周期がわかればよく、事前の測定・解析等を要せず、簡単で汎用性の高い制御方法を実現できる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２について図３を参照して説明する。図３は、熱間圧延ラインの一部を概略的に示す図である。図１に示した部分と同一部分は同一符号を用いて示し、説明も省略する。本実施の形態の熱間圧延ライン１Ｂでは、制御器５に代えて、制御器６を用いるようにしたものである。制御器６は、演算器６１と外乱推定器６２とを備える。演算器６１は、目標とする鋼板張力ＴＰＲの基準値に対応する基準押力となるギャップ指令値に対して、外乱推定器６２により推定されるピンチロール４２の偏芯による周期的なギャップ外乱であるギャップ変動推定値が逆位相となるよう減算入力され、両者の偏差をギャップ指令値としてピンチロール４２の押力機構に与えるものである。外乱推定器６２は、ピンチロール１周期分の周期信号の発生機構であり、ピンチロール４２から検出される実績押力又はトルクを入力として、ピンチロール４２の偏芯による周期的なギャップ外乱をギャップ変動推定値として推定する。

ここで、外乱推定器６２の構成について説明する。まず、ピンチロール４２の指示から、押力までの応答を表現する伝達関数を１次遅れとしてモデル化すると、（１）式が成り立つ。

（ｄ／ｄｔ）ｘ＝−（１／Ｔ）ｘ＋Ｋ（ｕ＋ｄ_２）
ｙ＝（１／Ｔ）ｘ
・・・・・・・・・・・・・・・（１）
ここで、
ｘ：状態変数
Ｔ：時定数（ｓｅｃ）
Ｋ：ミル定数（ｔｏｎ／ｍｍ）
ｙ：押力（ｔｏｎ）
u：ピンチロールギャップ指示値（mm）
ｄ_２：ピンチロール４２の偏芯によるギャップ外乱（ｍｍ）

また、外乱の周期は、ピンチロール４２の１回転の周期であるので、（２）式に示す角周波数ωとなる。

ω＝Ｖ／ｒ・・・・・・・・・・・・・・（２）
ここで、
Ｖ：ピンチロール４２の周速（ｍ／ｓｅｃ）
ｒ：ピンチロール４２の半径（ｍ）

したがって、角周波数ωは、ピンチロール４２の周速（速度）Ｖに応じて可変とし、テーブル等を参照するようにすればよい。

この外乱のダイナミクスは、（３）式で表現できる。

（１）式と（３）式をまとめると、（４）式に示す状態空間表現が得られる。

この（４）式に対して、一般的に知られている状態推定器（オブザーバ）を構成することで、ピンチロール４２のギャップ外乱であるｄ_２を推定することができる。

簡単のため、（４）式を次の（５）式のように表現する。

このとき、状態ベクトルｚを推定する状態推定器は、（６）式のようになる。

ここで、Ｌは、Ａ−Ｌ・ｃの極の実部が負になるように選ばれたゲイン行列である。そして、推定した状態量ｚ＾（＾はｚの上につく）の要素ｄ_２が、ピンチロール４２の偏芯によるギャップ変動の推定値である。この推定値を演算器６１において基準押力となるギャップ指令値から減算させて偏差をとることで、ピンチロール４２の偏芯による影響を除去し、押力を基準押力として安定させることができる。

このように、本実施の形態２によれば、鋼板張力ＴＰＲを基準値に保持するためのピンチロール４２の押力制御において、ピンチロール４２の偏芯周期、つまりピンチロール４２の外周長さに対応する信号の発生機構である外乱推定器６２を用いるようにしたので、ピンチロール４２の偏芯の周期に同期したギャップ制御が可能となり、ピンチロール４２の偏芯による影響を完全に除去することができる。

実施の形態１による制御方法と、図１中で繰り返し制御器５２を用いない従来法とを、押力制御のシミュレーションにより比較することで、実施の形態１の効果の確認を行った。ここで、シミュレーション条件は、
ピンチロール半径：０．４５ｍ
ピンチロールの偏芯：２０μｍ
ミル定数：２３ｔｏｎ／ｍｍ
ピンチロール周速：１０ｍ／ｓｅｃ
基準押力：４０００ｋｇ
とした。

比較結果を図４に示す。この結果によれば、繰り返し制御器５２を用いた実施の形態１の制御方法によれば、基準押力４０００ｋｇに変動なく安定化できるのに対して、従来法では周期的な変動が残ってしまうことがわかる。

外乱推定器６２を用いた実施の形態２の制御方法についてシミュレーションを行った。この結果、ピンチロール４２の偏芯の実績と推定値とを比較すると、図５に示すように、早い段階で偏芯の実績と推定値とが一致していることがわかる。そして、このような周期的な偏芯の推定値を制御に用いることで、図６に示すように、変動なく基準押力に制御できることがわかったものである。

なお、本発明は、上述した実施の形態１、２により発明が限定されるものではない。例えば、これらの実施の形態では、巻取機４のピンチロール４２を制御対象とし、鋼板張力ＴＰＲが基準値となるようにピンチロール４２の偏芯の周期に同期してロールギャップを操作するようにしたが、仕上圧延機２のロール２１を制御対象とし、被圧延材３の板厚が基準値となるようにロール２１の偏芯の周期に同期して圧延荷重を制御することでロールギャップを操作するようにしてもよい。

１Ａ、１Ｂ熱間圧延ライン
２仕上圧延機
２１ロール
３被圧延材
４巻取機
４２ピンチロール
５２繰り返し制御器
６２外乱推定器

Claims

仕上圧延機で圧延された被圧延材を巻取機で巻き取る熱間圧延ラインにおけるロール制御方法であって、
対で設けられて前記被圧延材を直接挟持するロールの、当該ロールの周速に基づく１回転の周期をもとに該ロールの偏芯による周期信号を発生する周期信号の発生機構を用い、該周期信号の発生機構が発生する周期信号に同期して前記ロールのギャップを操作することで、該ロールの挟持状態を目標値に保持するようにしたことを特徴とする熱間圧延ラインにおけるロール制御方法。
前記周期信号の発生機構は、前記ロールの周速度が変化する場合、該周速度に応じて前記ロールの１回転の周期を変更することを特徴とする請求項１に記載の熱間圧延ラインにおけるロール制御方法。
前記周期信号の発生機構は、繰り返し制御器であることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱間圧延ラインにおけるロール制御方法。
前記周期信号の発生機構は、外乱推定器であることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱間圧延ラインにおけるロール制御方法。