JP5846102B2 - 張力制御システム - Google Patents

Description

本発明は、リールに巻き取られる被圧延材に作用する張力を制御する張力制御システムに関する。

圧延機における最終スタンドを通過した被圧延材をリールに巻き取る場合、被圧延材に一定の張力を付加した状態で巻き取りが行われる。この張力により、被圧延材の蛇行を防止し、通板を安定化させる。また、圧延荷重を低減して圧延そのものを成立させるためにも、この張力は必要不可欠である。そのため、リールを駆動するリールモータのトルクを操作することによって、張力制御が行われている。圧延機の起動、加減速、停止、ロール偏心、入側板厚変化、タンデム圧延機におけるカローゼルリールの公転、巻き取ったコイルの偏心などの外乱要素に引き起こされる非定常状態では張力変動が生じやすく、その結果、圧延荷重が変動して板厚や形状の変動が大きくなってしまう。したがって、張力変動を防止しながら圧延を行うことが品質を保つ上で重要となる。通常の張力制御であるＡＴＲ（ＡＵＴＯ ＴＥＮＳＩＯＮ ＲＥＧＵＬＡＴＯＲ）では、張力センサから得た値と目標張力との差分にＰＩ制御を施している。しかしながら、安定性の制限から各ゲインを大きく設定することができず、ロール偏心や入側板厚変動などの突発的な外乱要素による張力変動に素早く対応することができないという問題がある。

張力制御の外乱を補償する方法として、特許文献１の発明では、コイル偏心による張力変動を防ぐために、巻き取ったコイルの外径測定器を用いて各回転位置での偏心量にあわせてモータ回転数を補正している。また、特許文献２の発明では、１パス目において各回転位置でのロール偏心量を圧延荷重の変動から同定して、２パス目以降でロール偏心量を補正している。また、特許文献３には、外乱要素を含まない制御対象のモデル応答を作成し、実機の応答値とモデルの応答値との差分から補償値を作成して、外乱抑制および振動抑制を行う電動機の速度制御装置が開示されている。

実開平４−４３４０５号公報 国際公開第ＷＯ２００６／１２３３９４号パンフレット 特開昭６０−２５４２０１号公報

しかしながら、特許文献１および２の発明では、動的に変動する外乱要素の影響を抑圧することは困難である。また、特許文献１の発明では、高精度の外径測定器が必要となり、コストが高くなる。また、特許文献２の発明では、２パス目以降で偏心量が変動した場合には、その変動に対処することができない。また、特許文献３の発明を応用する場合には、調整が必要なパラメータ数が多く、特に制御対象のモデルの慣性モーメントの調整が難しいために、設備更新などでの短時間での調整は、熟練した調整員でなければ実装することができないという課題がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、パラメータのモデリングおよび調整に要するコストや労力を軽減しつつ、動的に変動する外乱要素の影響を抑圧し、被圧延材の張力の変動を抑制することのできる張力制御システムを提供することを目的とする。

本発明に係る張力制御システムは、圧延機のロールにより圧延された被圧延材を巻き取るリールを駆動するリールモータのトルクを、与えられたトルク基準値に基づいて制御するモータ制御手段と、被圧延材の張力を計測する張力計測手段と、張力の目標値と、張力計測手段の計測値との偏差に基づいて、リールモータのトルク基準値を算出する張力制御器と、モータ制御手段に与えられるトルク基準値と、張力計測手段の計測値とに基づいて、張力制御に影響する外乱を、リールモータに作用する外乱トルクとして推定する外乱トルク推定手段と、を備え、張力制御器により算出されたトルク基準値を、外乱トルク推定手段により推定された外乱トルクにて補償して、モータ制御手段に与えるものである。

本発明によれば、パラメータのモデリングおよび調整に要するコストや労力を軽減しつつ、動的に変動する外乱要素の影響を抑圧し、被圧延材の張力の変動を抑制することが可能となる。

本発明の実施の形態１における圧延機設備を示す構成図である。 ＰＩ制御を用いたリールモータによる張力制御系のブロック線図である。 本発明の実施の形態１の張力制御システムにおける規範モデルのブロック線図である。 本発明の実施の形態１の張力制御システムにおける外乱オブザーバを説明するための図である。 本発明の実施の形態１の張力制御システムにおける外乱オブザーバの内部構成を示す図である。 本発明の実施の形態１の張力制御システムを示すブロック線図である。 本発明の実施の形態１の張力制御システムによるシミュレーション結果を示す図である。 比較例のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の実施の形態２の張力制御システムを示すブロック線図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における圧延機設備を示す構成図である。図１に示すように、本実施形態における圧延機設備は、圧延機の最終スタンドのロール１と、ロール１により圧延された被圧延材５を巻き取るリール６と、リール６を駆動するリールモータ７と、リール６の回転速度を検出する回転速度センサ８と、ロール１とリール６との間で被圧延材５に接触して回転する送りロール２と、送りロール２の回転速度を検出する回転速度センサ４と、被圧延材５に作用する張力を計測する張力計測手段としての張力センサ３とを備えている。被圧延材５は、リール６に巻き取られることによりコイル９を形成する。送りロール２の前方の被圧延材５と、送りロール２の後方の被圧延材５とは、角度をなしている。このため、送りロール２には、被圧延材５に作用する張力に応じた荷重が作用する。張力センサ３は、送りロール２に作用する荷重を計測することにより、被圧延材５の張力を計測することができる。

ここで、以下の説明で用いる記号の意味を表１にまとめて示す。なお、表１および図面において文字の上に＾（ハット）が付された記号については、本明細書中では、文字の前に＾を付して表記する。

図２は、ＰＩ制御を用いたリールモータ７による張力制御系のブロック線図である。まず、図２を参照して、ＰＩ制御を用いたリールモータ７による張力制御系について説明する。被圧延材５の張力Ｔと、コイル９を含むリール６の周速ｖ_rと、スタンド（ロール１）の出口の被圧延材５の速度ｖ_outと、リール６とスタンド（ロール１）との間の距離Ｌ_rと、被圧延材５のヤング率Ｅとの間には、応力とひずみの関係から、次式が成り立つ。

張力制御器ＡＴＲは、張力センサ３により計測された張力計測値Ｔ^resと、張力の目標値Ｔ^cmdとの偏差に基づいて、ＰＩ制御の演算を行い、リールモータ７のトルク基準値（トルク指令値）τ_r ^refを算出する。モータ制御手段１０は、リールモータ７が発揮するトルクτ_rが、与えられたトルク基準値τ_r ^refに一致するように、リールモータ７を制御する。

リールモータ７には、被圧延材５の張力による負荷トルクが作用する。この張力によるリールモータ負荷トルクは、被圧延材５の板幅Ｂ_outおよび板厚ｈと、コイル９を含むリール６の半径Ｒ_rとを用いて、Ｂ_outｈＲ_rＴ^resとして表される。リールモータ７のトルクτ_rと、張力によるリールモータ負荷トルクＢ_outｈＲ_rＴ^resとの差が、リール６およびコイル９に対する回転力として作用し、コイル９を含むリール６の慣性モーメントＪ_rに応じて、リール６の回転速度が変化する。

図２に示すように、このような張力制御系には、ロール１の速度（ロール１の周速ｖ_Roll）およびロール１における先進率ｆの影響が、外乱として作用する。そして、ロール周速ｖ_Rollおよび先進率ｆは、ロール１の偏心、入側板厚変化、タンデム圧延機におけるカローゼルリールの公転、巻き取ったコイル９の偏心などの種々の外乱要素によって変動してしまう。このため、従来、これらの外乱の値を予測して補償することは非常に難しい。

図３は、本実施形態の張力制御システムにおける規範モデルのブロック線図である。図３に示すように、本実施形態の張力制御システムでは、ロール周速ｖ_Rollの影響、先進率ｆの影響、および張力によるリールモータ負荷トルクの影響を規範モデルから除外しており、ロール１の偏心、入側板厚変化、タンデム圧延機におけるカローゼルリールの公転、巻き取ったコイル９の偏心などの外乱要素に基づく、ロール周速ｖ_Rollおよび先進率ｆの変動の影響、並びに、張力によるリールモータ負荷トルクの影響を、リールモータ７のトルクτ_rに作用する一つの外乱トルクτ_disの影響であると解釈する。これにより、実装の際にモデリングと調整が必要なパラメータの数を極力減らすことができ、パラメータのモデリングおよび調整に要する労力やコストを軽減することができる。

また、コイル９を含むリール６の慣性モーメントＪ_rは、被圧延材５が巻き取られるにつれて変化する。本実施形態では、この慣性モーメントＪ_rの変化の影響を上記外乱トルクτ_disに含めて、一括して補償することもできる。このため、パラメータのモデリングおよび調整に要する労力やコストを更に軽減することができる。

図４は、本実施形態の張力制御システムにおける外乱オブザーバを説明するための図である。図４に示すように、本実施形態の張力制御システムにおける外乱オブザーバ１３の入力は、モータ制御手段１０に与えられるトルク基準値τ_r ^refと、規範モデルにおけるコイル９を含むリール６の周速の推定値^ｖ_m ^resである。^ｖ_m ^resは、張力センサ３により計測された張力計測値Ｔ^resを不完全微分器１１にて不完全微分した値に、ゲイン補償器１２にて、リール６とスタンドとの間の距離Ｌ_rを乗算して被圧延材５のヤング率の推定値^Ｅで除算することによって得る。外乱オブザーバ１３によって推定された外乱トルク^τ_disを、張力制御器ＡＴＲにより算出されたトルク基準値τ_r ^refにフィードフォワード補償することによって、外乱トルクτ_disを相殺（キャンセリング）することが可能である。

本実施形態の張力制御システムでは、外乱トルクτ_disの推定をできるだけ速く行うことが重要であるため、制御周期のサンプリングタイムｓｔができるだけ小さいことが望まれる。本実施形態では、リールモータ７のドライブ装置の内部に張力制御システムを実装することにより、サンプリングタイムｓｔを例えば１ｍｓｅｃ程度の十分小さい周期にすることが可能である。また、本実施形態では、被圧延材５のヤング率の推定値^Ｅを得るモデルが必要となるが、そのモデル誤差の影響も含めて外乱オブザーバ１３が補償するため、精度の高いモデルを必要としない。本実施形態では、このような点からも、モデリングのコストを削減することができる。

図５は、本実施形態の張力制御システムにおける外乱オブザーバ１３の内部構成を示す図である。図５に示すように、外乱オブザーバ１３は、変換器１５と、ブロック１６と、１次のローパスフィルタ１７とを有している。変換器１５は、コイル９を含むリール６の周速の推定値^ｖ_m ^resを、回転速度に変換する。この変換の際、コイル９を含むリール６の半径Ｒ_rの値が必要になる。コイル９を含むリール６の半径Ｒ_rは、回転速度センサ４により検出される送りロール２の回転速度ｎ_dと、回転速度センサ８により検出されるリール６の回転速度ｎ_rを用いて求めることができる。コイル９を含むリール６の周速ｖ_rと、送りロール２の回転速度ｎ_dと、送りロール２の半径ｒと、リール６の回転速度ｎ_rと、リール半径Ｒ_rとの間には、次式が成り立つ。

上記式（２）より、コイル９を含むリール６の半径の推定値^Ｒ_rは、次式により算出することができる。

変換器１５は、上記式（３）により算出したコイル９を含むリール６の半径の推定値^Ｒ_rを用いて回転速度を算出する。ブロック１６は、変換器１５により算出された回転速度に完全微分を施すとともにコイル９を含むリール６の慣性モーメントＪ_rを乗ずることにより、トルクの次元［Ｎ・ｍ］の値に変換する。この値と、トルク基準値τ_r ^refとの差分を求めることにより、前述したような各種の外乱要素を、トルクの次元［Ｎ・ｍ］を有する外乱トルクとして抽出することができる。本実施形態の外乱オブザーバ１３では、この抽出した外乱トルクに含まれる高周波のノイズを除去するため、この抽出した外乱トルクをローパスフィルタ１７に通した値を外乱トルクの推定値^τ_disとする。

図６は、本実施形態の張力制御システムを示すブロック線図である。図６に示す本実施形態の張力制御システムでは、ブロック１６における完全微分演算を回避するために、上述した外乱オブザーバ１３に代えて、外乱オブザーバ１３を等価的に変形した、微分演算器を含まない外乱オブザーバ１８を用いている。それ以外の点については、これまでの説明と同様である。図６に示す本実施形態の張力制御システムでは、外乱オブザーバ１８、ゲイン補償器１２および不完全微分器１１により、外乱トルク推定手段が構成されている。

次に、図６に示す張力制御システムの動作について説明する。張力センサ３による張力計測値Ｔ^resと、張力目標値Ｔ^cmdとの偏差が張力制御器ＡＴＲにてＰＩ制御される。また、サンプリング毎に、外乱オブザーバ１８によって、外乱トルクの推定値^τ_disが逐次計算され、張力制御器ＡＴＲにて算出されたトルク基準値τ_r ^refが外乱トルクの推定値^τ_disにて補償される。この補償されたトルク基準値τ_r ^refがモータ制御手段１０に与えられ、リールモータ７のトルクτ_rが制御される。前述したように、本実施形態の張力制御システムにおいて推定される外乱トルクには、ロール１の偏心、入側板厚変化、タンデム圧延機におけるカローゼルリールの公転、巻き取ったコイル９の偏心などの外乱要素に基づく、ロール周速ｖ_Rollおよび先進率ｆの変動の影響、並びに、張力によるリールモータ負荷トルクの影響が包含されている。このため、本実施形態の張力制御システムによれば、諸々の外乱要素の影響を確実に抑制することができ、被圧延材５の張力Ｔの変動を確実に抑制することができる。また、本実施形態の張力制御システムによれば、ロール周速ｖ_Rollの影響、先進率ｆの影響、および張力によるリールモータ負荷トルクの影響をモデルから除外しているため、実装の際にモデリングと調整が必要なパラメータの数を極力減らすことができ、パラメータのモデリングおよび調整に要する労力やコストを軽減することができる。

図７および図８は、それぞれ、本実施形態の張力制御システムの有効性を確認するために行ったシミュレーションの結果を示す図である。本シミュレーションでは、外乱要素として、ロール周速ｖ_Rollおよび先進率ｆをそれぞれ１０％程度ずつランダムに変化させ、張力目標値Ｔ^cmd＝２０ＭＰａのステップ入力を行った。図６に示す本実施形態の張力制御システムによる張力制御のシミュレーション結果を図７に示す。比較例として、図２に示すようなＰＩ制御を用いた張力制御系による張力制御のシミュレーション結果を図８に示す。図８に示すように、比較例の張力制御系では、ロール周速ｖ_Rollおよび先進率ｆの変化の影響により、主に破線の円で囲んだ箇所において、張力応答に変動が発生してしまうことが分かる。これに対し、図７に示すように、本実施形態の張力制御システムによれば、ロール周速ｖ_Rollおよび先進率ｆの変化の影響を外乱オブザーバ１８が補償することにより、比較例のシミュレーション結果に比べて、張力のゆらぎが確実に抑制されていることが分かる。

実施の形態２．
次に、図９を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同一部分または相当部分は同一符号を付し説明を省略する。図９は、本発明の実施の形態２の張力制御システムを示すブロック線図である。図９に示すように、本実施の形態２の張力制御システムは、実施の形態１の張力制御システムに比べて、不完全微分器１９と、ハイパスフィルタ２０と、ゲイン補償器２１とを更に備えている。

実施の形態１では、外乱の影響を補償するための外乱トルク推定値^τ_disを外乱オブザーバ１８により作成しているが、張力センサ３による張力計測値Ｔ^resに含まれるノイズが大きい場合には、外乱オブザーバ１８内のローパスフィルタ１７のカットオフ周波数ｇ_disを高く設定することができず、その結果として、高周波の外乱を抑制することが困難な場合がある。本実施形態では、この問題を解決するために、図９に示すように、張力センサ３による張力計測値Ｔ^resを、不完全微分器１９にて、外乱オブザーバ１８内のローパスフィルタ１７のカットオフ周波数ｇ_disよりも高いカットオフ周波数ｇ_dmpで不完全微分し、その不完全微分した値を、外乱オブザーバ１８内のローパスフィルタ１７のカットオフ周波数ｇ_disに等しいカットオフ周波数ｇ_disを有するハイパスフィルタ２０に通し、その値にゲイン補償器２１にてダンピングゲインＫ_dmpを乗算してなるダンピング補償トルクτ_dmpを、トルク基準値τ_r ^refにネガティブフィードバックする。このような構成により、外乱オブザーバ１８内のローパスフィルタ１７のカットオフ周波数ｇ_dis以上の高周波領域にのみダンピング補償を施すことができる。このため、外乱オブザーバ１８の外乱推定に影響を与えることなく、外乱オブザーバ１８が補償しきれない高周波領域における外乱抑圧性能を改善させることが可能である。このダンピング補償トルクτ_dmpは、ネガティブフィードバックとして、トルク基準値τ_r ^refが小さくなるように作用する。そのため、ある程度のノイズの含有を許容するので、不完全微分器１９のカットオフ周波数ｇ_dmpを高く設定することが可能である。また、ゲイン補償器２１のダンピングゲインＫ_dmpを調整することによって、ダンピングの強弱を容易に調整することが可能である。

１ ロール、２ 送りロール、３ 張力センサ、４ 回転速度センサ、５ 被圧延材、６ リール、７ リールモータ、８ 回転速度センサ、９ コイル、１０ モータ制御手段、１１ 不完全微分器、１２ ゲイン補償器、１３ 外乱オブザーバ、１５ 変換器、１６ ブロック、１７ ローパスフィルタ、１８ 外乱オブザーバ、１９ 不完全微分器、２０ ハイパスフィルタ、２１ ゲイン補償器

Claims (5)

1. 圧延機のロールにより圧延された被圧延材を巻き取るリールを駆動するリールモータのトルクを、与えられたトルク基準値に基づいて制御するモータ制御手段と、
   前記被圧延材の張力を計測する張力計測手段と、
   前記張力の目標値と、前記張力計測手段の計測値との偏差に基づいて、前記リールモータのトルク基準値を算出する張力制御器と、
   前記モータ制御手段に与えられるトルク基準値と、前記張力計測手段の計測値とに基づいて、張力制御に影響する外乱を、前記リールモータに作用する外乱トルクとして推定する外乱トルク推定手段と、
   を備え、
   前記張力制御器により算出されたトルク基準値を、前記外乱トルク推定手段により推定された外乱トルクにて補償して、前記モータ制御手段に与える張力制御システム。
2. 前記外乱トルク推定手段は、外乱トルクに含まれる高周波ノイズを除去するローパスフィルタを含み、
   前記張力制御器により算出されたトルク基準値を、前記張力計測手段の計測値の不完全微分値をハイパスフィルタに通した値を用いて算出される補償トルクにて補償する手段を更に備える請求項１記載の張力制御システム。
3. 前記外乱トルク推定手段により推定される外乱トルクには、前記ロールの周速の変動の影響が包含されている請求項１または２記載の張力制御システム。
4. 前記外乱トルク推定手段により推定される外乱トルクには、前記ロールにおける先進率の変動の影響が包含されている請求項１乃至３の何れか１項記載の張力制御システム。
5. 前記外乱トルク推定手段により推定される外乱トルクには、前記被圧延材の張力による前記リールモータの負荷トルクの変動の影響が包含されている請求項１乃至４の何れか１項記載の張力制御システム。

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