JP7481201B2 - プラント制御装置及びプラント制御方法 - Google Patents

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Description

本開示は、プラント制御装置及びプラント制御方法に関する。
被圧延材の圧延によって薄い金属材料を生産するためのプラントである圧延機では、被圧延材に硬度ムラがあると、その硬度ムラによって、被圧延材の板厚が位置に応じて異なる板厚変動（板厚不良）が生じることがある。硬度ムラとは、被圧延材の硬さが一様でないことである。被圧延材の硬さは、圧延される際の変形抵抗となるため、圧延の際に被圧延材を搬送する圧延方向に硬度ムラがあると、被圧延材の潰れ方が位置に応じて異なることとなり、圧延された後の板厚が位置に応じて変化してしまい、板厚変動が発生する。
また、圧延による金属材料の生産では、一般的に、被圧延材の板厚を元の原板厚から所望の製品厚まで加工するために、被圧延材が圧延機に複数回投入される。このため、被圧延材に硬度ムラがあると、圧延機に投入されるごとに板厚変動が発生してしまう。
特許文献１～３には、複数の圧延機を含むタンデム圧延機にて生じる板厚変動を抑制することが可能な技術が開示されている。特許文献１～３に記載の技術では、前段の圧延機によって発生した板厚変動を検出し、その板厚変動に基づいて後段の圧延機を制御するフィードフォワード制御を行うことで、板厚変動を抑制している。このようなフィードフォワード制御では、前段の圧延機による板厚変動に応じて、フィードフォワード制御の制御ゲインが調整される。また、特許文献３に記載の技術は、板厚のような状態量と目標値との偏差が大きい場合、制御ゲインに加えて、制御出力タイミングを調整することが行われている。
特許３３８４３３０号 特許５５８１９６４号 特許６４０４１９５号
一般的に制御対象プラントを制御するプラント制御装置では、板厚変動のような変動周期の短い状態量変動を抑制するためのフィードフォワード制御とは別に、長期的に状態量に生じるオフセット誤差（状態量と指令値との差）を抑制するためのフィードバック制御が行われることがある。
しかしながら、フィードフォワード制御に加えてフィードバック制御を行っても、制御出力を開始及び終了するタイミングによっては、一時的にオフセット誤差が発生することがある。
また、フィードバック制御は、状態量を積分した制御出力を用いた積分制御を含むが、積分制御では、状態量変動と制御出力との間に９０度の位相ズレが発生する。このため、フィードフォワード制御とフィードバック制御との両方が行われると、フィードバック制御による位相ズレの影響で、フィードフォワード制御の制御出力タイミングが適切な値からずれてしまい、フィードフォワード制御の制御効果が低減してしまうことがある。
このようにフィードバック制御を使用しても、オフセット誤差が低減できないことがあるばかりか、かえってフィードフォワード制御の制御効果を低減させてしまうこともある。このため、フィードバック制御を使用せずにオフセット誤差を抑制する技術が望まれている。
特許文献１～３には、フィードバック制御を使用せずにオフセット誤差を抑制することについては何ら開示していない。
本開示の課題は、フィードバック制御を使用せずにオフセット誤差を抑制することが可能なプラント制御装置及びプラント制御方法を提供することにある。
本開示の一態様に従うプラント制御装置は、制御対象に関する状態量を変動させる変動要因に関する要因値に基づいて、前記制御対象が行う処理の制御を実施するプラント制御装置であって、前記要因値に応じた制御出力を用いて、前記処理のフィードフォワード制御を実施する第１の制御部と、前記状態量に基づいて、前記第１の制御部が前記フィードフォワード制御を行うタイミングを調整する決定部と、を有する。
本発明によれば、フィードバック制御を使用せずにオフセット誤差を抑制することが可能になる。
本開示の実施例に係るプラント制御装置を適用することが可能なプラントシステムの一例を示す図である。 圧延機によって被圧延材に生じる圧延現象を説明するための図である。 図２で説明した圧延現象を表すモデルを示す図である。 板厚制御の一例を説明するための図である。 張力制御の一例を説明するための図である。 従来のプラント制御システムの概要を示す図である。 本開示の実施例１のプラント制御装置を示す図である。 ＦＦ制御装置の一例を示す図である。 ＯＮ/ＯＦＦタイミング決定装置の一例を示す図である。 プラント制御装置の制御結果の一例を示す図である。 プラント制御装置の制御結果の他の例を示す図である。 プラント制御装置の制御結果の他の例を示す図である。 本開示の実施例２のプラント制御装置を示す図である。
以下、本開示の実施例について図面を参照して説明する。
図１は、本開示の実施例１に係るプラント制御装置（図７参照）を適用することが可能なプラントシステムの一例を示す図である。図１では、制御対象プラントとして、被圧延材２００を圧延する複数の圧延機を備えるタンデム圧延機１００が示されている。図１に示すタンデム圧延機１００は、４台の圧延機１１～１４を直列に並べた４スタンドのタンデム圧延機であるが、圧延機は４台に限定されない。
各圧延機１１～１４は、被圧延材２００を挟む複数のロールを備え、それらのロールを用いて被圧延材２００を圧延する圧延処理を行う。図の例では、各圧延機１１～１４は、ロールとして被圧延材２００を直接挟む１対の作業ロール１と、各作業ロール１の外側に配置される１対の中間ロール２と、各中間ロール２の外側に配置される１対のバックアップロール３を有する。また、被圧延材２００は、圧延機１１、圧延機１２、圧延機１３、圧延機１４の順に搬送される。以下では、圧延機１１を＃１スタンド圧延機１１、圧延機１２を＃２スタンド圧延機１２、圧延機１３を＃３スタンド圧延機１３、圧延機１４を＃４スタンド圧延機１４と呼ぶこともある。
図２は、各圧延機１１～１４によって被圧延材２００に生じる圧延現象を説明するための図である。図２に示すように被圧延材２００の圧延は、被圧延材２００を挟む１対の作業ロール１によって被圧延材２００を潰すことで実施される。このとき、被圧延材２００には、被圧延材２００の搬送方向である圧延方向に対して、作業ロール１よりも前段側に向かう入側張力Ｔｂと、作業ロール１よりも後段側に向かう出側張力Ｔｆとが加わる。また、被圧延材２００には、垂直方向に対して、作業ロール１間の距離であるロールギャップＳに応じて決定される圧延荷重Ｐが印加される。これにより、被圧延材２００は圧延され、被圧延材２００の板厚が入側板厚Ｈから出側板厚ｈまで変化する。この圧延現象による先進率をｆ、後進率をｂとすると、被圧延材２００の入側速度Ｖｅ及び出側速度Ｖｏは、作業ロール１の回転速度である作業ロール速度がＶＲの場合、Ｖｅ＝ＶＲ（１＋ｂ）、Ｖｏ＝ＶＲ（１＋ｆ）となる。
図３は、図２で説明した圧延現象を表すモデルを示す図である。圧延機において被圧延材２００に印加される入側張力Ｔｂ及び出側張力Ｔｆは、自圧延機及びその前後の圧延機の入側速度Ｖｅ及び出側速度Ｖｏに応じて変化する。また、張力が変化すると、圧延荷重Ｐ、出側板厚ｈ、入側速度Ｖｅ及び出側速度Ｖｏが変化する。したがって、圧延現象は、入側板厚Ｈ、作業ロール速度ＶＲ及びロールギャップＳを入力、入側張力Ｔｂ、出側張力Ｔｆ及び出側板厚ｈを出力とする複雑な現象であり、さらには、張力を介して前後の圧延機における圧延現象とも関連するため、非常に複雑である。
図１の説明に戻る。各圧延機１１～１４には、作業ロールを駆動するための駆動装置２１～２４と、作業ロール１のロールギャップを制御するロールギャップ制御装置３１～３４とが設けられる。駆動装置２１～２４は、例えば、作業ロール１を駆動する電動機（図示せず）と、電動機を操作して作業ロール速度を制御する電動機速度制御装置（図示せず）とを含む。
また、各圧延機１１～１４の出側には、被圧延材２００の板厚を測定する板厚計４１～４４と、被圧延材２００に印加されている張力を測定する張力計５１～５４とが設置されている。なお、被圧延材２００の板厚は、被圧延材２００の圧延により生産する製品の品質の観点から重要である。また、被圧延材２００に印加される張力は、圧延操業の安定性のために重要であり、板厚の精度にも関わる。
また、圧延機１４の出側には、圧延機１４の出側張力を発生させる出側ブライドルロール１５が設けられている。出側ブライドルロール１５には、駆動装置２５が設けられている。駆動装置２５は、例えば、出側ブライドルロール１５を駆動する電動機（図示せず）と、電動機を操作して出側ブライドルロール１５の回転速度を制御する電動機速度制御装置（図示せず）とを含む。
また、各圧延機１１～１４には、圧延処理を制御するためのプラント制御装置として、板厚制御装置６１～６４と、張力制御装置７１～７４とが設けられている。
圧延機１１に対応する板厚制御装置６１は、ロールギャップ制御装置３１を用いて圧延機１１のロールギャップを制御することで、圧延機１１の出側板厚を制御する。圧延機１２～１４に対応する板厚制御装置６２～６４は、前段の圧延機１１～１３の駆動装置２１～２３を用いて、前段の圧延機１１～１３の作業ロール速度である前段スタンド速度を制御して、各圧延機１２～１４の出側板厚を制御する。
板厚制御装置６２～６４は、対応する圧延機１２～１４の入側の板厚計（前段の圧延機１１～１３の出側の板厚計）４１～４３の検出結果を用いたフィードフォワード制御と、対応する圧延機１２～１４の出側の板厚計４２～４４の検出結果を用いたフィードバック制御とを実行する。例えば、板厚制御装置６２の場合、板厚計４１の検出結果を用いたフィードフォワード制御と、出側の板厚計４２の検出結果を用いたフィードバック制御とが実施される。
また、張力制御装置７１～７３は、対応する圧延機１１～１３の出側の張力計５１～５３の検出結果に基づいて、後段の圧延機１２～１４のロールギャップ制御装置３２～３４を用いて後段の圧延機１２～１４のロールギャップを制御して、対応する圧延機１１～１３の出側張力を制御する。例えば、張力制御装置７１の場合、圧延機１１の出側の張力計５１の検出結果に基づいて、圧延機１２のロールギャップを制御する。また、張力制御装置７４は、対応する圧延機１４の出側の張力計５４の検出結果に基づいて、駆動装置２５を用いて出側ブライドルロール１５の回転速度を制御することにより、圧延機１４の出側張力を制御する。
次に板厚制御装置６１～６４が行う板厚制御についてより詳細に説明する。なお、板厚制御においては、板厚が変化する圧延機と板厚を検出する板厚計が物理的に離れた位置にある。そのため、被圧延材２００の入側板厚の偏差を検出してから、その箇所が実際の制御操作を実施する圧延機に到達するまでには無駄時間が存在する。また、圧延機にて変化した板厚を出側の板厚計で検出するまでにも無駄時間が存在する。
図４は、板厚制御の一例を説明するための図であり、＃４スタンド圧延機１４に対応する板厚制御装置６４の構成例を示している。図４の例では、板厚計４３は、＃３スタンド圧延機１３の出側板厚と目標値との偏差を入側板厚偏差ΔＨとして計測して出力し、板厚計４４は、圧延機１４の出側板厚と目標値との偏差を出側板厚偏差Δｈとして計測して出力する。各目標値は予め定められている。
板厚制御装置６４は、入側の板厚計から圧延機までの無駄時間を補正する移送時間補償部２０１と、フィードフォワード制御部２０２と、比例回路２０３と、積分回路２０４とを有する。
移送時間補償部２０１は、＃３スタンド圧延機１３の出側の板厚計４３から出力された入側板厚偏差ΔＨを、位相シフト量ＴＦＦだけ位相シフトさせる移送処理を行う。位相シフト量ＴＦＦは、移送時間ＴＸ３Ｄ－４とフィードフォワード制御用制御出力タイミングシフト量（以下、タイミングシフト量と略す）ΔＴＦＦとを用いて、ＴＦＦ＝ＴＸ３Ｄ－４－ΔＴＦＦで表される。移送時間ＴＸ３Ｄ－４は、被圧延材２００における入側板厚偏差ΔＨを有する箇所が板厚計４３から圧延機１４の作業ロール１の直下まで移動するのにかかる時間である。タイミングシフト量ΔＴＦＦは、入側板厚偏差ΔＨに応じた制御出力２３０が駆動装置２３に到達するまでの無駄時間及び制御出力２３０が駆動装置２３に入力されてから応答するまでの応答時間などに応じて定められる。
フィードフォワード制御部２０２は、移送時間補償部２０１にて移送処理が行われた入側板厚偏差ΔＨに制御ゲインＧＦＦを乗算してフィードフォワード制御出力２１０を生成する。
比例回路２０３及び積分回路２０４は、フィードバック制御を行うフィードバック制御部を構成する。比例回路２０３は、圧延機１４の出側の板厚計４４で計測された出側板厚偏差Δｈに制御ゲインＧＦＢを乗算して出力する。積分回路２０４は、比例回路２０３の出力に対して積分処理を行ってフィードバック制御出力２２０を生成する。ここで、制御ゲインＧＦＢは、圧延機から出側の板厚計までの無駄時間を考慮して決定される。
フィードフォワード制御出力２１０とフィードバック制御出力２２０とは互いに加算されて、板厚制御装置６４の制御出力２３０として圧延機１３の駆動装置２３に入力される。
次に張力制御装置７１～７４による張力制御についてより詳細に説明する。張力計は、被圧延材にかかる張力を直接検出するため、無駄時間を考慮する必要が無い。そのため、基本的にはフィードバック制御のみ実施する。図５は、張力制御の一例を説明するための図であり、＃３スタンド圧延機１３に対応する張力制御装置７３の構成例を示している。
図５の例では、張力制御装置７３は、比例積分部３０１を有する。比例積分部３０１は、圧延機１３の出側に配置された張力計５３にて計測された張力である張力実績値Ｔ３４ＦＢと、外部から入力される張力指令値Ｔ３４ＲＥＦとの偏差ΔＴ３４を用いて、圧延機１４の比例積分制御を行う。具体的には、比例積分部３０１は、偏差ΔＴ３４に対して比例積分処理を行って、張力制御装置７３の制御出力３１０を生成して、圧延機１４のロールギャップ制御装置３４に入力する。なお、比例積分制御は、比例制御と積分制御とを組み合わせた制御であり、ここでは、比例制御の比例ゲインをＣＰ、積分制御の積分ゲインをＣ１としている。
以上のように従来のタンデム圧延機１００で行われる板厚制御は、比例制御であるフィードフォワード制御と、積分制御であるフィードバック制御とを組み合わせたものである。また、張力制御は比例積分制御を用いたフィードバック制御として構成される。
一般的に制御対象に関する状態量である制御状態量に対する積分制御では、制御出力の位相が制御状態量の位相に対して９０度ずれるため、その結果、積分制御により得られる制御結果の位相が元の制御状態量の位相からずれるという問題がある。例えば、タンデム圧延機１００では、制御結果である圧延機１４の出側板厚（板厚偏差）の位相が元の変形抵抗（硬度）の位相からずれてしまう。その結果、変形抵抗に応じた適切な制御が行うことができず、フィードフォワード制御の制御効果が低減してしまう。
そのため、フィードフォワード制御を実施する場合、図４に示したようにフィードフォワード制御における制御ゲインＧＦＦと位相シフト量ＴＦＦ（具体的には、タイミングシフト量ΔＴＦＦ）とを適切な値に調整して、制御状態量の位相と振幅とに合わせたフィードフォワード制御出力を生成することで、制御効果を高くすることが行われている。これらの適切な値は、制御対象に関するパラメータ、及び、制御対象に対して実施される他の制御などに応じて変わる。タンデム圧延機１００の場合、制御対象に関するパラメータとしては、被圧延材２００を圧延する圧延速度が挙げられる。なお、圧延速度が変化すると、板厚偏差の変動周波数が変わり、制御出力による制御操作端である駆動装置２３の応答時間などが変化する。また、他の制御としては、他の圧延機に対して実施される板厚制御などが挙げられる。
しかしながら、タンデム圧延機１００のように、フィードフォワード制御及びフィードバック制御の両方が実施される場合、積分制御であるフィードバック制御によって制御状態量の位相が変化するため、フィードフォワード制御における制御ゲインと位相シフト量とを適切な値に調整することが難しい。
以下、フィードフォワード制御及びフィードバック制御の両方を実施する従来のプラント制御システムの課題についてより詳細に説明する。
図６は、従来のプラント制御システムの概要を示す図である。図６（ａ）に示す従来のプラント制御システムは、制御対象プラント５００を制御する制御装置５０１と、制御対象プラント５００から出力された制御対象に関する状態量である状態量実績ｘＦＢを検出無駄時間分だけ位相シフトさせる位相シフト要因５０２とを有する。また、制御装置５０１は、状態量実績ｘＦＢと外部から入力される状態量の指令値である状態量指令値ｘＲＥＦとの偏差に基づいて、制御対象プラント５００に対して比例積分制御を実施するＰＩ制御装置５１１を備える。
なお、状態量実績ｘＦＢは、制御対象プラント５００のモデル化誤差及び外乱などの影響により、オフセット誤差を有する。ＰＩ制御装置５１１による比例積分制御に含まれる積分制御は、状態量実績ｘＦＢのオフセット誤差を補正して、状態量実績ｘＦＢを状態量指令値ｘＲＥＦに維持するための制御である。
図６（ｂ）に示す従来のプラント制御システムでは、図６（ａ）の例と比較して、制御装置５０１が、ＰＩ制御装置５１１の代わりに、制御対象プラント５００に対して積分制御（フィードバック制御）を実施するＩ制御装置５２１と、制御対象プラント５００に対してフィードフォワード制御を実施するＦＦ制御装置５２２を備えている点で異なる。
図６（ｂ）に示すプラント制御システムは、圧延機における板厚制御と対応する。図４と比較すると、制御外乱源５５０は圧延機の入側板厚偏差に対応し、それを入側板厚計４３にて検出して制御外乱ｄＡＣＴとする。ＦＦ制御装置５２２は移送時間補償部２０１とフィードフォワード制御部２０２とに対応し、Ｉ制御装置５２１は比例回路２０３と積分回路２０４とに対応する。
図６（ｂ）の例では、制御外乱源５５０にて発生する制御対象プラント５００に対する外乱である制御外乱ｄＡＣＴが既知である。このように制御外乱ｄＡＣＴが既知の場合、ＦＦ制御装置５２２は、制御外乱ｄＡＣＴと制御外乱ｄＡＣＴに対する外乱指令値ｄＲＥＦとの偏差に基づいて、制御対象プラント５００に対してフィードフォワード制御を実施する。また、Ｉ制御装置５２１は、状態量実績ｘＦＢと状態量指令値ｘＲＥＦとの偏差に基づいて、制御対象プラント５００に対して積分制御を実施する。
なお、上記の検出無駄時間は、制御対象プラント５００が材料に対して加工を実施した場所と、その加工の結果を検出する場所が物理的に離れているために発生するものである。タンデム圧延機１００の場合、図２に示したように、圧延により被圧延材２００が加工される圧延機１１～１４と、被圧延材２００の板厚を検出する板厚計４１～４４とが物理的に離れており、被圧延材２００が圧延機１１～１４から板厚計４１～４４まで移送されて被圧延材２００の加工結果（板厚）が検出される。この被圧延材２００の移送に要する時間が検出無駄時間となる。
このように従来のプラント制御システムでは、オフセット誤差の除去のために積分制御を含むフィードバック制御が実施される。この積分制御は、制御出力が制御状態量からの９０度の位相遅れと、検出無駄時間による位相遅れとの和の位相遅れを生じさせる制御であり、制御出力が大きくなると、フィードフォワード制御の制御出力と干渉し、フィードフォワード制御の位相シフト量が設定値からずれてしまう。その結果、フィードフォワード制御の制御効果が低減する。
また、従来のプラント制御システムでは、図６（ｂ）に示すように、フィードフォワード制御の制御出力の開始と終了とを切り替える切替タイミングは、フィードフォワード制御を行う制御装置を起動するためのモードスイッチ５３１のＯＮ／ＯＦＦを切り替えるタイミングと同時であり、そのタイミングによっては、フィードバック制御を使用してもオフセット誤差が発生してしまうことがある。以下で説明する本実施例のプラント制御装置では、これらの問題を解決することが可能となる。なお、モードスイッチ５３１は、例えば、制御対象プラント５００の現場に設置された現場操作盤５３２に設けられ、制御対象プラント５００の作業員又は管理者などによって操作される。
図７は、本開示の実施例１のプラント制御装置を示す図である。図７では、プラント制御装置として、制御対象プラント６００を制御する制御装置６０１が示されている。
制御対象プラント６００は、制御装置６０１による制御対象であり、例えば、材料のような加工対象に対して加工を行う加工処理を実施するプラントである。制御対象プラント６００は、制御対象に関する状態量である状態量実績ｘＦＢを出力する。なお、制御対象プラント６００は、例えば、被圧延材を圧延により加工する圧延機１１～１４を含むタンデム圧延機である。この場合、状態量実績ｘＦＢは、例えば、被圧延材の板厚及び被圧延材に加わる張力の少なくとも一方であり、加工処理は、例えば、被圧延材を圧延する圧延処理である。
状態量実績ｘＦＢには、位相シフト要因６０２によって位相シフトが発生する。位相シフト要因６０２は、例えば、制御対象プラント６００が材料に対して加工を実施した場所と、その加工の結果である状態量実績ｘＦＢを検出する場所が物理的に離れていることなどである。図７では、位相シフト要因６０２は、制御対象プラント６００の外部に存在としているが、制御対象プラント６００の内部に存在してもよい。
また、制御対象プラント６００は、制御外乱源６０３にて発生する制御対象プラント５００に対する外乱である制御外乱ｄＡＣＴの影響を受ける。このため、制御外乱ｄＡＣＴは、状態量実績ｘＦＢを変動させる変動要因となる。制御外乱ｄＡＣＴは既知である。より具体的には、少なくとも、制御外乱ｄＡＣＴの平均値のような統計値が既知である。
制御装置６０１は、ＦＦ制御装置６１１と、ＯＮ／ＯＦＦタイミング決定装置６１２とを有する。
ＦＦ制御装置６１１は、制御外乱ｄＡＣＴと外乱指令値ｄＲＥＦとの偏差である外乱偏差に応じた制御出力であるフィードフォワード制御出力を用いて、制御対象プラント６００が行う加工処理（例えば、圧延機１１～１４による圧延処理）のフィードフォワード制御を実施する第１の制御部である。ＦＦ制御装置６１１がフィードフォワード制御を開始及び終了するタイミングは、ＯＮ／ＯＦＦタイミング決定装置６１２にて調整される。なお、外乱偏差は、状態量実績ｘＦＢを変動させる変動要因である制御外乱ｄＡＣＴに関する要因値である。
ＯＮ／ＯＦＦタイミング決定装置６１２は、状態量実績ｘＦＢに基づいて、ＦＦ制御装置６１１がフィードフォワード制御を開始及び終了するタイミングを決定する決定部である。本実施形態では、ＯＮ／ＯＦＦタイミング決定装置６１２は、ＦＦ制御装置６１１を起動するためのモードスイッチ６２１のＯＮ／ＯＦＦが切り替えられると、状態量実績ｘＦＢに基づいて、フィードフォワード制御の開始及び終了のタイミングを決定する。モードスイッチ６２１は、例えば、制御対象プラント６００の現場に設置された現場操作盤５３２に設けられ。制御対象プラント６００の作業員又は管理者などによって操作される。
図８は、ＦＦ制御装置６１１の一例と、その比較例である従来のプラント制御システムのＦＦ制御装置５２２とを示す図である。具体的には、図８（ａ）は、ＦＦ制御装置６１１の一例を示し、図８（ｂ）は、ＦＦ制御装置５２２を示す。
図８（ａ）に示すＦＦ制御装置６１１は、差分回路７０１と、乗算器７０２と、積分回路７０３とを有する。
差分回路７０１は、制御外乱ｄＡＣＴと外乱指令値ｄＲＥＦとの偏差である外乱偏差の差分を出力する。差分回路７０１は、具体的には、外乱偏差を単位時間（例えば、制御外乱ｄＡＣＴが周期的に変化する場合、その周期）だけ遅延させる遅延回路７１１を有し、遅延回路７１１で遅延させた信号を元の外乱偏差から引いた値を外乱偏差の差分として出力する。
乗算器７０２は、差分回路７０１からの出力信号に制御ゲインＧＦＦを乗算して出力する。積分回路７０３は、乗算器７０２からの出力信号を積分してフィードフォワード制御出力ＳＦＦＮＥＷとして出力する。
以上の構成においてＦＦ制御装置６１１がフィードフォワード制御を開始及び終了するタイミング、つまり、ＦＦ制御装置６１１の制御出力であるフィードフォワード制御出力ＳＦＦＮＥＷのＯＮ／ＯＦＦを切り替える切替タイミングは、モードスイッチ６２１のＯＮ／ＯＦＦの切り替えに応じて、ＯＮ／ＯＦＦタイミング決定装置６１２にて決定される。本実施形態では、ＯＮ／ＯＦＦタイミング決定装置６１２は、フィードフォワード制御出力ＳＦＦＮＥＷをＯＮにする場合、乗算器７０２による制御ゲインＧＦＦを１とし、フィードフォワード制御出力ＳＦＦＮＥＷをＯＦＦにする場合、乗算器７０２による制御ゲインＧＦＦを０とすることで、フィードフォワード制御出力ＳＦＦＮＥＷの切替タイミングを制御する。
後述するようにフィードフォワード制御出力ＳＦＦＮＥＷの切替タイミングを適切に設定することで、状態量に生じるオフセット誤差を補正することが可能になる。なお、フィードフォワード制御出力ＳＦＦＮＥＷの切替タイミングを適切に調整することが可能であれば、ＯＮ／ＯＦＦタイミング決定装置６１２によるフィードフォワード制御出力ＳＦＦＮＥＷの切替タイミングの制御方法は、上記の例に限らない。
また、図８（ｂ）に示すＦＦ制御装置５２２は、差分回路７０１ａと、乗算器７０２ａと、積分回路７０３ａとを有する。差分回路７０１ａは、遅延回路７１１ａを有する。差分回路７０１ａ、乗算器７０２ａ、積分回路７０３ａ及び遅延回路７１１ａは、図８（ａ）に示した差分回路７０１、乗算器７０２、積分回路７０３及び遅延回路７１１と同等な機能を有する。ただし、ＦＦ制御装置５２２には、図８（ａ）に示したＯＮ／ＯＦＦタイミング決定装置６１２に相当する構成がなく、ＦＦ制御装置５２２のフィードフォワード制御出力ＳＦＦＮＥＷのＯＮ／ＯＦＦを切り替える切替タイミングは、モードスイッチ５３１のＯＮ／ＯＦＦを切り替えるタイミングと同じである。つまり、モードスイッチ５３１がＯＮになると、乗算器７０２による制御ゲインＧＦＦが１となり、モードスイッチ５３１がＯＦＦになると、乗算器７０２による制御ゲインＧＦＦが０となる。
図９は、ＯＮ／ＯＦＦタイミング決定装置６１２の一例を示す図である。図９に示すＯＮ／ＯＦＦタイミング決定装置６１２は、状態量オフセット測定装置８０１と、ＯＮ／ＯＦＦタイミング演算装置８０２とを有する。
状態量オフセット測定装置８０１は、一定期間（例えば、制御外乱ｄＡＣＴの一周期）における、状態量実績ｘＦＢと目標値である状態量指令値ｘＲＥＦとの偏差の正のピーク値である最大値ｘ＋と、負のピーク値である最小値ｘ－とを求める。状態量オフセット測定装置８０１は、その最大値ｘ＋及び最小値ｘ－に基づいて、状態量実績ｘＦＢの中央値（最大値ｘ＋及び最小値ｘ－の中点）の基準値からの偏りΔｘＤＩＦＦと、振幅ΔｘＡＣＴ＝ｘ＋－ｘ－を算出する。基準値は、本実施形態では、０であり、偏りΔｘＤＩＦＦはΔｘＤＩＦＦ＝(ｘ＋＋ｘ－)／２である。なお、偏りΔｘＤＩＦＦは、状態量実績ｘＦＢのオフセット誤差の誤差量を表す。
ＯＮ／ＯＦＦタイミング演算装置８０２は、状態量オフセット測定装置８０１にて算出された中央値の偏りΔｘＤＩＦＦ及び振幅ΔｘＡＣＴと、制御外乱ｄＡＣＴの振幅ΔｄＡＣＴとに基づいて、ＦＦ制御装置６１１のフィードフォワード制御出力ＳＦＦＮＥＷの切替タイミングを算出する。
具体的には、先ず、ＯＮ／ＯＦＦタイミング演算装置８０２は、状態量実績ｘＦＢの振幅ΔｘＡＣＴに対する中央値の偏りΔｘＤＩＦＦの割合αを、α＝ΔｘＤＩＦＦ／ΔｘＡＣＴから算出する。
続いて、ＯＮ／ＯＦＦタイミング演算装置８０２は、割合αに基づいて、ＦＦ制御装置６１１のフィードフォワード制御出力ＳＦＦＮＥＷの切替タイミングを決定する。具体的には、ＯＮ／ＯＦＦタイミング演算装置８０２は、フィードフォワード制御出力ＳＦＦＮＥＷをＯＮにするタイミングを、制御外乱ｄＡＣＴの偏差ｄＴがｄＴ＝(－α)・ΔｄＡＣＴを満たすタイミングに決定し、フィードフォワード制御出力ＳＦＦＮＥＷをＯＦＦにするタイミングを、制御外乱ｄＡＣＴの偏差ｄＴがｄＴ＝α・ΔｄＡＣＴを満たすタイミングに決定する。なお、フィードフォワード制御は、既知の制御外乱ｄＡＣＴに対する制御であるため、制御外乱ｄＡＣＴの振幅ΔｄＡＣＴを予め算出しておき、例えば、ＯＮ／ＯＦＦタイミング演算装置８０２に保持させておくことは可能である。
この場合、状態量実績ｘＦＢの振幅ΔｘＡＣＴに対する中央値の偏りΔｘＤＩＦＦが正の場合、フィードフォワード制御を開始するタイミングにおける制御外乱ｄＡＣＴの偏差ｄＴは負となり、フィードフォワード制御を停止するタイミングにおける制御外乱ｄＡＣＴの偏差ｄＴは正となる。
一方、状態量実績ｘＦＢの振幅ΔｘＡＣＴに対する中央値の偏りΔｘＤＩＦＦが負の場合、フィードフォワード制御を開始するタイミングにおける制御外乱ｄＡＣＴの偏差ｄＴは正となり、フィードフォワード制御を停止するタイミングにおける制御外乱ｄＡＣＴの偏差ｄＴは負となる。
ＦＦ制御装置６１１のモードスイッチ６２１がＯＮになると、ＯＮ／ＯＦＦタイミング演算装置８０２は、制御外乱ｄＡＣＴを監視して、制御外乱ｄＡＣＴの偏差ｄＴが決定した切替タイミングになるまで待機してから、ＦＦ制御装置６１１の乗算器７０２による制御ゲインＧＦＦを１にして、ＦＦ制御装置６１１のフィードフォワード制御出力ＳＦＦＮＥＷをＯＮにする。また、ＦＦ制御装置６１１のモードスイッチ６２１がＯＦＦになると、ＯＮ／ＯＦＦタイミング演算装置８０２は、制御外乱ｄＡＣＴを監視して、制御外乱ｄＡＣＴの偏差ｄＴが決定した切替タイミングになるまで待機してから、ＦＦ制御装置６１１の乗算器７０２による制御ゲインＧＦＦを０にして、ＦＦ制御装置６１１のフィードフォワード制御出力ＳＦＦＮＥＷをＯＦＦにする。
図１０～図１２は、シミュレーションによる制御装置６０１の制御結果の一例を説明するための図である。図１０～図１２では、制御外乱ｄＡＣＴと状態量実績ｘＦＢ（具体的には、状態量実績ｘＦＢと状態量指令値ｘＲＥＦとの偏差）とを示している。横軸は任意の時点からの経過時間（秒）である。
図１０は、図６（ｂ）に示した従来の制御装置５０１において、矢印で示した６秒の時点でフィードフォワード制御を開始した場合における制御外乱ｄＡＣＴと状態量実績ｘＦＢとを示す図である。図１０（ａ）では、フィードフォワード制御を開始した６秒の時点で制御外乱ｄＡＣＴと状態量実績ｘＦＢとが正であり、図１０（ｂ）では、フィードフォワード制御を開始した６秒の時点で制御外乱ｄＡＣＴと状態量実績ｘＦＢとは共に０である。
図１０（ａ）の場合、状態量実績ｘＦＢは、６秒以前ではオフセット誤差がほぼない状態であったが、６秒以降では正側にオフセットしている。図１０（ｂ）の場合、状態量実績ｘＦＢは、６秒以前でも６秒以降でもオフセット誤差がほぼない状態である。
図１１は、図６（ｂ）に示した従来の制御装置５０１において、矢印で示した６秒の時点でフィードフォワード制御を終了した場合における制御外乱ｄＡＣＴと状態量実績ｘＦＢとを示す。また、図１１（ａ）では、フィードフォワード制御を終了した６秒の時点で制御外乱ｄＡＣＴと状態量実績ｘＦＢとが負であり、図１１（ｂ）では、フィードフォワード制御を終了した６秒の時点で制御外乱ｄＡＣＴと状態量実績ｘＦＢとは共に０である。
図１１（ａ）の場合、状態量実績ｘＦＢは、６秒以前ではオフセット誤差がほぼない状態であったが、６秒以降では正側にオフセットしている。図１１（ｂ）の場合、状態量実績ｘＦＢは、６秒以前でも６秒以降でもオフセット誤差がほぼない状態である。
図１０及び図１１に示されたように、状態量実績ｘＦＢのオフセットが０付近の場合、制御外乱ｄＡＣＴが０付近のタイミングでフィードフォワード制御のＯＮ／ＯＦＦが切り替えられると、状態量実績ｘＦＢのオフセットは０付近のままであるが、それ以外のタイミングでフィードフォワード制御のＯＮ／ＯＦＦが切り替えられると、状態量実績ｘＦＢにオフセット誤差が生じる。
図１２は、図７に示した本実施例の制御装置６０１と図６（ｂ）に示した従来の制御装置５０１とにおいて、フィードフォワード制御を開始した場合における制御外乱ｄＡＣＴと状態量実績ｘＦＢとを示す図である。なお、図１２（ａ）は、本実施例の制御装置６０１における制御外乱ｄＡＣＴと状態量実績ｘＦＢとを示し、図１２（ｂ）は、従来の制御装置５０１における制御外乱ｄＡＣＴと状態量実績ｘＦＢとを示す。また、フィードフォワード制御の開始前の状態では、状態量実績ｘＦＢは、負側にオフセットしている。また、モードスイッチ５３１及び６２１（図１２では、単にモードスイッチと表記）は制御外乱ｄＡＣＴ及び状態量実績ｘＦＢがピークとなる４秒～６秒の間のタイミングでＯＮ（Ｈレベル）となる。
図１２（ｂ）に示す従来の制御装置５０１では、モードスイッチ５３１がＯＮになったタイミングで乗算器７０２の制御ゲインＧＦＦが１となるため、状態量実績ｘＦが正側にオフセットしてしまう。
これに対して図１２（ａ）に示す本実施例の制御装置６０１では、ＯＮ／ＯＦＦタイミング決定装置６１２が制御外乱ｄＡＣＴと状態量実績ｘＦＢとに応じて上述の切替タイミングに対応する６秒のタイミングでフィードフォワード制御を開始している。この場合、状態量実績ｘＦＢの振幅及びオフセット誤差が減少する。
以上説明したように本実施例によれば、ＦＦ制御装置６１１は、外乱偏差に応じた制御出力を用いて、制御対象プラント６００のフィードフォワード制御を行う。ＯＮ／ＯＦＦタイミング決定装置６１２は、制御対象プラント６００に関する状態量実績ｘＦＢに基づいて、ＦＦ制御装置６１１がフィードフォワード制御を行うタイミングを調整する。したがって、オフセット誤差が抑制されるタイミングでフィードフォワード制御を行うことができるため、フィードバック制御を使用せずにオフセット誤差を抑制することが可能になる。
また、本実施例では、ＯＮ／ＯＦＦタイミング決定装置６１２は、状態量実績ｘＦＢと状態量指令値ｘＲＥＦとの偏差の中央値の基準値からの偏りΔｘＤＩＦＦに基づいて、ＦＦ制御装置６１１がフィードフォワード制御を行うタイミングを調整する。偏りΔｘＤＩＦＦがオフセット誤差を表すため、オフセット誤差に応じて適切にフィードフォワード制御を行うタイミングを調整することが可能となるため、オフセット誤差をより適切に抑制することが可能になる。
特に、本実施例では、基準値が零であり、ＯＮ／ＯＦＦタイミング決定装置６１２は、偏りΔｘＤＩＦＦが正の場合、外乱偏差が負のタイミングでフィードフォワード制御を開始し、偏りΔｘＤＩＦＦが負の場合、外乱偏差が正のタイミングでフィードフォワード制御を開始する。また、ＯＮ／ＯＦＦタイミング決定装置６１２は、偏りΔｘＤＩＦＦが正の場合、外乱偏差が正のタイミングでフィードフォワード制御を終了し、偏りΔｘＤＩＦＦが負の場合、外乱偏差が負のタイミングでフィードフォワード制御を終了する。したがって、オフセット誤差を反映した適切なタイミングでフィードフォワード制御を開始及び終了することが可能になるため、オフセット誤差をより適切に抑制することが可能になる。
実施例１では、ＦＦ制御装置６１１のモードスイッチのＯＮ／ＯＦＦの切り替えに応じて、ＦＦ制御装置６１１がフィードフォワード制御を行うタイミングを調整する例を説明した。しかしながら、フィードフォワード制御を行うタイミングは、モードスイッチのＯＮ／ＯＦＦの切り替え時に限らない。例えば、フィードフォワード制御に用いる外乱検出器及び制御操作端の状態（正常又は異常など）などの外的要因に応じて、フィードフォワード制御を行うことがある。この場合、特に外乱検出器又は制御操作端に異常が発生した場合には、制御対象プラント５００などの誤作動を抑制するために、出来るだけ早くフィードフォワード制御のＯＮ／ＯＦＦを切り替えることが望ましい。本実施例では、本課題に対応した制御装置について主に説明する。
図１３は、本開示の実施例２のプラント制御装置を示す図である。図１３に示すプラント制御装置９００は、図７に示した制御装置６０１と、制御装置９０１と、選択装置９０２とを有する。
制御装置９０１は、図６（ｂ）に示した従来の制御装置５０１と同様な機能を有する第２の制御部である。具体的には、制御装置９０１は、外乱偏差に制御ゲインを乗算した制御出力を用いて制御対象プラント６００が行う加工処理のフィードフォワード制御を実施し、かつ、状態量実績ｘＦＢと状態量指令値ｘＲＥＦとの偏差を積分した制御出力を用いて制御対象プラント６００が行う加工処理の積分制御を実施する。
選択装置９０２は、所定の外的要因に基づいて、制御対象プラント６００が行う加工処理の制御を、制御装置６０１及び９０１のいずれかに実行させる。所定の外的要因は、例えば、制御対象プラント６００及びプラント制御装置９００などで使用される１つ又は複数の所定の装置（検出器及び操作端など）の状態である。
例えば、選択装置９０２は、所定の装置の全てが正常である通常操業時には、制御装置６０１を実行させ、所定の装置のいずれかが異常である異常発生時には、出来るだけ早く制御出力のＯＮ／ＯＦＦを切り替えるために制御装置９０１を実行させる
以上説明したように本実施例では、適切な制御装置を用いて制御対象プラント６００を制御することが可能となる。
上述した本開示の実施形態は、本開示の説明のための例示であり、本開示の範囲をそれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。当業者は、本発明の範囲を逸脱することなしに、他の様々な態様で本発明を実施することができる。
なお、本開示は、実施例にしたタンデム圧延機１００に適用できる。また、本開示は、タンデム圧延機１００以外の、特に制御外乱が大きく、フィードフォワード制御が必要とされるプラントに対して適用することができる。例えば、本開示は、熱間圧延機における板厚制御、鉄鋼ラインにおける張力制御などの他のプラントにも適用することができる。
上述した本開示の各実施例は、本開示の説明のための例示であり、本開示の範囲をそれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。当業者は、本開示の範囲を逸脱することなしに、他の様々な態様で本開示を実施することができる。
１１～１４：圧延機 ２１～２４：駆動装置 ３１～３４：ロールギャップ制御装置 ４１～４４：板厚計 ５１～５４：張力計 ６１～６４：板厚制御装置 ７１～７４：張力制御装置 １００：タンデム圧延機 ６００：制御対象プラント ６０１：制御装置 ６０２：位相シフト要因 ６０３：制御外乱源 ６１１：ＦＦ制御装置 ６１２：ＯＮ／ＯＦＦタイミング決定装置 ７０１：差分回路 ７０２：乗算器 ７０３：積分回路 ７１１：遅延回路 ８０１：状態量オフセット測定装置 ８０２：ＯＮ／ＯＦＦタイミング演算装置 ９０１：制御装置 ９０２：選択装置

Claims (7)

  1. 制御対象に関する状態量を変動させる変動要因に関する要因値に基づいて、前記制御対象が行う処理の制御を実施するプラント制御装置であって、
    前記要因値に応じた制御出力を用いて、前記処理のフィードフォワード制御を実施する第１の制御部と、
    前記状態量に基づいて、前記第１の制御部が前記フィードフォワード制御を行うタイミングを調整する決定部と、を有し、
    前記決定部は、前記状態量と目標値との偏差の中央値の基準値である零からの偏りに基づいて、前記タイミングを調整し、
    前記決定部は、前記偏りが正の場合、前記要因値が負のタイミングで前記フィードフォワード制御を開始し、前記偏りが負の場合、前記要因値が正のタイミングで前記フィードフォワード制御を開始する、プラント制御装置。
  2. 制御対象に関する状態量を変動させる変動要因に関する要因値に基づいて、前記制御対象が行う処理の制御を実施するプラント制御装置であって、
    前記要因値に応じた制御出力を用いて、前記処理のフィードフォワード制御を実施する第１の制御部と、
    前記状態量に基づいて、前記第１の制御部が前記フィードフォワード制御を行うタイミングを調整する決定部と、を有し、
    前記決定部は、前記状態量と目標値との偏差の中央値の基準値である零からの偏りに基づいて、前記タイミングを調整し、
    前記決定部は、前記偏りが正の場合、前記要因値が正のタイミングで前記フィードフォワード制御を終了し、前記偏りが負の場合、前記要因値が負のタイミングで前記フィードフォワード制御を終了する、プラント制御装置。
  3. 制御対象に関する状態量を変動させる変動要因に関する要因値に基づいて、前記制御対象が行う処理の制御を実施するプラント制御装置であって、
    前記要因値に応じた制御出力を用いて、前記処理のフィードフォワード制御を実施する第１の制御部と、
    前記状態量に基づいて、前記第１の制御部が前記フィードフォワード制御を行うタイミングを調整する決定部と、
    前記要因値に対してタイミングが決定された制御出力を用いて前記処理のフィードフォワード制御を実施し、かつ、前記状態量と目標値との偏差を積分した制御出力を用いて前記処理の積分制御を実施する第２の制御部と、
    所定の外的要因に基づいて、前記処理の制御を、前記第１の制御部及び前記第２の制御部のいずれかに実行させる選択部と、を有するプラント制御装置。
  4. 前記制御対象は、被圧延材を圧延により加工する圧延機であり、
    前記状態量は、前記被圧延材の板厚及び前記被圧延材に加わる張力の少なくとも一方であり、
    前記処理は、前記被圧延材を圧延する圧延処理である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のプラント制御装置。
  5. 制御対象に関する状態量を変動させる変動要因に関する要因値に基づいて、前記制御対象が行う処理の制御を実施するプラント制御装置によるプラント制御方法であって、
    前記要因値に応じた制御出力を用いて、前記処理のフィードフォワード制御を実施し、
    前記状態量に基づいて、前記フィードフォワード制御を行うタイミングを調整し、
    前記タイミングの調整では、前記状態量と目標値との偏差の中央値の基準値である零からの偏りに基づいて、前記タイミングを調整し、
    前記偏りに基づく前記タイミングを調整では、前記偏りが正の場合、前記要因値が負のタイミングで前記フィードフォワード制御を開始し、前記偏りが負の場合、前記要因値が正のタイミングで前記フィードフォワード制御を開始する、プラント制御方法。
  6. 制御対象に関する状態量を変動させる変動要因に関する要因値に基づいて、前記制御対象が行う処理の制御を実施するプラント制御装置によるプラント制御方法であって、
    前記要因値に応じた制御出力を用いて、前記処理のフィードフォワード制御を実施し、
    前記状態量に基づいて、前記フィードフォワード制御を行うタイミングを調整し、
    前記タイミングの調整では、前記状態量と目標値との偏差の中央値の基準値である零からの偏りに基づいて、前記タイミングを調整し、
    前記偏りに基づく前記タイミングを調整では、前記偏りが正の場合、前記要因値が正のタイミングで前記フィードフォワード制御を終了し、前記偏りが負の場合、前記要因値が負のタイミングで前記フィードフォワード制御を終了する、プラント制御方法。
  7. 制御対象に関する状態量を変動させる変動要因に関する要因値に基づいて、前記制御対象が行う処理の制御を実施するプラント制御装置によるプラント制御方法であって、
    前記要因値に応じた制御出力を用いて、前記処理のフィードフォワード制御を実施する第１の制御処理と、
    前記状態量に基づいて、前記フィードフォワード制御を行うタイミングを調整する処理と、
    前記要因値に対してタイミングが決定された制御出力を用いて前記処理のフィードフォワード制御を実施し、かつ、前記状態量と目標値との偏差を積分した制御出力を用いて前記処理の積分制御を実施する第２の制御処理と、を含み、
    所定の外的要因に基づいて、前記処理の制御を、前記第１の制御処理及び前記第２の制御処理のいずれかで実行させる、プラント制御方法。
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