JPS6213683B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一次遅れの関係を有するプロセスに対
して適用されるサンプリング制御装置に係り、特
に焼鈍炉の温度制御に関する。

例えば圧延機で圧延された鋼は内部応力を生じ
るため比較的硬くもろい性質をもつている。そこ
で加工しやすい軟い性質にするため焼鈍される。
その焼鈍方法は、製品品質および生産性の点から
考えて数種類の方式があるが、バツチ式のカバー
焼鈍炉もその代表的なものである。

バツチ式カバー焼鈍炉は、第１図に示すように
ベース上１１にコイル１２を数段に積みあげこれ
に円筒状のインナーカバー１３をかぶせて外気と
コイルを遮断する。加熱はインナーカバーの上に
炉１４をかぶせ、適当な加熱装置１５によつてお
こなう。内部のコイル温度が上昇してある温度に
達するとその温度である時間均熱する。これによ
つてインナーカバー内のコイルを焼鈍する。均熱
が終了すれば炉体は他の加熱用ベースに移動す
る。

一方、インナーカバー内のコイルはそのまま冷
却される。

前記炉温のコントロールは熱電対１６と、コイ
ル温度を制御するための熱電対１７と、これら熱
電対の出力を入力し、各々が目標温度になるよう
な操作信号を求め、そしてこの操作信号を加熱装
置１５に出力するデイジタルコントローラ１８と
からなる温度制御系で行なわれている。

このような温度制御系により炉の温度を制御し
た場合には第２図に示すごときのヒートパターン
特性にてコイルが加熱される。調節計がDDC
（direct digital controller）の場合の機能フロー
の簡略図を第３図に示す。制御はサンプリング制
御である。すなわち加熱を始めてからコイル温度
Tecがコイル温度設定値（TSVC）−△Ｔに達す
るまでは炉温Tefを一定温度（TSVF）に保つよ
うに炉温コントローラ１８Ａで加熱装置１５を制
御する。これまでの期間を加熱期といい炉温コン
トローラによつて制御されている。

コイル温度が前述のTSVC−△Ｔに達してから
はSW−１がＢ側に倒されてコイル温度コントロ
ーラ１８Ｂにより均熱域温度に保持すべくコイル
温度設定値（TSVC）による定値制御が行われ
る。この区間を均熱期という。しかして一定時間
にわたる均熱処理後、加熱装置が停止され冷却期
に入る。

均熱炉でいちばん重要なことはコイル温度を目
標温度許容範囲内に可能なかぎり押えることであ
る。できれば加熱期から均熱期に入るときおよび
均熱期のコイル温度を目標温度に一致させること
である。なぜならコイルが焼付き温度（コイルの
材質によつて決る。）以上になつてしまえば、そ
のコイルはスクラツプになるかあるいは安価な値
段でしか売却できなくなる。特にそのコイルが非
常に良質（深絞り性の良い）の冷延鋼板になる場
合はコイル温度のオーバシユートはきびしく押え
ねばならない。もちろんアンダーシユートも小さ
く押えた方が良い。しかしながら上記の如き方法
はいろいろな理由で加熱期から均熱期に入るとき
の制御が難しく、オーバーシユートも起こしやす
い。まず一つの焼鈍炉で扱うコイル材質が相当高
級は冷延板から、あまり機械加工性を必要としな
い板まで相当広範囲に変わる。それに応じてコイ
ル温度設定値も一回の焼鈍毎にいろいろ変えられ
る。中に入れるコイルの段数も操業に応じて頻繁
に変えられてしまう。

また前述したように炉が移動式で均熱が終了す
れば炉体は他の加熱用に移されるため、１つのコ
ントローラに対して、炉がそのつど変わる場合も
ある。このように１つのコントローラに対して１
回の焼鈍毎に制御特性が多種多様に変わるがPID
パラメータをそのつどオペレータが変えるような
ことはしないからある状態でPIDが最適にあつて
いてもあらゆる条件に対してそれは満足しない。
このため加熱期から均熱期に移行する際にオーバ
ーシユートを発生しがちである。この制御切換え
時のむづかしさを考慮していろいろな工夫がなさ
れている。例えば第２図のTSVCの〓〓〓に対し
△Ｔを５℃以内に設定し、コイル温度がこの範囲
に入つたときに切替時初回だけ操作出力のMV値
を強制的にある固定値（MLSと呼ぶことにす
る）まで絞り込むという方法などがある。しかも
この方法においてもPIDパラメータと同様ある条
件下に限つて適当な値が求められたとしても多種
多様な条件に対してその値は万能ではない。

本願発明の目的は、一次遅れの関係を有するプ
ロセスにおいて、単純な演算内容でオーバーシユ
ート、アンダシユートを起すことのない制御を実
現する操作量を求めるもので、例えばコイル温度
制御系にあつては、多種多様な条件下のどんな場
合においても加熱期から均熱期に移行するときに
オーバシユート、アンダシユートを起すことなく
コイルの温度を目標温度に制御してコイルの製品
価値を高められるサンプリング制御方法を提供す
ることにある。

この目的を達成するための概要は、制御対象の
物理量と操作量とが近似的に１次遅れの関係を有
するプロセスに対して、前記物理量をサンプリン
グしこのサンプリングされた物理量が目標値に一
致するように調節演算部で算出された前記操作量
に基づきサンプリング制御を施す装置において、 前記調節演算部が、各サンプリング時のデータ
からプロセスゲインＫを算出し、前記物理量が前
記日標値SVより予じめ定められた所定値△Ｔを
減算した値に達した直後のサンプリング制御の前
記操作量MVを MV≒ＳＶ−△Ｔ／Ｋ に一時的に変更することである。

以下本願発明の一実施例を図面を参照しながら
説明する。

第４図はカバー焼鈍炉温度制御ブロツク図を示
す。

デイジタルコントローラ１９の操作出力値
（MV値）が加熱装置２０の弁速度（図示せず）
その他できまる１次遅れ（時定数Tv）を通じて
熱流量Qiに変わる。ただしここで弁は弁の開度
と流量がリニアな関係にあるものを使用している
が必ずしもリニアな関係にする必要がない。この
熱流量は１次遅れを通じて炉温度及びコイル温度
（表面温度）に変換される。それぞれの時定数を
Ｔ_F及びＴ_Cとする。本願に関係する後者について
説明する。過熱装置のバーナを開き加熱を開始す
るとコイル表面温度（コイルトツプ温度も含む）
は上昇するわけであるが、この温度変化は伝熱機
構が複雑であるため厳密な取り扱いはなかなか困
難である。しかし近似的にはある１点の表面温度
は次のような１次遅れ式で表わせることが知られ
ている。

Ts（ｔ）＝Tf−（Tf−Ts（t₀））exp〔−（ｔ−
t₀）／Ｔ〕 …(1) ここでTsはコイル表面温度を表わし、Tfは主
として火炎温度に影響される量、時定数Ｔは炉効
率、挿入物の熱容量等に関連する量である。上記
の理由から熱流量Qiからコイル温度（表面温
度）に変わるところの伝達関数も近似的に一次遅
れで表わした。さて第４図における時定数Tcは
コイルの熱容量等によつてきまる値であるが、実
測値からオープンコイル焼鈍炉の場合は100〜200
分程度、タイトコイル焼鈍炉の場合はこれの３倍
以上ある。

それに対して弁特性などからきまる時定数Tv
はせいぜい30秒〜１分程度であるからこれを無視
するとMVとコイル温度Tecとの関係は、ラプラ
ス変換で表わせば(2)式のようになる。

Tec＝Ｋ_Ｖ・Ｋ_Ｃ／１＋Ｔｃ・ＳMV＝Ｋ／１＋Ｔｃ・
ＳMV………(2) ただしＫ≡Ｋ_V・Ｋ_Cとおいた これを原関数による数式表現で表わすと Tec（ｔ）＋Tc・ｄＴｅｃ（ｔ）／ｄｔ＝Ｋ・MV（ｔ
）…… …(3) ここでｔ：時間、MVの単位は％とする。

さてここで加熱期の間にコイル温度測定値と操
作出力値からTc及びＫを求める。この値が求ま
れば均熱期初回の最適操作出力値MLSを次のよ
うにして求める。すなわち均熱入のときのTec
（ｔ）は、ほぼTsvc−△Ｔであるが、このとき強
制操作出力値MLSによつてコイル温度の変化率
を第５図のように △Ｔｅｃ（ｔ）／△ｔ〓＋０ （０に近い正の値） する。そのMV値は(3)式より次のようにして求め
ればよい。

(3)式にｄＴｅｃ（ｔ）／ｄｔ＝０及びTec（ｔ）＝Ts
vc−△Ｔ を代入すれば MV＝Ｔｓｖｃ−△Ｔ／Ｋ（％） ………(4) (4)の右辺はすべて既知の値だから求まる。

ｄＴｅｃ（ｔ）／ｄｔは完全な０でないほうが望ましい
。なぜ ならコイルの設定温度は現在の温度Tsvc−△Ｔ
より△Ｔだけ高いTsvcであるから、もう少しコ
イル温度は上昇する必要があるからである。よつ
て(4)式の値に２〜３％加えた値をMLSとして均
熱入初回または均熱入初回を含めて少なくとも数
回の強制操作出力値とする。なお前記TcとＫの
求め方を説明する。まず操作出力値MVは制御周
期（△tc）ごとにコントローラで計算している。
制御周期は加熱期の場合１〜３分程度である。ま
たコイル温度Tec（ｔ）の測定値はスキヤン周期
（１秒程度）ごとに読みこんでいるので変化率△
Tec（ｔ）／△ｔの値も計算できる。１秒間隔で
は時間が短かすぎて変化率の計算値に大きな誤差
が生じる場合は、計算間隔を適当に延ばせばよ
い。未知数はTcとＫの２つなので原理的にはあ
る２点での制御時刻におけるTec（ｔ）、
ｄＴｅｃ（ｔ）／ｄｔ、MV（ｔ）の値の組から(3)式の
連立方程 式を解くことにより求めることができる。しかし
測定誤差、プラント変動等などもあるので何回も
計算して統計処理（平均など）をすることが望ま
しい。特に加熱初期に求めたTc、Ｋの値は拾て
るほうがよい。なぜなら加熱後半の値とは少し異
なつている可能性があるからである。

また均熱期にはいるまで、それ以前の最新のｎ
個（ｎ＝５〜10程度）のＫの平均値を最適MLS
計算に使用するなどデータの更新を常にやればよ
り精度が向上する。

ここでは使用する加熱装置の燃料弁はイコール
％のリニア特性であると仮定したが、特性がリニ
アでない弁を使用した場合でも、その弁の流量特
性があらかじめわかつていれば計算上でリニアに
補正してやれば本発明方式はそのまま適用でき
る。

次にオープンコイル焼鈍炉に適用した例が第６
図である。この例では Tsvc＝530゜ △Ｔ＝５℃ Ｋ＝8.4 制御周期１分 (4)式から求まるMV値は62.5％であるのでこれ
に2.5％加えてMLS＝65％とした。

第６図をみてもわかるようにオーバーシユー
ト、アンダーシユートともに０である。コイル温
度コントローラのPIDパラメータは 比例ゲイン：15、積分時間：20分 微分時間：０分 である。しかしこの値はそれほどシビアなもので
はない。この値より多少ずれても制御結果は変わ
らない。なぜなら加熱期から均熱期への制御切換
時初回で前述のように計算したMV値を出力する
ので、均熱期２回目からの制御はコイル温度の変
化率がほぼ０になつており、定常状態に近い形で
PID制御ができるためである。この制御条件はど
んなコイル及び設定温度のときも満足される。な
ぜならそのつど適当なMLS値が加熱期の間に自
動的に計算されるからである。

第７図は、MLSの値が制御上重要であること
を示すために第６図の例の場合の計算値65％から
10％もはずれた75％の値で制御をおこなつたもの
である。第７図ではオーバーシユートが５℃もあ
る。その他の条件は第６図とまつたく同様であ
る。

以上本願発明はバツチ式カバー焼鈍炉におい
て、いちばん制御が難しい加熱期→均熱期の制御
切換時の最適制御値をデイジタルコントローラに
よつて加熱期の間に求めておいた自動制御するの
で、１回の焼鈍ごとにコイル段数、コイル設定温
度、炉が多種多様に変わる条件下でもコイル温度
のオーバーシユートやアンダーシユートをなくせ
る。

なお本発明は、バツチ式カバー焼鈍炉制御に限
定する必要はなく、例えば化学反応槽の温度制御
では第８図のようなパターン制御がよくおこなわ
れるが、〓印の３箇所で本発明を適用すればオー
バーシユートやアンダーシユートをなくした良好
な制御がおこなえる。この例ではカバー焼鈍炉に
おけるような制御対象（炉温度とコイル温度）の
切換えはない。またプラントの条件が操業ごとに
変わるのでなければ、そのつどプラント測定値か
らMLSを計算しなくてもあらかじめ表としてコ
ントローラにもつておけばよい。

要するにコントローラによりオーバーシユート
やアンダーシユートをなくした制御を実施したい
システムに広く適用できるものであり、温度制御
以外の制御にも適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のカバー焼鈍炉の制御システムの
構成をブロツク的に示す図、第２図は従来のカバ
ー焼鈍温度制御方法におけるヒートパターン図、
第３図は従来の制御システムの構成図、第４図は
カバー焼鈍炉温度制御系をブロツク的な系として
示す図、第５図は本願発明における加熱期→均熱
期移行時のヒートパターン拡大図、第６図は本願
発明をオープンコイル焼鈍炉に適用した場合のヒ
ートパターン図、第７図は第６図における操作量
（MLS）を10％ずれた値を使用したときのヒート
パターン図、第８図は本願発明を化学反応槽のよ
うなプログラムパターン制御に適用した場合のプ
ログラムパターン図を示す。 １２……コイル、１３……インナカバー、１４
……炉、１５，２０……加熱装置、１６，１７…
…熱電対、１８，１９……デイジタルコントロー
ラ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 制御対象の物理量と操作量とが近似的に１次
   遅れの関係を有するプロセスに対して、前記物理
   量をサンプリングしこのサンプリングされた物理
   量が目標値に一致するように調節演算部で算出さ
   れた前記操作量に基づきサンプリング制御を施す
   装置において、 前記調節演算部が、各サンプリング時のデータ
   からプロセスゲインＫを算出し、前記物理量が前
   記目標値SVより予じめ定められた所定値△Ｔを
   減算した値に達した直後のサンプリング制御の前
   記操作量MVを MV≒ＳＶ−△Ｔ／Ｋ に一時的に変更することを特徴とするサンプリン
   グ制御装置。