KR20080060118A - 자기 동조 피아이디 제어를 통해 도금 강판의 진동을제어하기 위한 전자기 제진 장치 - Google Patents

자기 동조 피아이디 제어를 통해 도금 강판의 진동을제어하기 위한 전자기 제진 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자기 동조 피아이디 제어를 통해 도금 강판의 진동을 제어하기 위한 전자기 제진 장치에 관한 것으로, 본 발명의 전자기 제진 장치는, 입력되는 전류량 제어 명령에 따라 흐르는 전류량을 조절하여 로렌즈 힘을 발생시켜 자기 패드를 통해 발생되는 자기장의 세기를 통해 도금되어 이송되는 스트립을 구속하여 진동을 억제시키는 전자석; 상기 자기 패드와 상기 스트립 간의 간격을 측정하는 갭 센서; 초기 설정된 목표이동거리정보에 따라 상기 전자석에 흐르는 전류량을 제어하고, 이후 입력되는 PID(Proportional Integral Differential) 게인 정보에 기초하여 상기 전자석에 흐르는 전류량을 제어하는 PID 제어부; 및 상기 갭 센서로부터 측정된 상기 자기 패드와 상기 스트립 간의 간격정보에 기초하여 상기 스트립의 진동 억제에 필요한 상기 PID 제어부의 게인을 제어하기 위한 PID 게인 정보를 산출하고, 상기 산출된 PID 게인 정보에 기초하여 상기 PID 제어부의 게인을 제어하는 자기 동조 피아이디(PID) 제어를 통해 도금 강판의 진동을 제어하기 위한 PID 게인 제어부를 포함하며, 이에 의해, 전영역에 걸쳐 제진장치 제어오류에 의한 진동 발생을 억제할 수 있다.
도금, 강판, 아연, 자기 동조, PID, 진동, 제진

Description

자기 동조 피아이디 제어를 통해 도금 강판의 진동을 제어하기 위한 전자기 제진 장치{Electromagnetic Vibration Control Apparatus for controlling vibration of plating strip using self-tuned PID control}
도 1은 일반적인 연속 용융 아연 도금 라인(CGL) 설비의 설치 예를 도시한 도면,
도 2는 도 1에 의한 일반적인 제진 장치의 제어 구성 예를 도시한 도면,
도 3은 스트립의 고유진동수와 제어주파수의 관계를 도시한 도면, 그리고
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 강판의 연속 도금 과정에서 도금된 강판의 진동을 제어하기 위한 전자기 제진 장치를 도시한 도면이다.
본 발명은 강판의 연속 도금 과정에서 강판의 전자기 제진 방법에 관한 것으로서, 바람직하게는, 강판의 연속 도금 과정에서 보다 고품질의 강판 도금 처리를 위한 전자기 제진 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 연속 용융 아연 도금 라인(CGL)에는 강판의 진동을 억제하기 위 한 전자기적 제진장치인 마그네틱 패드(Magnetic pad)가 설치되어 있다. 제진 장치는 도금욕조 롤(Pot Roll) 과 쿨링 타워 롤(Cooling Tower Roll) 사이에 이송되는 도금된 강판(strip; 이하 '스트립'이라 함)의 진동을 억제하는 것이 목적으로 설치된다. 이와 같은 제진 장치는 스트립의 크기 및 강종, 장력 크기에 따라서 일정 PID(Proportional Integral Differential; 비례-미분-적분 제어)로 제어할 경우, 응답성 차이 및 불안정 영역으로 그 위치가 천이함으로써 제진 영역에서 진동 발산 영역으로 옮겨지게 된다.
도 1은 일반적인 연속 용융 아연 도금 라인(CGL) 설비의 설치 예를 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 연속 용융 아연 도금 라인(CGL) 설비는 도금 욕조 롤(pot roll)(1), 안전 롤(stabilizing roll)(2), 교정 롤(correcting roll)(3), 냉각 타워 롤(cooling tower roll)(4), 도금되어 이송되는 스트립(strip)(5), 에어 나이프(air knife)(6), 및 제진 장치(7)를 포함하여 구성된다.
연속 용융 아연 도금 라인(CGL) 설비는 도금 스트립을 생산하는 공정 라인 설비이다. 가장 중요한 설비는 도금욕(zinc pot)이며, 도금욕 내에는 3개의 롤(1,2,3)이 있어서, 스트립(5)에 아연을 코팅하는 역할과 스트립(5)의 반곡을 제어하는 기능을 가지고 있다. 이런 도금욕의 스트립(5) 진행 방향으로 상부에는 에어 나이프(air knife)(6)가 있으며, 이는 스트립(5)에 코팅된 아연을 쓸어내려 아연도금코팅의 두께를 제어하는 역할을 한다. 에어 나이프(air knife)(6) 상부에는 냉각 타워 롤(cooling tower roll)(4)이 있어 스트립(5)을 냉각시키는 역할을 한 다.
에어 나이프(air knife)(6)는 스트립(5) 양면의 아연을 깎아내는 역할을 하며, 따라서 균일한 도금 두께를 확보하기 위하여 스트립(5)은 양쪽 에어 나이프(air knife)(6) 사이의 중앙을 통과하여야 한다. 또한 스트립(5)은 도금 욕조 롤(pot roll)(1)과 냉각 타워 롤(cooling tower roll)(4) 사이에 걸친 형태로 자유 진동을 하고 있으므로, 이러한 진동을 억제하여야 스트립(5)의 균일한 도금 두께를 확보할 수 있다. 따라서 연속 용융 아연 도금 라인(CGL) 설비에서는 스트립(5)의 진동을 억제하기 위한 터치 롤(Touch Roll)이 설치된다. 도면에서는 이러한 터치 롤로서 비접촉 전자기적 제진장치(7)인 자기 패드(Magnetic pad)가 설치되어 있다.
도 1에서 제진 장치(7)는 에어 나이프(air knife)(6)와 냉각 타워 롤(cooling tower roll)(4) 사이에 설치된다. 도금 욕조 롤(pot roll)(1)과 냉각 타워 롤(cooling tower roll)(4) 사이의 걸쳐진 스트립(strip)(5)은 에어 나이프(air knife)(6)의 풍압 및 도금 욕조 롤(pot roll)(1)의 구동에 의하여 진동이 발생하게 된다. 이러한 스트립(5)의 진동을 방지하기 위하여, 제진 장치(7)가 설치된다.
도 2는 도 1에 의한 일반적인 제진 장치(7)의 제어 구성 예를 도시한 도면이다.
제진 장치(7)는 도금 욕조 롤(pot roll)(1)과 냉각 타워 롤(cooling tower roll)(4) 사이의 스트립(5)의 진동을 억제하는 것이 목적으로, 그 제어 방식은 PID(Proportional-Integral-Differential; 비례-미분-적분)제어 방식을 사용한다.
PID 제어부(71)는 목표치와 실적치의 오차를 비례 및 적분하여 제어하는 방식이다. 여기서 목표치와 실적치의 오차를 비례하여 제어하는 방식을 비례게인(Proportion Gain)이라 하고, 목표치와 실적치의 오차를 적분하여 제어하는 방식을 적분게인(integration Gain)이라고 한다. 종래에 제진 장치(7)는 PID 제어부(71)의 비례 게인과 적분 게인이 한번 결정되면 변하지 않는 일정 PID 방식을 사용하고 있다.
그러나 스트립(5)의 크기(size) 및 강종, 장력크기에 따라서 일정 PID로 제어할 경우, 응답성 차이가 발생한다. 이후 PID 제어가 스트립(5)의 고유진동수 영역에 가까워질 경우 불안정영역으로 천이함으로써, 제진 영역에서 진동발산영역으로 옮겨져서 스트립(5)의 진동이 발생하여 사용이 불가능한 상태가 된다.
도시된 바와 같이, 설정된 목표이동거리(D_ref) 정보가 입력되면, PID 제어부(71)는 전자석(72)에 흐르는 전류량을 제어하며 이 전류는 로렌즈 힘을 발생시켜 스트립(5)을 구속하여 진동을 억제하게 된다. 이때 스트립(5)의 응답속도는 PID 제어부(71)의 제어 게인에 의하여 결정된다.
도 3은 스트립의 고유진동수와 제어주파수의 관계를 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, PID 제어부(71)의 PID 제어게인이 커지게 되면, 스트립(5)의 고유진동수에 근접하게 되어, 제어를 하면 할수록 스트립(5)의 진동은 오히려 커지게 된다.
이는 냉각 타워 롤(cooling tower roll)(4)에서의 스트립(5)의 고유 주파수는 1.0 ~ 20 Hz에 걸쳐 고르게 분포하고 있으며, 터치 롤(Touch Roll)을 사용하는 경우 안전 롤(stabilizing roll)과 터치 롤(Touch Roll)(3mm) 사이 스트립(5)의 고유 주파수가 20 ~ 150Hz가 되기 때문이다.
제진 장치(7)를 사용하는 경우, 스트립(7)의 고유 주파수와 제진 장치(7)의 제어 주파수가 일치하는 경우 발생하는 것으로 판단된다. 스트립(5)의 고유 주파수는 20 ~ 150Hz이고, 제진장치(7)의 PID 제어주파수는 100 Hz이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 제1 목적은, 강판의 연속 도금 과정에서 보다 고품질의 강판 도금 처리를 위한 전자기 제진 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 제2 목적은, 강판의 연속 도금 과정에서 도금된 강판이 이송됨에 따른 진동을 제어하여 보다 고품질의 강판 도금 처리를 할 수 있는 전자기 제진 장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 자기 동조 피아이디 제어를 통해 도금 강판의 진동을 제어하기 위한 전자기 제진 장치는, 입력되는 전류량 제어 명령에 따라 흐르는 전류량을 조절하여 로렌즈 힘을 발생시켜 자기 패드를 통해 발생되는 자기장의 세기를 통해 도금되어 이송되는 스트립을 구속하여 진동을 억제시키는 전자석; 상기 자기 패드와 상기 스트립 간의 간격을 측정하는 갭 센서; 초기 설정된 목표이동거리정보에 따라 상기 전자석에 흐르는 전류량을 제어하고, 이후 입력되는 PID(Proportional Integral Differential) 게인 정보에 기초하여 상기 전자석에 흐르는 전류량을 제어하는 PID 제어부; 및 상기 갭 센서로부터 측정된 상기 자기 패드와 상기 스트립 간의 간격정보에 기초하여 상기 스트립의 진동 억제에 필요한 상기 PID 제어부의 게인을 제어하기 위한 PID 게인 정보를 산출하고, 상기 산출된 PID 게인 정보에 기초하여 상기 PID 제어부의 게인을 제어하는 자기 동조 피아이디(PID) 제어를 통해 도금 강판의 진동을 제어하기 위한 PID 게인 제어부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 PID 게인 제어부는, 상기 자기 패드와 상기 스트립 간의 간격정보에 기초하여 상기 스트립의 진동이 '0'이 되는 조건으로 제어되도록 상기 PID 제어부의 게인을 제어하기 위한 상기 PID 게인 정보 파라미터를 실시간으로 추정한다.
상기 PID 게인 제어부는, 상기 자기 패드와 상기 스트립 간의 간격정보에 따라 상기 전자석의 전류량의 계수를 2차 선형 시스템에서, 상기 전자석에서의 전류량(i)이 "
Figure 112006096628258-PAT00001
"(여기서, i : 전자석의 전류량, Xn : 무차원화된 간격량, A,B,C : 선형화된 2차 함수의 계수 값)이 되어, 상기 선형화된 2차 함수의 계수값(An,Bn,Cn)을 각각 '0'이 되도록 상기 PID 제어부를 제어한다.
상기 PID 게인 제어부의 제어에 따라 상기 PID 제어부에서 출력되는 값(△ u(t))은, "
Figure 112006096628258-PAT00002
"(여기서, △ : 1-Z-1, e(t)=D_ref(t)- D_fb(t), Kp : 비례제어게인, Ki : 적분제어게인, Kd : 미분제어게인)으로 나타낼 수 있다.
상기 비례제어게인(Kp), 상기 적분제어게인(Ki), 및 상기 미분제어게인(Kd)은 각각 "
Figure 112006096628258-PAT00003
,
Figure 112006096628258-PAT00004
,
Figure 112006096628258-PAT00005
"로 정의된다.
본 발명에 따르면, 갭 센서를 이용하여 스트립과 자기패드 간의 간격을 측정하여 이를 통해 진동이 '0'이 되는 조건으로 제어되도록 PID제어부의 게인을 제어하기 위한 파라미터를 지기동조 PID 게인 제어부를 통해 실시간 추정하여 PID 제어부를 제어하여 자기 동조 셀프 튜닝된 PID 제어부를 통해 제어할 경우 발생하게 되는 응답성 차이 및 불안정영역으로 천이되는 현상이 없어짐으로써, 전영역에 걸쳐 제진장치 제어오류에 의한 진동 발생을 억제할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에서는 제진장치 사용시 강판의 공진을 억제하기 위한 방안으로 제진 장치 사용시의 강판의 고유주파수와 제진제어기의 제어주파수(bandwidth)를 멀리 떨어뜨려 놓아야 한다. 강판의 고유주파수는 강판의 장력, 강판의 크기, 제진장치의 위치에 따라 변화한다. 여기서 강판의 크기는 제어 불가능한 조업 조건이므로 변경 불가하고, 강판의 장력은 소정 범위 내에서 가변이 가능하며, 제진장치의 위치(설치높이)는 현장 작업 환경에 따라 한정될 수 있다. 강판의 고유주파수는 장력정도가 제어 가능 인자이다. 이러한 강판의 고유주파수는 제진제어기의 제어주파수를 변경하면 가능하나 현실적으로 장치를 새로 제작하는 것과 같으므로 현실적으로 곤란한 상태이므로, 제진 제어기의 제어 주파수를 변경하는 것이 본 발명에서 제공 가능한 제어 인자이다.
즉, 제어 주파수를 변경하기 위해서는 제진장치 사용시의 강판 사이즈 별 고유주파수를 미리 계산하여야 하며, 제진 제어기의 제어주파수(PID 게인으로 결정됨)를 강판 사이즈별로 별도로 설정하여 시험적으로 확인 후 추정이 적절하다고 판단되면, 본격적으로 강판의 사이즈 별로 제진제어기의 제어주파수(즉, PID 게인)를 최적으로 변경 설정하여야 한다. 본 발명에서는 이러한 일련의 과정을 일일이 수행하지 않고 다른 방법으로 적응제어기법의 하나인 자기 동조 PID제어를 구현함으로써, 최적의 제어 주파수(PID 게인)가 자동적으로 바뀌도록 한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 강판의 연속 도금 과정에서 도금된 강판의 진동을 제어하기 위한 전자기 제진 장치를 도시한 도면이다.
도시된 전자기 제진 장치는 기존 설치된 폭방향 갭 센서(Gap sensor)(140)를 이용하여 자기 패드(magnetic pad)와 스트립(5)간의 간격(gap)을 양에지 및 센서의 3군데에서 검출하고, 검출된 간격(gap)을 이용하여 스트립(5)의 힘을 자기 동조 제어시스템으로 구성함으로써, 제진장치의 성능을 개선시키고자 한다. 이를 위해 간격(gap)과 스트립(5)에 걸리는 자기력 간의 수학적 모델을 구현하고 이를 바탕으로 제진제어기 설계 파라미터를 구성하여 시스템을 제어하고자 한다. 이때 스트립(5)에 걸리는 힘은 전자석(120)의 전류량에 비례하므로 측정이 쉬운 전류량으로 대체한다.
갭 센서(140)의 3군데 센서에서 검출한 간격정보와 전자석(120)에 걸리는 전류량의 출력간의 수학적 모델을 얻기 위해, 모델의 차수와 형태를 가정하고 입.출력데이터를 이용하여 시스템을 추정하는 모델규명기법을 이용한다.
간격정보의 입력에 따라 전자석(120)의 전류량의 계수를 2차 선형시스템으로 가정하고 전자석(120)에서 전류량은 아래 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다. 조업이 이루어지는 동안 입출력 데이터를 샘플링 할 때 마다, 시스템을 온-라인으로 추정하도록 하여 시스템의 변화에 적응하도록 한다.
Figure 112006096628258-PAT00006
여기서, i : 전자석의 전류량, Xn : 무차원화된 간격량, A,B,C : 선형화된 2차함수의 계수 값이다.
각 폭방향 위치별에서의 측정된 전류값을 이용하여 수학식 1에 대입하면 아래 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112006096628258-PAT00007
Figure 112006096628258-PAT00008
Figure 112006096628258-PAT00009
이때, 수학식 2를 연립해서 풀면 Bn와 Cn에 대하여 아래 수학식 3과 같은 식을 얻을 수 있다.
Figure 112006096628258-PAT00010
Figure 112006096628258-PAT00011
Figure 112006096628258-PAT00012
이때, Bn과 Cn을 각각 '0'이 되도록 제어할 수 있다면, 스트립(5)의 진동이 억제되는 것이다.
본 발명의 실시예에서 이용되는 이산 속도형 PID제어부(110)의 출력은 아래 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112006096628258-PAT00013
여기서 △는 1-Z-1이며, e(t)=D_ref(t)- D_fb(t), Kp는 비례제어게인,Ki는 적분제어게인,Kd는 미분제어게인이다.
각각의 비례제어게인(Kp)과 적분제어게인(Ki), 및 미분제어게인(Kd)은 정의에 의하여 아래 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112006096628258-PAT00014
Figure 112006096628258-PAT00015
Figure 112006096628258-PAT00016
본 발명에서는 강판의 사이즈 및 강종, 장력 크기가 아닌 갭 센서(140)를 이용하여 스트립(5)과 자기패드(130) 간의 간격정보를 입력으로 받아서 진동이 '0'이 되는 조건으로 제어되도록 PID제어부(110)의 게인을 제어하기 위한 파라미터를 지기동조 PID 게인 제어부(150)를 통해 실시간 추정함으로써, 일정 PID의 게인이 할 수 없는 자기 동조 셀프 튜닝이 가능하게 된다. 이렇게 스트립 사이즈 및 강종 및 장력에 대한 실험을 거치지 않고도 자기 자신이 PID의 제어 게인을 설정하게 된다.
이상에서는 본 발명에서 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설 명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 첨부하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 및 균등한 타 실시가 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부한 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
상술한 본 발명에 따르면, 갭 센서를 이용하여 스트립과 자기패드 간의 간격을 측정하여 이를 통해 진동이 '0'이 되는 조건으로 제어되도록 PID제어부의 게인을 제어하기 위한 파라미터를 지기동조 PID 게인 제어부를 통해 실시간 추정하여 PID 제어부를 제어하여 자기 동조 셀프 튜닝된 PID 제어부를 통해 제어할 경우 발생하게 되는 응답성 차이 및 불안정영역으로 천이되는 현상이 없어짐으로써, 전영역에 걸쳐 제진장치 제어오류에 의한 진동 발생을 억제할 수 있다.

Claims (5)

  1. 입력되는 전류량 제어 명령에 따라 흐르는 전류량을 조절하여 로렌즈 힘을 발생시켜 자기 패드를 통해 발생되는 자기장의 세기를 통해 도금되어 이송되는 스트립을 구속하여 진동을 억제시키는 전자석;
    상기 자기 패드와 상기 스트립 간의 간격을 측정하는 갭 센서;
    초기 설정된 목표이동거리정보에 따라 상기 전자석에 흐르는 전류량을 제어하고, 이후 입력되는 PID(Proportional Integral Differential) 게인 정보에 기초하여 상기 전자석에 흐르는 전류량을 제어하는 PID 제어부; 및
    상기 갭 센서로부터 측정된 상기 자기 패드와 상기 스트립 간의 간격정보에 기초하여 상기 스트립의 진동 억제에 필요한 상기 PID 제어부의 게인을 제어하기 위한 PID 게인 정보를 산출하고, 상기 산출된 PID 게인 정보에 기초하여 상기 PID 제어부의 게인을 제어하는 자기 동조 피아이디(PID) 제어를 통해 도금 강판의 진동을 제어하기 위한 PID 게인 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 제진 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 PID 게인 제어부는,
    상기 자기 패드와 상기 스트립 간의 간격정보에 기초하여 상기 스트립의 진 동이 '0'이 되는 조건으로 제어되도록 상기 PID 제어부의 게인을 제어하기 위한 상기 PID 게인 정보 파라미터를 실시간으로 추정하는 것을 특징으로 하는 전자기 제진 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 PID 게인 제어부는,
    상기 자기 패드와 상기 스트립 간의 간격정보에 따라 상기 전자석의 전류량의 계수를 2차 선형 시스템에서, 상기 전자석에서의 전류량(i)이 "
    Figure 112006096628258-PAT00017
    "(여기서, i : 전자석의 전류량, Xn : 무차원화된 간격량, A,B,C : 선형화된 2차 함수의 계수 값)이 되어, 상기 선형화된 2차 함수의 계수값(An,Bn,Cn)을 각각 '0'이 되도록 상기 PID 제어부를 제어하는 것을 특징으로 하는 전자기 제진 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 PID 게인 제어부의 제어에 따라 상기 PID 제어부에서 출력되는 값(△u(t))은, "
    Figure 112006096628258-PAT00018
    "(여기 서, △ : 1-Z-1, e(t)=D_ref(t)- D_fb(t), Kp : 비례제어게인, Ki : 적분제어게인, Kd : 미분제어게인)으로 나타내지는 것을 특징으로 하는 전자기 제진 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 비례제어게인(Kp), 상기 적분제어게인(Ki), 및 상기 미분제어게인(Kd)은 각각 "
    Figure 112006096628258-PAT00019
    ,
    Figure 112006096628258-PAT00020
    ,
    Figure 112006096628258-PAT00021
    "로 정의되는 것을 특징으로 하는 전자기 제진 장치.
KR1020060134233A 2006-12-26 2006-12-26 자기 동조 피아이디 제어를 통해 도금 강판의 진동을제어하기 위한 전자기 제진 장치 KR100910461B1 (ko)

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