WO2019239494A1 - 鉄鋼プラント制御装置 - Google Patents

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    • G05B2219/42—Servomotor, servo controller kind till VSS
    • G05B2219/42034—Pi regulator

Definitions

  • the present invention relates to a steel plant control device.
  • a simplified control method based on the simple adaptive control method has been proposed for the process to be controlled.
  • This control method simplifies the configuration by determining the variable gain only with the minimum required control deviation.
  • the variable gain based on the square integral value of the value related to the control deviation, when the peak value of the control deviation is large, a large gain state is maintained, and active control is performed. As a result, the peak value of the control deviation is reduced, and at the same time, the gain is returned to the original small value to stabilize the steady state.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-138200 delays the time for returning the variable gain to the original small value by setting the time constant of the first-order lag element to a larger value in the variable gain calculation means, and occurs after the control deviation converges to zero. It is intended to respond quickly to changes in load and characteristics of the control target.
  • variable gain is applied to the part other than the steady state
  • the above method is difficult to adjust when it is desired to adjust only the load change or the characteristic change of the control target that may occur after the zero convergence of the control deviation.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and is an iron and steel plant that can immediately respond to a load change and a characteristic change of a control target that can occur after the zero convergence of a control deviation and can realize an excellent response characteristic.
  • An object is to provide a control device.
  • the steel plant control apparatus is configured as follows.
  • the steel plant control apparatus includes a subtractor, a PI controller, a first-order lag controller, and an adder.
  • the subtracter outputs a deviation e (control deviation) between the target value r and the controlled variable y fed back from the controlled object.
  • the PI controller inputs the deviation e and outputs a first manipulated variable u1 for reducing the deviation e using a proportional action and an integral action.
  • the first-order lag controller is arranged in parallel with the PI controller.
  • Primary delay controller outputs the second manipulated variable u2 multiplied by further first-order delay element LAG multiplied by a proportional gain K p2 to the deviation e.
  • the adder outputs the final operation amount u obtained by adding the second operation amount u2 to the first operation amount u1 to the control target.
  • the gain of the PI controller is higher than the gain of the first-order lag controller in a band lower than the first frequency, and the first-order lag in the band from the first frequency to the second frequency higher than the first frequency.
  • the gain of the controller is higher than the gain of the PI controller, and the gain of the PI controller is higher than the gain of the first-order lag controller in a band higher than the second frequency.
  • the gain is increased in the band from the first frequency to the second frequency, and the other bands are hardly affected.
  • the band from the first frequency to the second frequency can be adjusted in the vicinity of the fluctuating frequency due to the load change that may occur after the control deviation converges to zero or the characteristic change of the controlled object. Therefore, it is possible to immediately respond to a load change or a characteristic change of the control target that can occur after the control deviation converges to zero, and an excellent response characteristic can be realized.
  • FIG. 2 is a control block diagram of a closed loop system according to the first embodiment. It is a Bode diagram showing the frequency characteristic of a transfer function. It is a chart which shows the fluctuation
  • FIG. 1 is a block diagram of a closed loop system according to the first embodiment.
  • the closed-loop control device shown in FIG. 1 includes a first-order lag controller 4 and an adder 5 in addition to the subtracter 2 and the PI controller 3.
  • control object 1 is a finish rolling mill that is provided in a hot rolling line and rolls a material to be rolled.
  • the control target 1 inputs the final manipulated variable u and outputs the controlled variable y.
  • the final operation amount u is the roll gap of the final stand of the finishing mill.
  • the control amount y is the thickness of the finish rolling mill exit side.
  • the subtracter 2 outputs a deviation e (control deviation) between the target value r and the controlled variable y fed back from the controlled object 1.
  • the control amount y is detected by a sensor.
  • the sensor is a thickness gauge arranged on the exit side of the finishing mill.
  • the target value r is the target plate thickness on the exit side of the finishing mill.
  • the PI controller 3 (transfer function is K p1 + K i / s) will be described.
  • PI control is a type of feedback control, and is a control method that combines proportional action and integral action.
  • the proportional operation is an operation that changes the operation amount in proportion to the deviation e.
  • the integration operation is an operation for changing the manipulated variable in proportion to the integration of the deviation e.
  • the PI controller 3 inputs the deviation e and outputs a first manipulated variable u1 for reducing the deviation e using a proportional action and an integral action.
  • the first-order lag controller 4 is arranged in parallel with the PI controller 3.
  • the first-order lag controller 4 inputs the deviation e, multiplies the deviation e by a proportional gain Kp2 , and further, a first-order lag element LAG (transfer function is 1 / (1 + Ts), where T is The second manipulated variable u2 multiplied by the time constant is output.
  • the adder 5 outputs the final operation amount u obtained by adding the output (second operation amount u2) of the primary delay controller 4 to the output (first operation amount u1) of the PI controller 3 to the control target 1.
  • FIG. 2 is a Bode diagram showing the frequency characteristics of the transfer function.
  • the horizontal axis is the logarithmic axis of the angular frequency ⁇ [rad / s].
  • the left vertical axis is a logarithmic axis of gain [db].
  • the gain curve 21 shows the gain characteristic of the first order lag control.
  • the gain curve 22 shows the gain characteristic of PI control.
  • a gain curve 23 shows gain characteristics obtained by adding PI control and first-order lag control.
  • the gain curve 23 obtained by adding the gain curve 21 and the gain curve 22 has a gain of the PI controller 3 higher than that of the first-order lag controller 4 in a band lower than the first frequency f1, and the first In the band from the frequency f1 to the second frequency f2 higher than the first frequency f1, the gain of the first-order lag controller 4 is higher than the gain of the PI controller 3, and the PI control is performed in a band higher than the second frequency f2.
  • the gain of the device 3 is higher than the gain of the first-order lag controller 4.
  • the gain of the primary delay controller 4 is dominant in the band from the first frequency f1 to the second frequency f2, and in the band lower than the first frequency f1 and the band higher than the second frequency f2, PI
  • the gain of the controller 3 is dominant.
  • the band from the first frequency f1 to the second frequency f2 corresponds to the vicinity of the fluctuating frequency due to a load change that may occur after the deviation e converges to zero or a characteristic change of the control target. Therefore, according to the present embodiment, as indicated by the gain curve 23, only the gain near the fluctuating frequency is increased, and the other frequency bands are hardly affected.
  • the target value can be tracked quickly.
  • the “change in load or change in characteristics of the controlled object” includes the temperature of the plate, the expansion of the machine due to heat, and roll eccentricity.
  • FIG. 3 is a chart showing fluctuations in the deviation e of the sheet thickness on the exit side of the finishing mill when the primary delay controller 4 is not provided (only the PI controller 3).
  • FIG. 4 is a chart showing fluctuations in the deviation e of the thickness on the exit side of the finishing mill when the first-order lag controller 4 is added in parallel with the PI controller 3.
  • the deviation e of the sheet thickness is once within an allowable range (between the upper limit 31 and the lower limit 32) by PI control. Converge to (zero convergence). However, it cannot respond to the load change after the zero convergence or the characteristic change of the controlled object, and deviates from the allowable range.
  • the PI is mainly used.
  • the deviation e of the plate thickness converges within a target range (between the upper limit value 31 and the lower limit value 32).
  • the proportional gain Kp2 and the time constant T are adjusted so that the gain between the first frequency and the second frequency is increased. Therefore, even when there is a load change or a characteristic change of the control target after the deviation e has converged to zero, the convergence to the target value is quick and the deviation e can be stabilized within the target range.
  • the steel plant control device is a control outside the band from the first frequency f1 to the second frequency for large changes other than the load change after zero convergence and the characteristic change of the control target. To achieve convergence by PI control.
  • FIG. 5 is a diagram showing a system configuration around the looper of the cold rolling line.
  • the steel plant control apparatus uses a control amount y detected by the tension meter 53 between the bridle roll 51 and the loop car 52 downstream thereof as a feedback signal, and a deviation between the control amount y and the target value r. It can also be applied to the one that outputs the final operation amount u of the loop car 52 so that the value converges to 0.
  • the steel plant control device uses the control amount y detected by the tension meter 56 between the bridle roll 54 downstream of the loop car 52 and the continuous rolling mill 55 downstream thereof as a feedback signal
  • the present invention can also be applied to an apparatus that outputs the final operation amount u of the bridle roll 54 so that the deviation from the target value r converges to zero.

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Abstract

鉄鋼プラント制御装置は、次の構成を備える。減算器（１）は、目標値と制御対象（１）からフィードバックされた制御量との偏差を出力する。ＰＩ制御器（３）は、偏差を入力し、比例動作および積分動作を用いて、偏差を小さくするための第１操作量を出力する。１次遅れ制御器（４）は、偏差に比例ゲインを乗じさらに１次遅れ要素を乗じた第２操作量を出力する。加算器（５）は、第１操作量に第２操作量を加えた最終操作量を制御対象へ出力する。ここで、第１周波数ｆ１よりも低い帯域においてＰＩ制御器のゲインが１次遅れ制御器のゲインよりも高く、かつ、第１周波数ｆ１から第２周波数ｆ２までの帯域において１次遅れ制御器のゲインがＰＩ制御器のゲインがよりも高く、かつ、第２周波数ｆ２よりも高い帯域においてＰＩ制御器のゲインが１次遅れ制御器のゲインよりも高いことを特徴とする。

Description

鉄鋼プラント制御装置
　本発明は、鉄鋼プラント制御装置に関する。
　プロセスを制御対象とし、単純適応制御方式をベースとしてより簡易化した制御方式が提案されている。この制御方式は、最小限に必要とされる制御偏差のみで可変ゲインを決定して、より構成を簡易化する。該制御偏差に関連した値の自乗積分値に基づく可変ゲインによって、制御偏差のピーク値が大きいときには大きな値のゲインの状態が持続され、積極的な制御が行われる。その結果、制御偏差のピーク値が小さくなると同時に、ゲインを元の小さな値に戻し定常状態の安定化を図っている。
日本特開２０１１－１３８２００号公報
　しかし、制御量が目標値に収束し制御偏差がゼロに収束した後にも、負荷変化や制御対象の特性変化が起こることがしばしばある。このような負荷変化や特性変化に対して、元の小さな値に戻した可変ゲインでは収束に時間を要してしまう。
　この対策として日本特開２０１１－１３８２００号公報では、可変ゲイン演算手段において１次遅れ要素の時定数をより大きな値として可変ゲインを元の小さな値へ戻す時間を遅らせ、制御偏差のゼロ収束後に起こり得る負荷変化や制御対象の特性変化に対しても即応することを図っている。
　しかしながら、上記の方法は、定常状態以外の部分にも可変ゲインが掛かってくるので、制御偏差のゼロ収束後に起こり得る負荷変化や制御対象の特性変化に対してのみ調整したい場合、調整し難い。
　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、制御偏差のゼロ収束後に起こり得る負荷変化や制御対象の特性変化に対して即応でき、優れた応答特性を実現できる鉄鋼プラント制御装置を提供することを目的とする。
　上記目的の達成のため、本発明に係る鉄鋼プラント制御装置は以下のように構成される。
　本発明に係る鉄鋼プラント制御装置は、減算器と、ＰＩ制御器と、１次遅れ制御器と、加算器と、を備える。
　減算器は、目標値ｒと制御対象からフィードバックされた制御量ｙとの偏差ｅ（制御偏差）を出力する。
　ＰＩ制御器は、偏差ｅを入力し、比例動作および積分動作を用いて、偏差ｅを小さくするための第１操作量ｕ１を出力する。
　１次遅れ制御器は、ＰＩ制御器と並列に配置される。１次遅れ制御器は、偏差ｅに比例ゲインＫｐ２を乗じさらに１次遅れ要素ＬＡＧを乗じた第２操作量ｕ２を出力する。
　加算器は、第１操作量ｕ１に第２操作量ｕ２を加えた最終操作量ｕを制御対象へ出力する。
　ここで、第１周波数よりも低い帯域においてＰＩ制御器のゲインが１次遅れ制御器のゲインよりも高く、かつ、第１周波数から第１周波数よりも高い第２周波数までの帯域において１次遅れ制御器のゲインがＰＩ制御器のゲインがよりも高く、かつ、第２周波数よりも高い帯域においてＰＩ制御器のゲインが１次遅れ制御器のゲインよりも高いことを特徴とする。
　本態様に係る鉄鋼プラント制御装置によれば、第１周波数から第２周波数までの帯域についてゲインが高まり、他の帯域にはほとんど影響を与えない。第１周波数から第２周波数までの帯域は、制御偏差のゼロ収束後に起こり得る負荷変化や制御対象の特性変化による変動周波数付近に調整できる。そのため、制御偏差のゼロ収束後に起こり得る負荷変化や制御対象の特性変化に対して即応でき、優れた応答特性を実現できる。
実施の形態１に係る閉ループ系の制御ブロック線図である。 伝達関数の周波数特性を表すボード線図である。 １次遅れ制御器を備えない（ＰＩ制御器のみ）場合における仕上圧延機出側における板厚の偏差の変動を示すチャートである。 ＰＩ制御器と並列に１次遅れ制御器を加えた場合における仕上圧延機出側における板厚の偏差の変動を示すチャートである。 冷間圧延ラインのルーパー周辺のシステム構成を示す図である。
　以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、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．
［閉ループ系の構成］
　図１は、実施の形態１に係る閉ループ系のブロック線図である。図１に示す閉ループ系の制御装置は、減算器２、ＰＩ制御器３に加えて、１次遅れ制御器４および加算器５を備える。
　一例として、制御対象１は、熱間圧延ラインに設けられ被圧延材を圧延する仕上圧延機である。制御対象１は、最終操作量ｕを入力し、制御量ｙを出力する。最終操作量ｕは、仕上圧延機の最終スタンドのロールギャップである。制御量ｙは、仕上圧延機出側の板厚である。
　減算器２は、目標値ｒと制御対象１からフィードバックされた制御量ｙとの偏差ｅ（制御偏差）を出力する。制御量ｙはセンサにより検出される。センサは仕上圧延機出側に配置された板厚計である。目標値ｒは仕上圧延機出側の目標板厚である。
　ＰＩ制御器３（伝達関数はＫｐ１＋Ｋｉ／ｓ）について説明する。ＰＩ制御は、フィードバック制御の一種であり、比例動作と積分動作を組み合わせた制御方法である。比例動作は、偏差ｅに比例して操作量を変化させる動作である。積分動作は、偏差ｅの積分に比例して操作量を変化させる動作である。ＰＩ制御器３は、偏差ｅを入力し、比例動作および積分動作を用いて、偏差ｅを小さくするための第１操作量ｕ１を出力する。
　１次遅れ制御器４は、ＰＩ制御器３と並列に配置される。１次遅れ制御器４は、偏差ｅを入力し、偏差ｅに比例ゲインＫｐ２を乗じ、さらに制御対象１に存在する１次遅れ要素ＬＡＧ（伝達関数は１／（１＋Ｔｓ），ここでＴは時定数）を乗じた第２操作量ｕ２を出力する。
　加算器５は、ＰＩ制御器３の出力（第１操作量ｕ１）に１次遅れ制御器４の出力（第２操作量ｕ２）を加えた最終操作量ｕを制御対象１へ出力する。
　図２を参照しつつ本実施形態の特徴について説明する。図２は、伝達関数の周波数特性を表すボード線図である。横軸は、角周波数ω［ｒａｄ／ｓ］の対数軸である。左側の縦軸は、ゲイン［ｄｂ］の対数軸である。
　ゲイン曲線２１は、１次遅れ制御のゲイン特性を示す。ゲイン曲線２２は、ＰＩ制御のゲイン特性を示す。ゲイン曲線２３は、ＰＩ制御と１次遅れ制御を足しあわせたゲイン特性を示す。
　本実施形態に係る鉄鋼プラント制御装置では、図２のゲイン曲線２３に示す周波数特性が得られるように、１次遅れ制御器４のＫｐ２や時定数Ｔが調整されている。具体的には、ゲイン曲線２１に示すように、角周波数ω＝１以下においてゲインが０以上となるように、１次遅れ制御器４の比例ゲインＫｐ２および時定数Ｔが調整されている。
　そのため、ゲイン曲線２１とゲイン曲線２２を足し合わせたゲイン曲線２３は、第１周波数ｆ１よりも低い帯域においてＰＩ制御器３のゲインが１次遅れ制御器４のゲインよりも高く、かつ、第１周波数ｆ１から第１周波数ｆ１よりも高い第２周波数ｆ２までの帯域において１次遅れ制御器４のゲインがＰＩ制御器３のゲインよりも高く、かつ、第２周波数ｆ２よりも高い帯域においてＰＩ制御器３のゲインが１次遅れ制御器４のゲインよりも高い。
　換言すれば、第１周波数ｆ１から第２周波数ｆ２までの帯域では、１次遅れ制御器４のゲインが支配的であり、第１周波数ｆ１より低い帯域および第２周波数ｆ２より高い帯域では、ＰＩ制御器３のゲインが支配的である。第１周波数ｆ１から第２周波数ｆ２までの帯域は、偏差ｅのゼロ収束後に起こり得る負荷変化や制御対象の特性変化による変動周波数付近に対応する。そのため、本実施形態によれば、ゲイン曲線２３に示すように、変動周波数付近のゲインのみが大きくなり、他の周波数帯にはほとんど影響を与えない。
　このように、ＰＩ制御器３に並列に１次遅れ制御器４を足して、制御応答付近のみゲインを上げることで、目標値への追従が早くなる。その結果、制御偏差のゼロ収束後に起こり得る負荷変化や制御対象の特性変化に対して即応でき、優れた応答特性を実現できる。なお、「負荷変化や制御対象の特性変化」とは、熱間圧延の場合、板の温度、熱による機械の膨張、ロール偏芯などである。
　次に、図３と図４を参照して、ＰＩ制御のみの場合の偏差ｅの変動と、ＰＩ制御に１次遅れ制御を足しあわせた場合の偏差ｅの変動とを比較する。図３は、１次遅れ制御器４を備えない（ＰＩ制御器３のみ）場合における仕上圧延機出側における板厚の偏差ｅの変動を示すチャートである。図４は、ＰＩ制御器３と並列に１次遅れ制御器４を加えた場合における仕上圧延機出側における板厚の偏差ｅの変動を示すチャートである。
　図３のチャートでは、時刻０において被圧延材の先端が仕上圧延機出側に達した後、ＰＩ制御により板厚の偏差ｅは一旦許容範囲（上限値３１と下限値３２との間）内に収束する（ゼロ収束）。しかし、ゼロ収束後の負荷変化や制御対象の特性変化に応答しきれず、許容範囲を逸脱してしまう。
　これに対して、ＰＩ制御に比例ゲインＫｐ２と１次遅れ要素ＬＡＧとを加えた図４のチャートでは、時刻０において被圧延材の先端が仕上圧延機出側に達した後、主にＰＩ制御により板厚の偏差ｅは目標範囲（上限値３１と下限値３２との間）内に収束する。上述した図２のゲイン曲線２３のように、第１周波数から第２周波数までの間のゲインが高まるように比例ゲインＫｐ２と時定数Ｔが調整されている。そのため、偏差ｅのゼロ収束後に負荷変化や制御対象の特性変化があった場合でも、目標値への収束が早く、偏差ｅを目標範囲内で安定させることができる。
　なお、本実施形態に係る鉄鋼プラント制御装置は、ゼロ収束後の負荷変化や制御対象の特性変化以外の大きな変化については、第１周波数ｆ１から第２周波数までの帯域外の制御であり、主にＰＩ制御により収束を図る。
（変形例）
　ところで、上述した実施の形態１のシステムにおいては、熱間圧延ラインの仕上圧延機出側の板厚制御を例に説明したが、本発明の適用対象は限定されるものではない。例えば、冷間圧延ラインの張力制御にも適用できる。図５は、冷間圧延ラインのルーパー周辺のシステム構成を示す図である。
　１つの適用例として、鉄鋼プラント制御装置は、ブライドルロール５１とその下流のループカー５２との間の張力計５３により検出される制御量ｙをフィードバック信号とし、制御量ｙと目標値ｒとの偏差が０に収束するようにループカー５２の最終操作量ｕを出力するものにも適用できる。
　他の適用例として、鉄鋼プラント制御装置は、ループカー５２下流のブライドルロール５４と、その下流の連続圧延機５５の間の張力計５６により検出される制御量ｙをフィードバック信号とし、制御量ｙと目標値ｒとの偏差を０に収束するようにブライドルロール５４の最終操作量ｕを出力するものにも適用できる。
　以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
１　制御対象
２　減算器
３　ＰＩ制御器
４　１次遅れ制御器
５　加算器
３１　上限値
３２　下限値
５１，５４　ブライドルロール
５２　ループカー
５３，５６　張力計
５５　連続圧延機
ｆ１　第１周波数
ｆ２　第２周波数
Ｋｐ２　比例ゲイン
ＬＡＧ　１次遅れ要素
ｒ　目標値
Ｔ　時定数
ｕ　最終操作量
ｕ１　第１操作量
ｕ２　第２操作量
ｙ　制御量
ω　角周波数

Claims (1)

  1. 　目標値と制御対象からフィードバックされた制御量との偏差を出力する減算器と、
    　前記偏差を入力し、比例動作および積分動作を用いて、該偏差を小さくするための第１操作量を出力するＰＩ制御器と、
    　前記偏差に比例ゲインを乗じさらに１次遅れ要素を乗じた第２操作量を出力する１次遅れ制御器と、
    　前記第１操作量に前記第２操作量を加えた最終操作量を前記制御対象へ出力する加算器と、を備え、
    　第１周波数よりも低い帯域において前記ＰＩ制御器のゲインが前記１次遅れ制御器のゲインよりも高く、かつ、前記第１周波数から前記第１周波数よりも高い第２周波数までの帯域において前記１次遅れ制御器のゲインが前記ＰＩ制御器のゲインがよりも高く、かつ、前記第２周波数よりも高い帯域において前記ＰＩ制御器のゲインが前記１次遅れ制御器のゲインよりも高いこと、
    　を特徴とする鉄鋼プラント制御装置。
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