JP4538088B2 - 板圧延機およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、上下一対の作業ロールがそれぞれ独立の電動機によって駆動力を供給されるように構成された板圧延機およびその制御方法に関する。

上下一対の作業ロールがそれぞれ独立の電動機によって駆動力を供給されるように構成された板圧延機による板圧延においては、圧延材の反りによる通板トラブル、あるいはうねり、全波、小波等と呼ばれる板幅方向に貫通した波形状による平坦度不良が確率的に発生するため、これらの発生を防止する技術が種々提案されている。
例えば、圧延材の反りを制御する技術としては、前パスの圧延荷重、圧延トルクの実績値から、当該パスで発生する圧延反り量を計算し、これを防止するための上下ロール周速度差の設定変更制御量を算出し、当該算出した上下ロール周速度差の設定変更制御量に基づいてロール周速度を制御する方法がある（例えば、特開平７−１６４０３１号公報参照）。
しかしながら、反りを防止するための上下ロール周速度差の設定変更制御量は種々の外乱要因によって変化するため、これを正確に算出することは困難である。このため、この方法は一定の効果を奏するものの、反りを皆無にすることはできない。
また、小波・うねりを防止する技術としては、圧延材が上反りになるように上下ロールの周速度差を制御する板圧延方法がある（例えば、特開２００２−３４６６１７号公報参照）。これは、小波あるいはうねりと呼ばれる板幅全体にわたる波形状が、圧延機出側で圧延材が下反りになりローラーテーブルに衝突することで発生することを解明したことに基づく技術である。しかしながら、ローラーテーブルに衝突しないで発生する小波・うねりもあり、この場合には効果がない。
さらに、圧延機の電動機駆動制御の一機能として、上下ロールの駆動トルク差を小さくするためのロードバランス制御が実用化されている（例えば、富士時報（Ｖｏｌ．７３、Ｎｏ．１１、ｐｐ．６１４〜６１８（２０００））参照）。これは上下トルク差を検出して上下のロール回転速度差を制御するシステムであり、圧延設備保護を主目的としており、圧延速度制御の外乱になることを避けるため時定数の大きい緩慢な制御となっており、反りやうねりを防止する効果は得られない。
ところで本発明とは目的が全く異なるが、特開昭５４−７１０６４号公報と特開昭６０−９５０９号公報には本発明と類似の実施形態が開示されている。これらの発明は上下ロールの周速あるいはトルクに積極的に差をつけて圧延材に付加的なせん断塑性変形を与える、所謂、異周速圧延を実行するための技術である。

本発明の解決すべき課題は、圧延材の反りによる通板トラブル、あるいはうねり、全波、小波等と呼ばれる板幅方向に貫通した波形状による平坦度不良を解消できる板圧延機およびその制御方法を提供することである。
本発明者らは、前記課題を解決すべく、反りあるいは板幅方向に貫通した波形状による平坦度不良の発生メカニズムについて広く研究を行った結果、以下の技術的知見を得た。
（Ａ）反りやうねりが発生する場合は、上下作業ロールの圧延トルクバランスが大きく変化すること。
（Ｂ）より具体的には、圧延材が上反りになる場合は下圧延トルクが増加方向、上圧延トルクが減少方向に急激に変化して、圧延材が下反りになる場合はその逆方向のトルク変化が生じること。
（Ｃ）うねりを生じる場合は、上下作業ロールの圧延トルクのバランスが連続的かつ周期的に変化すること。
（Ｄ）さらには、圧延トラブルを引き起こすような大きな反りの場合には、例えば、ホットストリップ仕上圧延の場合、ロール一本あたりトルクの絶対値の５０％を超えるような非常に大きなトルク変化が１秒前後の短時間の間に上下ロールで逆方向に生じること。また、このような場合であっても上下ロールのトルクの合計値はほぼ一定値を保っていること。
（Ｅ）以上から、上下作業ロールの圧延トルクバランスの変化を抑制する高応答な駆動制御を行えば、反りあるいは板幅方向に貫通した波形状による平坦度不良を防止できること。
そして、本発明者らは、様々な実験的検討および理論的検討を重ねた結果、圧延速度制御と矛盾しない制御方案として、一方の作業ロールを駆動する電動機はロール回転速度を制御目標値として制御し、他方の作業ロールを駆動する電動機については該電動機で駆動される作業ロールから圧延材に加えられる圧延トルクが略一定になることを制御目標として駆動トルクを制御量として制御するという、従来技術にはない新規な制御方式を採用することにより、上下作業ロールの圧延トルクバランスの変化を抑制する高応答な駆動制御を実現できることを発見した。
ここで、圧延トルクを略一定にするとは、上下圧延トルク合計値に対するトルク制御側の作業ロールの圧延トルクの割合の時系列的変化を、圧延出側板厚の１００倍に相当する長さを圧延する間に合計トルクの１０％程度以下にすることとし、好ましくは、５％程度以下にすることとする。
（１）上記の知見・発見に基づき、本発明者らは、圧延材の反りによる通板トラブル、あるいはうねり、全波、小波等と呼ばれる板幅方向に貫通した波形状による平坦度不良を解消できる板圧延機に想到した。当該発明は、上下一対の作業ロールと、前記一対の作業ロールをそれぞれ独立に駆動する一対の電動機を有する板圧延機であって、一方の電動機はロール回転速度を制御目標値として制御し、他方の電動機については該電動機で駆動される作業ロールから圧延材に加えられる圧延トルクが略一定になることを制御目標として駆動トルクを制御量として制御する制御手段を備えたことを特徴とする板圧延機である。
ところで上記本発明とは目的が全く異なるが、前述したように、特開昭５４−７１０６４号公報と特開昭６０−９５０９号公報には本発明と類似の実施形態が開示されている。これらの発明は上下ロールの周速あるいはトルクに積極的に差をつけて圧延材に付加的なせん断塑性変形を与える、所謂、異周速圧延を実行するための技術である。
特開昭５４−７１０６４号公報には、上下何れか一方の作業ロールの駆動電動機に速度設定回路を設け、かつ上記速度設定された作業ロールにおけるトルクに対して指定のトルク比あるいはトルク差をもって他方の作業ロールを駆動するトルク比較制御装置を設けた圧延機が開示されている。この技術ではロール速度設定を行わない作業ロールの駆動はトルク制御となるが、このトルク制御目標値はロール速度制御を実施する駆動電動機のトルク実績信号を基準として決める構成となっている。しかしながら本発明者らの研究によれば、ロール速度制御を実施している駆動電動機のトルクは、圧延材の圧延機への進入角度等の変化によって大きくかつ急激に変化する可能性があり、そのような場合、これを直接制御回路に入力して他方のトルク制御目標値を決める上記発明では、トルク制御目標値そのものも大きくかつ急激に変動することになり、本発明のように速度制御を実施しない側の圧延トルクを略一定に制御することが不可能となり、反りやうねりの発生を防止することはできない。
また、特開昭６０−９５０９号公報には、上下作業ロールのうち、一方の作業ロールを駆動する電動機を速度制御とし、他方の作業ロールの電動機は、圧延に必要な圧延トルクから前記速度制御を実行しているロール側のトルクを差し引いた値をトルク目標値としてトルク制御を行う制御方法が開示されている。本発明者らの研究によれば、上記したようにロール速度制御を実施している作業ロールのトルクは、圧延材の圧延機への進入角度等の変化によって大きくかつ急激に変化する可能性があるが、このような場合でも上下作業ロールトルクの合計値の変化は小さいことが分かっている。したがって、合計トルクから速度制御を実施している作業ロールトルク実績値を差し引いた場合、速度制御を実施している作業ロールトルクが大きく変化した場合、他方のロールのトルク目標値は速度制御ロールとは反対方向に大きく変動することになり、本発明のように速度制御を実施しない側の圧延トルクを略一定に制御することが不可能となり、反りやうねりの発生を防止することはできない。
さらに、上記の二つの異周速圧延に関する発明では、駆動トルクと圧延トルクを区別していないこともあり、例えば加減速時には駆動系や補強ロールの慣性の影響によって圧延材と作業ロールとの間に作用する圧延トルクを略一定に制御することが困難になるという問題もある。
（２）本発明者らは、さらに圧延材咬み込み前である無負荷時の異常回転を予備的に防止できる板圧延機に想到した。当該発明は、圧延材咬み込み前はロール回転速度を制御目標値として双方の電動機を制御し、圧延材咬み込み後に片方の電動機の制御を、駆動トルクを制御量とする制御に切り換える制御手段を備えたことを特徴とする前記（１）に記載の板圧延機である。
（３）本発明者らは、さらに圧延材咬み込み後である無負荷時の異常回転を予備的に防止できる板圧延機に想到した。当該発明は、圧延材尾端通過前まで、片方の電動機について駆動トルクを制御量とする制御を引き続いて行い、尾端通過直前に、双方の電動機についてロール回転速度を制御目標値とする制御に切り換える制御手段を備えたことを特徴とする前記（１）または（２）に記載の板圧延機である。
（４）本発明者らは、加減速の激しい圧延条件下であっても上下作業ロールの圧延トルクバランスを保持できる板圧延機に想到した。当該発明は、駆動トルク測定値から駆動系およびロール系の慣性力に起因するトルクを差し引いた圧延トルクが制御目標値に一致するように、駆動トルク制御量を与えて電動機を制御する制御手段を備えたことを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の板圧延機である。
（５）同様に、本発明者らは、加減速の激しい圧延条件下であっても上下作業ロールの圧延トルクバランスを保持できる板圧延機に想到した。当該発明は、スピンドルトルク測定値からロール系の慣性力に起因するトルクを差し引いた圧延トルクが制御目標値に一致するように、駆動トルク制御量を与えて電動機を制御する制御手段を備えたことを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の板圧延機である。
（６）また、本発明者らは、より上下作業ロールの圧延トルクバランスを保持できる板圧延機に想到した。当該発明は、駆動トルクを制御する電動機の駆動トルク制御目標値を圧延中に変更する制御手段を備えたことを特徴とする前記（１）〜（５）のいずれかに記載の板圧延機である。
（７）その一例が、圧延中に変更する前記駆動トルク制御目標値を、ランプ状に変更する制御手段を備えたことを特徴とする前記（６）に記載の板圧延機である。
（８）別の一例が、圧延中に変更する前記駆動トルク制御目標値を、ロール回転速度を制御目標値として制御する電動機によって駆動される作業ロールの駆動トルク測定値またはスピンドルトルク測定値に基づいて時系列的平滑化処理を経由して変更する制御手段を備えたことを特徴とする前記（６）または（７）に記載の板圧延機である。
（９）さらに別の一例が、圧延中に変更する前記駆動トルク制御目標値を、圧延荷重の変動に応じて変更する制御手段を備えたことを特徴とする前記（６）〜（８）のいずれかに記載の板圧延機である。
（１０）加えて、本発明者らは、圧延材の反りによる通板トラブル、あるいはうねり、全波、小波等と呼ばれる板幅方向に貫通した波形状による平坦度不良を解消できる板圧延機の制御方法に想到した。当該発明は、上下一対の作業ロールがそれぞれ独立の電動機によって駆動力を供給されるように構成された板圧延機の制御方法であって、一方の電動機はロール回転速度を制御目標値として制御し、他方の電動機については該電動機で駆動される作業ロールから圧延材に加えられる圧延トルクが略一定になることを制御目標として駆動トルクを制御量として与えて制御することを特徴とする板圧延機の制御方法である。
（１１）本発明者らは、さらに圧延材咬み込み前である無負荷時の異常回転を予備的に防止できる板圧延機の制御方法に想到した。当該発明は、圧延材咬み込み前はロール回転速度を制御目標値として双方の電動機を制御し、圧延材咬み込み後に片方の電動機の制御を、駆動トルクを制御量として与える制御に切り換えることを特徴とする前記（１０）に記載の板圧延機の制御方法である。
（１２）本発明者らは、さらに圧延材咬み込み後である無負荷時の異常回転を予備的に防止できる板圧延機の制御方法に想到した。当該発明は、圧延材尾端通過前まで、片方の電動機について駆動トルクを制御量とする制御を引き続いて行い、尾端通過直前に、双方の電動機についてロール回転速度を制御目標値とする制御に切り換えることを特徴とする前記（１０）または（１１）に記載の板圧延機の制御方法である。
（１３）本発明者らは、加減速の激しい圧延条件下であっても上下作業ロールの圧延トルクバランスを保持できる板圧延機の制御方法に想到した。当該発明は、駆動トルク測定値から駆動系およびロール系の慣性力に起因するトルクを差し引いた圧延トルクが制御目標値に一致するように、駆動トルク制御量を与えて電動機を制御することを特徴とする前記（１０）〜（１２）のいずれかに記載の板圧延機の制御方法である。
（１４）同様に、本発明者らは、加減速の激しい圧延条件下であっても上下作業ロールの圧延トルクバランスを保持できる板圧延機の制御方法に想到した。当該発明は、スピンドルトルク測定値からロール系の慣性力に起因するトルクを差し引いた圧延トルクが制御目標値に一致するように、駆動トルク制御量を与えて電動機を制御することを特徴とする前記（１０）〜（１２）のいずれかに記載の板圧延機の制御方法である。
（１５）また、本発明者らは、より上下作業ロールの圧延トルクバランスを保持できる板圧延機の制御方法に想到した。当該発明は、駆動トルクを制御する電動機の駆動トルク制御目標値を圧延中に変更することを特徴とする前記（１０）〜（１４）のいずれかに記載の板圧延機の制御方法である。
（１６）その一例が、圧延中に変更する前記駆動トルク制御目標値を、ランプ状に変更することを特徴とする前記（１５）に記載の板圧延機の制御方法である。
（１７）別の一例が、圧延中に変更する前記駆動トルク制御目標値を、ロール回転速度を制御目標値として制御する電動機によって駆動される作業ロールの駆動トルク測定値またはスピンドルトルク測定値に基づいて時系列的平滑化処理を経由して変更することを特徴とする前記（１５）または（１６）に記載の板圧延機の制御方法である。
（１８）さらに別の一例が、圧延中に変更する前記駆動トルク制御目標値を、圧延荷重の変動に応じて変更することを特徴とする前記（１５）〜（１７）のいずれかに記載の板圧延機の制御方法である。
以上の発明により得られる効果は、次のとおりである。即ち、一方の電動機はロール回転速度を制御目標値として制御し、他方の電動機については該電動機で駆動される作業ロールから圧延材に加えられる圧延トルクが略一定になることを制御目標として駆動トルクを制御量として制御する本発明に係る板圧延機およびその制御方法によれば、上下作業ロールの圧延トルクバランスの急激な変化を抑制することができ、圧延材の反りによる通板トラブル、あるいはうねり、全波、小波等と呼ばれる板幅方向に貫通した波形状による平坦度不良を解消することができる。

図１は、本発明に係る板圧延機およびその制御方法の第１の形態を示す構成図である。
図２は、本発明に係る板圧延機およびその制御方法の第２の形態を示す制御フロー図である。
図３は、本発明に係る板圧延機およびその制御方法の第３の形態を示す構成図である。
図４は、本発明に係る板圧延機およびその制御方法の第４の形態を示す構成図である。
図５は、本発明に係る板圧延機およびその制御方法の第５の形態を示す構成図である。
図６は、本発明に係る板圧延機およびその制御方法の第６の形態を示す説明図である。
図７は、本発明に係る板圧延機およびその制御方法の第７の形態を示す構成図である。
図８は、本発明に係る板圧延機およびその制御方法の第８の形態を示す構成図である。
図９は、本発明に係る板圧延機およびその制御方法の第９の形態を示す構成図である。
図１０は、本発明に係る板圧延機およびその制御方法の第１０の形態を示す構成図である。

符号の説明

１ 上補強ロール
２ 上作業ロール
３ 下作業ロール
４ 下補強ロール
５ 上駆動用電動機
６ 下駆動用電動機
７ 上駆動トルク目標値
８ 上駆動トルク測定値
９ 上駆動トルク制御量
１０ 下作業ロール回転速度目標値
１１ 下作業ロール回転速度測定値
１２ 下作業ロール回転速度制御量
１３ 上作業ロール回転速度測定値
１４ 上圧延トルク演算器
１５ 上圧延トルク演算値
１６ 上圧延トルク目標値
１７ 上スピンドルトルク測定値
１８ 下駆動トルク測定値
１９ 上駆動トルク目標値演算器
２０ サンプリング期間
２１ トルク目標値変更期間
２２ 下圧延トルク演算器
２３ 下圧延トルク演算値
２４ 上圧延トルク目標値演算器
２５ 下スピンドルトルク測定値
２６ 圧延荷重測定装置
２７ 圧延荷重測定値
２８ 上駆動トルク目標値演算器

以下、図１〜図１０を参照して、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
本発明に係る板圧延機およびその制御方法においては、上作業ロール２および下作業ロール３がそれぞれ独立の駆動用電動機５，６によって駆動される板圧延機において、上下作業ロールの圧延トルクバランスの変化を抑制する高応答な駆動制御を実現すべく、一方の作業ロールを駆動する電動機はロール回転速度を制御目標値として制御し、他方の作業ロールを駆動する電動機については、該電動機で駆動される作業ロールから圧延材に加えられる圧延トルクが略一定になることを制御目標として駆動トルクを制御量として制御する。
図１は本発明に係る板圧延機およびその制御方法の第１の形態を示す構成図であり、上作業ロール２を駆動トルク制御、下作業ロール３をロール回転速度制御とした例である。
第１の形態においては、図１に示すように、上作業ロール２を駆動する上駆動用電動機５は、上駆動トルク測定値８を、与えられた上圧延トルク目標値１６を実現するため上駆動トルク目標値演算器１９で演算された上駆動トルク目標値７に一致するように制御し、下作業ロール３を駆動する下駆動用電動機６は、下作業ロール回転速度測定値１１を与えられた下作業ロール回転速度目標値１０に一致するように制御する。すなわち、上駆動用電動機５は上駆動トルクを制御量として制御し、下駆動用電動機６についてはロール回転速度を制御目標値として制御する。
このような制御を実現するため、上駆動制御回路は、上駆動トルク目標値７と上駆動トルク測定値８との差異に基づき、上駆動トルク制御量９を上駆動用電動機５に出力し、下駆動制御回路は、下作業ロール回転速度目標値１０と下作業ロール回転速度測定値１１との差異に基づき、下作業ロール回転速度制御量１２を下駆動用電動機６に出力する。
本発明に係る板圧延機およびその制御方法においては、このように一方の作業ロールを駆動する電動機はロール回転速度のみを制御して駆動トルクについては制御せず、他方の作業ロールを駆動する電動機については駆動トルクのみを制御してロール回転速度については制御しない。しかしながら、本発明に係る板圧延機およびその制御方法によれば、圧延材の速度制御については従来技術に係る上下ロールともロール回転数制御とする場合と同様の性能を発揮できるうえ、上下作業ロールの圧延トルクバランスの変化を防止することも可能である。
これは、通常の圧延は圧下率がほぼ一定の状態で圧延を実施するので上下作業ロールの圧延トルクを合計した合計トルクはほぼ一定値となるところ、一方の作業ロールの圧延トルクを一定に制御すれば必然的に他方の作業ロールの圧延トルクもほぼ一定に制御できるので、上下作業ロールの圧延トルクバランスの変化を防止できるからである。すなわち、ロール回転速度制御を実施している他方の圧延トルクもほぼ一定となり、作業ロールと圧延材とのスリップが零となる中立点の位置もほぼ一定に保たれるので、圧延材の速度についてもほぼ一定に保たれるからである。
したがって、一方の電動機はロール回転速度を制御目標値として制御し、他方の電動機については該電動機で駆動される作業ロールから圧延材に加えられる圧延トルクが略一定になることを制御目標として駆動トルクを制御量として制御する本発明に係る板圧延機およびその制御方法によれば、上下作業ロールの圧延トルクバランスの急激な変化を抑制することができ、圧延材の反りによる通板トラブル、あるいはうねり、全波、小波等と呼ばれる板幅方向に貫通した波形状による平坦度不良を解消することができる。
また、本発明に係る制御は板圧延の全長に渡って行われることが望ましく、特開平７−１６４０３１号公報および２に挙げられた対症療法的な対応ではなく定常的な制御であるので、応答も速く、反りや絞りを未然に防止できる。
なお、図１は上作業ロール２を駆動トルク制御、下作業ロール３をロール回転速度制御とした例であるが、上下の制御を入れ換えても差し支えない。また、目標値と測定値との差異から制御量を決める際には、例えばＰＩＤ制御ゲインを介する等、通常用いられる制御技術を適用することは言うまでもなく、上下一対の作業ロールをそれぞれ独立に駆動する一対の電動機を上記のように一方はロール回転速度を制御目標値として制御し、他方については駆動トルクを制御量として制御する制御手段としては、例えばコンピュータ（電子計算機）を用いることができる。また、圧延トルク目標値の設定計算モデルを圧延実績データから学習することで圧延トルク設定値の計算精度を上げることができ、結果として上下作業ロールのトルクの差を小さくすることもできる。
図２は本発明に係る板圧延機およびその制御方法の第２の形態を示す制御フロー図である。第２の形態においては、図２に示すように、第１の形態に加えて、圧延開始前、すなわち圧延材咬み込み前はロール回転速度を制御目標値として双方の電動機を制御する。そして、圧延開始後、すなわち圧延材咬み込み後に片方の電動機の制御を駆動トルクを制御量とする制御に切り換える。これは、駆動トルクを制御量として制御する片方の電動機の制御を圧延中のみに限定することにより、無負荷時の異常回転を防止して、より安定した操業および設備保護を行うためである。
そして、圧延材咬み込み後に片方の電動機の制御を駆動トルクを制御量とする制御に切り換えた後は、圧延材尾端通過前まで、片方の電動機について駆動トルクを制御量とする制御を引き続いて行い、尾端通過直前に、双方の電動機についてロール回転速度を制御目標値とする制御に切り換える。これにより、圧延終了後の無負荷時の異常回転を予備的に防止することができる。
圧延を開始したか否かの判定については、例えば、圧延荷重を連続的に測定し、圧延荷重が一定の閾値以上、例えば設定計算荷重の３０％以上になった時点を圧延開始点として判定することができる。また、モータ電流から駆動トルクを連続的に演算し、駆動トルク演算値が一定の閾値以上、例えば設定計算トルクの３０％以上になった時点を圧延開始点として判定することも可能である。
一方、圧延を終了したか否かの判定については、圧延開始判定とは逆で、圧延荷重あるいは駆動トルクが、例えば設定値あるいは定常部実績値の３０％未満になった時点を圧延終了点として判定することができる。また、上作業ロールの駆動トルク制御を継続している状態で圧延材が抜けると上ロール回転数が急激に増大するので、上作業ロール回転速度が一定値以上になった場合に圧延終了と判定してロール回転速度制御に戻すという操作でも差し支えない。
なお、第２の形態を示す図２は上作業ロールを駆動トルク制御、下作業ロールをロール回転速度制御とした例であるが、第１の形態と同様に上下の制御を入れ換えても差し支えない。
図３は本発明に係る板圧延機およびその制御方法の第３の形態を示す構成図であり、上作業ロール２を駆動トルク制御、下作業ロール３をロール回転速度制御とした例である。
第３の形態においては、図３に示すように、上作業ロール２を駆動する上駆動用電動機５は、上圧延トルク演算値１５が与えられた上圧延トルク目標値１６に一致するように制御する。すなわち、上駆動トルク測定値８から駆動系およびロール系の慣性力に起因するトルクを差し引いた上圧延トルクが制御目標値に一致するように駆動トルク制御量を与えて上駆動用電動機５を制御する。このとき上圧延トルク目標値１６は一定であっても、例えば加減速時には駆動系およびロール系の慣性力の変化を駆動トルクが負担する必要があるので、与える駆動トルク制御量は変化することになる。
ここで、本発明で言う駆動トルクとは、駆動用電動機で発生するトルクを言い、圧延トルクの他にベアリング抵抗、駆動系およびロール系の慣性力の寄与分が含まれる。また、圧延トルクとは、圧延材の塑性変形仕事に直接対応するトルクを言い、圧延材と作業ロール間に作用する圧延圧力分布で決まるトルクを言う。
さらに、ロール系の慣性力には、補強ロールの慣性力の他に作業ロールの慣性力が含まれる。また、図示しないが中間ロールがある場合には、中間ロールを含んだロール群の慣性力の合計となる。
このような制御を実現するため、上圧延トルク演算器１４は、上作業ロール回転速度測定値１３から上駆動系の加速度を算出し、上駆動系の慣性モーメント、すなわち駆動系およびロール系の慣性力を考慮して、上駆動系の加速度の駆動トルクへの寄与分を算出して上駆動トルク測定値８から差し引き、正味の上圧延トルク演算値１５を推算する。なお、厳密に言うと駆動トルクから圧延トルクを算出するにはベアリング抵抗の寄与分も計算して差し引かなければならないが、通常はベアリング抵抗の寄与分は極めて小さいので、この手続を省略してもよい。
そして、上駆動制御回路は、上駆動トルク測定値８から駆動系およびロール系の慣性力に起因するトルクを差し引いた上圧延トルク演算値１５と上圧延トルク目標値１６との差異より、上駆動トルク制御量９を上駆動用電動機５に出力する。
このように第３の形態においては、上駆動トルク測定値８から駆動系およびロール系の慣性力に起因するトルクを差し引いた圧延トルクが制御目標値に一致するように駆動トルク制御量を与えて上駆動用電動機５を制御するので、加減速の激しい圧延条件下であっても上下作業ロールの圧延トルクバランスを保持できる。
なお、下作業ロール３を駆動する下駆動用電動機６は、下作業ロール回転速度測定値１１が与えられた下作業ロール回転速度目標値１０に一致するように制御し、このような制御を実現するために下駆動制御回路は、下作業ロール回転速度目標値１０と下作業ロール回転速度測定値１１との差異より、下作業ロール回転速度制御量１２を下駆動用電動機６に出力する点は第１および第２の形態と同様である。
また、図３は上作業ロール２を駆動トルク制御、下作業ロール３をロール回転速度制御とした例であるが、上下の制御を入れ換えても差し支えない。
図４は本発明に係る板圧延機およびその制御方法の第４の形態を示す構成図であり、上作業ロール２を駆動トルク制御、下作業ロール３をロール回転速度制御とした例である。 第４の形態においては、図４に示すように、上スピンドルトルク測定値１７からロール系の慣性力に起因するトルクを差し引いた上圧延トルクが制御目標値に一致するように駆動トルク制御量を与えて上駆動用電動機５を制御する。
ここで、本発明で言うスピンドルトルクとは、作業ロールに圧延トルクを伝達するスピンドルに負荷されるトルクを言い、圧延トルクの他にベアリング抵抗、ロール系の慣性力の寄与分が含まれる。また、トルクセンサーから作業ロールまでのスピンドルの一部の慣性力の寄与分が含まれるので、当該スピンドルの一部についてはロール系に含まれるものとする。
このような制御を実現するため、上圧延トルク演算器１４は、上ロール系の慣性力を考慮して、上作業ロール回転速度測定値１３から演算される上ロール系の加速度の駆動トルクへの寄与分を算出して上スピンドルトルク測定値１７から差し引き、正味の上圧延トルク演算値１５を推算する。
そして、上駆動制御回路は、上スピンドルトルク測定値１７から上ロール系の慣性力に起因するトルクを差し引いた上圧延トルク演算値１５と上圧延トルク目標値１６との差異より、上駆動トルク制御量９を上駆動用電動機５に出力する。
また、上スピンドルトルク測定値１７を得るための測定装置は、駆動系の慣性力の影響を除くため、上スピンドル部分のトルクを測定可能に構成する。この装置はトルクによってスピンドル部分に発生するねじり変形をひずみゲージで観測して抽出する構成の一般的なもので十分である。
このように第４の形態においては、上スピンドルトルク測定値１７から上ロール系の慣性力に起因するトルクを差し引いた圧延トルクが制御目標値に一致するように駆動トルク制御量を与えて上駆動用電動機５を制御するので、加減速の激しい圧延条件下であっても上下作業ロールの圧延トルクバランスを保持できる。
なお、下作業ロール３を駆動する下駆動用電動機６は、下作業ロール回転速度測定値１１が与えられた下作業ロール回転速度目標値１０に一致するように制御し、このような制御を実現するために下駆動制御回路は、下作業ロール回転速度目標値１０と下作業ロール回転速度測定値１１との差異より、下作業ロール回転速度制御量１２を下駆動用電動機６に出力する点は第１の形態等と同様である。
また、図４は上作業ロール２を駆動トルク制御、下作業ロール３をロール回転速度制御とした例であるが、上下の制御を入れ換えても差し支えない。
以上、本発明に係る板圧延機およびその制御方法においては、上下作業ロールの圧延トルクバランスの変化を防止するために、一方の作業ロールを駆動する電動機はロール回転速度を制御目標値として制御し、他方の作業ロールを駆動する電動機については駆動トルクを制御量として制御することを説明した。
しかし、より上下作業ロールの圧延トルクバランスを好適に制御するには、後者の駆動トルクを制御量とする電動機については、さらに駆動トルク制御目標値を圧延中に変更する制御を行うのが望ましい。この場合、当該制御目標値を急激に変更すると上下作業ロールの圧延トルクバランスが急変し、反りやうねりの原因となる可能性があるので、その変更率には制限を設けるのが望ましい。
図５は本発明に係る板圧延機およびその制御方法の第５の形態を示す構成図であり、上作業ロール２を駆動トルク制御、下作業ロール３をロール回転速度制御とした例であり、上駆動トルク目標値７の更新値を演算する上駆動トルク目標値演算器１９を備えた例である。
当該上駆動トルク目標値演算器１９は、下駆動トルク測定値１８および上駆動トルク測定値８、および現在の上駆動トルク目標値７に基づいて、上駆動トルク目標値７の更新値を演算する。
当該更新値の演算に際しては、下駆動トルク測定値１８および上駆動トルク測定値８の時系列データを指数平滑等の時系列的平滑化処理を行って測定ノイズ等の不要な高周波変動成分を取り除くのが望ましい。
また、このようにして得られた上下駆動トルク測定値の合計値に対して所望の比率α（通常は１／２）を掛ける演算を行い、上駆動トルク目標値７の更新値とするのが望ましい。例えば、下駆動トルクが増大した場合、上駆動ロールトルクはトルク制御下にあって大きな変化はしないが、上下駆動トルクの合計値も増大するので、上駆動トルク目標値も増大する方向に更新される。よって、現在の上駆動トルク目標値７に対して更新値の変化量が過大となる場合には、上下作業ロールの圧延トルクバランスが一時的に崩れる可能性があるので、これを防止するため上駆動トルク目標値の変化量に予め定めた上下限制約を加えることが好ましい。
この実施形態では圧延トルクが制御目標値として陽には表現されていないが、目的はあくまでも上下作業ロールの圧延トルクバランスの維持であり、このことは上駆動トルク目標値演算器１９において考慮される。すなわち、上下駆動系の慣性モーメントに差異がある場合、加減速時にはこの慣性項の相違を考慮して上下作業ロールの圧延トルクバランスを維持するように上駆動トルク目標値が演算される。
なお、図５は上作業ロール２を駆動トルク制御、下作業ロール３をロール回転速度制御とした例であるが、上下の制御を入れ換えても差し支えない。
図６は本発明に係る板圧延機およびその制御方法の第６の形態を示す説明図である。圧延条件の変化が比較的穏やかな条件の場合は、図５の例のように連続的に制御目標値を変化させる必要がないので、例えば、図６に示す形態の駆動トルク目標値変更手順を採用することも可能である。すなわち、サンプリング期間２０と駆動トルク目標値変更期間２１を設け、サンプリング期間２０で採取された駆動トルク測定値から駆動トルク目標の更新値を演算し、続く駆動トルク目標値変更期間２１に駆動トルク目標を駆動トルク目標更新値に向かってランプ状に変更する。なお、ランプ状に変更するとは、階段状に変更するのではなく、更新値に向かって変化率一定で直線的に変更することを言う。
ランプ状の目標値の変更は急激な目標値の変更ではなく、上下作業ロールの圧延トルクバランスを崩さないので、反りやうねりを発生させないで済む。ただし、この形態においても上下作業ロールの圧延トルクバランスが一時的に崩れる可能性があるので、駆動トルク目標値変化率に予め定めた上下限制約を加えることが好ましい。このトルク変化率の絶対値の上限値は、例えば、圧延出側板厚の１００倍に相当する長さを圧延する間に上下合計トルクの１０％程度以下とし、５％程度以下とするのが望ましい。
なお、前記したように図６に示す形態のトルク目標値変更手順は圧延条件の変化が比較的穏やかな場合に採用されるものであり、サンプリング期間２０およびトルク目標値変更期間２１としては、例えば５〜１０秒程度の範囲に設定される。
図７は本発明に係る板圧延機およびその制御方法の第７の形態を示す構成図であり、上作業ロール２を駆動トルク制御、下作業ロール３をロール回転速度制御とした例である。
上圧延トルク演算器１４は、上作業ロール回転速度測定値１３から上駆動系の加速度を算出し、上駆動系の慣性モーメント、すなわち駆動系およびロール系の慣性力を考慮して、上駆動系の加速度の駆動トルクへの寄与分を算出して上駆動トルク測定値８から差し引き、正味の上圧延トルク演算値１５を推算する。
そして、上駆動制御回路は、上駆動トルク測定値８から駆動系およびロール系の慣性力に起因するトルクを差し引いた上圧延トルク演算値１５と上圧延トルク目標値１６との差異より、上駆動トルク制御量９を上駆動用電動機５に出力する。
一方、上圧延トルク目標値演算器２４では、例えば、上圧延トルク演算値１５および下圧延トルク演算値２３の時系列データを指数平滑等の時系列的平滑化処理を行って測定ノイズ等の不要な高周波変動成分を取り除き、このようにして得られた上下圧延トルク演算値の合計値に対して所望の比率α（通常は１／２）を掛ける演算を行い、上圧延トルク目標値１６の更新値とする。
ただし、このとき現在の上圧延トルク目標値１６に対して更新値の変化量が過大となる場合は、上下作業ロールの圧延トルクバランスが一時的に崩れる可能性があるので、上圧延トルク目標値１６の変化量に予め定めた上下限制約を加えることが好ましい。
下圧延トルク演算器２２においては、上圧延トルク演算の場合と同様に、下作業ロール回転速度測定値１１から下駆動系の加速度を算出し、下駆動系の慣性モーメントを考慮して下駆動系の加速度の駆動トルクへの寄与分を算出して下駆動トルク測定値１８から差し引き、正味の下圧延トルク演算値２３を推算する。
そして、下駆動制御回路は、下作業ロール回転速度目標値１０と下作業ロール回転速度測定値１１との差異に基づき、下作業ロール回転速度制御量１２を下駆動用電動機６に出力する。
このように第７の形態においては、上駆動トルク測定値８から駆動系およびロール系の慣性力に起因するトルクを差し引いた圧延トルクが制御目標値に一致するように駆動トルク制御量を与えて上駆動用電動機５を制御し、さらには、当該制御目標値を圧延中に更新するので、加減速の激しい圧延条件下であっても上下作業ロールの圧延トルクバランスを保持できる。
なお、図７は上作業ロール２を駆動トルク制御、下作業ロール３をロール回転速度制御とした例であるが、上下の制御を入れ換えても差し支えない。
また図７の形態においては、上駆動トルク目標値が陽には制御回路には表現されていないが、これは制御回路を簡略表記したものであって、上圧延トルク目標値と上圧延トルク演算値の差異から上駆動トルク制御量を算出する際、正確に表現すると、上圧延トルク目標値と上圧延トルク演算値の差異から上駆動トルク目標値を更新し、この更新された上駆動トルク目標値と上駆動トルク測定値とから上駆動トルク制御量を算出しているのであって、上駆動トルク目標値の概念を経由して制御していることに変わりはない。
図８は本発明に係る板圧延機およびその制御方法の第８の形態を示す構成図であり、上作業ロール２を駆動トルク制御、下作業ロール３をロール回転速度制御とした例である。
第８の形態においては、図８に示すように、上スピンドルトルク測定値１７からロール系の慣性力に起因するトルクを差し引いた上圧延トルクが制御目標値に一致するように駆動トルク制御量を与えて上駆動用電動機５を制御する。
このような制御を実現するため、上圧延トルク演算器１４は、上ロール系の慣性力を考慮して、上作業ロール回転速度測定値１３から演算される上ロール系の加速度の駆動トルクへの寄与分を算出して上スピンドルトルク測定値１７から差し引き、正味の上圧延トルク演算値１５を推算する。
そして、上駆動制御回路は、上スピンドルトルク測定値１７から上ロール系の慣性力に起因するトルクを差し引いた上圧延トルク演算値１５と上圧延トルク目標値１６との差異より、上駆動トルク制御量９を上駆動用電動機５に出力する。
また、上スピンドルトルク測定値１７を得るための測定装置は、駆動系の慣性力の影響を除くため、上スピンドル部分のトルクを測定可能に構成する。
一方、上圧延トルク目標値演算器２４では、例えば、上圧延トルク演算値１５および下圧延トルク演算値２３の時系列データを指数平滑等の時系列的平滑化処理を行って測定ノイズ等の不要な高周波変動成分を取り除き、このようにして得られた上下圧延トルク演算値の合計値に対して所望の比率α（通常は１／２）を掛ける演算を行い、上圧延トルク目標値１６の更新値とする。
ただし、このとき現在の上圧延トルク目標値１６に対して更新値の変化量が過大となる場合は、上下作業ロールの圧延トルクバランスが一時的に崩れる可能性があるので、上圧延トルク目標値１６の変化量に予め定めた上下限制約を加えることが好ましい。
なお、下スピンドルトルク測定値２５を得るための測定装置は、上の場合と同様に、駆動系の慣性力の影響を除くため、下スピンドル部分のトルクを測定可能に構成する。
また、下圧延トルク演算器２２においては、上圧延トルク演算の場合と同様に、下作業ロール回転速度測定値１１から下駆動系の加速度を算出し、下ロール系の慣性モーメントを考慮して、下ロール系の加速度の駆動トルクへの寄与分を算出して下スピンドルトルク測定値２５から差し引き、正味の下圧延トルク演算値２３を推算する。
このように第８の形態においては、上スピンドルトルク測定値１７からロール系の慣性力に起因するトルクを差し引いた圧延トルクが制御目標値に一致するように駆動トルク制御量を与えて上駆動用電動機５を制御し、さらには、当該制御目標値を、ロール回転速度を制御目標値として制御する電動機によって駆動される作業ロールのスピンドルトルク測定値に基づいて圧延中に更新するので、加減速の激しい圧延条件下であっても上下作業ロールの圧延トルクバランスを保持できる。
なお、図８は上作業ロール２を駆動トルク制御、下作業ロール３をロール回転速度制御とした例であるが、上下の制御を入れ換えても差し支えない。
図９は本発明に係る板圧延機およびその制御方法の第９の形態を示す構成図であり、第８の形態に圧延荷重測定装置２６を加えた構成図である。
第８の形態においては、圧延材の温度が長手方向に変動すると短周期の変形抵抗変動が生じるので、ロール回転速度制御を実施している下作業ロール３の圧延トルクもこれに対応するように短周期に変動する。
また、この圧延トルクの変動は、上圧延トルク目標値演算器２４で行う時系列的平滑化処理時にノイズとして除去される可能性が高いため、この場合は当該圧延トルクの変動量は、上圧延トルク目標値１６には反映されない。
そして、上圧延トルクは高応答・高精度に上圧延トルク目標値１６に一致するように制御されるので、下圧延トルクの変動分だけ上下作業ロールの圧延トルクバランスが短周期に乱れることになる。
図９に示す第９の形態は、このような短周期の変形抵抗変動がある場合にも上下作業ロールの圧延トルクバランスを保持すべく、圧延機に配備された圧延荷重測定装置２６から出力される圧延荷重測定値２７を上圧延トルク目標値演算器２４に入力して、短周期の圧延荷重変動に対応する上圧延トルク目標値変動量を演算して加算する構成としている。
なお、このような上圧延トルク目標値変動量の演算は、例えば、圧延荷重変動量に、設定計算より得られるトルクアーム係数を掛けることで演算することができる。
本実施形態ではトルク制御側のロールの圧延トルクは変動することになるが、この変動は上下合計トルクの変動に合わせたものであり、上下合計トルクに対するトルク制御側のロールの圧延トルクの割合はほぼ一定に保持される。したがって、トルク制御側の圧延トルクを略一定に制御するという基本構成に変わりはない。
図１０は本発明に係る板圧延機およびその制御方法の第１０の形態を示す構成図であり、第１の形態に圧延荷重測定装置２６および上駆動トルク目標値演算器２８を加えた構成図である。
これは第９の形態において、上圧延トルク目標値を上駆動トルク目標値に代え、下ロール側からのトルク変動に関する情報を上駆動トルク目標値演算器２８につないでいない形態でもある。この形態でも、圧延荷重から上下トルク測定値の合計値を推定できるので、第９の形態に準じる制御をすることができる。

前述したように、本発明に係る板圧延機およびその制御方法によれば、上下作業ロールの圧延トルクバランスの急激な変化を抑制することができ、圧延材の反りによる通板トラブル、あるいはうねり、全波、小波等と呼ばれる板幅方向に貫通した波形状による平坦度不良を解消することができる。これにより、圧延操業の安定稼動が達成され、稼働率だけでなく、歩留も上がることとなり、総合的な圧延生産性が向上することは言うまでもない。

Claims (18)

1. 上下一対の作業ロールと、前記一対の作業ロールをそれぞれ独立に駆動する一対の電動機を有する板圧延機であって、一方の電動機はロール回転速度を制御目標値として制御し、他方の電動機については該電動機で駆動される作業ロールから圧延材に加えられる圧延トルクが略一定になることを制御目標として駆動トルクを制御量として制御する制御手段を備えたことを特徴とする板圧延機。
2. 圧延材咬み込み前はロール回転速度を制御目標値として双方の電動機を制御し、圧延材咬み込み後に片方の電動機の制御を、駆動トルクを制御量とする制御に切り換える制御手段を備えたことを特徴とする請求の範囲１に記載の板圧延機。
3. 圧延材尾端通過前まで、片方の電動機について駆動トルクを制御量とする制御を引き続いて行い、尾端通過直前に、双方の電動機についてロール回転速度を制御目標値とする制御に切り換える制御手段を備えたことを特徴とする請求の範囲１または２に記載の板圧延機。
4. 駆動トルク測定値から駆動系およびロール系の慣性力に起因するトルクを差し引いた圧延トルクが制御目標値に一致するように、駆動トルク制御量を与えて電動機を制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求の範囲１〜３のいずれか１項に記載の板圧延機。
5. スピンドルトルク測定値からロール系の慣性力に起因するトルクを差し引いた圧延トルクが制御目標値に一致するように、駆動トルク制御量を与えて電動機を制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求の範囲１〜３のいずれか１項に記載の板圧延機。
6. 駆動トルクを制御する電動機の駆動トルク制御目標値を圧延中に変更する制御手段を備えたことを特徴とする請求の範囲１〜５のいずれか１項に記載の板圧延機。
7. 圧延中に変更する前記駆動トルク制御目標値を、ランプ状に変更する制御手段を備えたことを特徴とする請求の範囲６に記載の板圧延機。
8. 圧延中に変更する前記駆動トルク制御目標値を、ロール回転速度を制御目標値として制御する電動機によって駆動される作業ロールの駆動トルク測定値またはスピンドルトルク測定値に基づいて時系列的平滑化処理を経由して変更する制御手段を備えたことを特徴とする請求の範囲６または７に記載の板圧延機。
9. 圧延中に変更する前記駆動トルク制御目標値を、圧延荷重の変動に応じて変更する制御手段を備えたことを特徴とする請求の範囲６〜８のいずれか１項に記載の板圧延機。
10. 上下一対の作業ロールがそれぞれ独立の電動機によって駆動力を供給されるように構成された板圧延機の制御方法であって、一方の電動機はロール回転速度を制御目標値として制御し、他方の電動機については該電動機で駆動される作業ロールから圧延材に加えられる圧延トルクが略一定になることを制御目標として駆動トルクを制御量として与えて制御することを特徴とする板圧延機の制御方法。
11. 圧延材咬み込み前はロール回転速度を制御目標値として双方の電動機を制御し、圧延材咬み込み後に片方の電動機の制御を、駆動トルクを制御量として与える制御に切り換えることを特徴とする請求の範囲１０に記載の板圧延機の制御方法。
12. 圧延材尾端通過前まで、片方の電動機について駆動トルクを制御量とする制御を引き続いて行い、尾端通過直前に、双方の電動機についてロール回転速度を制御目標値とする制御に切り換えることを特徴とする請求の範囲１０または１１に記載の板圧延機の制御方法。
13. 駆動トルク測定値から駆動系およびロール系の慣性力に起因するトルクを差し引いた圧延トルクが制御目標値に一致するように、駆動トルク制御量を与えて電動機を制御することを特徴とする請求の範囲１０〜１２のいずれか１項に記載の板圧延機の制御方法。
14. スピンドルトルク測定値からロール系の慣性力に起因するトルクを差し引いた圧延トルクが制御目標値に一致するように、駆動トルク制御量を与えて電動機を制御する請求の範囲１０〜１２のいずれか１項に記載の板圧延機の制御方法。
15. 駆動トルクを制御する電動機の駆動トルク制御目標値を圧延中に変更することを特徴とする請求の範囲１０〜１４のいずれか１項に記載の板圧延機の制御方法。
16. 圧延中に変更する前記駆動トルク制御目標値を、ランプ状に変更することを特徴とする請求の範囲１５に記載の板圧延機の制御方法。
17. 圧延中に変更する前記駆動トルク制御目標値を、ロール回転速度を制御目標値として制御する電動機によって駆動される作業ロールの駆動トルク測定値またはスピンドルトルク測定値に基づいて時系列的平滑化処理を経由して変更することを特徴とする請求の範囲１５または１６に記載の板圧延機の制御方法。
18. 圧延中に変更する前記駆動トルク制御目標値を、圧延荷重の変動に応じて変更することを特徴とする請求の範囲１５〜１７のいずれか１項に記載の板圧延機の制御方法。

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