JP6781411B2 - 金属板の板厚制御方法および装置並びに金属板の製造方法および設備 - Google Patents

Description

本発明は、自動板厚制御（ＡＧＣ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｇａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ）を用いた金属板の板厚制御方法および装置並びに金属板の製造方法および設備に関する。

ＡＧＣの一つにモニタリングＡＧＣがある。モニタリングＡＧＣは、金属板を圧延機で圧延するにあたり、圧延機で圧延された金属板の出側板厚を板厚計で実測し、測定された出側板厚と目標板厚との偏差がゼロになるようにフィードバック制御により圧延機のロールギャップを制御する制御方式である。

モニタリングＡＧＣの制御ゲインが小さいときには、実板厚が目標板厚に収束するまでの時間が長く、制御ゲインが大きいときにはハンチングを生じて板厚精度が悪化する。また従来の方法では、圧延点から板厚計までの搬送時間（制御系のむだ時間）によって生じる、圧下点での板厚と板厚計で測定した板厚のずれにより適正な制御量が算出されず板厚精度が悪化するおそれがある。

モニタリングＡＧＣの制御ゲインの向上、制御開始タイミングの早期化を図るため、スミス補償器を追加してむだ時間を補償する試みがある。図４（ａ）に通常のフィードバック制御系の構成を示し、図４（ｂ）にスミス補償法のフィードバック制御系の構成を示す。スミス補償器を追加することで、むだ時間ｅ^{-Ｌｐ・ｓ}を制御ループの外側に出して一次遅れ系として制御することが可能となる。

例えば特許文献１には、金属板の先端が圧延機到達後から圧延機の後面側に設置された板厚計に達するまでは、ゲージメータ式で推定した板厚が目標板厚となるように圧下位置を制御し、金属板の先端が板厚計に達した後は、板厚計で検出した板厚と検出点における圧延時の目標板厚との差分で補正したゲージメータ式で推定した板厚が目標板厚となるように圧下位置を制御し、金属板の先端が板厚計に達したときの圧延点が板厚計に達した後は、板厚計で検出した板厚を用いる板厚制御方法が開示されている。

ところが、スミス補償器をモニタリングＡＧＣに追加して実機による圧延試験を行ったところ、その試験結果を図５に示すように、モニタリングＡＧＣによる圧延機の操作量が不安定となり、それに伴い狙い厚偏差が増大することが判明した。なお、図５（ａ）中縦軸はモニタリングＡＧＣの操作量であり、横軸は板長手方向の位置である。また、図５（ｂ）中縦軸は出側板厚の狙い厚からの偏差であり、横軸は板長手方向の位置であって図中左側が噛み込み端である。

特開昭６１−８６０１９号公報

本発明の目的は、モニタリングＡＧＣが安定するまでの時間を短くし、板厚計および圧延機間の搬送時間（むだ時間）が長い制御系においても安定して板厚精度を向上させることにある。

本発明者らは、上記課題を解決するため、スミス補償器を実機に導入した際にモニタリングＡＧＣが不安定になる原因について鋭意研究を行った。スミス補償法は、制御対象のむだ時間の正確な同定を前提とするが、実際の操業では、シミュレーションとは異なり板厚計の誤差、先進率の変動に起因するトラッキング誤差、ゲージメータ板厚と実際の板厚との誤差等の外乱が生じるため制御が不安定になる。本発明では、スミス補償法をモニタリングＡＧＣに適用するのに加えて指数平滑化処理を導入したことで非常に良好な制御が得られた。

具体的には、本発明の第１の態様は、金属板を圧延機で圧下する際の圧下点での板厚をゲージメータ式からゲージメータ板厚として算出し、該ゲージメータ板厚を前記圧延機の後面に設置された板厚計の測定点までトラッキングし、前記測定点において前記板厚計で測定した板厚と前記トラッキングした前記ゲージメータ板厚との偏差と、前記圧下点での前記ゲージメータ板厚と目標板厚との偏差との差分をモニタリング操作量として、前記目標板厚になるように前記圧延機における圧下位置をダイナミックに制御する金属板の板厚制御方法であって、前記測定点において前記板厚計で測定した板厚と前記トラッキングした前記ゲージメータ板厚との偏差と、前記圧下点での前記ゲージメータ板厚と目標板厚との偏差との差分である前記モニタリング操作量を指数平滑化したものを補正後のモニタリング操作量として、前記目標板厚になるように前記圧延機における圧下位置をダイナミックに制御する金属板の板厚制御方法である。

本発明の第２の態様は、本発明の第１の態様において、前記ゲージメータ板厚の算出周期と前記板厚計の測定周期とを同じに設定する金属板の板厚制御方法である。

本発明の第３の態様は、本発明の第１または第２の態様の金属板の板厚制御方法を用いて金属板を圧延することを特徴とする金属板の製造方法である。

本発明の第４の態様は、金属板を圧延機で圧下する際の圧下点での板厚をゲージメータ式からゲージメータ板厚として算出し、該ゲージメータ板厚を前記圧延機の後面に設置された板厚計の測定点までトラッキングし、前記測定点において前記板厚計で測定した板厚と前記トラッキングした前記ゲージメータ板厚との偏差と、前記圧下点での前記ゲージメータ板厚と目標板厚との偏差との差分をモニタリング操作量として、前記目標板厚になるように前記圧延機における圧下位置をダイナミックに制御する金属板の板厚制御装置であって、前記測定点において前記板厚計で測定した板厚と前記トラッキングした前記ゲージメータ板厚との偏差と、前記圧下点での前記ゲージメータ板厚と目標板厚との偏差との差分である前記モニタリング操作量を指数平滑化により補正する指数平滑回路を備える金属板の板厚制御装置である。

本発明の第５の態様は、本発明の第４の態様において、前記ゲージメータ板厚の算出周期と前記板厚計の測定周期とを同じに設定する金属板の板厚制御装置である。

本発明の第６の態様は、金属板を圧延する圧延機と、本発明の第４または第５の態様の金属板の板厚制御装置とを備える金属板の製造設備である。

本発明によれば、指数平滑回路によってモニタリング操作量の急激な変化が抑制されるため、圧下点と板厚計間の距離およびモニタリングＡＧＣの操作量のゲインの大小にかかわらず、実板厚が目標板厚に円滑にかつ早く収束する。また、指数平滑定数（ゲイン）を調整することでモニタリングＡＧＣの応答性を調整することも可能になる。

本発明の一実施形態の板厚制御方法および装置を適用した金属板の製造設備の要部概略構成図である。 本発明の実施形態の板厚制御装置のブロック線図である。 （ａ）は、本発明の実施例による自動板厚制御を行ったときの、指数平滑回路で補正されたモニタリングＡＧＣの操作量の変位を示すグラフであり、（ｂ）は、そのときの狙い厚に対する板厚偏差を示すグラフである。 （ａ）は通常のフィードバック制御系の構成を示すブロック線図であり、（ｂ）はスミス法を導入したフィードバック制御系の構成を示すブロック線図である。 従来の自動板厚制御を行った場合のモニタリングＡＧＣの操作量の板厚方向での変位を示すグラフであり、（ｂ）は、そのときの狙い厚に対する板厚偏差を示すグラフである。

以下、モニタリングＡＧＣを用いた本発明の金属板の板厚制御方法および装置並びに金属板の製造方法および設備の一実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態の板厚制御方法および装置を適用した金属板の製造設備の要部概略構成図である。この製造設備は、鋼板等の金属板を圧延する圧延機１を備える。圧延機１は、上下のワークロール１ａ，１ｂと上下のバックアップロール１ｃ，１ｄを備える。本実施形態の製造設備の例では、図の左側から鋼板等の金属板が搬送され、圧延機１によって図の左側から右側へ目標板厚となるよう圧延される。所定板厚に圧延された金属板は図の右側に設けられた図示しない後工程に搬送される。圧延機は可逆式、非可逆式のどちらでもよい。図１中、ｈ_{ＧＭ（ＴＲＫ）}は後述するトラッキングしたゲージメータ板厚を示し、Δｈ_ＧＭは測定板厚ｈ_γとトラッキングしたゲージメータ板厚ｈ_{ＧＭ（ＴＲＫ）}との偏差と、圧下点でのゲージメータ板厚ｈ_{ＧＭ（圧下点）}と目標板厚ｈ_０との偏差と、の差を示し、ΔＳは基準ギャップと実績ギャップの差を示す。

本実施形態における金属板の板厚制御装置は、圧延機１の後面側に配置され、金属板の出側板厚を実測するγ線板厚計等の板厚計２と、上下のワークロール１ａ，１ｂ間の開度、つまり圧下位置を調整する例えば油圧シリンダからなる開度変更機構３と、圧下時の圧延荷重Ｐを測定する荷重計（ロードセル）４と、ワークロール１ａ，１ｂによる圧下位置を検出する圧下位置検出器５と、モニタリング制御器６と、板厚制御器７とを備え、圧延機１にて測定した圧延荷重Ｐおよびロール開度に基づき推定したゲージメータ板厚ｈ_ＧＭを用いて板厚制御を行うゲージメータＡＧＣと、板厚計２による測定板厚ｈ_γを用いて板厚制御を行うモニタリングＡＧＣとを併用したものある。

図２に、板厚制御系のブロック線図を示す。なお、図中、「ｈ」は出側板厚（実板厚）、「Ｓ」はロール開度（最終的なワークロール１ａ，１ｂ間のギャップ）、「Ｐ」は圧延荷重（実荷重）、「Ｋ」はミル定数、「Ｋｍ」は予測ミル定数、「Ｍ」は塑性定数、「Ｋｇ」は制御ゲイン、「α」はチューニング率、「ｈ_γ」は測定板厚（実厚）、「ＰＩ」はＰＩ制御コントローラ、「Ｓ_{ａｇｃ−ｍｏｎ}」はモニタリングＡＧＣ後の指示ギャップ、「Ｓ_{ａｇｃ−ａｇ}」はゲージメータＡＧＣの操作量、また、図中、文字または記号に付された「０」は目標値を、「Δ」は偏差をそれぞれ表す。また、図中の符号９は、ロール開度Ｓから圧延荷重Ｐを逆算する圧延荷重演算部であり、符号１０は、ゲージメータＡＧＣ操作量演算部であり、符号１１は、ゲージメータ厚演算部、符号１２は、測定板厚ｈ_γとトラッキングしたゲージメータ厚ｈ_{ＧＭ（ＴＲＫ）}との差を生成する加算部であり、符号１３は、測定板厚ｈ_γとトラッキングしたゲージメータ厚ｈ_{ＧＭ（ＴＲＫ）}との差と、圧下点でのゲージメータ厚ｈ_{ＧＭ（圧下点）}と目標板厚ｈ_０との差との偏差を生成する加算部であり、符号１４は、モニタリング操作量とロール開度の目標Ｓ_０との差を生成する加算部である。

まず、ゲージメータＡＧＣについて説明する。塑性変動や入側板厚変動によって荷重変動（図中ΔＰで示す差荷重）が生じると、ゲージメータ式の考え方に従い出側板厚変動は、ミル定数Ｋを用いて以下の（１）式のよう表される。
Δｈ＝ΔＰ／Ｋ ・・・・・（１）
この出側板厚変動Δｈを、開度操作により補償するのがゲージメータＡＧＣの考え方であり、補償量Ｓ_{ａｇｃ−ａｇ}は、荷重変動ΔＰ、チューニング率α、および予想ミル定数Ｋｍを用いて以下の（２）式となる。なお、チューニング率αは０≦α≦１の範囲の値をもち、いわゆる制御ゲインと呼ばれるものである。
Ｓ_{ａｇｃ−ａｇ}＝α・ΔＰ／Ｋｍ ・・・・・（２）
すなわち、ゲージメータＡＧＣでは、荷重の増加に対してワークロール１ａ，１ｂを閉めこむよう補償することで板厚変動が除去される。

これに対して、モニタリングＡＧＣは、板厚計２による測定板厚ｈ_γと目標板厚ｈ_０の差を操作量として用い、比例積分制御により板厚を補償する。ゲージメータＡＧＣではゲージメータ式の誤差により板厚を狙い厚に正確に制御することは困難であるが、モニタリングＡＧＣでは実測した板厚をフィードバックするため、狙い厚偏差の除去に大きく寄与することができる。しかし、モニタリングＡＧＣの問題点は、圧延機１による圧下点と板厚計２の測定点とのずれにより生じる搬送時間遅れによって制御系にむだ時間が発生することである。そこで本実施形態では、スミス補償器を追加してむだ時間を補償する。スミス補償器では動特性モデルを用いることでプロセスの活動を予測して制御を行うが、本実施形態ではこの動特性モデルとしてゲージメータ式を用いる。ゲージメータ板厚ｈ_ＧＭは、ミル定数Ｋを用いて、以下の（３）式のように表される。
なお、βはゲージメータ厚補正項である。
ｈ_ＧＭ＝Ｐ／Ｋ＋Ｓ_０＋β・・・・（３）

また、図２のブロック線図中の「ｅ^-Ｌｓ」は圧延機１から板厚計２までの搬送時間遅れによって生じるむだ時間であり、実際には圧下点でのゲージメータ板厚ｈ_ＧＭを板厚計２の位置までトラッキングするトラッキング部である。このため、スミス補償器を導入する際には先進率の変動によるトラッキング誤差やゲージメータ誤差等が生じ、モニタリングＡＧＣの操作量が不安定となるおそれがある。そこで、本実施形態の板厚制御装置は、圧下点からトラッキングしたゲージメータ板厚ｈ_{ＧＭ（ＴＲＫ）}と板厚計２で実測した測定板厚ｈ_γとの差と、圧下点でのゲージメータ板厚ｈ_{ＧＭ（圧下点）}と目標板厚ｈ_０との差とを補償すべきモニタリング操作量とする場合に、該モニタリング操作量を指数平滑化により補正し、その値を板厚制御器７に補正後のモニタリング操作量として加える指数平滑回路８を備える。指数平滑回路８は図２中の加算部１３の後に配置してもよい。指数平滑回路８による処理は以下の（４）式により表される。
出力_ｉ＝ａ×入力_ｉ＋（１−ａ）×出力_ｉ−１・・・・（４）
なお、入力_ｉは指数平滑回路に入力される補正前のモニタリング操作量であり、出力_ｉは指数平滑回路から出力された指数平滑化により補正されたモニタリグ操作量であり、出力_ｉ−１は前回出力値である。また、ａは平滑定数であり、０＜ａ＜１の範囲の値をもつ。平滑定数ａが大きいと、入力値への重みづけが大きくなるので平滑化の程度が低くなり、平滑定数ａが小さいと前回出力値に対する重みづけが大きくなるので平滑化の程度は大きくなる。トラッキング誤差やゲージメータ誤差等は圧延機毎に異なることから最適な平滑定数ａは圧延機毎に異なるが、発明者らの研究により、ａを例えば０．０２〜０．１０の範囲することでモニタリングＡＧＣのモニタリング操作量を概ね安定化させることができることが判った。

また、圧下点でのゲージメータ板厚ｈ_{ＧＭ（圧下点）}の算出周期と板厚計２のサンプリング周期とが不一致であると制御量悪化の要因にもなり得ることから、本実施形態のように、板厚計のサンプリング周期を調整するサンプリング周期調整部１５を備えることが好ましい。このサンプリング周期調整部１５は、板厚計２による板厚ｈ_γのサンプリング周期を圧下点でのゲージメータ板厚ｈ_{ＧＭ（圧下点）}の算出周期と同じにする機能を有する。

以上説明したように、モニタリングＡＧＣにおけるモニタリング操作量を指数平滑化により補正することでモニタリングＡＧＣのモニタリング操作量を安定化させ板内変動を抑制することができる。また、圧下点でのゲージメータ板厚の算出周期と板厚計のサンプリング周期とを同じにすることで板内変動をさらに抑制することが可能にある。

実施例として、図１，２に示した圧延機および板厚制御装置を用いて、金属板として厚み１０ｍｍの鋼板を目標板厚８ｍｍとなるよう圧延を行った。板厚計にはγ線板厚計を用いた。本実施例では、板厚計のサンプリング周期を１００ｍｍ間隔とするとともに、圧下点の圧延荷重Ｐおよび圧下点でのゲージメータ板厚ｈ_ＧＭを１００ｍｍ間隔でトラッキングし、トラッキング点が板厚計に達した際に板厚計の測定板厚ｈ_γとトラッキングしたゲージメータ板厚ｈ_{ＧＭ（ＴＲＫ）}との差を求め、この差と、圧下点でのゲージメータ板厚ｈ_{ＧＭ（圧下点）}および目標板厚ｈ_０間の差との偏差をモニタリング操作量として目標板厚になるように前記圧延機における圧下位置をダイナミックに制御する際に、このモニタリング操作量を指数平滑回路で指数平滑化して補正し、その補正後の値を板厚制御器にモニタリング操作量として加えた。指数平滑回路の平滑定数は０．０４とした。また、板厚制御装置における主な条件は、ミル定数９００ton/mm、予測ミル定数９５０ton/mm、および塑性定数１５００ton/mmとした。

本実施例による自動板厚制御を行った場合のモニタリングＡＧＣの、指数平滑回路で補正されたモニタリング操作量（図中「モニタ操作量」または「モニタリングＡＧＣ操作量」と記載する。）を図３（ａ）に、狙い厚に対する板厚偏差（図中「γ厚偏差」または「狙い厚偏差」と記載する。）を図３（ｂ）にそれぞれ示す。このように、本発明を適用することで、モニタリングＡＧＣのモニタリング操作量が安定し、狙い厚に対する板厚偏差が早期に収束することが確認された。

本発明により、モニタリングＡＧＣが安定するまでの時間を短くし、板厚計および圧延機間の搬送時間（むだ時間）が長い制御系においても安定して板厚精度を向上させることが可能となった。

１ 圧延機
１ａ，１ｂ ワークロール
１ｃ，１ｄ バックアップロール
２ 板厚計
３ 開度変更機構
４ 荷重計
５ 圧下位置検出器
６ モニタリング制御器
７ 板厚制御器
８ 指数平滑回路
９ 圧延荷重演算部
１０ ゲージメータＡＧＣ操作量演算部
１１ ゲージメータ厚演算部
１２，１３，１４ 加算部
１５ サンプリング周期調整部

Claims (6)

1. 金属板を圧延機で圧下する際の圧下点での板厚をゲージメータ式からゲージメータ板厚として算出し、該ゲージメータ板厚を前記圧延機の後面に設置された板厚計の測定点までトラッキングし、前記測定点において前記板厚計で測定した板厚と前記トラッキングした前記ゲージメータ板厚との偏差と、前記圧下点での前記ゲージメータ板厚と目標板厚との偏差との差分をモニタリング操作量として、前記目標板厚になるように前記圧延機における圧下位置をダイナミックに制御する金属板の板厚制御方法であって、
   前記測定点において前記板厚計で測定した板厚と前記トラッキングした前記ゲージメータ板厚との偏差と、前記圧下点での前記ゲージメータ板厚と目標板厚との偏差との差分である前記モニタリング操作量を指数平滑化したものを補正後のモニタリング操作量として、前記目標板厚になるように前記圧延機における圧下位置をダイナミックに制御することを特徴とする金属板の板厚制御方法。
2. 前記ゲージメータ板厚の算出周期と前記板厚計の測定周期とを同じに設定することを特徴とする、請求項１に記載の金属板の板厚制御方法。
3. 請求項１または２に記載の金属板の板厚制御方法を用いて金属板を圧延することを特徴とする金属板の製造方法。
4. 金属板を圧延機で圧下する際の圧下点での板厚をゲージメータ式からゲージメータ板厚として算出し、該ゲージメータ板厚を前記圧延機の後面に設置された板厚計の測定点までトラッキングし、前記測定点において前記板厚計で測定した板厚と前記トラッキングした前記ゲージメータ板厚との偏差と、前記圧下点での前記ゲージメータ板厚と目標板厚との偏差との差分をモニタリング操作量として、前記目標板厚になるように前記圧延機における圧下位置をダイナミックに制御する金属板の板厚制御装置であって、
   前記測定点において前記板厚計で測定した板厚と前記トラッキングした前記ゲージメータ板厚との偏差と、前記圧下点での前記ゲージメータ板厚と目標板厚との偏差との差分である前記モニタリング操作量を指数平滑化により補正する指数平滑回路を備えることを特徴とする金属板の板厚制御装置。
5. 前記ゲージメータ板厚の算出周期と前記板厚計の測定周期とを同じに設定することを特徴とする、請求項４に記載の金属板の板厚制御装置。
6. 金属板を圧延する圧延機と、請求項４または５に記載の金属板の板厚制御装置とを備えることを特徴とする金属板の製造設備。

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