JPH09276929A - 熱延巻取機の制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 格別なコスト高を招く装置を必要とせずに
“仕上圧延器と巻取機との間に位置する被圧延材の張
力”の推定精度を向上させ、熱間圧延材巻取り時の幅狭
を的確に防止できる熱延巻取手段を提供する。 【構成】 熱間圧延機を出た被圧延材を巻取機でコイル
状に巻き取る際に生じる被圧延材の幅狭を防止するため
の熱延巻取機の制御方法であって、巻取機駆動用モ−タ
の回転数と電機子電流と逆起電力とから“仕上圧延機と
巻取機との間の被圧延材に生じる張力”を推定する推定
演算器を設け、 該演算器による張力推定値と巻取機駆動
モ−タの回転数及び電機子電流に基づいて巻取機の駆動
トルクを修正しつつ巻き取りを行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、熱間圧延した被圧延
材を巻取機でコイル状に巻き取る際に生じがちな幅狭を
防止するための“熱延巻取機の制御方法”に関するもの
である。

【０００２】

【従来技術とその課題】一般に、薄板材（薄鋼板等）の
熱間圧延では熱間圧延機から出てきた被圧延材を巻取機
でコイル状に巻き取って作業を終了するが、この工程の
概要を図７を用いて説明する。

【０００３】図７において、複数のスタンドから成る熱
間圧延仕上圧延機群２によって仕上圧延された被圧延材
１は、続くランアウトテ−ブルにて必要な温度まで冷却
された後、巻取機６によりコイル状に巻き取られる。ラ
ンアウトテ−ブルには、被圧延材搬送用ロ−ラ（テ−ブ
ルロ−ル）３が設けられており、被圧延材の搬送を良好
にすべく仕上圧延機出側速度よりも大きい速度で回転し
ている。この時、巻取機６は巻取機駆動モ−タ７によっ
て駆動されるが、この巻取機駆動モ−タ７には次のよう
な制御がなされる。即ち、まず張力／電流換算装置８に
よって仕上圧延機群２と巻取機６間の被圧延材に生じさ
せようとする“目標張力”から電流指令値が計算され
る。そして、この電流指令値を受けて、“仕上圧延機群
２と巻取機６間の被圧延材に生じる張力”を“目標張
力”とすべく電流制御装置９が巻取機駆動モ−タ７のト
ルクを制御する。

【０００４】なお、通常、このような設備では巻取機６
は被圧延材１のパスラインよりも低い位置に配置されて
いるので、巻取機６の上流には被圧延材１の走行方向を
パスラインの下側に向かわせるためのピンチロ−ル４が
設けられている。また、被圧延材１の先端部を巻取機６
に巻き付かせるため、巻取機６には３乃至４個のラッパ
−ロ−ル５が設けられており、被圧延材１が巻取機６に
巻き付いた直後から４乃至５巻する間はラッパ−ロ−ル
５により被圧延材１を巻取機６に押し付けながら巻取作
業が行われる。

【０００５】ところで、上述のような熱間圧延設備では
巻取機６の回転速度を被圧延材搬送用ロ−ラ３の速度に
連動させて運転することが行われており、従ってランア
ウトテ−ブル上を走行して巻取機６に達した被圧延材１
が巻取機に巻き付く速度は仕上圧延機出側速度よりも大
きくなる。そのため、被圧延材が巻取機に巻き付いた直
後に“仕上圧延機群２と巻取機６との間に位置する被圧
延材”には過大張力が発生し、これにより被圧延材に
「局所的な幅狭（ネッキング）」と呼ばれる“くびれ”
が生じて歩留低下の原因になることが問題となってい
た。

【０００６】更に、被圧延材の巻取り中も、巻取形状を
良好にするため、巻取機６での巻取速度を仕上圧延機出
側速度よりも大きくして適当な大きさの張力が“仕上圧
延機群２と巻取機６との間に位置する被圧延材”に付与
されるように図られる。この付与張力は、通常、「定常
的な幅狭」が生じない程度の大きさに設定されるが、巻
取機駆動モ−タ７の制御が良好に働かない時には設定し
た値よりも大きな張力が“仕上圧延機群２と巻取機６と
の間に位置する被圧延材”に働くことになり、その“張
力”の大きさに応じた幅狭が被圧延材１の全長にわたっ
て生じる。この「定常的な幅狭」も歩留低下の原因にな
っていた。

【０００７】もっとも、前述したような被圧延材の「局
所的な幅狭（ネッキング）」や「定常的な幅狭」を防止
するための方法はこれまでにも幾つか提案されている。
例えば、特開平６−２９７０１５号公報を見ると、「被
圧延材が巻取機に巻き付いた直後の“巻取機のモ−タ回
転数”と“仕上圧延機出口の被圧延材速度”との速度差
により“巻取機に巻き付いた直後の被圧延材の張力”が
生じる」とし、“巻取機の回転数”と“仕上圧延機出口
の被圧延材速度”との速度差を基に被圧延材の張力を算
出すると共に、求められた張力に基づいて巻取機の回転
速度を修正する方法が示されている。

【０００８】しかし、まず巻取機の回転速度と仕上圧延
機出口の被圧延材速度とから被圧延材の張力を推定する
という上記方法では、熱間仕上圧延機出口で被圧延材速
度を絶えず精度良く測定しなければならないが、熱間仕
上圧延機出口のような高温，高湿度の悪環境下で被圧延
材速度を絶えず精度良く測定することは非常に困難であ
って、このような環境での速度計（レ−ザ−ドップラ−
方式の速度計等）の測定値は誤差が大きく、従ってこの
測定値を基に推定した“被圧延材の張力”は的確性に欠
けるという問題があった。加えて、速度計を設置するこ
とによるコスト上昇も大きな問題であった。

【０００９】これに対して、速度計を用いることなく、
仕上圧延機のロ−ル周速度と計算先進率とから仕上圧延
機出口の被圧延材速度を次式に基づいて求める方法もあ
る。 Ｖ＝Ｖ_R ( １＋ｆ） 〔但し、 Ｖ：被圧延材速度，Ｖ_R ：ロ−ル周速度，ｆ：
計算先進率〕

【００１０】しかしながら、計算先進率には予測誤差が
あって精度良く被圧延材速度を求めることができず、こ
れを用いて推定した被圧延材張力もやはり予測誤差が大
きいという問題を免れ得なかった。

【００１１】このようなことから、本発明が目的とした
のは、格別なコスト高を招く装置を必要とせずに“仕上
圧延器と巻取機との間に位置する被圧延材の張力”の推
定精度を向上させ、熱間圧延材巻取り時の幅狭をより的
確に防止できる熱延巻取手段を提供することであった。

【００１２】

【課題を解決するための手段】もっとも、本発明者等は
上述のような目的を達成すべく、先に、「巻取機駆動用
モ−タの回転数と電機子電流とから“仕上圧延機と巻取
機との間の被圧延材に生じる張力”を推定する推定演算
器を設け、 該演算器による張力推定値に基づいて巻取機
の駆動トルクを修正する張力制御器により被圧延材の張
力を目標張力に制御する方法」を提案しているが（特願
平7-227381号）、その後、この提案方法の更なる検討の
中で次のような認識を持つに至っている。

【００１３】即ち、上記提案方法を実施するに当っては
“張力推定演算器”の中で巻取器駆動用モ−タの界磁磁
束を用いて張力を推定することが行われるが、この界磁
磁束は直接的に測定することができないため予め設定さ
れた値を使用せざるを得ないという問題が認識されたの
である。また、実際操業を通じて、上記提案方法により
望む制御効果を十分に得るためには“推定張力を基に張
力制御器装置で目標張力値を実現するまでの過渡誤差”
を無視することができず、これを小さく抑える工夫が是
非とも必要であることも明らかとなった。

【００１４】そこで、これらの問題をも解決すべく更に
研究を続けた結果、「被圧延材が巻取機に巻き付いた直
後からの被圧延材張力は巻取機駆動用モ−タの回転数と
電機子電流に加えて逆起電力を考慮することによって的
確に推定でき、 この推定値と巻取機駆動用モ−タの回転
数と電機子電流とに基づいて巻取機の駆動トルクを制御
するようにすれば、 被圧延材の幅狭を的確かつ効果的に
抑えることができる」との知見を得ることができた。

【００１５】本発明は、上記知見事項等を基になされた
ものであり、「巻取機駆動用電動機（巻取機駆動モ−
タ）の回転数と電機子電流と逆起電力とから“仕上圧延
機と巻取機との間の被圧延材に生じる張力”を推定する
推定演算器を設け、 該演算器による張力推定値と巻取機
駆動モ−タの回転数及び電機子電流に基づいて巻取機の
駆動トルクを修正することによって、 熱間仕上圧延機を
出た被圧延材を巻取機でコイル状に巻き取る際に生じる
被圧延材の幅狭を的確に防止し得るようにした点」に大
きな特徴を有している。

【００１６】

【発明の実施形態】上述のように、本発明は、被圧延材
が巻取機に巻き付いた直後からの被圧延材張力を巻取機
駆動モ−タの回転数と電機子電流と逆起電力とから推定
する張力推定演算器を設けて、上記張力推定演算器によ
り推定された張力が巻き付き直後及び巻取中に大きな値
とならずに目標値となるよう、“上記推定張力”と“上
記推定張力と目標張力との偏差”と“巻取機駆動モ−タ
の回転数と電機子電流”とに基づいて巻取機の駆動トル
クを修正しつつ巻取機の回転数を制御し、被圧延材に働
く張力変動を抑えて幅狭を防止する技術に関するもので
あるが、以下、本発明をその作用と共により詳細に説明
する。

【００１７】まず、巻取機に巻き付いた後の“仕上圧延
機と巻取機との間の被圧延材に生じる張力”について検
討する。被圧延材が巻取機に巻き付いた後の巻取機の運
動方程式は次の微分方程式で表すことができる。

【００１８】

【数１】 但し、ω：巻取機の角速度， Ｊ：巻取機の慣性モ−メント， Ｉ：巻取機駆動モ−タの電機子電流， τ_T ：被圧延材の張力による負荷トルク， τ_B ：巻取機で被圧延材を巻き取る際の曲げトルク， τ_L ：巻取駆動系のロストルク， Φ：巻取機駆動モ−タの界磁磁束， Ｒ：巻取機におけるコイル半径（被圧延材が巻き取られ
るに従って大きくなる), ζ：定数（巻取機駆動モ−タの磁極数，電機子の導体数
及び並列回路数に依存する）。

【００１９】このとき、巻取機駆動モ−タの界磁磁束Φ
は直接測定できないため、巻取機の角速度ωと逆起電力
EMF を用いて、式(2) の関係より間接的に求めておく。

【数２】

【００２０】ここで、下記の式(3) で示すトルクを状態
変数として定義すると、前記運動方程式は下記の式(4)
のように表される。 τ_D ＝τ_T ＋τ_B ＋τ_L ＝Ｆ_T Ｒｎ＋τ_B ＋τ_L …(3) 但し、Ｆ_T ：仕上圧延機と巻取機との間の被圧延材に生
じる張力， ｎ ：巻取機駆動モ−タのギヤ比。

【数３】

【００２１】仕上圧延機と巻取機との間の被圧延材に生
じる張力は、巻取機への巻き付き速度と仕上圧延機から
ランアウトテ−ブルへ送出される速度との差によって生
じるので、仕上圧延機と巻取機との間の被圧延材に働く
張力応力と歪の関係から、次式の関係が成立する。

【００２２】

【数４】 但し、σ：仕上圧延機と巻取機との間の被圧延材に働く
張力応力， ｖ₇ ：仕上圧延機からランアウトテ−ブルへ送出される
被圧延材の速度， ｖ_M ：被圧延材の巻取機への巻き付き速度， Ｅ：ヤング率， Ｌ：ランアウトテ−ブル（仕上圧延機から巻取機まで）
の長さ。

【００２３】ここで、巻取機駆動モ−タの曲げトルク及
びロストルクの時間応答は、張力の変動に比べて十分遅
く、仕上圧延機の駆動モ−タは一般的に巻取機駆動モ−
タに比べて慣性モ−メントが極めて大きいために、仕上
圧延機からランアウトテ−ブルへの送出速度変動は巻取
機への巻取速度変動に比べて無視できるので、次式が成
立する。

【００２４】

【数５】 但し、Ｂ：被圧延材の製造板幅， ｈ：被圧延材の製造板厚。

【００２５】以上の微分方程式をまとめることによっ
て、この制御対象は次のように行列表現することができ
る。

【数６】 ここで、ｘ(t) ：状態ベクトル， ｕ(t) ：入力， ｙ(t) ：出力， Ｔ：ベクトルの転置。

【００２６】上記状態方程式において、直接測定できな
いトルクτ_D ( 便宜上、 張力トルクと呼ぶ）を推定する
推定器を次のように構成する。

【数７】 上記式におけるｋは推定器のゲインであって、この推定
器による推定値の真値への収束時間(T_c ) を調節できる
ものであり、後述する本発明の実施例では「収束時間 T
_c ＝0.01秒」とした。

【００２７】このようにして計算した推定トルク値を前
記式(3) に代入することで、被圧延材の張力Ｆ_T は次式
を基にして求められる。

【数８】 上述のように、巻取機駆動モ−タの角速度と電機子電流
とから“仕上圧延機と巻取機との間の被圧延材に生じる
張力”を推定することができる。

【００２８】次に、この張力推定値に基づいて巻取機の
駆動トルクを修正し、被圧延材の張力を目標張力に制御
する張力制御器の構成について説明する。張力制御を実
施する際には、目標張力との過渡誤差ができるだけ少な
い制御系を設計することが望ましい。そこで、張力制御
器として現代制御理論を適用した最適サ−ボシステムを
構成する方法について述べる。

【００２９】“仕上圧延機と巻取機との間の被圧延材に
生じる張力”は前記推定器によって推定できるので、こ
こでは制御対象の出力を張力トルクτ_D とし、このトル
ク出力を目標トルクに追従させるサ−ボ機構を設計する
ものとする。即ち、制御対象を次式のように状態ベクト
ル表現し、目標張力トルクτ_D ^refは目標張力Ｆ_T ^ref
から前記式(3) を基に求めるものとする。

【数９】

【００３０】τ_D ^ref がどのような入力であってもサ−
ボ機構は理論的に設定できることが保証されているが、
ここでは説明を簡単にするため、ステップ状の目標入力
に対して追従するサ−ボ機構を設計するものとする。こ
こで、サ−ボシステムを図２に示す構成とし、出力ｙ
(t) ＝τ_D を目標トルクτ_D ^ref に定常偏差なく追従さ
せるために、目標トルクと出力との差に定常偏差補償器
として積分器を配置する。また、図２においてＦ，Ｋは
制御系を漸近安定にするためのフィ−ドバック行列であ
る。

【００３１】なお、図２のシステムは、前記式(10)に加
え、次式で表される。

【数１０】

【００３２】ここで、次の式(12)を得る。

【数１１】

【００３３】次に、定常値からの誤差システムを求め
る。誤差システムの状態変数として、次の変数を用意す
る。

【数１２】

【００３４】この時、式(10)〜(13)より、誤差システム
を行列表現すると式(14)(15)のように表せる。

【数１３】

【数１４】

【００３５】これは、式(14)の系に式(15)の状態フィ−
ドバックを施したものとみなすことができる。そこで、
３次の拡大システム｛式(14)｝において、重み行列Ａ，
Ｂを選び、次式で表される評価関数を最小にするｖを最
適出力レギュレ−タ問題を解く。

【数１５】

【００３６】この結果、最適フィ−ドバックベクトルが
式(17)のように解くことができたとする。

【数１６】

【００３７】前記式(15)と上記式(17)を比較すると、次
式が成立する。

【数１７】

【００３８】従って、図２のフィ−ドバック行列Ｆ，Ｋ
は、次式を基にして求めることができる。

【数１８】

【００３９】以下、本発明を実施例により説明する。

【実施例】図１は、本実施例で使用した鋼板の熱間圧延
設備に係る説明図である。この図１において、１は被圧
延材、２は熱間仕上圧延器群、３は被圧延材搬送用ロ−
ラ（テ−ブルロ−ラ）、４はピンチロ−ル、５はラッパ
−ロ−ル、６は巻取機、７は巻取機駆動モ−タ、９は電
流制御装置、10は電流測定器、11はモ−タ角速度測定
器、12はモ−タ逆起電力測定器、13は張力推定演算器、
14は張力制御装置、15は演算器である。

【００４０】図１に示す熱間圧延設備において、複数の
スタンドからなる熱間圧延機群２にて圧延された被圧延
材１は、続くランアウトテ−ブルにて必要な温度まで冷
却された後、巻取機６によりコイル状に巻き取られる。
ここで、被圧延材１が巻取機６に巻き付いた瞬間から本
発明に係る張力制御による幅狭防止制御が動作するが、
まず巻取機駆動モ−タ７の電機子電流とモ−タ角速度，
逆起電力がそれぞれ電流測定器10，角速度測定器11，逆
起電力測定器12にて測定され、これらの測定信号は張力
推定演算器13に入力される。張力推定演算器13では、先
に述べた方法により、モ−タ電機子電流とモ−タ角速度
及びモ−タ逆起電力とから被圧延材１の張力が推定され
る。

【００４１】この張力推定値から計算された推定トルク
は演算器15に送られるが、演算器15によって目標トルク
との偏差が計算され、計算された偏差は張力制御装置14
に入力される。なお、張力制御装置14は図２で示す如く
に構成されている。

【００４２】張力制御装置14では、先に述べた方法によ
って、張力推定演算器13にて推定したトルク推定値とモ
−タ角速度の状態フィ−ドバックにより張力と目標張力
との過渡偏差が少なくなるような電流指令値が計算さ
れ、その結果が電流制御装置９に入力される。そして、
電流制御装置９は上記電流指令値に基づき、巻取機駆動
モ−タ７を制御する。

【００４３】この一連の制御動作により、被圧延材の張
力は、巻取機に巻き付いた直後から過渡誤差を最小限に
抑えることによって、直ちに目標張力に制御されるた
め、幅狭が生じることはない。

【００４４】さて、本発明の効果を検証すべく、図１に
示した実施例設備（鋼板の熱間圧延設備実機）を使って
前記本発明に係る熱延巻取機の制御テストを行った。こ
の結果を、図３及び図４に示す。また、比較として、本
発明に係る熱延巻取機の制御を実施しなかった場合（図
７で示した如き従来の制御を行った場合）のテスト結果
を図５及び図６に示す。

【００４５】図３及び図４に示される結果からは、本発
明に係る熱延巻取機の制御を実施した場合には、被圧延
材の張力が巻取り開始と同時にほぼ目標張力に制御され
るため、被圧延材には幅狭が発生していないことが確認
できる。

【００４６】これに対して、図５及び図６に示される比
較例（本発明に係る熱延巻取機の制御を実施しなかった
場合）の結果は、被圧延材が巻取機に巻き付いた直後に
過大な張力が発生し、その後の巻取り中も張力を直接制
御していないために目標張力との間に誤差が生じること
を示している。このため、被圧延材には幅狭が生じてい
ることが分かる。この比較例の結果は、被圧延材の刻々
とした張力変動に留意することなく巻取機駆動モ−タの
電機子電流の制御のみを実施するに止まっていたことに
起因したものである。

【００４７】

【効果の総括】以上に説明した如く、この発明によれ
ば、熱間圧延後の被圧延材を巻き取る際に生じがちな幅
狭を高価な設備を要することなく簡単かつ的確に防止す
ることが可能となり、適正な熱間圧延材を高歩留で能率
生産できるなど、産業上有用な効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例で使用した鋼板の熱間圧延設備に係る説
明図である。

【図２】実施例で使用した張力制御装置に係る説明図で
ある。

【図３】本発明に従った実機制御における「経過時間と
被圧延材の張力との関係」を示したグラフである。

【図４】本発明に従った実機制御における「被圧延材長
さ位置と板幅偏差との関係」を示したグラフである。

【図５】従来法による実機制御における「経過時間と被
圧延材の張力との関係」を示したグラフである。

【図６】従来法による実機制御における「被圧延材長さ
位置と板幅偏差との関係」を示したグラフである。

【図７】従来実施されていた熱延巻取機の制御方法に係
る説明図である。

【符号の説明】

１ 被圧延材 ２ 熱間仕上圧延機群 ３ 被圧延材帆走用ロ−ラ（テ−ブルロ−ラ） ４ ピンチロ−ル ５ ラッパ−ロ−ル ６ 巻取機 ７ 巻取機駆動モ−タ ８ 張力／電流換算装置 ９ 電流制御装置 10 電流測定器 11 モ−タ角速度測定器 12 モ−タ逆起電力測定器 13 張力推定演算器 14 張力制御装置 15 演算器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱間仕上圧延機を出た被圧延材を巻取機
   でコイル状に巻き取る際に生じる被圧延材の幅狭を防止
   するための熱延巻取機の制御方法であって、巻取機駆動
   用電動機の回転数と電機子電流と逆起電力とから“仕上
   圧延機と巻取機との間の被圧延材に生じる張力”を推定
   する推定演算器を設け、該演算器による張力推定値と巻
   取機駆動用電動機の回転数及び電機子電流に基づいて巻
   取機の駆動トルクを修正することによって被圧延材の張
   力を目標張力に制御することを特徴とする、熱延巻取機
   の制御方法。