(57)【要約】【課題】冷間圧延機や紙・フィルム等の製造ライン、ビデオテープレコーダなど、帯状材をリールにより巻取り、または、リールから巻き戻す際に、帯状材速度の加減速によって生じる帯状材張力の変動を抑制する制御装置に関するものである。【解決手段】  帯状材の速度基準値もしくは速度実績値の時間微分値を求め、該時間微分値の位相を所定の値だけ進めた後、リール全体の慣性、前記リールモータのトルク定数、前記リールモータの逆起電力定数、前記電流制御系のゲインと時定数、リール半径、および、ギア比で決まる所定の係数を乗じた電流補正値をリールモータの電流基準に加え合わせる。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
巻戻しリールから巻戻される帯状材、または巻取りリールで巻取られる帯状材の張力について、前記リールを回転駆動するリールモータを制御する電流制御系への入力信号（電流基準）を調整することにより該張力の変動を抑制する装置において、
前記帯状材の速度基準値を入力情報として、前記リールの機械的特性、前記リールモータの機械および電気的動特性、及び前記リールモータの電流制御系の伝達関数から、帯状材の張力を一定とする電流補正値を演算する電流補正値演算部と、該電流補正値をリールモータの前記電流基準に加え合わせる加算部を具備することを特徴とするリール張力変動抑制装置。
【請求項２】
前記電流補正値演算部は、入力信号の時間微分値を求める微分演算部と、該時間微分値の位相を所定の値だけ進める位相進み補償部と、前記位相進み補償部の出力値に前記リール全体の慣性、前記リールモータのトルク定数、前記リールモータの逆起電力定数、前記電流制御系のゲインと時定数、前記リール半径、および、ギア比で決まる所定の係数を乗じた電流補正値を演算する係数乗算部を具備することを特徴とする請求項１に記載のリール張力変動抑制装置。
【請求項３】
前記電流補正値演算部は、入力信号の時間微分値を求める微分演算部と、該時間微分値に前記リール全体の慣性、前記リールモータのトルク定数、前記リールモータの逆起電力定数、前記電流制御系のゲインと時定数、前記リール半径、および、ギア比で決まる所定の係数を乗じた電流補正値を演算する係数乗算部を具備することを特徴とする請求項１に記載のリール張力変動抑制装置。
【請求項４】
帯状材の速度実績値を検出又は推定するための速度検出部を有し、前記電流補正値演算部分に入力する速度基準値の代わりに、該速度実績値を用いることを特徴とする請求項1〜請求項3の内の一項に記載のリール張力変動抑制装置。
【請求項５】
前記微分演算部において、指定された近似微分時間を有する近似微分を用いることを特徴とする請求項2〜請求項4の内の一項に記載のリール張力変動抑制装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼板の冷間圧延機や紙・フィルム等の製造ライン、ビデオテープレコーダなど、帯状材をリールにより巻取り、または、リールから巻き戻す際に生じる帯状材に掛かる張力変動を抑制する制御装置に係り、特に、帯状材速度の加減速により生じる張力変動を抑制する制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図2に連続化されていない、従来の鋼板の冷間タンデム圧延機のブロック線図を示す。  図2において、被圧延材1は巻戻しリール2から送り出され、第１圧延機3〜第N圧延機4で所定の寸法に圧延され、巻取りリール5で巻き取られる。鋼板圧延においては被圧延材1の張力は、寸法精度や通板安定上の観点から重要な要因となっている。例えば、被圧延材1の張力が過大になると、被圧延材が破断に至り、逆に、張力が過小になると、被圧延材1が板幅方向にずれることによるサイドガイドへの衝突や、巻取りリール5での巻ずれによる疵が発生してしまう。従って、被圧延材1の張力は所定の張力設定値に保つことが望ましい。
このため、巻戻しリール2では、巻戻しリール2と第１圧延機3との間の被圧延材1張力の設定値（巻戻しリール張力設定値13）に乗数9を掛け、巻戻しリールモータ6の電流値に換算し、後述する加減速補償の出力値と加え合わせ、巻戻しリール2の電流制御系(ACR)7に与えている。乗数9において、rは巻戻しリール2の半径、Ktは巻戻しリールモータ6のトルク定数、ａはギア比である。
【０００３】
圧延速度を加減速する時の被圧延材1の張力変動を抑制するために、特許文献1、特許文献2、特許文献3、および特許文献4では、図2のブロック19(巻取りリールの場合20), 21, 24に示されるような加減速補償を用いている。ブロック24において、Ｊは巻戻しリールモータ6の軸換算の巻戻しリール全体の慣性である。この加減速補償の原理を説明する。巻戻しリール2の被圧延材1の送出速度をv、巻戻しリールモータ6の電流をｉ、ラプラス演算子をSとし、電流制御系(ACR)7の応答や巻戻しリール2の半径rの変化量などを無視すると、(1)式のように表される。
【数１】
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【０００４】
(1)式を書き直すと(2)式のようになり、被圧延材1の圧延速度vが変化するときには、その時間微分（S・v）、すなわち加速度に乗数（(2)式右辺第１項）を掛けた量だけ、巻戻しリールモータ6の電流iを変化させるというものである。
【数２】
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巻取りリール5の制御系も巻戻しリール2の場合と全く同じである。
【特許文献１】特開平6-39418号公報
【特許文献２】特開平6-134511号公報
【特許文献３】特開平7-251994号公報
【特許文献４】特開2000-225413号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の加減速補償では、電流制御系(ACR)7の応答性などを無視した(1)式のような単純な関係式に基づいて補償を行っているため、圧延速度の緩やかな時間変化に対しては効果がある。しかしながら、被圧延材1には板厚変動（外乱）や硬度変動（外乱）が存在して通板時に高周波数の外乱が生じる。板厚制御(AGC)により板厚を一定に保とうと、AGC速度指令16（巻取り側は17）で圧延速度を大幅に変更しようとした場合、巻戻しリール2と第１圧延機3との間の被圧延材1の張力や、第N圧延機4と巻取りリール5との間の被圧延材1の張力が大きく乱れるため、AGCのゲインを上げることが出来ず所望の寸法精度を達成できないという問題があった。
本発明は、上記のような問題を解決するために考案されたものであり、被圧延材に板厚変動や硬度変動があっても、圧延速度の大幅な変更に際して被圧延材1の張力変動を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題を解決するため、第1の発明のリール張力変動抑制装置は、図１のブロック線図のように、巻戻しリールから巻戻される帯状材、または巻取りリールで巻取られる帯状材の張力について、前記リールを回転駆動するリールモータを制御する電流制御系への入力信号（電流基準）を調整することにより該張力の変動を制御する装置において、前記帯状材の速度基準値を入力として、帯状材の張力を一定とする電流補正値を、前記リールの機械的特性と、前記リールモータの機械および電気的動特性と、前記リールモータの電流制御系の伝達関数から演算する電流補正値演算部と、該電流補正値を前記リールモータの電流基準に加え合わせる加算部を具備することを特徴としている。
【０００７】
上記の第1の発明の張力変動抑制装置の動作原理を、冷間タンデム圧延機を例にして説明する。図６にリールモータとその電流制御系(ACR)、および、被圧延材1の張力発生部分のブロック線図を示す。図６のブロック線図において、Jはリールとリールモータの機械的特性から決定されるリールモータの軸換算の巻戻しリール全体の慣性、rとaはそれぞれリールの機械的特性であるリール半径とギア比、Kt, Kv, Ra, Laはそれぞれリールモータの電気的特性であるトルク定数、逆起電力(誘起電圧)定数、電機子抵抗、リアクタンス、GiとTiはそれぞれリールモータの電流制御系の伝達関数のゲインと時定数である。また、AとLはそれぞれ被圧延材1の断面積とリールと圧延機間の距離、Eは被圧延材1の機械的特性であるヤング率である。図６のブロック線図より、被圧延材1の張力Tは、リールモータの電流基準Irと圧延速度vにより、(3)式のように、右辺第１項の伝達関数fと右辺第３項の伝達関数gを係数とした線形関係で表される。
【数３】
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ここで、圧延速度vとは、巻戻しリール2の場合は第１圧延機3の入側被圧延材の速度基準値、巻取りリール5の場合は第N圧延機4の出側被圧延材の速度基準値を意味する。
【０００８】
圧延速度vによる被圧延材1の張力Tが変化しないようにするため、電流基準Irを(4)式のように、
【数４】
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被圧延材1に張力Tを付与する電流基準Ir'と、圧延速度vの変化による張力の変動をキャンセルするための電流基準修正量ΔIrとに分けると、ΔIrが満足すべき伝達関数は、(3)式と(4)式より、f-1×gを計算すれば良く、(5)式のように求めることができる。
【数５】
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すなわち、リールとリールモータの機械的特性であるリール全体の慣性J・リール半径r・ギア比aと、リールモータの電気的特性であるトルク定数Kt・逆起電力(誘起電圧)定数Kv・電機子抵抗Ra・リアクタンスLa、リールモータの電流制御系伝達関数のGi(1+Ti・S)/Sを用い、被圧延材の張力を一定とする電流補正値を (5)式に基づき電流補正値演算部で演算し、リールモータの電流基準に加え合わせれば、リールの電流制御系(ACR)や逆起電力(誘起電圧)の影響をも考慮して、適切にリールモータ電流を変更しているため、圧延速度vの大幅な変化に対しても、被圧延材1の張力変動を効果的に抑制することが可能である。
【０００９】
さらに、一般にモータリアクタンスLaは小さいため無視すると、(5)式は(6)式のように近似することができ、右辺第４項の微分演算部と、右辺第３項の位相進み補償部と、右辺第１項と第２項の係数乗算部から構成される。
【数６】
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ここで、(6)式の右辺第３項目のTnは、(7)式で定義される時定数である。
【数７】
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本願第２の発明の張力変動抑制装置は、すなわち、前記電流補正値演算部として、入力信号の時間微分値を求める微分演算部（(6)式右辺第４項）と、該時間微分値の位相を所定の値だけ進める位相進み補償部（(6)式右辺第３項）と、前記位相進み補償部の出力値に前記リール全体の慣性J、前記リールモータのトルク定数Kt、前記リールモータの逆起電力定数Kv、前記電流制御系のゲインGiと時定数Ti、前記リール半径r、および、ギア比aで決まる所定の係数を乗じた電流補正値を演算する係数乗算部（(6)式右辺第１項と第２項）を具備することを特徴としている。
【００１０】
また、時定数TnとTiとの差が小さいときには、(6)式の右辺第３項目の位相進み補償部を省略して、(8)式により、電流基準を変更しても良く、
【数８】
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本願第３の発明の張力変動抑制装置は、すなわち、前記電流補正値演算部として、入力信号の時間微分値を求める微分演算部（(8)式右辺第3項）と、該時間微分値に前記リール全体の慣性J、前記リールモータのトルク定数Kt、前記リールモータの逆起電力定数Kv、前記電流制御系のゲインGiと時定数Ti、前記リール半径r、および、ギア比aで決まる所定の係数を乗じた電流補正値を演算する係数乗算部（(8)式右辺第１項と第２項）を具備することを特徴としている。
上記本願の第１〜第３の張力抑制装置では、帯状材の速度基準値vを用いている。帯状材の速度基準値vは図1の冷間圧延機の場合、巻戻しリール2では、第１圧延機3のロール周速度設定値14とそのAGC速度指令16を掛け合わせた第１圧延機3のロール周速度基準値vrと、後進率bから(9)式のように求められる。
【数９】
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【００１１】
同様に、巻取りリール5では、第N圧延機4のロール周速度設定値15とそのAGC速度指令17を掛け合わせた第N圧延機4のロール周速度基準値vrと、先進率fから(10)式のように求められる。
【数１０】
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ただし、前記帯状材の速度基準値vを用いる必要はなく、図３のブロック線図で示されるように、第１圧延機3のモータ6に速度検出器25を設け、その検出値から帯状材の速度実績値vに変換し、前記微分演算部の入力として用いても構わない。
【００１２】
さらに、図4のブロック線図で示されるように、被圧延材速度検出器27を設け、直接被圧延材の速度実績値を検出して、前記微分演算部の入力としても構わない。本願第４の発明の張力変動抑制装置は、前記第１〜第３の発明において、帯状材の速度実績値を検出もしくは推定するための速度検出部を有し、前記微分演算部に入力する速度基準値の代わりに、該速度実績値を用いることを特徴としている。
前記微分演算部に関しては、時間微分演算により入力信号のノイズ成分が増幅されることが問題となる場合、近似微分時間δとラプラス演算子Sを用いて、伝達関数S/(1+δ・S)で表されるような近似微分を用いても良く、本願第５の発明の張力変動抑制装置は、前記第２〜第４の発明において、前記微分演算部で、指定された近似微分時間を有する近似微分を用いることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、圧延速度の大幅な変更に対しても、被圧延材1の張力変動を抑制することが可能である。従って、通板が安定化し、被圧延材1の破断や巻ずれ等による疵発生が防止でき、かつ、AGCのゲインを上げられ、寸法精度が向上するとともに、圧延速度が最高速度まで立ち上がる時間を短縮でき、単位時間当たりの生産性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態について説明する。図５は、本願第２の発明のリール張力変動抑制装置を、巻戻しリールと巻取りリールの両方に適用した場合の実施形態を示すブロック線図である。巻取りリールの制御構成は巻戻しリールと同じであるため、以下巻戻しリールの張力変動抑制装置に関してのみ説明する。
巻戻しリールの張力変動抑制装置においては、先ず、第１圧延機3のロール周速度基準値vrと第１圧延機3の後進率bとから、 (9)式に基づき被圧延材1の圧延速度(速度基準値)vを求める（ブロック19）。次に、前記圧延速度(速度基準値)vの時間微分（S・v）、すなわち加速度を微分器21で求める。さらに、前記加速度を位相進み補償器22に与え、その出力に、巻戻しリールモータの軸換算の巻戻しリール全体の慣性Jと、巻戻しリールモータのトルク定数Kt、逆起電力定数(誘起電圧定数)Kv、電流制御系(ACR)のゲインGi、リール半径r、ギア比aとから決まる(11)式の係数（(6)式の右辺第１項と第２項）を乗じ（ブロック23）、電流制御系(ACR)7の入力に加算器8を介して加え合わせる。
【数１１】
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ここで、位相進み補償器22において、Tiは巻戻しリールモータ6の電流制御系(ACR)7の時定数、Tnは巻戻しリールモータ6の電機子抵抗Raと、前記Gi，Ti，Kt，Kv，Jにより、(7)式で計算される時定数である。
ブロック21, 22, 23は、電気回路等で連続時間制御系として実現しても良いが、前記ブロックを離散時間変換した後、プログラマブル・ロジック・コントローラ等でデジタル制御系として実現しても構わない。
【実施例】
【００１５】
リールの機械的特性とリールモータの機械および電気的特性と、リールモータの電流制御系のゲインと時定数を表１とし、本発明の張力変動抑制装置を適用した場合の圧延速度(速度基準値もしくは速度実績値)vから被圧延材1張力までのゲイン特性を図７に示す。図７において、ａは加減速補償を行わない（圧延速度vが変化してもリールモータの電流基準を変更しない）ときのゲイン特性、ｂは(2)式に基づく従来の加減速補償を行った場合のゲイン特性、ｃは(8)式に基づく本願第３の発明の張力変動抑制装置を行った場合のゲイン特性、ｄは(6)式に基づく本願第２の発明の張力変動抑制装置を行った場合のゲイン特性である（(5)式に基づく本願第１の発明の張力抑制装置を行った場合はリアクタンスLaが小さいため、本願第２の発明の張力抑制装置のゲイン特性dと全く同一となった）。図７より明らかなように、圧延速度(速度基準値)vに対する被圧延材1の張力への影響（ゲイン）は、大幅に少なくなっており（例えば、10rad/sの周波数で比較すると、ａは82dB、ｂは71dB、ｃは54dB、ｄは30dB）、本発明の張力変動抑制装置が、被圧延材1の張力変動を効果的に抑制することが可能ということが分かる。
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】連続式圧延機の巻戻しリールと巻取りリールに本発明の張力変動抑制装置を行った場合の制御構成の概略図である。
【図２】連続式圧延機の巻戻しリールと巻取りリールに従来の加減速補償を行った場合の制御構成の概略図である。
【図３】圧延機のモータ速度検出器を用いた場合の本発明の張力変動抑制装置の制御構成の概略図である。
【図４】被圧延材の速度検出器を用いた場合の本発明の張力変動抑制装置の制御構成の概略図である。
【図５】連続式圧延機の巻戻しリールと巻取りリールに本発明の張力変動抑制装置を適用した場合の一実施形態を示す図である。
【図６】リールモータと電流制御系(ACR)および被圧延材1張力発生メカニズムを表すブロック線図である。
【図７】圧延速度vから被圧延材1張力までのゲイン特性を示す図である。（ａ加減速補償を行わない場合、ｂ従来の加減速補償を行った場合、ｃ(8)式に基づく本発明の張力変動抑制装置を行った場合、d(6)式に基づく本発明の張力変動抑制装置を行った場合）。
【符号の説明】
【００１７】
1 … 被圧延材
2 … 巻戻しリール
3 … 第１圧延機
4 … 第N圧延機
5 … 巻取りリール
6 … モータ
7 … モータの電流制御系
8 … 加算器（加算部）
9 … 被圧延材の張力設定値をモータの電流基準に変換するゲイン
10 … モータ6の電流制御系
11 … 圧延機のロール周速度設定値をモータの速度基準値に変換するゲイン
12 … 乗算器
13 … 巻戻しリールと第１圧延機間の被圧延材張力の設定値
14 … 第１圧延機のロール周速度の設定値
15 … 第N圧延機のロール周速度の設定値
16 … 板厚制御系(AGC)による第１圧延機のロール周速度指令
17 … 板厚制御系(AGC)による第N圧延機のロール周速度指令
18 … 巻取りリールと第N圧延機間の被圧延材張力の設定値
19 … 第1圧延機のロール周速度を入側被圧延材速度に変換する係数
20 … 第N圧延機のロール周速度を出側被圧延材速度に変換する係数
21 … 微分器（微分演算部）
22 … 位相進み補償器（位相進み補償部）
23 … リール全体の慣性J、リールモータのトルク定数Kt、逆起電力定数Kv、電流制御系のゲインGiと時定数Ti、リール半径r、ギア比aで決まる所定の係数（係数演算部）
24 … 従来の加減速補償ゲイン
25 … モータの速度検出器
26 … モータ速度を圧延機のロール周速度に変換する係数
27 … 被圧延材速度検出器
28 … 電流補正値演算部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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