JP3799701B2 - レイングヘッドの回転位置制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、線材の製造ライン等に使用されるレイングヘッドの回転位置制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
線材の製造では、図１に示すように、熱管圧延を終え、仕上圧延機２から出た線材１がレイングヘッド３に送られる。レイングヘッド３は、線材１の進行速度と同じ速度で回転することにより、線材１をコイル状に成形してコンベア４上に放出する。コンベア４上に連続的に落下するコイル状の線材１は、半径方向にずれた状態で重なり合って搬送され、その過程で冷却される。
【０００３】
レイングヘッド３を用いた線材１のコイル成形では、線材１の先端をコンベア４上の決められた位置に落下させることが重要な技術課題になっている。即ち、線材１の先端がコンベア４上に落下したときに、その先端が搬送方向前方を向くと、その先端がチェーン等に引っ掛かり、線材１が団子状に固まることから、線材１の先端が搬送方向後方を向くように、線材１の先端落下位置が制御されるのである。そして、この制御は従来は次のようにして行われている。
【０００４】
制御開始からの経過時間と線材の進行速度とから、線材の先端位置をトラッキングする。線材の先端がレイングヘッドの吐出口に到達する時点の吐出口の回転位置を時々刻々予測すると共に、レイングヘッドの吐出口の現在の回転位置を時々刻々検出する。線材の先端を目標とする位置に落下させるのに必要な吐出口の目標回転位置と予測回転位置の偏差角が０となるように、レイングヘッドの回転速度を制御する。
【０００５】
即ち、図２に示すように、レイングヘッドの吐出口の現在位置をＰ、線材の先端が吐出口に到達する時点における吐出口の予測位置をＰｙ、吐出口の目標位置をＰｏとすると、現在のレイングヘッドの回転速度を維持した場合、線材の先端が吐出口に到達する時点では、現在位置ＰはＲだけ回転し、予測位置Ｐｙまでしか移動せず、目標位置Ｐｏとの間にθの不足角を生じる。そこで、予測位置Ｐｙと目標位置Ｐの偏差角θを０とするべく、レイングヘッドの回転速度を基準値から変化させて（図では加速して）、予測位置Ｐｙを目標位置Ｐｏに一致させるのである。
【０００６】
ところで、このようなレイングヘッドの回転位置制御では、レイングヘッドの回転速度制御により、吐出口の予測位置Ｐｙと目標位置Ｐｏの偏差角θが０にされるが、その偏差角θがそのままレイングヘッドの回転速度の制御量になるわけではない。偏差角θを制御角度として、その制御角度に所定の比率を乗じたものをレイングヘッドの回転速度の制御量とする。ここにおける比率はゲインと呼ばれ、このゲインを使用するフィードバック制御はＰＩ制御と呼ばれている。
【０００７】
レイングヘッドの吐出口の予測位置Ｐｙと目標位置Ｐｏの偏差角θを検出しつつ、その偏差角θが０となるようにレイングヘッドの回転速度を制御するレイングヘッドの回転位置制御は例えば特公昭５２−１５２５０号公報、特開昭６１−１２３４１７号公報等に記載されているが、いずれの制御もＰＩ制御である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ＰＩ制御を用いてレイングヘッドの回転位置を制御する場合には次のような問題がある。ＰＩ制御を用いてレイングヘッドの回転位置を制御する場合の制御出力の経時的な変化を図３に示す。
【０００９】
ＰＩ制御を用いてレイングヘッドの回転位置を制御する場合には、図３に示すように、制御角度である予測位置Ｐｙと目標位置Ｐｏの偏差角θが大きい制御初期にレイングヘッドの回転速度が大きく制御され、吐出口の回転位置（現在位置Ｐ）が急激に目標位置Ｐｏに接近する。そして、制御が進むに連れて偏差角θが小さくなることにより回転速度の制御量も小さくなり、最終的には偏差角θが０となって吐出口の回転位置（現在位置Ｐ）が目標位置Ｐｏに一致する。これと同時に、レイングヘッドの回転速度も線材の進行速度に等しい基準値に戻る。
【００１０】
この場合の理想的な制御パターンは、図３に実線で示すように、線材の先端がレイングヘッドの吐出口に到達するまでに、吐出口の回転位置（現在位置Ｐ）を目標位置Ｐｏに一致させ、レイングヘッドの回転速度を線材の進行速度に等しい基準値に戻すパターンである。この変化パターンを得るために、線材の製造条件に基づいて特定のゲインが選択される。
【００１１】
しかしながら、実際の線材製造では、操業条件が変更されるし、そのばらつきもある。これらの変動に対応してゲインを逐一変更することは不可能である。このため、選択したゲインが理想値から外れ、過剰の場合と不足の場合を生じる。以前は線材の製造速度が遅く、選択したゲインが理想値から外れても、特に大きな問題は生じなかった。しかし、最近は線材の製造速度が著しく増大し、吐出口の回転位置を制御するための時間を十分に確保することができないため、ゲインの理想値からのずれは次のような問題を生じる。
【００１２】
選択したゲインが過剰の場合は、図３に破線で示すように、急激な制御の余韻として、線材の先端がレイングヘッドの吐出口に到達した時点では、レイングヘッドの回転速度の制御量が０にならない。選択したゲインが不足する場合も、図３に２点鎖線で示すように、制御が遅れることにより、線材の先端がレイングヘッドの吐出口に到達した時点では、レイングヘッドの回転速度の制御量が０にならない。その結果、いずれの場合も、線材の先端がレイングヘッドの吐出口に到達した後もしばらくの間、レイングヘッドの回転速度が基準値から外れるのである。
【００１３】
本発明者らは、線材の先端を決められた位置へ正確に落下させる研究を続ける一方で、その線材のコイル形状を良くする研究を行っているが、ＰＩ制御を用いる従来のレイングヘッドの回転位置制御では、線材先端の落下位置は正確に制御できても、線材先端部のコイル形状の悪化を避け得ないこと、及びその悪化の原因が図３の破線や２点鎖線で示すような線材の先端がレイングヘッドの吐出口に到達した後も継続するレイングヘッドの回転速度の不安定にあることを見いだした。
【００１４】
即ち、線材の先端がレイングヘッドの吐出口に到達するまでは、レイングヘッドの回転速度の基準値からのずれは、コイル形状に一切影響を与えない。しかし、線材の先端がレイングヘッドの吐出口に到達した後、即ちその吐出口から線材が排出される過程では、レイングヘッドの回転速度が基準値（線材の進行速度に等しい）からずれることにより、コイルの巻き径がその基準値から変化するのである。このため、レイングヘッドの回転速度が基準値に安定するまでの間、線材の先端部においてコイルの形状が悪化することになる。
【００１５】
最近は線材製造速度が非常に速くなっている。このため、線材の先端がレイングヘッドの吐出口に到達した後も、レイングヘッドの回転速度の変動が続く場合が多く、線材先端部のコイル形状の悪化が顕著になってきた。線材先端の落下位置のずれは、その量が小さければ実操業上は特に問題を生じないが、線材先端部のコイル形状の悪化はコイル集積装置での引っ掛かりトラブルや製品荷姿の悪化等の原因になるので、これからの線材製造においては線材先端部のコイル形状の悪化を防止することの方がむしろ重要と考えられる。
【００１６】
本発明の目的は、線材の進行速度が速い場合も、その先端を決められた位置へ正確に落下させることができ、合わせて線材先端部のコイル形状の悪化を回避することができるレイングヘッドの回転位置制御装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明のレイングヘッドの回転位置制御装置は、内部を通過する線材を回転運動によりコイル状に成形して吐出口から放出するレイングヘッドを回転駆動する手段と、線材の先端位置をトラッキングして線材先端がレイングヘッドの吐出口に到達する時点における吐出口の回転位置を予測する手段と、吐出口の現在の回転位置を検出する手段と、予測された吐出口の回転位置を目標位置に一致させるのに必要なレイングヘッドの制御角度を求める手段と、制御角度、制御角度の変化率及び線材先端からレイングヘッドの吐出口までの残距離のうちの、少なくとも制御角度を含む１以上の因子を用いてレイングヘッドの回転速度の制御量を演算すると共に、その演算を行う際にその因子が大きいほどゲインを大きくする手段と、演算された制御量にてレイングヘッドの回転速度を制御する手段とを具備する。
【００１８】
本発明では、基本的にレイングヘッドの吐出口の制御角度を０として、その吐出口の回転位置を目標位置に一致させる。従来と異なるのは、レイングヘッドの回転速度の制御量を演算する際に、制御角度を含む１以上の因子を用い、その因子が大きいほどゲイン（因子の大きさに対する制御量の比率）を大きくすることである。即ち、その因子が制御角度の場合は、制御角度の大きい制御初期にゲインを大きくして感度の高い制御を行い、制御の進行により制御角度が小さくなるに連れてゲインを小さくして制御の感度を低下させるのである。こうすることにより、ゲインが一定の従来制御よりも制御時間が短くなり、線材の進行速度が速い場合にも、線材先端がレイングヘッドの吐出口に到達する時点までに制御が完了し、線材先端が決められた位置へ正確に落下すると共に、線材先端部のコイル形状の悪化が回避される。
【００１９】
このような制御量の演算には、具体的には例えばファジー推論等を用いることができる。また制御量を演算する際に用いる因子は、具体的には「制御角度のみ」、「制御角度＋制御角度の変化率」、「制御角度＋残距離」、「制御角度＋制御角度の変化率＋残距離」の４種類である。線材先端からレイングヘッドの吐出口までの残距離を用いることにより、残距離の大きいところで感度の高い制御が行われるので、線材先端がレイングヘッドの吐出口に到達した後も制御が継続する事態がより確実に回避される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図４は本発明の実施の形態に係る制御装置の構成図、図５は制御量の演算に使用されるファジー推論に用いられるメンバーシップ関数の説明図、図６は同ファジー推論に用いられるファジールールの説明図、図７は同ファジー推論の具体的手順を説明するためのメンバーシップ関数図である。
【００２１】
制御装置は、図４に示すように、線材１を製造する製造ラインの仕上圧延機２の下流側に設けられたレイングヘッド３の回転位置を制御するのに使用される。線材１は前述したようにレイングヘッド３を通過する際にコイルに成形されてコンベア４上に放出される。
【００２２】
レイングヘッド３はモータ５により回転駆動され、モータ５はドライブ装置６により制御駆動されることによりレイングヘッド３の回転速度を制御する。一方、仕上圧延機２はモータ７により駆動され、その入側及び出側には、制御開始のタイミングをとらえるために、線材１の先端通過を検出するセンサ８，９が配設されている。また、仕上圧延機２を駆動するモータ７には、線材１の進行速度Ｖｎ及び進行距離を検出するために、パルスジェネレータ１０が付設されており、レイングヘッド３を駆動するモータ５には、レイングヘッド３の回転速度Ｖｈを検出するためのパルスジェネレータ１１と、レイングヘッド３の吐出口の現在位置を検出するためのパルスジェネレータ１２とが付設されている。
【００２３】
制御では、線材１の先端がセンサ８により検出された時点から、パルスジェネレータ１０により検出された線材１の進行速度Ｖｎが回転位置予測手段１３に与えられる。また、パルスジェネレータ１１により検出されたレイングヘッド３の回転速度Ｖｈがこの回転位置予測手段１３に与えられる。そして、回転位置予測手段１３は与えられた情報を用いて次の手順により、線材１の先端がレイングヘッド３の吐出口に到達する時点における吐出口の回転位置を予測する。より具体的には、吐出口が現在位置Ｐから予測位置Ｒｙまで移動する間のレイングヘッド３の回転量Ｒを演算する（図２参照）。
【００２４】
まず、仕上圧延機２を駆動するモータ７に付設されたパルスジェネレータ１０の出力パルス数をカウントすることにより制御開始からの線材１の進行距離を求め、この進行距離をセンサ９と吐出口の間の距離から差し引くことにより、線材１の先端から吐出口までの残距離Ｌ（ｍ）を求める。また、線材１の進行速度Ｖｎとレイングヘッド３の回転速度Ｖｈとの速度比であるリード率α（Ｖｎ／Ｖｈ）を求める。このリード率αは、吐出口から放出される線材１のコイル径を一定に維持するために、通常（制御時以外）は１とされる。
【００２５】
線材１の先端がＶｎ（ｍ／ｓ）の速度で残距離Ｌ（ｍ）を通過するために要する時間ｔはｔ＝Ｌ／Ｖｎ（ｓ）となる。この間のレイングヘッド３の回転量Ｒは、レイングヘッド３の直径をＤ（ｍ）とすると、Ｒ＝ｔ×Ｖｈ／πＤ＝Ｌ／Ｖｎ／Ｖｈ／πＤ＝Ｌ／πＤ×α（ｍ）となる。線材１の先端が吐出口に到達する時点における吐出口の予測位置Ｒｙは、吐出口の現在位置をＰとすると、Ｐ＋Ｒになる（図２参照）。
【００２６】
また、吐出口の回転位置の予測と並行して、パルスジェネレータ１２の出力が回転位置検出手段１４に入力されることにより、吐出口の現在位置Ｐが検出される。そして、吐出口の目標回転位置を設定する回転位置設定手段１５から出力される吐出口の目標位置Ｐｏと、上述した吐出口の現在位置Ｐ、及び現在位置Ｐから予測位置Ｒｙまでのレイングヘッド３の回転量Ｒとから、吐出口の予測位置Ｒｙを目標位置Ｐｏに一致させるのに必要なレイングヘッド３の制御角度θ（＝Ｐｏ−Ｐ−Ｒ）が演算され、制御量演算手段１６に与えられる。また、制御角度θの変化率ｄθ／ｄｔ、及び残距離Ｌが制御量演算手段１６に与えられる。
【００２７】
制御量演算手段１６は、制御角度θ、制御角度θの変化率ｄθ／ｄｔ、及び残距離Ｌを用いてファジー推論により、レイングヘッド３の回転速度の制御量を演算する。その演算手順は以下の通りである。
【００２８】
制御角度θ、制御角度θの変化率ｄθ／ｄｔ、及び残距離Ｌについては図５のようなメンバーシップ関数と、図６に示すようなファジールールが設定されている。ここにおけるルールの基本は、制御角度θ、制御角度θの変化率ｄθ／ｄｔ、及び残距離Ｌのいずれの入力因子についても、それが大きい程、因子の大きさに対する制御量の比率、即ちゲインを大きくするというものである。図６に示すファジールール中の数字がゲインに対応する。
【００２９】
説明を簡単にするために、ファジー入力因子として制御角度θ及び制御角度θの変化率ｄθ／ｄｔを用いる場合につき、図７を参照してファジーの演算内容を説明する。なお、その演算には高さ法を用いた。また、制御角度θのメンバーシップ関数を示す図の横軸は、実際の角度（°）をスケーリングしたものである。スケーリング係数は0.０２であり、±１は±２００°に対応する。
【００３０】
制御角度θが１０８°であり、制御角度θの変化率が０の場合、高さ法によってファジー演算及びデファジー化を行うと、図７（ａ）または図７（ｂ）のデータが得られる。このときの出力Ｙは下式よりＹ＝0.１６となる。

【００３１】
これを更にスケーリングしたものをレイングヘッド３の回転速度の制御量とする。そして、レイングヘッド３の回転速度の基準値を設定する回転速度設定手段１７から出力される基準速度に上記制御量を加えたものを指示速度としてモータ５のドライブ装置６に与える。
【００３２】
線材１の先端がセンサ９により検出されると、ここで先端位置を補正し、制御を続ける。仕上圧延機２の入側に設けられたセンサ８のところから制御を開始することにより、制御時間が確保される。
【００３３】
このようにしてレイングヘッドの回転位置を制御した場合の制御出力の経時的な変化を図８に示す。図３との比較から明らかなように、本発明の場合はＰＩ制御を用いた従来の場合よりも短時間で吐出口が目標位置に制御され、レイングヘッド３の回転速度が基準値に戻る。その結果、線材先端の落下位置精度が向上する。また、線材１の先端が吐出口に到達した後におけるレイングヘッド３の回転速度の変動が抑制されることにより、線材先端部のコイル形状の悪化が回避される。
【００３４】
図９（ａ）は線材先端の落下位置のばらつきを本発明の場合とＰＩ制御を用いる従来の場合とについて示す図表である。本発明の方が、低速から高速まで落下位置精度が高く、特に高速圧延でその効果が顕著である。また、図９（ｂ）は線径５．５ｍｍ、速度６０ｍ／ｓで圧延を行う場合の制御終了時（線材先端が吐出口に到達した時点）におけるレイングヘッドの回転速度偏差を示す図表である。本発明により、レイングヘッドの回転速度偏差が約１／５に減少し、線材先端部のコイル形状は手入れが不要なレベルまで改善された。
【００３５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のレイングヘッドの回転位置制御装置は、レイングヘッドの回転速度の制御量を演算する際に、制御角度、制御角度の変化率及び線材先端からレイングヘッドの吐出口までの残距離のうちの、少なくとも制御角度を含む１以上の因子を用い、その因子が大きいほどゲインを大きくすることにより、ゲインが一定の従来制御よりも制御時間が短くなるので、線材の進行速度が速い場合も、線材先端がレイングヘッドの吐出口に到達する時点までに制御を完了させることができる。従って、線材の進行速度が速い場合も、線材の先端を決められた位置へ正確に落下させることができる。また、線材先端がレイングヘッドの吐出口に到達する時点までにレイングヘッドの回転速度が基準値に復帰することにより、線材先端部のコイル形状の悪化を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】線材の製造ラインを示す模式図である。
【図２】レイングヘッドの吐出口の回転位置を示す模式図である。
【図３】ＰＩ制御を用いてレイングヘッドの回転位置を制御する場合の制御出力の経時的な変化を示す図表である。
【図４】本発明の実施の形態に係る制御装置の構成図である。
【図５】制御量の演算に使用されるファジー推論に用いられるメンバーシップ関数の説明図である。
【図６】同ファジー推論に用いられるファジールールの説明図である。
【図７】同ファジー推論の具体的手順を説明するためのメンバーシップ関数の説明図である。
【図８】ファジー制御を用いてレイングヘッドの回転位置を制御する場合の制御出力の経時的な変化を示す図表である。
【図９】本発明の効果を示す図表である。
【符号の説明】
１ 線材
２ 仕上圧延機
３ レイングヘッド
４ コンベア
５，７ モータ
６ ドライブ装置
８，９ 先端センサ
１０，１１，１２ パルスジェネレータ
１３ 回転位置予測手段
１４ 回転位置検出手段
１５ 回転位置設定手段
１６ 制御量演算手段
１７ 回転速度設定手段

Claims (2)

1. 内部を通過する線材を回転運動によりコイル状に成形して吐出口から放出するレイングヘッドを回転駆動する手段と、線材の先端位置をトラッキングして線材先端がレイングヘッドの吐出口に到達する時点における吐出口の回転位置を予測する手段と、吐出口の現在の回転位置を検出する手段と、予測された吐出口の回転位置を目標位置に一致させるのに必要なレイングヘッドの制御角度を求める手段と、制御角度、制御角度の変化率及び線材先端からレイングヘッドの吐出口までの残距離のうちの、少なくとも制御角度を含む１以上の因子を用いてレイングヘッドの回転速度の制御量を演算すると共に、その演算を行う際にその因子が大きいほどゲイン（因子の大きさに対する制御量の比率）を大きくする手段と、演算された制御量にてレイングヘッドの回転速度を制御する手段とを具備することを特徴とするレイングヘッドの回転位置制御装置。
2. 前記制御角度を含む１以上の因子は「制御角度のみ」、「制御角度＋制御角度の変化率」、「制御角度＋残距離」又は「制御角度＋制御角度の変化率＋残距離」である請求項１に記載のレイングヘッドの回転位置制御装置。

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