In this thesis the dynamic characteristics of the radial axial ring rolling process were investigated, and an effective control algorithm for this process were presented. The investigations were performed for the growth of rolled ring and the relationships between the roll movements and the forming zone geometries brought about by these motions. The dynamics of the forming actions and guide roll motion were also analyzed. The results of this analysis shows that the ring rolling process reveals nonlinear characteristics and parameter variations in the dynamics. During the forming actions the yield shear stress of ring material which critically influences the deformed state varies considerably with the rolling time. The resulting yield shear stress variation affects the resultant forces applied to the pressure roll and conical roll, resulting in the variation of these roll motions. In the guide roll dynamics, the ring stiffness is affected by the change of ring geometry and also largely uncertain during the rolling process due to the temperature variation of rolled ring.
In order to deal with this parameter variations an adaptive controller for the pressure roll and conical roll motion has been developed to improve the final quality of the rolled ring products. This controller takes into account the relationships between the roll motions and the forming zone geometries as well as the uncertain parameters in the dynamics which arise from the yield shear stress variation. A similar adaptive algorithm has been applied for the force control of guide roll, taking into consideration the ring stiffness variation. In this adaptive control system, the ring stiffness is estimated by the force error signals, and the feedback gain in the force feedback block is changed by the force errors and current ring geometry.
Simulation studies were performed to see the effectiveness of these controllers. The simulation results show that the process controller with the developed adaptive algorithms are fairly insensitive to the variations of process dynamics, and yields desirable dimensional accuracy of rolled ring.
본 논문에서는 환상 압연 공정의 동특성에 대한 해석과 최종 제품의 품질을 향상시킬 수 있는 제어 방법을 제시하였다. 환상 압연 공정에서는 압력롤(Pressure Roll)및 원추롤(Conical Roll)에 의해서 소재링의 폭 및 높이 방향의 성형이 수행되며, 한 쌍의 안내롤(Guide Roll)은 링의 안정된 성형과 진원도를 유지시켜 주게 된다. 이러한 각 롤들의 운동은 최종 링 제품의 품질에 큰 영향을 미치기 때문에 공정중 성형되고 있는 링 및 각 롤들의 동특성에 대한 해석이 선행되었다. 이러한 해석의 결과로 환상 압연 공정은 비선형 특성과 매개 변수 변화가 있다는 것을 확인하였다. 이와 같이 매개 변수 변화가 있는 환상 압연 공정은 기존의 일정한 제어기 계인을 사용한 제어기로는 원하고자 하는 제어 특성을 얻을 수 없게 되므로 본 논문에서는 적응 제어기를 설계하였다.
압력롤 및 원추롤의 운동을 제어하는 경우에는 링의 온도 변화에 따른 전단 항복 응력의 변화가 각 롤들에 작용하는 성형력에 대한 예측을 불가능하게 만든다. 따라서 이러한 문제의 해결을 위하여 매개 변수 추정 방법을 사용한 적응 제어기를 설계하였다. 유도된 적응 제어기의 제어 성능을 조사하기 위하여 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하여 비적응 제어기의 제어 성능과 비교 하였다. 그 결과 유도된 적응 제어기는 비적응 제어기에 비하여 훨씬 제어 특성이 우수하여 정밀한 치수의 최종 제품을 얻을 수 있었다.
안내롤의 운동에 대한 제어 시스템을 구성하는 경우에는 링의 강성(Stiffnesss)이 링의 형상과 온도에 따라서 변화기 때문에 기존의 제어기로는 좋은 특성을 얻기가 어려우므로 이러한 강성의 변화를 고려하여 적응제어기를 설계하였다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 이 적응 제어기의 제어 성능이 비적응 제어기에 비하여 훨씬 우수함을 알 수 있었다.
