材料成形过程自动化全册配套最完整精品课件.ppt

1、材料成形过程自动化全册配套材料成形过程自动化全册配套 最完整精品课件最完整精品课件 材料成形过程自动化 第第1章章 绪论绪论 1.1 材料成形过程自动化的重要性和必要性材料成形过程自动化的重要性和必要性 1.2 本课程的核心内容和特点本课程的核心内容和特点 1.3 如何学好本课程如何学好本课程 1.4 解决问题示例解决问题示例 1.5 中厚板工程介绍中厚板工程介绍 1.1 本课程的重要性和必要性本课程的重要性和必要性 材料成型及控制工程专业培养目标：材料成型及控制工程专业培养目标： l 本专业主要研究各种材料成形的工艺方法、质量控制以本专业主要研究各种材料成形的工艺方法、质量控制以 及材料成型

2、的机械化和自动化。是集材料制备与成形及及材料成型的机械化和自动化。是集材料制备与成形及 过程自动化为一体的综合性学科。过程自动化为一体的综合性学科。 l 本专业培养冶金及装备制造业需要的材料成形科研、生本专业培养冶金及装备制造业需要的材料成形科研、生 产及管理方面的高级工程技术人员，通过基础课及专业产及管理方面的高级工程技术人员，通过基础课及专业 课的学习，掌握材料成形的基础知识，具备新材料、新课的学习，掌握材料成形的基础知识，具备新材料、新 产品、新工艺开发的能力。产品、新工艺开发的能力。 1.1 本课程的重要性和必要性本课程的重要性和必要性 材料成型及控制工程专业所属学科：材料成型及控制工

3、程专业所属学科： 0805 材料科学与工程材料科学与工程 （一级学科）（一级学科） 080501 材料物理与化学材料物理与化学 080502 材料学材料学 080503 材料加工工程材料加工工程 （二级学科） 1.1 本课程的重要性和必要性本课程的重要性和必要性 5级级人类不断增长的文化需要，人类不断增长的文化需要， （1哲学哲学2文学文学3法学法学4艺术学艺术学5历史学历史学6教育学教育学7军事学军事学8经济学）经济学） 4级级人类不断增长的物质需要（包括军事），生活必需品供应 3级级制造，建筑，运输，自动化计算机，信息（通讯），贸易流通，能源动力； 2级级冶炼与材料，加工，化工， 1级级9

4、农学10工学11理学12医学13管理学， 养殖（植物动物水产），采矿（煤炭石油金属非金属），水力风力电力，水利 0级级自然资源与能源，1)土地2)海洋3)河流4)矿藏5)风力6)阳光 1.1 本课程的重要性和必要性本课程的重要性和必要性 材料成型及控制工程专业毕业生适应范围：材料成型及控制工程专业毕业生适应范围： l 本专业的毕业生适合工业企业、科研和设计单位以及高等院校，本专业的毕业生适合工业企业、科研和设计单位以及高等院校， 从事与材料制备与成形有关的科研、教学、技术开发、技术改造从事与材料制备与成形有关的科研、教学、技术开发、技术改造 及经营管理等方面的工作。及经营管理等方面的工作。 l

5、 此外，本专业非常注重培养学生多方面的综合能力，尤其是适应此外，本专业非常注重培养学生多方面的综合能力，尤其是适应 未来信息社会快速高效发展的能力，使毕业生掌握一定的新材料未来信息社会快速高效发展的能力，使毕业生掌握一定的新材料 、新能源、信息科学与技术、自动化、计算机等诸多相关领域的、新能源、信息科学与技术、自动化、计算机等诸多相关领域的 知识和技术，学生的就业面大大拓宽，符合未来社会对综合型人知识和技术，学生的就业面大大拓宽，符合未来社会对综合型人 才的要求。才的要求。 l 本专业毕业生遍及冶金、机械、汽车、航空航天、电子、信息、本专业毕业生遍及冶金、机械、汽车、航空航天、电子、信息、 交

6、通、建筑等国民经济各个领域，社会需求量大。交通、建筑等国民经济各个领域，社会需求量大。 1.1 本课程的重要性和必要性本课程的重要性和必要性 材料成型及控制工程专业主要课程：材料成型及控制工程专业主要课程： 1.数学、工程力学、材料成形力学数学、工程力学、材料成形力学 2.金属学及热处理、材料成形理论与工艺、控制轧制与控制冷却金属学及热处理、材料成形理论与工艺、控制轧制与控制冷却 3.机械原理及零件、材料成形机械设备机械原理及零件、材料成形机械设备 4.电工与电子技术、微机原理与计算机应用电工与电子技术、微机原理与计算机应用 5.材料成形过程控制材料成形过程控制及自动控制理论等。及自动控制理论

7、等。 1.1 金属塑形加工学金属塑形加工学-轧制理论与工艺轧制理论与工艺 1. 大力开发高精度轧制技术；（高精度化）大力开发高精度轧制技术；（高精度化） 2. 以物理冶金理论为基础，加强控制轧制和控制冷却研究和应以物理冶金理论为基础，加强控制轧制和控制冷却研究和应 用，提高产品的冶金质量，扩大品种；（组织和性能）用，提高产品的冶金质量，扩大品种；（组织和性能） 3. 大力推广连铸连轧工艺及短流程轧制技术；（新工艺）大力推广连铸连轧工艺及短流程轧制技术；（新工艺） 4. 轧制过程连续化的新进展轧制过程连续化的新进展-无头轧制技术；（连续化）无头轧制技术；（连续化） 5. 采用柔性化的轧制技术；（

8、自由化）采用柔性化的轧制技术；（自由化） 6. 轧制过程的自动控制和智能控制；轧制过程的自动控制和智能控制； 7. 深加工深加工 现代轧制工艺技术的特点和发展趋势：现代轧制工艺技术的特点和发展趋势： 1.1 本学科（材料成型与控制工程）特点本学科（材料成型与控制工程）特点 1. 以材料加工力学、金属学、摩擦学为理论基础，轧制以材料加工力学、金属学、摩擦学为理论基础，轧制 工艺学；工艺学； 2. 轧制过程赋予金属一定的尺寸和形状；精确化（高精轧制过程赋予金属一定的尺寸和形状；精确化（高精 度化）、高速化、连续化，与自动化学科的结合；度化）、高速化、连续化，与自动化学科的结合； 3. 轧制过程赋予

9、金属一定的组织和性能；控制轧制和控轧制过程赋予金属一定的组织和性能；控制轧制和控 制冷却；温度（加热冷却）、变形、组织（演变）、制冷却；温度（加热冷却）、变形、组织（演变）、 性能；与材料学科的结合；性能；与材料学科的结合； 1.1 本课程的重要性和必要性本课程的重要性和必要性 本课程历史沿革本课程历史沿革 授课年授课年级级第学期第学期课程名称课程名称学时学时类型类型“检测技术检测技术” 200097级级7压力加工自动化压力加工自动化32考查考查单独单独 200198级级6成形过程控制及自动化成形过程控制及自动化40考试考试单独单独 200299级级7材料成形过程自动化材料成形过程自动化60考

10、试考试并入并入 1.1 本课程的重要性和必要性本课程的重要性和必要性 工艺技术人员为什么要学习自动化知识？工艺技术人员为什么要学习自动化知识？ 1. 材料成形过程更加连续化、高速化、大型化、自动化；材料成形过程更加连续化、高速化、大型化、自动化； 2. 用户对产品质量要求更高、更苛刻；用户对产品质量要求更高、更苛刻； 3. 过程和控制、工艺和自动化联系越来越紧密；过程和控制、工艺和自动化联系越来越紧密； 4. 强烈需要复合型人才掌握复合型知识和技术；强烈需要复合型人才掌握复合型知识和技术； 1.2 本课程的核心内容和特点本课程的核心内容和特点 工艺工艺：材料成形理论与工艺（型、棒线，板、带，管

11、）， 控制轧制与控制冷却，金属学与热处理 设备设备：机械设备（轧机辊道等），动力设备（电力拖动和 液压传动），加热和冷却设备 自动化自动化：关键工艺参数和工艺过程的控制，以保证工艺路 线的实现； 1.2 本课程的核心内容和特点本课程的核心内容和特点 需要解决问题：效益，品种，质量，成本，产量需要解决问题：效益，品种，质量，成本，产量 l 品种是有无的问题品种是有无的问题 l 质量是好坏的问题质量是好坏的问题 l 成本是盈亏的问题成本是盈亏的问题 l 产量是快慢的问题产量是快慢的问题 l 效益是最终的问题效益是最终的问题 工艺是龙头，设备是基础，自动化是保证；工艺是龙头，设备是基础，自动化是保证

12、； 1.2 本课程的核心内容和特点本课程的核心内容和特点 1.检测技术检测技术 2.驱动：液压和电气传动（驱动：液压和电气传动（位置位置/ /压力压力） 3.关键工艺参数和工艺过程的控制关键工艺参数和工艺过程的控制 厚度、张力、温度、宽度、板凸度和平直度（板形）厚度、张力、温度、宽度、板凸度和平直度（板形） 、平面形状、侧弯、头部翘曲；、平面形状、侧弯、头部翘曲； 1.3 如何学好本课程如何学好本课程 1. 正确认识，多学习专业相关知识正确认识，多学习专业相关知识 2. 抓住核心，工艺抓住核心，工艺-设备设备-自动化相结合自动化相结合 3. 听课和阅读相结合，多看书和文献听课和阅读相结合，多看

13、书和文献 4. 与教师密切配合，多思考多问与教师密切配合，多思考多问 1.4 示例示例1-中厚板平面形状控制中厚板平面形状控制 工艺问题提出：工艺问题提出： 中厚板轧制过程通常采用固定尺寸的坯料生产不同宽度和不中厚板轧制过程通常采用固定尺寸的坯料生产不同宽度和不 同厚度的钢板，通常采用纵同厚度的钢板，通常采用纵-横横-纵或横纵或横-纵轧制方式，由于钢板纵轧制方式，由于钢板 头尾与中部在轧辊中的流动不一致，成品形状并不是矩形。头尾与中部在轧辊中的流动不一致，成品形状并不是矩形。 为提高成材率，减少切损，能否实现产品近矩形化？为提高成材率，减少切损，能否实现产品近矩形化？ 成材率损失组成成材率损失

14、组成 1.4 示例示例1-中厚板平面形状控制中厚板平面形状控制 不同的展宽和延伸得到钢板最终形不同的展宽和延伸得到钢板最终形 状不同，平面形状控制是使最终产状不同，平面形状控制是使最终产 品矩形化，减小轧件的切头尾和切品矩形化，减小轧件的切头尾和切 边损失，从而提高成材率的有效方边损失，从而提高成材率的有效方 法。法。 基本思想：对轧制终了的钢基本思想：对轧制终了的钢 板平面形状进行定量预测，板平面形状进行定量预测， 依据依据“体积不变原理体积不变原理”换算换算 后，在成形阶段和展宽阶段后，在成形阶段和展宽阶段 最末道次上进行厚度调整，最末道次上进行厚度调整， 改善最终的矩形度。改善最终的矩形

15、度。 1.4 示例示例1-中厚板平面形状控制中厚板平面形状控制 1.4 示例示例1-中厚板平面形状控制中厚板平面形状控制 实现以上功能的控制要点：实现以上功能的控制要点： 1. 根据不同产品的展宽比和延伸比计算板坯的根据不同产品的展宽比和延伸比计算板坯的 带载压下形状（数学模型）带载压下形状（数学模型） 2. 根据轧制速度校核轧机液压缸带载压下速度根据轧制速度校核轧机液压缸带载压下速度 是否满足要求（设备条件，在是否满足要求（设备条件，在1m/s轧制速轧制速 度下，液压压下速度度下，液压压下速度20mm/s） 轧制方向轧制方向 3. 平面形状控制模型计算结果设定（与基础自动化系统通讯）平面形状

16、控制模型计算结果设定（与基础自动化系统通讯） 4. 钢板在辊缝中的微跟踪精度，要求液压缸压下与抬起对称；液压钢板在辊缝中的微跟踪精度，要求液压缸压下与抬起对称；液压 缸位置控制系统的动态特性（基础自动化系统控制算法，设定与缸位置控制系统的动态特性（基础自动化系统控制算法，设定与 反馈跟随情况）反馈跟随情况） 1.4 示例示例1-中厚板平面形状控制中厚板平面形状控制 仅头尾形状控制一项可提高成材率仅头尾形状控制一项可提高成材率 1%以上，按中厚板厂年产以上，按中厚板厂年产120万吨计万吨计 算，可直接带来算，可直接带来1.2万吨的效益。万吨的效益。 液压缸油柱跟随情况液压缸油柱跟随情况 1.4

17、示例示例2-钢板头部翘曲控制钢板头部翘曲控制 问题提出：问题提出： 钢板咬入时由于一些不稳定因素的影响，常常发生头部上翘钢板咬入时由于一些不稳定因素的影响，常常发生头部上翘 或下扣的情况，上翘过大会损伤轧机、影响冷却和矫直；下扣过或下扣的情况，上翘过大会损伤轧机、影响冷却和矫直；下扣过 大会损害辊道寿命，常见的影响因素包括：大会损害辊道寿命，常见的影响因素包括： l 钢板上下表面温度差异钢板上下表面温度差异 l 下工作辊标高与轧制中心下工作辊标高与轧制中心线线不一致不一致 l 上下辊尺寸不一致上下辊尺寸不一致 l 其它设备因素等其它设备因素等 实际生产过程要求钢板头部最佳状态为微翘头，如何做到

18、？实际生产过程要求钢板头部最佳状态为微翘头，如何做到？ 1.4 示例示例2-钢板头部翘曲控制钢板头部翘曲控制 控制手段：控制手段： 钢板的头部弯曲状态可以通过咬钢时对上下工作辊的转速进钢板的头部弯曲状态可以通过咬钢时对上下工作辊的转速进 行控制，即行控制，即“雪橇轧制雪橇轧制”，但首先要找到上下辊速差与头部弯曲，但首先要找到上下辊速差与头部弯曲 之间的关系。之间的关系。 1.4 示例示例2-钢板头部翘曲控制钢板头部翘曲控制 利用有限元软件进行数值模拟：利用有限元软件进行数值模拟： 初始条件：初始条件： l 入口厚度：入口厚度：10mm-150mm l 压下率：压下率：5%-30% l 上下辊速

19、差：上下辊速差：1.0-1.2 模拟结果：模拟结果： l 轧出轧出1m处头部高度处头部高度 1.4 示例示例2-钢板头部翘曲控制钢板头部翘曲控制 对数值模拟计算的离散化结果进行拟合处理，可采用多种方法，对数值模拟计算的离散化结果进行拟合处理，可采用多种方法， 下图为利用模糊神经网络训练下图为利用模糊神经网络训练 ，建立输入与输出之间的关系。，建立输入与输出之间的关系。 H=20 mm H=40 mm 1.4 示例示例2-钢板头部翘曲控制钢板头部翘曲控制 通过对钢板头部弯曲的人工反馈和所需的设定值，在拟合的关系通过对钢板头部弯曲的人工反馈和所需的设定值，在拟合的关系 中找到所需的辊速差设定，输出

20、至主电机实现头部弯曲的雪橇控制。中找到所需的辊速差设定，输出至主电机实现头部弯曲的雪橇控制。 1.4 示例示例2-钢板头部翘曲控制钢板头部翘曲控制 实现以上功能的控制要点：实现以上功能的控制要点： 1. 拟合得到上下辊速差与钢板头部弯曲之间关系（数学模型）拟合得到上下辊速差与钢板头部弯曲之间关系（数学模型） 2. 上下辊主电机否满足雪橇控制要求（设备条件，电流不能超上下辊主电机否满足雪橇控制要求（设备条件，电流不能超 过限幅）过限幅） 3. 根据头部弯曲反馈计算辊速差设定（通讯传递数据）根据头部弯曲反馈计算辊速差设定（通讯传递数据） 4. 咬钢时控制主电机转速，实现咬钢时控制主电机转速，实现“

21、雪橇雪橇”控制（基础自动化系控制（基础自动化系 统实现）统实现） 1.5 中厚板工程介绍中厚板工程介绍-首钢首钢3340mm 时间：时间：1998年，年，99年年10月月1221日，中修日，中修10日，恢复生产日，恢复生产 项目：项目：首钢中板厂首钢中板厂3340mm精轧机液压精轧机液压AGC的改造项目的改造项目 技术特点：技术特点：投资较少，多项专有技术，产品精度达到国内领先水平投资较少，多项专有技术，产品精度达到国内领先水平 成果：成果：2001年中国冶金科学技术二等奖和年中国冶金科学技术二等奖和2002年北京市科技进步二等奖年北京市科技进步二等奖 1.5 中厚板工程介绍中厚板工程介绍-首

22、钢首钢3500mm 时间：时间：2000年，年，2001年，年，2002年年10月月10日日2003年年1月月14日，日，98天天 项目：项目：首钢首钢3500mm中厚板四辊精轧机液压中厚板四辊精轧机液压AGC及控轧、控冷自动化控制系统及控轧、控冷自动化控制系统 国家十五攻关项目：首钢国家十五攻关项目：首钢3500mm中厚板轧机核心轧制技术和关键设备研制中厚板轧机核心轧制技术和关键设备研制 背景：背景： 当时国内共有当时国内共有27套中厚板轧机，除酒泉钢厂一套为全部引进外，其余套中厚板轧机，除酒泉钢厂一套为全部引进外，其余 26套大多是套大多是6070年代的水平；年代的水平； l装备水平低：轧

23、制力小，无法实现控制轧制；装备水平低：轧制力小，无法实现控制轧制； 无轧后冷却系统，无法实无轧后冷却系统，无法实 现现 控制冷却；控制冷却； l自动化程度低：不能实现全过程控制；自动化程度低：不能实现全过程控制； l产品质量差：无论从产品的尺寸公差还是品种质量，均远远不能满足国民产品质量差：无论从产品的尺寸公差还是品种质量，均远远不能满足国民 经济发展的需要；经济发展的需要； l通过引进、消化、吸收、改造，已经积累了相当的技术和经验；通过引进、消化、吸收、改造，已经积累了相当的技术和经验； 国家从行业的全局出发，从具备的条件和国家发展需要出发，国家从行业的全局出发，从具备的条件和国家发展需要出

24、发， 决定支持中厚板轧机核心轧制技术和关键设备研制的国产化决定支持中厚板轧机核心轧制技术和关键设备研制的国产化 1.5 中厚板工程介绍中厚板工程介绍-首钢首钢3500mm 首钢首钢3500装备的中国之最装备的中国之最 液压缸：直径液压缸：直径1450mm 压下速度压下速度29mm/s 牌坊单侧重牌坊单侧重325吨吨 高度：高度：13.320m 7000kW2 交流调速交流调速 轧制力：轧制力：70400kN 轧机刚度：轧机刚度：10700kN/mm 最完备的控制冷却系统最完备的控制冷却系统 1.5 中厚板工程介绍中厚板工程介绍-首钢首钢3500mm 2004年冶金科学技术奖一等奖年冶金科学技术

25、奖一等奖 2005年国家科技进步奖二等奖年国家科技进步奖二等奖 1.5 中厚板工程介绍中厚板工程介绍-唐钢唐钢3500mm轧机轧机 1.5 中厚板工程介绍中厚板工程介绍 l南钢中板技术改造工程南钢中板技术改造工程2500四辊精轧机液压四辊精轧机液压AGC及控轧、控冷自动化控制系及控轧、控冷自动化控制系 统，统，2001 l营口中板厂技术改造工程四辊精轧机液压营口中板厂技术改造工程四辊精轧机液压AGC系统，系统，2002 l河北文丰河北文丰3000mm中厚板精轧机液压中厚板精轧机液压AGC和轧后冷却控制系统，和轧后冷却控制系统，2004 l河北普阳钢铁有限公司河北普阳钢铁有限公司3500mm中厚

26、板轧钢工程中厚板轧钢工程HAGC系统系统 ，2006 l邯郸钢铁股份有限公司邯郸钢铁股份有限公司3500mm中厚板工程中厚板工程HAGC控制系统，控制系统，2006 l唐山中厚板材有限公司唐山中厚板材有限公司3500mm中厚板轧钢生产线自动化控制系统，中厚板轧钢生产线自动化控制系统，2006 l河北敬业集团河北敬业集团3000mm中厚板轧线自动化控制系统，中厚板轧线自动化控制系统，2007 l福建三钢福建三钢3000mm中板轧钢工程自动化控制系统，中板轧钢工程自动化控制系统，2007 l江阴长达江阴长达2800mm中板轧机中板轧机HAGC控制系统，控制系统，2007 l重钢集团环保搬迁重钢集团

27、环保搬迁4100mm宽厚板工程宽厚板工程AGC、AWC、过程自动化系统，、过程自动化系统， 2007 l武钢热轧总厂中厚轧板分厂技术改造工程主轧线自动化系统，武钢热轧总厂中厚轧板分厂技术改造工程主轧线自动化系统，2010 l首秦首秦4300mm中厚板轧机二级模型控制技术开发，中厚板轧机二级模型控制技术开发，2012 l福建三钢福建三钢3000mm中板平面形状控制和自动化系统技术开发，中板平面形状控制和自动化系统技术开发，2013 l唐山中厚板双机架唐山中厚板双机架AGC系统及平面形状开发，系统及平面形状开发，2015 1.5 中厚板工程介绍中厚板工程介绍-控制系统分级控制系统分级 计算机技术和

28、网络技术的发展，使自动化控制系统规模更大、应用计算机技术和网络技术的发展，使自动化控制系统规模更大、应用 更广；更广； 包括控制自动化和管理自动化；包括控制自动化和管理自动化； 一般分为一般分为4 4级，目前尚无绝对的一定的分级标准，根据行业不同、级，目前尚无绝对的一定的分级标准，根据行业不同、 企业规模不同以及管理者的管理理念不同，系统分级并不统一。企业规模不同以及管理者的管理理念不同，系统分级并不统一。 分级控制特点分级控制特点 4 4 企业资源计划（企业资源计划（ERPERP） 3 3 制造执行系统（制造执行系统（MESMES） 2 2 过程控制级（过程控制级（PCSPCS） 1 1 基

29、础自动化级（基础自动化级（BABA） 0 0 检测驱动级检测驱动级 1.5 中厚板工程介绍中厚板工程介绍-控制系统分级控制系统分级 具体内容具体内容 4 ERP4 ERP全称全称Enterprise Resources PlanningEnterprise Resources Planning，即企业资源计划，其核心内，即企业资源计划，其核心内 容是计划（容是计划（PlanningPlanning）。）。 3 MES3 MES制造执行系统（制造执行系统（Manufacturing Execution System AssociationManufacturing Execution Syste

30、m Association）生）生 产控制级（区域管理）：各工序之间的生产协调、物流管理、坯产控制级（区域管理）：各工序之间的生产协调、物流管理、坯 料和成品库的管理等；料和成品库的管理等； 2 2 过程控制级过程控制级PCSPCS：核心是基于模型的设定计算，围绕这个核心包括：核心是基于模型的设定计算，围绕这个核心包括 初始数据输入、跟踪、模型优化和自适应等；初始数据输入、跟踪、模型优化和自适应等； 1 1 基础自动化级基础自动化级：PLCPLC和和DCSDCS系统，逻辑顺序和闭环控制系统；系统，逻辑顺序和闭环控制系统； 0 0 检测驱动级：现场各种信号的检测和各种信号的执行；检测驱动级：现场

31、各种信号的检测和各种信号的执行； 材料成形过程自动化 东北大学 材料与冶金学院 第第2 2章章 材料成形过程计算机控制系统材料成形过程计算机控制系统 1、介绍计算机控制系统的基本概念 2、通过控制系统的组成控制系统的组成分析各个部分的作用和特性； 3、通过控制系统的基本要求控制系统的基本要求分析控制系统的评价指标 控制系统分析设计的基本原则 4、通过控制系统的分级和基本原理控制系统的分级和基本原理了解现代大型计算 机控制系统的基本功能和特点。 第第2 2章章 材料成形过程计算机控制系统材料成形过程计算机控制系统 2.1 控制系统的组成控制系统的组成 2.2 控制系统的基本要求控制系统的基本要求

32、 2.3 控制系统的分级和基本原理控制系统的分级和基本原理 2.4 系统功能简介系统功能简介 2.1 2.1 控制系统的组成控制系统的组成 涵盖内容：涵盖内容： 被控对象（传递函数被控对象（传递函数 常微分方程常微分方程 高阶）高阶） 被控量被控量 检测环节检测环节 执行变量、干扰量执行变量、干扰量 给定值给定值 比较环节比较环节 控制器、调节器控制器、调节器 自动控制系统基本包括以下几个部分：被控对象、被控量、干扰自动控制系统基本包括以下几个部分：被控对象、被控量、干扰 量、检测环节、给定量、比较环节、控制器。给定环节、检测环节、量、检测环节、给定量、比较环节、控制器。给定环节、检测环节、

33、比较环节、调节器和执行结构组合在一起，构成控制系统，目的是对比较环节、调节器和执行结构组合在一起，构成控制系统，目的是对 被动量进行控制。被动量进行控制。 2.1 2.1 控制系统的组成控制系统的组成 系统微分方程描述系统微分方程描述 k c )( 1 txk )(ty m )()( )()( 1 2 2 txktky dt tdy c dt tyd m 左右皆作傅立叶变换左右皆作傅立叶变换 )()()()( 1 2 XkkYjcYjmY 就得到其频响函数就得到其频响函数 kjcjm k X Y jH )()()( )( )( 2 1 将二阶系统将二阶系统 系统传递函数系统传递函数 kcsms

34、 k sX sY sH 2 1 )( )( )( 2.2 2.2 控制系统的基本要求控制系统的基本要求 1、稳定性、稳定性 2、快速响应性、快速响应性 3、稳态静差、稳态静差 2.2 2.2 控制系统的基本要求控制系统的基本要求 经典控制理论经典控制理论 在在复域（特别是频域）复域（特别是频域）内利用内利用传递函数传递函数（或频率特性）（或频率特性） 来研究与解决来研究与解决单输入单输出单输入单输出，线性、线性、定常定常系统的稳定性、系统的稳定性、 响应快速性与响应准确性问题；响应快速性与响应准确性问题； 常微分方程描述的对象特性；常微分方程描述的对象特性； l 闭环反馈闭环反馈 l 动态动态

35、 2.2 2.2 控制系统的基本要求控制系统的基本要求 现代控制理论现代控制理论 主要是在主要是在时域时域内利用内利用状态空间状态空间分析和综合的方法来研究分析和综合的方法来研究 与解决多输入多输出系统的最优化控制问题；高阶常微分与解决多输入多输出系统的最优化控制问题；高阶常微分 方程转化为一阶微分方程组，用以描述系统的动态过程，即方程转化为一阶微分方程组，用以描述系统的动态过程，即 状态空间法。可以解决多输入多输出问题，系统既可以是线状态空间法。可以解决多输入多输出问题，系统既可以是线 性的、定常的，也可以是非线性的、时变的。性的、定常的，也可以是非线性的、时变的。 2.2 2.2 控制系统

36、的基本要求控制系统的基本要求 智能控制理论智能控制理论 研究和模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研究和模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律， 研制具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统；为了解决精研制具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统；为了解决精 确性与复杂性的矛盾，出现了模糊数学和模糊理论；人具有运用确性与复杂性的矛盾，出现了模糊数学和模糊理论；人具有运用 模糊概念的能力，人脑的重要特点就是能对模糊事物进行识别和模糊概念的能力，人脑的重要特点就是能对模糊事物进行识别和 判决。判决。 2.2 2.2 控制系统的基本要求控制系统的基本要求 控制分类：控制分类： l反馈

37、控制反馈控制 l最优控制最优控制 l随机控制，随机控制，或称为试探控制，对于一个可能性空间很 大的控制对象，只要选择速度快，可采用随机控制 l自适应控制，自适应控制，能修正自己的特性以适应对象和扰动的 动态特性的变化 l自组织（自学习）控制，自组织（自学习）控制，根据环境变化和运行经验来 改变自身结构和行为参数进行控制 智能控制智能控制 2.3 2.3 控制系统的分级和基本原理控制系统的分级和基本原理 4 企业资源计划（企业资源计划（ERP） .公司级公司级 3 制造执行系统（制造执行系统（MES） .车间（厂）级车间（厂）级 2 过程控制级（过程控制级（PCS） .生产线生产线 1 基础自动

38、化级（基础自动化级（BA） .设备设备 0 检测驱动级检测驱动级 2.3 2.3 控制系统的分级和基本原理控制系统的分级和基本原理 4 ERP企业资源计划企业资源计划 (Enterprise Resources Planning) l 四级系统四级系统(L4级级)，企业资源计划系统，企业资源计划系统(ERP)是整合企业管理理念、是整合企业管理理念、 业务流程、基础数据、人力物力、计算机硬件和软件于一体的企业业务流程、基础数据、人力物力、计算机硬件和软件于一体的企业 资源管理系统资源管理系统; l 主要实现销售与分销售、物料管理、生产计划管理、财务管理、成主要实现销售与分销售、物料管理、生产计划

39、管理、财务管理、成 本控制、质量管理、设备管理、人力资源管理，以及企业生产经营本控制、质量管理、设备管理、人力资源管理，以及企业生产经营 各项数据、指标的统计分析。各项数据、指标的统计分析。 2.3 2.3 控制系统的分级和基本原理控制系统的分级和基本原理 3 MES制造执行系统制造执行系统(Manufacturing Execution System) l 位于上层计划管理系统与底层工业控制之位于上层计划管理系统与底层工业控制之 间的、面向车间层的管理信息系统。间的、面向车间层的管理信息系统。 l MES为操作人员、管理人员提供计划的执为操作人员、管理人员提供计划的执 行、跟踪以及所有资源（

40、人、设备、物料行、跟踪以及所有资源（人、设备、物料 、客户需求等方面）的当前状态信息。、客户需求等方面）的当前状态信息。 l MES能通过信息传递，对从订单下达到产能通过信息传递，对从订单下达到产 品完成整个的生产过程进行优化管理。当品完成整个的生产过程进行优化管理。当 工厂里面有实时事件发生时，工厂里面有实时事件发生时，MES能对此能对此 及时做出反应、报告，并用当前的准确数及时做出反应、报告，并用当前的准确数 据对它们进行指导和处理。据对它们进行指导和处理。 2.3 2.3 控制系统的分级和基本原理控制系统的分级和基本原理 l 三级系统三级系统(L3级级)，制造执行系统，制造执行系统(ME

41、S)属于生产车间级的管理信息属于生产车间级的管理信息 系统，是生产与计划之间的信息系统，是生产与计划之间的信息“集线器集线器”，是四级企业资源计划，是四级企业资源计划 系统和二级过程自动化控制系统之间的系统和二级过程自动化控制系统之间的“中间处理器中间处理器”。 l 主要实现原料管理、生产订单处理、工序详细调度、资源分配和状主要实现原料管理、生产订单处理、工序详细调度、资源分配和状 态管理、生产单元分配、过程管理、人力资源管理、维护管理、质态管理、生产单元分配、过程管理、人力资源管理、维护管理、质 量管理、文档控制、产品跟踪和产品清单管理、性能分析和生产实量管理、文档控制、产品跟踪和产品清单管

42、理、性能分析和生产实 绩数据采集。一般由区域管理计算机系统完成在线作业计划和生产绩数据采集。一般由区域管理计算机系统完成在线作业计划和生产 调度管理、质量跟踪控制等功能。调度管理、质量跟踪控制等功能。 3 MES制造执行系统制造执行系统(Manufacturing Execution System) 2.3 2.3 控制系统的分级和基本原理控制系统的分级和基本原理 2 PCS过程控制级（过程控制级（Process Control System） 主要功能：实现控制过程设定与优化主要功能：实现控制过程设定与优化 核心：基于模型的设定计算核心：基于模型的设定计算 功能：初始数据输入功能：初始数据输

43、入(PDI)、跟踪、模型优化和自适应等、跟踪、模型优化和自适应等 2.3 2.3 控制系统的分级和基本原理控制系统的分级和基本原理 2 PCS过程控制级（过程控制级（Process Control System） l 过程自动化控制系统，一般称为二级自动化控制系统过程自动化控制系统，一般称为二级自动化控制系统(L2级级)。 它是提高产品质量、保证生产过程优化控制的重要环节，主要它是提高产品质量、保证生产过程优化控制的重要环节，主要 实现控制功能设定计算、过程监视、区域跟踪等，并将最终设实现控制功能设定计算、过程监视、区域跟踪等，并将最终设 定的计算结果传递给基础自动化具体执行。另外，过程控制系

44、定的计算结果传递给基础自动化具体执行。另外，过程控制系 统还具备数据通讯、实测数据处理、数据管理、跟踪管理等为统还具备数据通讯、实测数据处理、数据管理、跟踪管理等为 设定计算服务的功能以及人机界面输出、工艺数据报表、记录设定计算服务的功能以及人机界面输出、工艺数据报表、记录 等为生产过程服务的功能。等为生产过程服务的功能。 l 设定计算功能是过程控制系统的核心，以轧制过程的数学模型设定计算功能是过程控制系统的核心，以轧制过程的数学模型 为基础，通过轧制负荷分配计算、板形控制参数计算和平面形为基础，通过轧制负荷分配计算、板形控制参数计算和平面形 状控制参数计算来保证轧机实现高精度厚度控制、板形控

45、制以状控制参数计算来保证轧机实现高精度厚度控制、板形控制以 及平面形状控制，并通过模型自学习来提高数学模型的精度。及平面形状控制，并通过模型自学习来提高数学模型的精度。 2.3 2.3 控制系统的分级和基本原理控制系统的分级和基本原理 红外测温仪 扫描式热检 待温 区域 1 48390mm 42000mm 28000mm X 除鳞 设备 四辊轧机 控冷设备 W 待温 区域 2 加 热 炉 待温 区域 3 待温 区域 4 等待出炉计算 坯料测温修正 W 阶段前修正计算 道次修正计算 自学习计算 过程跟踪 数据通讯与管理 2.3 2.3 控制系统的分级和基本原理控制系统的分级和基本原理 H T D

46、 自学习计算 过程跟踪 数据通讯 轧线方向 热检 测厚仪 测温仪 T T T T T 入炉预计算 粗轧道次修正 精轧前修正 精轧道次修正 终了处理 加热炉 除鳞机 粗轧机 运输区(待温区) 精轧机 H 待温时间修正 D 出炉修正计算 2.3 2.3 控制系统的分级和基本原理控制系统的分级和基本原理 2.3 2.3 控制系统的分级和基本原理控制系统的分级和基本原理 基础自动化 弹跳模型 轧制力模型 温度模型 实际辊缝 轧制力 出口厚度 设定辊缝 设定 轧制力 轧制力自学习 变形抗力模型 实际温度处理 实际温度 再计算 轧制力 实际 轧制力 变形抗力模型修正量 弹跳模型自学习 终轧实 测厚度 2.

47、3 2.3 控制系统的分级和基本原理控制系统的分级和基本原理 1 BA基础自动化级基础自动化级(Basic Automation) 设备控制级设备控制级 1) 逻辑控制、顺序控制、状态监视和操作控制；逻辑控制、顺序控制、状态监视和操作控制； 2) 位置自动控制系统；位置自动控制系统； 3) 张力控制系统；张力控制系统； 4) 厚度、宽度、板形、温度等自动控制；厚度、宽度、板形、温度等自动控制； PLC和和DCS系统，逻辑顺序和闭环控制系统；系统，逻辑顺序和闭环控制系统； 2.3 2.3 控制系统的分级和基本原理控制系统的分级和基本原理 1 BA基础自动化级基础自动化级(Basic Automa

48、tion) l 基础自动化系统，一般称为一级自动化系统基础自动化系统，一般称为一级自动化系统(L1级级)。承担生产工艺参数。承担生产工艺参数 的计量检测和设备控制功能。它从过程控制系统接受过程控制指令，从的计量检测和设备控制功能。它从过程控制系统接受过程控制指令，从 零级检测系统采集并处理过程信号，并向零级设备驱动系统发出控制信零级检测系统采集并处理过程信号，并向零级设备驱动系统发出控制信 号，实现单体设备以及多个设备的安全、有序、高精度的控制运转，以号，实现单体设备以及多个设备的安全、有序、高精度的控制运转，以 保证生产过程的顺利进行。保证生产过程的顺利进行。 l 基础自动化系统一般由可编程

49、控制器基础自动化系统一般由可编程控制器PLC组成，实现顺序控制、逻辑控组成，实现顺序控制、逻辑控 制、设备控制和质量控制。其中，顺序控制和逻辑控制是指辊道的运转制、设备控制和质量控制。其中，顺序控制和逻辑控制是指辊道的运转 控制、功能连锁、功能执行、停止控制等；设备控制是指基础自动化接控制、功能连锁、功能执行、停止控制等；设备控制是指基础自动化接 收来自过程控制系统的各项设定值或人机界面输入的设定值收来自过程控制系统的各项设定值或人机界面输入的设定值(辊缝、速度辊缝、速度 、弯辊力等、弯辊力等)，控制执行机构；质量控制是指具体执行厚度控制、板形控，控制执行机构；质量控制是指具体执行厚度控制、板

50、形控 制、平面形状控制等。另外，基础自动化还要实现生产数据的采集和处制、平面形状控制等。另外，基础自动化还要实现生产数据的采集和处 理、故障的诊断和报警、数据通讯等辅助功能。理、故障的诊断和报警、数据通讯等辅助功能。 2.3 2.3 控制系统的分级和基本原理控制系统的分级和基本原理 2.3 2.3 控制系统的分级和基本原理控制系统的分级和基本原理 0 检测驱动级：现场各种信号的检测和各种信号的执行检测驱动级：现场各种信号的检测和各种信号的执行 信号分为以下三类（接在信号分为以下三类（接在PLC的输入输出模板上）的输入输出模板上） l 模拟量：模拟量：AI/AO，电压，电压/电流电流 l 数字量