轧制过程及其装置控制系统

1、2 轧制过程及其装置控制系统,几个基本概念： 手动控制靠人力直接完成的控制动作。 自动控制指在没有人直接参与的情况下，利用控制系统使被控对象或生产过程自动地按照预定的规律所进行的控制。 自动控制系统进行自动控制时，具有信息传递，并由被控对象和控制装置所组成的系统,计算机控制系统由电子计算机对自动控制系统进行管理，使被控对象按计算机的逻辑判断，在所设计的数学模型规定的最优状态下进行控制的系统。 过程指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程,2.1 自动控制系统的基本组成和控制原理,一、自动控制系统的基本组成 1. 给定量：是系统的输入部分，是希 望被控量所能达到的值。自动控制的目

2、的就是希望在整个的运行过程中被控量尽可能地复显给定量。 2. 比较环节：指给定量与测量值进行比较的一种装置。一般做“减法”，通过控制系统使该偏差减小或消失,3. 校正环节（调节器）：校正输入量与反馈量之间的信号偏差，以提高系统的稳定性。 4. 放大环节：将校正环节的信号放大，使之与执行机构的输入信号匹配。包括：信号本身的放大、功率放大。 5. 执行机构：将被控对象的被控量调节到目标值上的机构。其形式有电气、液压、气动设备,6. 被控对象：控制系统所要控制的具体对象，通常指被控制的设备或过程，如轧机、轧制生产工艺过程等。 7.被控量（输出量）被控制的物理量，是指被控对象中要求维持等于或接近给定值

3、的物理量。如：轧制速度、轧件厚度、压下位置、张力等。 8. 检测装置：用来测量被控对象中被控量大小，并进一步将其转换为与给定量同一量纲的一种装置,9. 扰动量：指一切扰动被控对象稳定运行，引起被控量偏离给定值的信号，或妨碍系统的输出，使输出量达不到所要求的目标值。如：来料厚度不均、材质不均、温度不均等,二、自动控制系统构成的基本形式,1. 开环控制系统 (1) 概念：输出量不会返回影响输入量 的直接控制系统。 (2) 特点： 系统的输出量不参与控制作用 系统结构简单，指令流单向传递 控制较及时，但受扰动量影响后，被控量的偏差无法消除,开环控制系统框图 （3） 应用：输入量与输出量的关系已 知，

4、且无内、外干扰时； 或控制精度不高的场合。 例如：来料厚度的控制、来料温度的控制等,2. 闭环控制系统,1）概念：被控量送回输入端，与设定值 进行比较，根据偏差进行反馈 控制，使整个系统构成一个闭 环,2）特点： 控制被控量，达到被控量与设定值一致 对扰动量有一定抑制作用 具有滞后性 系统内部配合不当，可能引起系统误 差 系统结构较复杂 （3）应用：广泛,3. 复合控制系统: 即两者的组合 特点: 系统的结构趋于复杂 既具有开环控制系统的稳定性,又具有闭环控制系 统的精度。 实际应用 中，以闭环控 制系统为多,三、闭环控制系统的结构,1.闭环控制系统的结构,2. 系统的任务三大任务 其一：对被

5、控量的正确测量与及时报告 检测系统 其二：将实际测量到的被控量与希望保 持的给定量进行比较、运算和控 制方向的判断，发出控制指令 控制系统 其三：由执行机构，使被控量控制到所 希望保持的数值上 执行系统,3. 控制原理 通过检测系统对被控对象的被控量所 作出的正确测量以及及时的报告，由控制 系统将实际检测到的被控量与希望保的给 定量进行比较、处理、运算和控制方向的 判断，发出控制指令给执行系统，由执行 机构担当调整的任务，使被控量控制到所 希望保持的数值上,三、自动控制系统的分类及传递函数,1.自动控制系统按设定值的不同，有三 种： 1）定值控制系统：设定值保持不变的反 馈控制系统。 应用：在

6、工业中有着广泛育应用，如 各种温度、压力、流量、液 位、厚度、张力等,2）随动控制系统：设定值不断变化，且 事先是未知的，要求系统的输出（被 控量）随之而变化的控制系统。 如：雷达跟踪系统等 3）程序控制系统：设定值是变化的，且 是一个已知的时间函数，即根据需要 按一定时间程序变化的控制系统。 如：程序控制机床、退火炉的温度 等,2.传递函数 1）概念：当所有初始值为零的条件下，系统输出量与输入量拉普拉斯变换之比。 2）作用：将控制系统各个控制环节的不同数学模型按一定的运算法则进行表达，以便进行严谨续密的分析。 因此：传递函数表达了环节或系统本身的特性，而与输入量无关。当设计一个自动调节系统时

7、，可以用各子环节的传递函数进行组合，得到总传递函数，热后再逆运算就会得到时域空间的过渡过程描述,四、自动控制系统的基本要求,1. 问题的提出：在任何控制系统中，总有一定的贮能元件：如质量（转动惯量）、电容、电感、弹性变形或类似于这类性能的部件，因而存在一个“惯性”问题，即保持原来运动状态的特性。系统在调整过程中，也就是完成从原来的平衡状态到新的平衡状态需一定的调整时间，这一调整时间及其过程称为过渡过程时间 ，它是动态的，而平衡状态则是稳态的（静态）。为保证系统的正常工作而对系统提出基本要求,2. 自动控制系统的基本要求 包括动态特性与静态特性（稳态特性）两部分： （1）动态特性： 稳定性要求：

8、即要求在系统的调整过程中的震荡是减幅震荡，最后趋于平衡而达到正常工作状态。 暂态品质要求： 暂态品质包括调整过程的快慢、震荡次数、震荡时被控量与给定量之间的 最大误差,2）静态特性精度要求：用稳态误差来描述 ，稳态误差指的是系统达到稳态时，输出量与给定量之间的偏差，是系统的误差问题 。 归纳：对闭环控制系统的基本要求：(1)系统稳定，这是必须满足的基本条件；(2)过渡过程时间不能过长，要在工艺允许范围内；(3)超调量不能过大，要在生产工艺允许范围内；（4)稳态精度要满足工艺要求,2.2 计算机控制系统的基本类型和应具 备的性能,一、计算机控制系统的基本类型 早期计算机采用电子管作为单元 组成，

9、体积大、成本高、性能差。随着半导体技术的发展，计算机运算速度和可靠性不断提升，且成本也有所下降。随着集成电路技术的发展，计算机技术又有了新的发展。主要体现在运算速度快、体积小、工作可靠、成本下降,到了20世纪70年代，随着大规模集成电路技术的成熟，于1972年生产出微型计算机，使计算机控制技术进入了一个崭新阶段。加上网络技术的飞速发展，使计算机控制系统从传统的集中控制系统发展为分散控制系统。当今，要求计算机控制系统作为一个系统与生产过程结合在一起，故计算机控制按分工不同，有如下各系统,1. 数据采集系统（巡回检测系统） （1）概念： 数据采集（数采）计算机通过各种检测设备检测各种过程变量，这种

10、检测就叫计算机采集。 过程变量可以是模拟量、脉冲量、数字量、开关量等,2）系统功能 采集：获得各过程变量的原始数据 量纲换算数模转换（A/D） 计算：由中央处理器（CPU）进行 数学分析：由中央处理器进行 数据加工：由中央处理器进行 结果输出：通过显示或打印结果（数 据）提供给操作人员,3）目的：记录和显示轧制过程中的 各种不同轧制情况，以分 析和研究轧制过程，建立 和改善轧制过程的数学模 型。 该系统不参与对“过程”的控制,2. 操作指导系统 （1）结构形式： 在线操作指导系统 ：把测量与过程状态数据直接送计算机，在计算机中对这些数据进行运算、分析、决策后，通过显示器CRT或打印机向操作人员

11、提供操作指导信息，供操作人员参考。 离线操作指导系统 ：测量数据只提供给操作人员，由操作人员通过键盘再把数据送人计算机,2）功能：起操作指导作用，即计算 机根据每时每刻的过程信息，向操作人 员发出最佳指令各控制量应有的、 合理的或最优的数据，而操作人员把自 己的判断和计算机给出的指令很好地结 合起来去改变控制器的设定值,3. 直接数字控制系统（DDC） （1）控制过程：计算机通过模拟量输入 通道(A/D)和开关量输入通道(DI)实时采 集数据，然后按照一定的控制规律进行 计算，最后发出控制信息，并通过模拟 量输出通道（D/A)和开关量输出通道 (DO)直接控制生产过程。DDC系统属于 计算机闭

12、环控制系统，是最普遍的一种 应用方式,2）系统构成,DDC构成,3）优点 一台计算机可控制多个回路， 从而可充分 发挥计算机的潜在能力 精度高 抗干扰能力强 易于调试,4. 监督计算机控制系统（SCC）（1）控制系统构成,2）功能： 利用反映生产过程的数据及其合理的、优化的数学模型，为DDC计算机提供各种最佳的控制信号，例如最佳给定值、最优控制量等 按计算机的设定值调整控制器的设定值 强大的、精确的计算能力,5. 多级控制系统管理信息系统 （1）系统的引出：随着生产规模的不断扩大，信息来源的日益丰富，对计划管理和信息收集的及时性要求越来越高，这就要求管理层计算机系统能直接指挥过程计算机，过程计

13、算机也能直接向管理计算机进行汇报，而形成上、下位机的模式，从而构成了多级计算机控制体系。多级计算机控制由 计算机网络来实现,2）系统的构成,3）各控制级的分工 DDC级直接控制轧制生产过程，主要进行比例、积分、微分控制等各种数字直接控制，并可进行程序、顺序、比值、申级、前馈以及延迟补偿等各种控制的计算，同时可进行数据收集、监视报警等。 SCC级最优控制的设定计算；指挥DDC级工作；调整常规控制器的设定值，并给操作人员发出操作指令等。 MIS级生产管理级，承担生产计划及管理、质量控制、生产跟踪、财务会计、销售、人事工资、经营决策等任务，并指挥SCC级进行工作,6. 分散控制系统 （1）系统的产生

14、：随着计算机技术的发展， 特别是微型机与网络的发展，形成以各行其 能的多台微型机为基础的分散控制系统。 （2）控制策略：采用分散控制、集中操作、 分级管理、综合协调等设计原则，即从综合 自动化角度出发，按功能分散、危险分散、 管理集中、应用灵活等原则设计，使系统既 具有高可靠性能，又便于维修与更新，并具 有达到系统最优化的目标,3）集散控制系统分布式控制系统：具有分散控制、信息集中管理等特点的系统，是分散控制系统的发展产物。 目前，在大型、复杂工程系统的最优控制中，即大系统控制理论中引入了“分解”和“协调”设计原则。分解就是在设计过程中把高阶大系统细分，分解成若干个低阶的相关子系统。这些子系统

15、相互间尽可能独立，藕合关系应减至最小，这样便于采用一般最优化控制理论去设计局部控制器，分别控制各子系统，达到最优，进而达到整个大系统的相对最优化控制。协调就是在上述局部最优化基础上考虑各子系统之间的相互影响和相互藕合作用，设计协调控制器，使各局部控制器协调起来，达到整个系统最优,二、过程控制计算机应具备的性能,很高的可靠性：计算机的可靠性用平 均无故障时间来衡量 。 使用备用机：CPU的“二重化”系统和双机切换系统 多层次的通信设计，以足够的运算速度与响应特性 应具有可维护性 保密性能,2.3 计算机对轧制过程控制的基本内容 和功能,以2050热连轧机组为例： 一、生产工艺流程 原料加热轧制冷

16、却及精整 二、计算机控制系统的功能 为控制上述工艺流程，采用了四级计算机控制系统,1. 系统结构,2. 控制系统的功能 管理级系统（MS级）：是热连轧厂的一个相当完整的生产管理系统，该系统通过高速数据通道、3814通道开关控制器、3725通信控制器与各终端以及生产控制系统级联结。其功能在于直接与生产控制级发生联系，向它们发出生产计划等指令，同时与公司管理级联网，向他们及时提供数据，并接收公司级管理机的数据与指令,生产控制系统级（FLS）：3台计算机构成 功能有：轧制线生产控制用计算机完成从板坯库到轧制线的管理和生产控制，包括板坯管理，磨辊车间管理，整个轧制线（包括粗轧段与精轧段）的物流、信息流

17、控制、DDQ库管理等。 精整线生产控制计算机负责精整线生产管理及成品发货管理，管理对象是三条横切线、一条纵切线、一条平整线、两个发货口、钢卷库、成品库、铁路库中钢卷和捆包等。备用机除备用外，在平时用作功能开发和程序修改,过程控制系统级(PCC) ：4台过程机的安排为：加热炉过程机(FCS)；粗轧过程机（RMC)；精轧过程机（FMC)和备用机（STC)。各自完成控制区域的控制内容。 基础自动化控制系统级(BA) ：由7台MMC-216、5台SIMARIC-S5和其他型号的可编程控制器组成， 主要完成各设备的位置控制功能,三、热轧计算机控制系统的特点,热轧计算机控制系统是集管理、生产、控制、信息为一体的完整的自动化系统。该系统在结构体系方面与可靠性方面都有一定的特点。 结构体系方面：为“负荷分担”和“集散型”结构体系特征。优点在于系统分工明确，负荷分配均匀，不会使系统陷于某些不利条件下运行,可靠性方面：为保证系统正常工作