课件-1 第一章 绪论

1、/53板带轧机系统自动控制1 1 燕山大学燕山大学 /53板带轧机系统自动控制2 /53板带轧机系统自动控制3 李明 u课程学时：理论课24学时，实验课8学时 u课程考核：闭卷考试 （1）必须通过全部课程实验。 （2）课程考核包括5个部分：出勤（5%）、讨论课（PPT汇报， 5%）、项目（PPT汇报，18%） 、实验（12%）和结课考试 （60%）。 u课程教材及主要参考书 课程教材课程教材： 李明编. 板带轧机系统自动控制. 自编讲义。 课程主要参考书课程主要参考书： 连家创编. 板厚板形控制. 兵器工业出版社 /53板带轧机系统自动控制4 课程内容简介 1轧制生产

2、自动控制 冷轧 热轧 2轧制产品控制 板厚 板形 板宽 材料性能（控制冷却、控制轧制） /53板带轧机系统自动控制5 1. 轧制生产自动控制 （1） 热轧生产线 /53板带轧机系统自动控制6 （2） 冷轧生产流程 /53板带轧机系统自动控制7 2. 轧制产品控制 x y z H h 板厚 沿板材纵向（x向）的厚度（y向）差 横向厚差 沿板材宽度（z向）的厚度（y向）差 板形 沿板材宽度（z向）的延伸率（x向）差 /53板带轧机系统自动控制8 8 1.1 过程计算机控制系统概况 1.2 过程计算机控制系统的基本类型 1.3 轧制过程计算机控制概述 /53板带轧机系统自动控制9 9 在工业控制系统

3、中，计算机承担着数据采集与处理、顺序控 制与数值控制、直接数字控制与监督控制、最优控制与自适应控 制、生产管理与经营调度等任务，它不仅给企业带来巨大的经济 效益，而且给工业生产带来革命性的变化。例如，计算机技术引 入工业自动化生产中，极大地提高了小批量、多品种生产的劳动 生产率，缩短了生产周期，降低了生产成本。此外，应用机器 人、计算机辅助设计与制造系统（CAD/CAM）、柔性制造系统 （FMS）、分散控制系统（DCS），则会出现无人操作或者仅有 少数人管理的自动化工厂。 /53板带轧机系统自动控制1010 自动化汽车生产线 /53板带轧机系统自动控制1111 热连轧冷连轧 棒材连轧高线 /5

4、3板带轧机系统自动控制1212 冷连轧辅助自动化生产线 连续酸洗 连续退火 /53板带轧机系统自动控制13 组成：被控对象被控对象、测量变送装置测量变送装置、计算机计算机、执行机构执行机构 13 过程计算机控制系统原理简图 控制器D/A执行机构被控对象 测量变送A/D Y 给定值 - 被控量 计算机控制器生产过程 + /53板带轧机系统自动控制1414 自动控制自动控制、计算机计算机、生产工艺过程生产工艺过程 自动控制理论是过程计算机控制的理论支柱； 计算机技术的发展又促进了自动控制理论的发展 与应用； 过程计算机控制系统是作为一个系统与生产过程 结合在一起的，是针对具体的生产过程而来的。 /

5、53板带轧机系统自动控制1515 1946年 世界上第一台电子计算机 1959年 世界上第一台过程控制计算机 美国德克萨斯州的一个炼油厂（流量、温度、压力、成分） 1962年 采用直接数字控制（DDC） 1975年 分散控制系统 美国的TDCS-2000 日本的CENTUM等 超小型化、软件固化和控制智能化 西门子TDC控制器 /53板带轧机系统自动控制1616 电子管半导体集成电路技术大规模集成电路可编程 运算逻辑控制器（PLC） 过程控制计算机的使用量： 1970年约5000台1975年约50000台大量普及 平均无故障时间： 1958年前后仅为50600h20世纪60年代大约2000h

6、DCS的数字控制器： 一般是8个回路以下只控制12个回路 CAD、CAM、CAE、专家系统等 /53板带轧机系统自动控制1717 1.2.1 数据收集系统数据收集系统 1.2.2 操作指导系统操作指导系统 1.2.3 直接数字控制系统（直接数字控制系统（DDC） 1.2.4 监督控制系统（监督控制系统（SCC） 1.2.5 多级信息管理系统（多级信息管理系统（MIS） 1.2.6 分散控制系统（分散控制系统（DCS） 应用特点 控制目的 控制方法 系统构成 /53板带轧机系统自动控制1818 数据收集系统简图 轧制过程中各种参变量，包括模拟量、脉冲量、数字量、开 关量等，通过检测仪器检测（采样

7、），进行数学分析或数据加工。 功能包括参数巡回检测、报警和结果处理。 工业对象数据收集装置计算机 1.2.1 数据收集系统 /53板带轧机系统自动控制1919 过程计算机控制系统原理简图 1.2.1 数据收集系统 控制器D/A执行机构被控对象 测量变送A/D Y 给定值 - 被控量 计算机控制器生产过程 + 控制系统的基本组成部分。 记录和限制轧制过程的不同轧制情况，用于分析和研究轧制 过程，建立和改善轧制过程的数学模型。 /53板带轧机系统自动控制2020 650轧机测控计算机界面 1.2.1 数据收集系统 /53板带轧机系统自动控制21 工业对象数据收集装置计算机 CRT 操作人员 打印

8、21 操作指导系统简图 计算机采集数据，然后根据一定的控制或管理方法进行计 算，最后输出指导信息，提供给操作人员参考。 操作仍由人工完成。 1.2.2 操作指导系统 /53板带轧机系统自动控制2222 直接数字控制系统（DDC）简图 计算机： 实时性好、可靠性高、适应性强 控制效果： 生产过程的数学模型、实现数学模型的算法、实现算法的程序 工业对象数据收集装置计算机 CRT、打印 操作人员 1.2.3 直接数字控制系统（DDC） 计算机闭环闭环控制系统。计算机完成计算和操作。 /53板带轧机系统自动控制2323 监督计算机控制系统简图 两级计算机： 上位机（SCC）： 根据反映生产过程工况的数

9、据和数学模型进行必要的计算， 给DDC计算机提供各种控制信号。 下位机（DDC）：直接数字控制。 工业对象数据收集装置DDC下位机SCC上位机 1.2.4 监督计算机控制系统（SCC） /53板带轧机系统自动控制2424 生产规模越来越大，信息来源越来越多，对计划管理和信息 收集的及时性要求越来越高。 要求管理计算机系统能直接指挥过程计算机系统，过程计算 机也能直接向管理计算机系统进行汇报。 现代化大型企业中，生产的原料、产品、能源调度已成为企 业获得最好经济效益的关键因素，因此设置如能源调度中心、生 产调度中心等。 在最高一层的企业管理层，还包括生产计划、财务计划、经 营决策等方面，已属于现

10、代管理学范畴。 1.2.5 多级信息管理系统（MIS） /53板带轧机系统自动控制2525 分散控制、集中操作、分级管理、分而自治、综合协调 功能分散、危险分散、管理集中、应用灵活 局部最优化 整体的总目标函数最优化 “分解分解”和“协调协调” 1.2.6 分散控制系统（DCS） 高可靠性、便于维修与更新 /53板带轧机系统自动控制2626 “分解分解” 1.2.6 分散控制系统（DCS） 在设计过程中，将高阶大系统细分，分解成若干个低阶的相关 小系统。这些系统之间相互独立，相互间的耦合关系应减至最小， 以便于用一般最优化控制理论设计局部控制器，分别控制各个小系 统目标对象，达到小系统控制的最

11、优化，进而达到整个大系统的相 对最优化控制。 系统的分解内容不仅包括对目标功能的分解，也包括对数学模 型的分解。 /53板带轧机系统自动控制2727 “协调协调” 1.2.6 分散控制系统（DCS） 在局部最优化的基础上考虑各小系统之间的相互影响和相互耦 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 统的最优化。 由于子系统数目很多，总目标系统又非常复杂，所以对这种复 杂的系统进行子系统之间的“协调”就显得尤为重要。 /53板带轧机系统自动控制2828 实现大型工程系统的自动控制，有以下要求： 生产过程的数学模型化 生产过程各种操作和调节的自动化 过程控制终端的人机对话 计算机控

12、制的高度实时性、精确性和可靠性 /53板带轧机系统自动控制2929 1.3.1 轧制过程计算机控制发展概述 1.3.2 轧制过程计算机控制常见功能 1.3.2.1 材料跟踪 1.3.2.2 道次计算 1.3.2.3 模拟轧制 1.3.2.4 质量分类 /53板带轧机系统自动控制3030 1.3.1 轧制过程计算机控制发展概述 20世纪4050年代，单机自动化 20世纪60年代，引入计算机控制 20世纪70年代至今，普遍直接数字控制 轧制过程计算机过程控制技术的发展大致可以分 为三个阶段： /53板带轧机系统自动控制3131 1.3.1 轧制过程计算机控制发展概述 以热连轧机自动化的发展最为成熟

13、： 1960年，用于钢铁工业的第一台控制计算机就是用来控制带钢 热连轧机精轧机组辊缝-转速预设定的（美国麦克劳恩钢铁公司的 1525mm带钢热连轧机）。 1964年，英国斯潘塞厂的带钢热连轧机从加热炉到卷取机整个 作业线都采用了计算机控制（但其中有些部门当时仅处于一般性 的简单功能控制，有些部分尚不成熟）。 1965年后，新建的带钢热连轧机基本上都采用了计算机控制， 即使原有的老轧机也陆续进行了技术改造，增添控制计算机。 /53板带轧机系统自动控制3232 1.3.1 轧制过程计算机控制发展概述 轧制过程：多输入、多输出、非线性、时变 每一个工艺参数就是一个复杂、多变的子系统，而且它们彼 此之

14、间又互相联系，互相制约。对此，完成轧制生产自动控制任 务的系统也是很复杂的。 计算机控制的根本任务： “最佳化设定计算最佳化设定计算”、“实时的控制和调节实时的控制和调节” /53板带轧机系统自动控制3333 1.3.2 轧制过程计算机控制常见功能 1.3.2.1 材料跟踪 1.3.2.2 道次计算 1.3.2.3 模拟轧制 1.3.2.4 质量分类 轧制过程控制基本功能 /53板带轧机系统自动控制3434 轧件跟踪是轧制过程自动控制计算机系统的主要功能之一。 在轧制生产过程中，同一时刻往往有很多轧件在生产线上的 不同工序中加工处理，而每根轧件的原始条件（如钢种、坯料尺 寸）、加工状况（如加热

15、温度、轧制速度、张力以及半成品尺 寸）和成品要求（如尺寸规格、组织性能）等又各不相同，因 此，为了对整个轧制生产过程进行自动控制，就必须严格区分每 根轧件的不同情况，针对它们在生产线上所处的加工环节和状况 进行相应的自动控制。 因此，必须对轧件进行跟踪。 1.3.2.1 材料跟踪 /53板带轧机系统自动控制3535 1.3.2.1 材料跟踪 以2050mm热连轧为例： 加热炉数据区 粗轧数据区 精轧数据区 冷却数据区 按轧制生产工序分类 原始数据区 计算值数据区 实际值数据区 跟踪信号数据区 按数据种类和用途分类 /53板带轧机系统自动控制3636 1.3.2.1 材料跟踪 以2050mm热连

16、轧为例： 原始数据区： 每根轧件都有自己的原始数据。如钢号、材质、板坯尺寸、 成品尺寸和质量要求等。它们是道次计算和自动控制的必要参 数。带钢的原始数据以轧制计划的方式由上位机传送给过程控制 计算机。 由于原始数据区是用来存放带钢原始数据和成品要求的，所 以原始数据区在加热炉、粗轧和精轧过程计算机中都有，而且数 据结构完全相同。这是为了一旦过程计算机之间的通信出现中断 时确保生产能够照样维持下去。 /53板带轧机系统自动控制3737 1.3.2.1 材料跟踪 以2050mm热连轧为例： 计算值数据区： 计算值数据区用来存放轧制生产过程中的各种工艺参数和模 型计算数据。根据各个不同工序下的数学模

17、型进行大量复杂的计 算，得出各种工艺量和设定值，这些模型计算的结果以及一些中 间数据都保存在计算值数据区中。 计算值数据是轧制控制中最重要的数据，对成品的精度和质 量及以后的分析有着十分关键的作用。 /53板带轧机系统自动控制3838 1.3.2.1 材料跟踪 以2050mm热连轧为例： 实际值数据区： 用来存放生产过程中的各种实测数据。这些实际数据是轧制 数学模型自适应学习和进行动态修正的依据。 跟踪信号数据区 专门用来存储跟踪信息的数据区。 其余数据区 如轧辊管理数据区、报表数据区、轧制节奏数据区等。 /53板带轧机系统自动控制3939 1.3.2.1 材料跟踪 轧件头部已在i区 （g）

18、（f） （e） （d） （c） （b） （a） i-1区 HMD i -1 iHMD 区ii+1区 HMD i +1 头部离开，其他仍接通 头部离开，跟踪断开 /53板带轧机系统自动控制4040 1.3.2.2 道次计算 道次计算是轧制过程计算机系统的核心功能程序。 道次计算的任务是根据钢卷数据选择标准轧制规程、准备模 型参数和进行工艺控制参数的设定计算及自适应计算，并适时地 把设定值传送到下级控制机，执行过程控制和调节。 设定计算的参数除了常规轧制所需的各架次出口厚度、相对 速度、主令速度、带钢张力、轧制力、压下位置以及厚控系统有 关参数外，还有全连轧需要的1架次前S辊相对速度、活套张力、

19、跳动辊张力、飞剪夹送辊整定参数以及动态规格变换的过渡段参 数。 /53板带轧机系统自动控制4141 1.3.2.2 道次计算 某连轧机道次计算功能模块简图 数据输入材料跟踪 轧制规程 轧制程序计 算数学模型 设定值输出 记录与信息系统 测量值 计算值 材料参数 模型系数 自学习 自适应 测量值处理 带钢映像测量值收集 焊接监视RR：DDC级 OR：SCC级 /53板带轧机系统自动控制4242 1.3.2.2 道次计算 道次计算的方式： （1）预设定计算：对将要进入轧机的带钢进行计算 材料跟踪 轧制规程、设定计算、设定值输出 （2）自适应计算：对正在轧制的带钢进行计算 测量值处理 测量值收集、测

20、量值处理、自适应计算、设 定值计算、设定值输出 （3）自学习计算：对正在轧制的带钢进行计算 自适应程序 执行自学习、设定值计算、设定值输出 （4）重新计算：对正在轧制的带钢重新进行计算 操作人员 轧制规程、设定值计算、设定值输出 （停轧、断带分卷、操作人员需要修正规程数据时） /53板带轧机系统自动控制4343 1.3.2.2 道次计算 模型自适应： 模型的先天不精确性： （1）推导时的各种假设不完全符合实际情况。 （2）模型系数因统计方法引入的平均性质。 为了使具有平均性质的系数用于模型后仍能预报具体生产条 件下的设定值，需要充分利用当时环境下的实测数据对模型进行 修正。 对通过长期统计得来

21、的模型系数进行随便修改是不合适的， 因此一般方法是在模型公式中加入自适应系数，仅对该系数进行 修正以提高模型在当时环境下的精度。 /53板带轧机系统自动控制4444 1.3.2.2 道次计算 模型自适应： 指数平滑法： = * + ( *) (1-1) 式中 自适应系数的修正数值； * 自适应系数的原数值； 利用实测数据计算得到的相应的自适应系数值； 增益。 /53板带轧机系统自动控制4545 1.3.2.2 道次计算 模型自适应： = * + ( *) 当 = 0时， = * + 0( *) = *，不进行修正； 当 = 1时， = * + 1( *) = ，将实测值作为。 较小 较大 修正

22、次数 计算值 理想值 n 增益对修正过的影响 反映了修正系数对实 测信息的利用程度。 值较小时虽然修正过 程 比 较 稳 定 ， 但 十 分 缓 慢；而值较大则可能发生 振荡，特别是当实测数据 不很可信时。 /53板带轧机系统自动控制4646 1.3.2.2 道次计算 模型自适应： （1）严格控制条件，在数据不太可靠时，宁愿不修正， 也比变坏要好。例如来料厚度变动过大时，可以不进行自适 应。 （2）变换规格时值适当加大（取=0.40.5），以加快修 正过程。一旦设定精度达到某一范围时，应适当减少值（取 =0.10.2），以保证修正系数的稳定。 （3）利用数据统计的可信度计算判别本次实测数据的可

23、 靠程度。不可靠时，取=0 （不修正）；可靠性高时，取=0.3 5或0.4；可靠性不是很高时，可取=0.1或0.2。 /53板带轧机系统自动控制4747 1.3.2.2 道次计算 模型自适应： = * + ( *) = + (1 )* (1-2) n+1 = n + (1 )n n+1 = n + (1 )n = n + (1 ) n1 + (1 )n1 = n +(1 )n1 + (1 )2n1 = n +(1 )n1 + (1 )knk + (1 )n0 指数平滑法： 由于小于1，因此越靠近当前的信息加权系数越 大，越远的信息加权系数越小并以指数形势衰减。 /53板带轧机系统自动控制484

24、8 1.3.2.2 道次计算 模型自学习： 模型自适应仅提高本卷钢轧制的设定精度。在自适应进行 一定次数（例如1015次或更多）后，自适应系数已显得比较稳 定，即可利用自适应系数通过计算来修改模型本身的系数，这 称为模型自学习。 模型自学习是将自适应改进的信息转换成模型本身系数加 以保留，用以提高后续钢卷或今后的钢卷（相同钢种或相同规 格）在使用模型时的初始精度。 模型自学习采用的是含有多卷钢信息的指数平滑公式。 自适应系数和自学习模型系数为同一系数。 /53板带轧机系统自动控制4949 1.3.2.2 道次计算 模型自学习： 对热连轧而言，主要是包括以下两方面： 1温度参数的自学习 2轧制压力的自学