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1、 轧钢轧钢生产生产自动化原理自动化原理 MADE BY MADE BY 杨贤清杨贤清杨贤清杨贤清 内容简介内容简介一、轧钢与自动化的背景介绍一、轧钢与自动化的背景介绍二、轧钢基础知识二、轧钢基础知识介绍介绍（以热连轧为例）（以热连轧为例）三、自动控制原理三、自动控制原理一、轧钢与自动化的背景介绍一、轧钢与自动化的背景介绍1.1 关于轧钢关于轧钢 从青铜到冶铁再到炼钢，至近现代的金属加工技术，从青铜到冶铁再到炼钢，至近现代的金属加工技术，人类对金属及其合金已经经历了人类对金属及其合金已经经历了60006000年以上的使用和研究。年以上的使用和研究。 轧钢轧钢轧钢轧钢即是指借助于旋转的轧辊与金属间
2、的接触摩擦，即是指借助于旋转的轧辊与金属间的接触摩擦，将金属咬入轧辊缝隙内，同时在轧辊的压力作用下，使金将金属咬入轧辊缝隙内，同时在轧辊的压力作用下，使金属发生塑性变形的过程。如图属发生塑性变形的过程。如图1.1-11.1-1所示所示. . 图1.1-1一、轧钢与自动化的背景介绍一、轧钢与自动化的背景介绍1.1 关于轧钢关于轧钢 图1.1-2 轧钢工作原理 一、轧钢与自动化的背景介绍一、轧钢与自动化的背景介绍1.21.2关于自动化关于自动化关于自动化关于自动化 1.2.1 1.2.1定义定义定义定义 自动化即指机器或装置在无人（直接）干预的情况下按照规定的程序或自动化即指机器或装置在无人（直接
3、）干预的情况下按照规定的程序或自动化即指机器或装置在无人（直接）干预的情况下按照规定的程序或自动化即指机器或装置在无人（直接）干预的情况下按照规定的程序或指令自动地进行操作或运行。这一概念由美国福特公司的机械工程师指令自动地进行操作或运行。这一概念由美国福特公司的机械工程师指令自动地进行操作或运行。这一概念由美国福特公司的机械工程师指令自动地进行操作或运行。这一概念由美国福特公司的机械工程师D.S.D.S.哈哈哈哈德于德于德于德于19461946年最先提出，如今已被看做是人类文明进步和现代化的标志。年最先提出，如今已被看做是人类文明进步和现代化的标志。年最先提出，如今已被看做是人类文明进步和现
4、代化的标志。年最先提出，如今已被看做是人类文明进步和现代化的标志。 1.2.2 1.2.2 自动控制基本理论发展简史自动控制基本理论发展简史自动控制基本理论发展简史自动控制基本理论发展简史 稳定性理论的早期发展稳定性理论的早期发展稳定性理论的早期发展稳定性理论的早期发展 根轨迹法的建立根轨迹法的建立根轨迹法的建立根轨迹法的建立 脉冲控制理论的建立与发展脉冲控制理论的建立与发展脉冲控制理论的建立与发展脉冲控制理论的建立与发展 经典控制理论（或古典控制理论）（经典控制理论（或古典控制理论）（经典控制理论（或古典控制理论）（经典控制理论（或古典控制理论）（1919世纪初）世纪初）世纪初）世纪初） 现
5、代控制理论（现代控制理论（现代控制理论（现代控制理论（2020世纪世纪世纪世纪6060年代）年代）年代）年代） 大系统控制理论大系统控制理论大系统控制理论大系统控制理论 智能控制理论（智能控制理论（智能控制理论（智能控制理论（2020世纪世纪世纪世纪7070年代）年代）年代）年代） 一、轧钢与自动化的背景介绍一、轧钢与自动化的背景介绍1.2.3 1.2.3 自动控制技术的发展自动控制技术的发展自动控制技术的发展自动控制技术的发展 自动化技术形成时期是在自动化技术形成时期是在自动化技术形成时期是在自动化技术形成时期是在1818世纪末世纪末世纪末世纪末2020世纪世纪世纪世纪3030年代，两种典年
6、代，两种典年代，两种典年代，两种典型的动力技术为风车技术和蒸汽机技术。型的动力技术为风车技术和蒸汽机技术。型的动力技术为风车技术和蒸汽机技术。型的动力技术为风车技术和蒸汽机技术。1935195019351950年左右为其经年左右为其经年左右为其经年左右为其经典控制时期。典控制时期。典控制时期。典控制时期。5050年代末进入现代控制时期，随着现代控制理论和电子年代末进入现代控制时期，随着现代控制理论和电子年代末进入现代控制时期，随着现代控制理论和电子年代末进入现代控制时期，随着现代控制理论和电子计算机的推广应用，自动控制与信息处理结合起来，自动化控制技术计算机的推广应用，自动控制与信息处理结合起
7、来，自动化控制技术计算机的推广应用，自动控制与信息处理结合起来，自动化控制技术计算机的推广应用，自动控制与信息处理结合起来，自动化控制技术日渐得到广泛应用，如我国日渐得到广泛应用，如我国日渐得到广泛应用，如我国日渐得到广泛应用，如我国863863高技术计划、神舟飞船发射等都与其高技术计划、神舟飞船发射等都与其高技术计划、神舟飞船发射等都与其高技术计划、神舟飞船发射等都与其有着密切联系。有着密切联系。有着密切联系。有着密切联系。1.2.4 1.2.4 控制系统的分类控制系统的分类控制系统的分类控制系统的分类按输入信号变化的规律：恒值系统、随动系统、程序控制系统按输入信号变化的规律：恒值系统、随动
8、系统、程序控制系统按输入信号变化的规律：恒值系统、随动系统、程序控制系统按输入信号变化的规律：恒值系统、随动系统、程序控制系统按系统是否满足叠加原理：线性系统、非线性系统按系统是否满足叠加原理：线性系统、非线性系统按系统是否满足叠加原理：线性系统、非线性系统按系统是否满足叠加原理：线性系统、非线性系统按信号传递的形式：连续系统、离散系统按信号传递的形式：连续系统、离散系统按信号传递的形式：连续系统、离散系统按信号传递的形式：连续系统、离散系统按系统参数是否随时间变化：定常系统、时变系统按系统参数是否随时间变化：定常系统、时变系统按系统参数是否随时间变化：定常系统、时变系统按系统参数是否随时间变
9、化：定常系统、时变系统按输入输出变量的多少：单变量系统、多变量系统按输入输出变量的多少：单变量系统、多变量系统按输入输出变量的多少：单变量系统、多变量系统按输入输出变量的多少：单变量系统、多变量系统一、轧钢与自动化的背景介绍一、轧钢与自动化的背景介绍1.3 轧钢自动化轧钢自动化 1.3.1 1.3.1 定义定义定义定义 轧钢自动化即是自动化理论和技术在轧钢生产中的具体应用。它轧钢自动化即是自动化理论和技术在轧钢生产中的具体应用。它轧钢自动化即是自动化理论和技术在轧钢生产中的具体应用。它轧钢自动化即是自动化理论和技术在轧钢生产中的具体应用。它通过采用反映轧钢过程变化规律的数学模型、自动控制装置、
10、控制器通过采用反映轧钢过程变化规律的数学模型、自动控制装置、控制器通过采用反映轧钢过程变化规律的数学模型、自动控制装置、控制器通过采用反映轧钢过程变化规律的数学模型、自动控制装置、控制器及其控制程序，使各种过程变量保持在所要求的给定值上，并合理地及其控制程序，使各种过程变量保持在所要求的给定值上，并合理地及其控制程序，使各种过程变量保持在所要求的给定值上，并合理地及其控制程序，使各种过程变量保持在所要求的给定值上，并合理地协调全部轧钢过程以实现自动化操作的一种先进技术。协调全部轧钢过程以实现自动化操作的一种先进技术。协调全部轧钢过程以实现自动化操作的一种先进技术。协调全部轧钢过程以实现自动化操
11、作的一种先进技术。 实现轧钢自动化的基础：自动化理论和技术、工程控制理论和方实现轧钢自动化的基础：自动化理论和技术、工程控制理论和方实现轧钢自动化的基础：自动化理论和技术、工程控制理论和方实现轧钢自动化的基础：自动化理论和技术、工程控制理论和方法。条件：工艺数学模型和控制数学模型、先进的控制系统、可靠的法。条件：工艺数学模型和控制数学模型、先进的控制系统、可靠的法。条件：工艺数学模型和控制数学模型、先进的控制系统、可靠的法。条件：工艺数学模型和控制数学模型、先进的控制系统、可靠的检测仪表和执行机构。检测仪表和执行机构。检测仪表和执行机构。检测仪表和执行机构。 1.3.2 1.3.2 轧钢自动化
12、的发展轧钢自动化的发展轧钢自动化的发展轧钢自动化的发展 轧钢自动化技术的发展过程就是轧钢产品质量要求不断提高的过程，轧钢自动化技术的发展过程就是轧钢产品质量要求不断提高的过程，轧钢自动化技术的发展过程就是轧钢产品质量要求不断提高的过程，轧钢自动化技术的发展过程就是轧钢产品质量要求不断提高的过程，分为三个阶段：分为三个阶段：分为三个阶段：分为三个阶段：1 1）40-5040-50年代，单机自动化阶段；年代，单机自动化阶段；年代，单机自动化阶段；年代，单机自动化阶段；2 2）6060年代，单年代，单年代，单年代，单机自动化和计算机控制系统共存阶段；机自动化和计算机控制系统共存阶段；机自动化和计算机
13、控制系统共存阶段；机自动化和计算机控制系统共存阶段；3)70-3)70-今，今，今，今，DDCDDC阶段。阶段。阶段。阶段。二、轧钢基础知识（以热连轧为例）二、轧钢基础知识（以热连轧为例）2.1轧钢生产线及基本工艺流程轧钢生产线及基本工艺流程二、轧钢基础知识（以热连轧为例）二、轧钢基础知识（以热连轧为例）2.1.1 带钢热连轧生产工艺概述：带钢热连轧生产工艺概述： 带钢热连轧是一种高产量，高效益的轧钢生产带钢热连轧是一种高产量，高效益的轧钢生产工艺，包括传统带钢热连轧，博板坯连铸连轧，工艺，包括传统带钢热连轧，博板坯连铸连轧，新型炉卷轧机，超薄带钢热轧带钢无头轧制技新型炉卷轧机，超薄带钢热轧带
14、钢无头轧制技术。术。2.1.2传统带钢热连轧生产线包括：板坯库，加热传统带钢热连轧生产线包括：板坯库，加热炉，粗轧区，中间辊道及飞剪，精轧区热输出炉，粗轧区，中间辊道及飞剪，精轧区热输出辊道辊道，层流冷却装置，卷取区，运输链和成品层流冷却装置，卷取区，运输链和成品库等。库等。二、轧钢基础知识（以热连轧为例）二、轧钢基础知识（以热连轧为例） 传统带钢热连轧生产线传统带钢热连轧生产线二、轧钢基础知识（以热连轧为例）二、轧钢基础知识（以热连轧为例）2.2带钢热连轧生产过程自动化带钢热连轧生产过程自动化 带钢热连轧生产过程控制级的是面对全轧线，带钢热连轧生产过程控制级的是面对全轧线，并通过数学模型进行
15、各个设备的设定计算，并通过数学模型进行各个设备的设定计算，当然也包括：设定计算服务的跟踪，数据当然也包括：设定计算服务的跟踪，数据采集，模型自学习，打印报表，人机界面，采集，模型自学习，打印报表，人机界面，历史数据储存，报警等功能。历史数据储存，报警等功能。二、轧钢基础知识（以热连轧为例）二、轧钢基础知识（以热连轧为例）2.3带钢热连轧生产基础自动化带钢热连轧生产基础自动化 轧件运送控制轧件运送控制 自动位置控制自动位置控制 自动厚度控制自动厚度控制 尾部补偿尾部补偿 活套控制活套控制 自动宽度控制自动宽度控制 自动板型控制自动板型控制 终轧温度控制终轧温度控制 卷取温度控制卷取温度控制三、自
16、动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）测量比较实测值执行被控对象测量干扰被控量给定值HH在上图中，除被控对象外的其余部分统称为控制装置，它必须包含以下三种职能部件。测量元件：用以测量被控量或干扰量。比较元件：将被控量与给定值进行比较。执行元件：根据比较后的偏差，产生执行作用，去操纵被控对象参与控制的信号来自给定值、干扰量、被控量。自动控制方框图三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）三、
17、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）3.3 3.3 自动控制系统的控制方式自动控制系统的控制方式自动控制系统的控制方式自动控制系统的控制方式 3.3.1 3.3.1 开环控制开环控制开环控制开环控制 采用开环控制的系统称为开环控制系统。采用开环控制的系统称为开环控制系统。 开环控制开环控制开环控制开环控制是指系统的被控制量（输出量）只受控于控制作用，而对控制作用不是指系统的被控制量（输出量）只受控于控制作用，而对控制作用不能反施任何影响的控制方式，它需要控制的是被控量，而系统可以调节的只能反施任何影响的控制方式，它需要控制的是被控量，而系统可以调节的只 是给定值，系统的信号由给定值至被控量是
18、给定值，系统的信号由给定值至被控量 单向传递。单向传递。 开环控制的特点：开环控制的特点：开环控制的特点：开环控制的特点：结构简单、成本低、结构简单、成本低、 稳定性好；对扰动没有抑制能力，稳定性好；对扰动没有抑制能力， 控控 制精度低制精度低 炉温控制系统原理方框图炉温控制系统原理方框图炉温控制系统原理方框图炉温控制系统原理方框图定时开关电阻丝炉子实际炉温T给定炉温T0炉温控制系统原理方框图三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）转台速度开环控制系统3.3.23.3
19、.2闭环控制闭环控制闭环控制闭环控制 闭环控制是指系统的被控制量（输出量）与控制作用之间存在着负反闭环控制是指系统的被控制量（输出量）与控制作用之间存在着负反闭环控制是指系统的被控制量（输出量）与控制作用之间存在着负反闭环控制是指系统的被控制量（输出量）与控制作用之间存在着负反馈的控制方式，又称反馈控制或按偏差控制。采用闭环控制的系统称馈的控制方式，又称反馈控制或按偏差控制。采用闭环控制的系统称馈的控制方式，又称反馈控制或按偏差控制。采用闭环控制的系统称馈的控制方式，又称反馈控制或按偏差控制。采用闭环控制的系统称为闭环控制系统或反馈控制系统。闭环系统有两种传输通道：前向通为闭环控制系统或反馈控
20、制系统。闭环系统有两种传输通道：前向通为闭环控制系统或反馈控制系统。闭环系统有两种传输通道：前向通为闭环控制系统或反馈控制系统。闭环系统有两种传输通道：前向通道和反馈通道。道和反馈通道。道和反馈通道。道和反馈通道。给定速度放大器直流电动机转台实际转速系统结构图系统结构图:三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）反馈控制系统的组成、名词术语、定义（有图）（下16）三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）三、自动控制原理（以钢铁
21、厚度自动控制为例）三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）例：电加热炉闭环控制系统三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）例： 转台速度闭环控制系统原理方框图控制任务：保持转台的实际转速等于期望转速。被控对象：转台。被控量： 转台转速。速度设定 u r电池+-U cu直流放大器转台直流电机速度转速计U r-u c转速计转台速度闭环控制系统原理方框图 直流电机转台放大器U a u三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）三、自
22、动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）例： 炉温控制系统工作原理图三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）炉温控制系统方框图三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例） 闭环控制系统的特点：具有自动补偿由于系统内部和外部闭环控制系统的特点：具有自动补偿由于系统内部和外部闭环控制系统的特点：具有自动补偿由于系
23、统内部和外部闭环控制系统的特点：具有自动补偿由于系统内部和外部干扰所引起的系统误差的能力，因而能够有效提高系统的干扰所引起的系统误差的能力，因而能够有效提高系统的干扰所引起的系统误差的能力，因而能够有效提高系统的干扰所引起的系统误差的能力，因而能够有效提高系统的精度；系统参数应适当选择，否则可能不能正常工作。精度；系统参数应适当选择，否则可能不能正常工作。精度；系统参数应适当选择，否则可能不能正常工作。精度；系统参数应适当选择，否则可能不能正常工作。3.3.3复合控制复合控制 复合控制是开环和闭环控制相结合的一种控制方式。它在复合控制是开环和闭环控制相结合的一种控制方式。它在复合控制是开环和闭
24、环控制相结合的一种控制方式。它在复合控制是开环和闭环控制相结合的一种控制方式。它在闭环控制回路的基础上，附加一个输入信号或扰动信号的闭环控制回路的基础上，附加一个输入信号或扰动信号的闭环控制回路的基础上，附加一个输入信号或扰动信号的闭环控制回路的基础上，附加一个输入信号或扰动信号的畅馈通路，用来提高系统的控制精度。此畅馈通路通常由畅馈通路，用来提高系统的控制精度。此畅馈通路通常由畅馈通路，用来提高系统的控制精度。此畅馈通路通常由畅馈通路，用来提高系统的控制精度。此畅馈通路通常由对输入信号的补偿器或对扰动信号的补偿器组成。对输入信号的补偿器或对扰动信号的补偿器组成。对输入信号的补偿器或对扰动信号
25、的补偿器组成。对输入信号的补偿器或对扰动信号的补偿器组成。 优点：高控制精度，可抑制几乎所有的可量测扰动。优点：高控制精度，可抑制几乎所有的可量测扰动。优点：高控制精度，可抑制几乎所有的可量测扰动。优点：高控制精度，可抑制几乎所有的可量测扰动。 缺点：补偿器的参数要有较高的稳定性。缺点：补偿器的参数要有较高的稳定性。缺点：补偿器的参数要有较高的稳定性。缺点：补偿器的参数要有较高的稳定性。 复合控制系统简图（下页）复合控制系统简图（下页）复合控制系统简图（下页）复合控制系统简图（下页）三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）三、自动控制原理（以钢铁厚度自动控制为例）复合控制系统简图复合控制系统简图轧钢轧钢生产生产自动化自动化结束结束！ 谢谢！
