北京科技大学材料成形自动控制基础复习要点_北京科技大学自动控制

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第一、二章

1.系统定义：由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的具有特定功能的有机整体。(1)包含若干部分(2)各个部分之间存在某种联系(3)具有特定的功能。

控制对象：泛指任何被控物体（不含控制器）。

控制：使某个控制对象中一个或多个输出量随着时间的推移按照某种预期的方式进行变化。实现：靠控制系统去完成。

开环系统：不存在稳定性问题，控制精度无法保证。

闭环系统：可实现高精度控制，但稳定性是系统设计的一个主要问题。

2.实现闭环控制的三个步骤一是对被控量(即实际轧出厚度或压下位置)的正确测量与及时报告；二是将实际测量的被控量与希望保持的给定值进行比较、PID计算和控制方向的判断；三是根据比较计算的结果，发出执行控制的命令，使被控量恢复到所希望保持的数值上。

闭环控制系统的基本组成和要求

（1）被控对象

（2）被控量（3）干扰量(或叫扰动量)

（4）自动检测装置(或叫自动检测环节)（5）给定量(或叫给定值)

（6）比较环节

（7）调节器

（8）执行控制器

古典控制策略主要包括：PID控制、Smith控制和解耦控制。

古典控制策略的应用要满足下面几个条件：

(1)系统应为线性定常系统；(2)系统的数学模型应比较精确；(3)系统的运行环境应比较稳定。PID算法的特点

PID算法综合了系统动态过程中的过去、现在以及将来的信息

PID算法适应性好，有较强的鲁棒性

PID算法有一套完整的参数设计与整定方法 PID控制能获得较高的性价比

对PID算法的缺陷进行了许多改良 形成具有实用价值的复合控制策略

PID控制的显著缺点是不适于

具有大时滞的被控系统(G(s)e-s)变参数及变结构的被控系统

系统复杂、环境复杂、控制性能要求高的场合3.PID控制完全依靠偏差信号调节会带来很大调节延迟。对偏差信号进行比例、积分和微分调节运算称为PID控制，它可以提高控制品质。这是将偏差放大或通过微分给与短时间的强烈输出，加快启动，减少死区。积分是将偏差累积起来，进行调整，达到消除静差的目的。减少比例放大或增加对象变动的阻尼可以减少震荡幅度，但也降低系统响应频率。自适应控制

基本思想：在控制系统的闭环回路之外建立一个由参考模型和自适应机构组成的附加调节回路。系统用参考模型的输出代表系统的理想输出，当系统运行过程中发生参数或特性的变化时，输出与期望输出之间的误差进入自适应机构，由自适应机构进行运算后，制订出改变控制器参数的策略，或对控制对象产生等效的附加控制，使输出与期望输出趋于一致。变结构控制

变结构控制策略与其它控制策略的根本区别在于：控制器的结构是不固定的，可根据控制对象所处的状态改变。

神经网络控制的特点

(1)具有对大量信息的分布存贮能力和并行处理能力；

(2)具有对多种形式信息(如图像、语音、数字等)的处理和利用能力；(3)具有很强的处理非线性问题的能力；(4)具有对不确定问题的自适应和自学习能力。

神经网络控制应用方式基本分为两类：单神经元和神经网络。

4.自动控制自动控制是采用自动检测、信号调节（包括数字调节器、计算机）、电动执行等自动化装置，组成的闭环控制系统，它使各种被控变量（如流量、温度、张力、轧机辊缝和轧机转速等）保持在所要求的给定值上。过程自动化是指在生产过程中，由多个自动控制系统组合的复杂过程控制系统。

5.自动控制目的生产过程实现自动化的目的是：提高工序质量，用有限资源，制造持久耐用的精美产品；在人力不能胜任的复杂快速工作场合中实现自动操作；把人从繁重枯燥的体力劳动中解放出来；不轻易受人的情绪和技术水平的影响，稳定工序质量。实现自动化大批量生产，提供质量好、性能稳定、价格具有竞争力的产品，为企业生存发展提供更大的空间。6.现代钢铁生产过程的特点控制项目众多、调节速度快、参数之间相互耦合影响、控制结果综合性强。

7.轧制过程技术现状与自动化发展：轧钢生产日益连续化、轧制速度的不断提高、生产过程计算机控制、产品质量和精度高标准交货、操作者具有高度水平。

8.中国冶金自动化的发展在基础控制方面，以PLC，DCS，工业控制计算机为代表的计算机控制取代了常规模拟控制，在冶金企业全面普及。近年来发展起来的现场总线、工业以太网等技术逐步在冶金自动化系统中应用，分布控制系统结构替代集中控制成为主流。在控制算法上，重要回路控制一般采用PID算法，智能控制、先进控制在电炉电极升降控制、连铸结晶器液位控制，加热炉燃烧控制，轧机轧制力控制等方面有了初步应用，取得一定成果。在电气传动方面，用于节能的交流变频技术普遍采用；国产大功率交直流传动装置在轧线上得到成功应用。在过程控制方面，计算机过程控制系统普及率有较大幅度提高。

第三章 轧制控制计算机系统的数学模型

数学模型是计算机自动控制系统设定计算的工具。与先进工艺、精良设备、精心保养、严格原料等因素一道，成为轧制自动化控制系统的基础。其合理与否、对生产过程产量的高低、产品质量的优劣和生产事故的多少等均有重要的影响。轧制数学模型的基本特点

1.生产过程由多个环节组成，初始环节偏差影响后续环节

2.由于轧制过程表面摩擦、前后张力随机变化，模型参数不可能跟踪变化，这样即便静态模型准确，使用也不很准确。

3.随着通讯、微电子、自动化等高新技术不断发展，以及高新技术进一步应用于冶金工业去创造新工艺、开发新产品，计算机技术支持下的建模和模拟都是经常使用的有效手段。数学模型的分类

1)确定性模型和随机性模型 2)静态模型和动态模型，3)线性模型和非线性模型 4)耦合模型

5）离散模型和连续模型，模型的自学习也叫作模型的自适应修正。进行模型自学习的目的是为了消除和减弱一些变化或干扰因素造成的模型误差，保持和提高数学模型的计算精度。

1.BP网络：其基本思想是，学习过程由信号的正向传播与误差的反向传播两个过程组成。正向传播时，输入样本从输入层传入，经隐层逐层处理后传向输出层。若输出层的实际输出与期望输出（教师信号）不符，则转向误差的反向传播阶段。误差的反向传播是将输出误差以某种形式通过隐层向输入层逐层反传，并将误差分摊给各层的所有单元，从而获得各层单元的误差信号，此误差信号即作为修正各单元权值的依据。这种信号正向传播与误差反向传播的各层权值调整过程是周而复始地进行。权值不断调整的过程，也就是网络的学习训练过程。此过程一直进行到网络输出的误差减少到可以接受的程度，或进行到预先设定的学习次数为止。

BP神经网络包含输入层、输出层和一个隐层

2.为什么要预测轧制压力和变形抗力：热轧轧制压力的预报计算计算是个老问题。在热轧生产中，如何准确地预测在具体生产条件下的轧制压力重要，如果轧制压力太大，会导致轧辊的断裂甚至电机的烧毁；如果轧制压力太小，会导致轧制能力的浪费。通过准确地预报轧制力可使工厂的技术人员确定合适的轧制工艺。金属塑性变形抗力是表征钢材压力加工性能的一个基本量，正确确定不同变形条件下金属的变形抗力，是制定合理的轧制工艺规程的必要条件。

3.自学习的流程1)采集实际数据(1)同时数据。在同一时刻采集所有机架的有关数据(2)同点数据。在轧件同一点上采集所有机架的有关数据2)检查实际测量数据检查各种实测数据的合理性，对实际数据进行极限值检查，判断设定值与实际值的偏差是否超过了给定的限制值。如果数据异常时，就输出报警，对本块钢不再进行数学模型的自学习，以避免由于测量数据的异常而造成的错误自学习。主要检查的数据有：PDI数据、带坯的厚度、宽度、温度、精轧温度、轧制力、轧制功率、轧机速度、电流、电压等3)计算实际测量数据的平均值采用如下算法对实际数据计算平均值即去掉一个最大值，去掉一个最小值，然后取其平均值。4)更新自学习系数首先计算各个自学习项目的“瞬时值”，然后进行指数平滑法的修正，最后更新自学习系数。即把新的自学习系数存储到学习文件中，供下次轧制时使用。

4常用数学模型：初等模型、简单的优化模型、数学规划模型、微分方程模型、差分方程模型、统计回归模型。

第四章 轧制过程计算机控制系统

轧制过程计算机控制的发展

（1）系统结构逐步分散化（2）控制功能不断完善(3)控制范围不断扩大(4)控制速度不断提高 工业控制计算机特点

(1)可靠性高

(2)有开放式的总线结构(3)软件采用组态软件(4)采用专用键盘和面板 PLC的主要模块 1）CPU模块

2）信号模块

3）特殊功能模块

4）接口模块

5）电源模块

6）编程设备

L0级也称数字传动级，它包括各种DDC/PLC控制的执行设备，这些执行设备本身成为各自独立又有通讯的闭环自动控制系统，可以对调节器进行比例、积分、微分等各种算法设置

L1级是SCC操作过程控制级，主要是在程序控制下，进行轧制过程如AGC/AFC等具体控制，即所有相关设备工作的状态控制。人工操作也可进行干预。

L2 级称为模型控制级（Pattern Integraded Calculation)，主要按照产品要求和原料情况，制定压下规程，并按照各工艺环节的数学模型进行预报运算，包括各架辊缝、转速设定，厚度AGC、板形AFC等计算比较。同时接受L1级控制的结果，进行轧件跟踪、滤波辨识、自学习修正模型系数，特别是控制轧制节奏。

L3级（Procdut Control System）生产控制级，它主要进行全系统生产的计划和调度，安排L2级和L1级进行工作。这一级又可以按企业的规模和管理范围的大小，分成几级，例如分成车间管理、工厂管理和公司管理级。PCS级的计算机都是通讯能力强大的通用计算机，要求数据处理和内外存的容量大。L3级还完成资源调度，质量控制，材料设计、合同跟踪等相应功能，以实现整个热轧生产线的生产控制、调度与管理。

L4级是公司管理级，主要完成合同跟踪、成本核算、生产计划编制、各生产部门协调安排，作业计划的下发（L3 级），跟踪生产情况和质量情况等。

第五章 连续铸钢生产过程控制

1.实现连铸生产过程自动化的意义:(1)提高产品的质量(2)提高生产率(3)减少人为干扰因素(4)实现现代化管理(5)改善工作环境、降低劳动强度。

2.连铸机的主要装置:(1)结晶器：钢水→铸坯外壳(2)结晶器振动装置：防止坯壳与结晶器粘结，改善铸坯表面质量(3)二次冷却装置：铸坯加速凝固(4)拉坯矫直装置：克服结晶器与二冷区的阻力，拉出铸坯；调节拉速；保证铸坯质量。

3.连续铸钢检测技术：(1)钢包钢水温度检测(2)浸入式水口混入钢渣检测(3)无氧化浇注的微气量检测(4)结晶器钢水液面检测(5)坯壳与结晶器壁间摩擦力检(6)铸坯拉漏检测(7)铸坯短边凹度检测(8)铸坯凝固外壳厚度检测(9)铸坯表面缺陷检测（10）拉矫辊检测。4.连续铸钢自动控制：(1)钢包钢水脱氧自动控制(2)保护渣自动加入控制(3)结晶器锥度及宽度自动控制(4)全自动浇注系统①中间罐液位控制②结晶器液位控制③拉速控制(5)火焰切割毛刺自动清理系(6)自动打印装置（7）钢坯搬运吊车的自动化。

5.二次冷却水控制：在二次冷却过程中，最好能使铸定，尽量减小铸坯表面的热应二次冷却区的冷却水量分布铸坯、断面、拉速等因素确定。（1）通过常规仪表对冷却水进行调

节，水流量的设定值由操作人员按经验确定。（2）根据工艺要求，按不同钢种、断面、拉速等，计算出所需要的冷却水量及分布，编制成计算机软件，在浇注时，由人工确定。（3）按照二次冷却水的数学模型或冷却水预定曲线，得到设定的流量值及气水的比值，由计算机进行自动控制。

5.连铸生产过程计算机控制系目的：（1）提高生产效率（2）提高钢水收得率（3）提高产品质量（4）改善工作条。

第六章 连续加热炉的自动控制

空气过剩率μ  μ值应按下式计算：

 At—入炉空气量

 Ar—燃烧中实际空气用量

μAtAr1.双交叉限幅燃烧控制方式：（1）是一种低氧燃烧控制系统，将空气过剩率μ控制在低空气过剩率区域内。通过这种控制系统可提高热效率，减少炉内废气中的有害成分，如NOx、SOx等。（2）系统在串级控制的基础上，增加了交叉限幅控制方式。炉温调节与燃料及空气流量调节构成串级控制系统。（3）在燃料流量控制回路中，温度调节器输出与空气流量实测值(赋予负偏置a3 后)一同送入高选器HS(选择特性为高值通过)；高选器输出值再与空气流量实测值(赋予正偏置a1 后)一同送入低选器LS(选择特性为低值通过)。低选器输出值即为燃料流量调节器的设定值。（4）类似地，在空气流量控制回路中，温度调节器输出与燃料流量实测值(赋予正偏置a2 后)一同送入低选器LS；低选器输出值再与燃料流量实测值(赋予负偏置a4 后)一同送入高选器HS。高选器输出值即为空气流量调节器的设定值。（4）上述a1，a2，a3，a4 的值均很小，一般取为燃料流量实测值和空气流量实测值的1-3%且a2 = a3 > a1 = a4。双交叉限幅燃烧控制系统不仅能在热负荷恒定的工况下保持适当的空燃比，而且在热负荷变化的工况下，仍能保持适当的空燃比，不会因空气不足产生黑烟现象，也不会因空气过量产生过氧燃烧现象。

2.炉膛压力控制模型：炉膛压力:反映炉膛内气体充满程度。炉膛压力控制：影响炉温、燃料消耗及加热炉设备的寿命。控制目标：控制均热段炉膛压力等于微正压。对于带有余热锅炉的加热炉，可通过调节引风机的抽力实现炉膛压力控制；对于没有余热锅炉的加热炉，则可通过调节烟道翻板的开度实现炉膛压力控制。

3连续式加热炉生产过程自动控制：连续式加热炉：热轧生产线的重要设备之一。作用：加热钢坯，使其达到热轧所需温度。工艺过程：连续地经过预热段、加热段和均热段的加热和保温，最后出炉。加热要求：钢坯内外温度均匀，不能产生过热或过烧现象。控制目的：炉内各段温度分布均匀、调整方便；提高燃烧效率，尽可能减小环境污染。

4.加热炉炉温控制原理：在加热炉的上部和下部各有若干个加热区段，各加热区段配置有烧咀，燃料由调节阀门经烧咀进入炉内进行燃烧；每个加热区段设有热电偶，用于测量炉内温度，温度实测值作为反馈信号；各加热区段的预期温度通过温度设定值进行设定及调节；对于采用集散控制系统进行控制的加热炉，温度设定及调节可以通过上位机进行，也可以通过各个加热区段的控制仪表进行；在加热炉中，每个加热区段的控制是类似的，以下为简便起见，均以一个加热区段为例介绍其控制原理。

第七章高速线材的自动控制

1.斯太尔摩冷却线：美国摩根公司的斯太尔摩控制冷却法目前已成为应用最普通、发展最成熟、使用最稳妥可靠的一种控制冷却法。这种冷却法的工艺布置特点是使热轧后的线材经两种不同的冷却介质进行两次冷却(即一次水冷, 二次风冷)。重点是在风冷段实现均匀地控制线材的冷却速度, 形成产品的最终金相组织与用户需求的物理性能。

2.高速自动控制系统的功能：1)人－机通讯系统2)速度设定3)微张力控制4)自动活套控制：为了保证产品尺寸精度，在中轧机组与预精轧机组之间、预精轧机组与精轧机组之间以及预精轧机各机架之间设有水平活套或垂直活套，通过控制活套高度来实现无张力轧制。每个活套处设一个活套高度检测器，用于检测实际的活套高度，并与活套高度设定值进行比较，当实际活套高度大于设定值时，上游（或下游）轧机全部降速（或升速）；当实际活套高度小于设定值时，上游各轧机升速（或减速），直到活套高度回到设定范围内为止。为了防止轧件甩尾产生事故，轧件尾部到达活套之前时，活套前轧机降速，使活套高度降低；5)速度级控制6)手动机架间控制7)低速运行8)点动爬行9)轧机起/停控制10)粗、中轧机准确停车控制11)轧件跟踪和事故处理12)飞剪剪切控制13)其它控制14)生产报告

第八章板带材生产过程厚度自动控制

1.带钢热连轧的三种基本形式：半连续式、四分之三连续式、全连续式。粗轧区的控制对象：(1)粗轧机组各设备的设定项目：R1、R3和R4的压下位置和轧制速度；R2的轧制道次及其各道次的压下位置和轧制速度。(2)带坯宽度的控制。精轧区域的控制对象：(1)精轧区域各设备的设定：各机架轧制压力和压下位置设定；张力的设定。(2)精轧厚度自动控制：厚度自动控制方式的选择；各种厚度自动控制系统中的工艺参数的计算和设定。(3)精轧温度自动控制。

2.板带钢厚度波动的原因：（1）辊缝变化的影响：进行轧制时，因轧机部件的热膨胀、轧辊的磨损和轧辊偏心等原因会使辊缝发生变化，从而影响轧件出口厚度变化（2）温度变化的影响:温度变化对轧件厚度波动的影响，实质就是温度差对轧件厚度波动的影响，温度波动主要是通过对金属变形抗力和摩擦系数的影响而引起厚度差。(3)轧辊速度变化的影响:主要是通过改变摩擦系数、变形抗力、轴承油漠厚度来改变轧制压力和压下量而起作用。(4)张力变化的影响:张力是通过影响应力状态，改变金属变形抗力，从而引起厚度发生变化。张力过大时，不仅会影响厚度，甚至会引起宽度的改变，热连轧过程中一般采用微套量恒定小张力轧制，冷轧时采用较大张力进行轧制。（5）来料厚度的影响：主要通过改变轧制力影响辊缝，导致出口厚度变化。3.厚度自动控制：是通过测厚仪或传感器对带钢实际轧出厚度连续地进行测量，并根据实值与给定值相比较后的偏差信号，借助于控制回路和装置或计算机的功能程序，改变压下位置、张力或轧制速度，把厚度控制在允许偏差范围内,实现厚度自动控制的系统称为“AGC”。

厚度自动控制系统的组成厚度的检测部分

厚度自动控制装置

执行机构

第九章 连轧张力及活套控制

1.张力：轧制过程中，由于轧件长度方向上存在速度差导致不同部位的金属发生相对位移而产生。前张力：与轧制方向一致的张力。后张力：与轧制方向相反的张力。

2.张力的作用：防止轧件跑偏、使带钢的板形平直、降低变形抗力和变形功、适当调节主电机的负荷、适当调节带钢厚度。

3.直接法控制张力一般采用两种方法：(1)张力计实测张力，与张力设定值比较后，通过调整机架间的速度，保持张力恒定。(2)采用活套高度自动控制，保持张力恒定。

间接保持张力恒定可采用两种方法：(1)保持Ia = c.且Φ/D =c.(2)Ia正比于D /Φ而变化

4.活套高度自动控制系统原理：设定活套高度目标值，通过调整机架间的速度来控制活套高度，从而保持张力恒定。

第十章

1.板型：用于描述成品带钢的翘曲程度.主要指标：横向：成品带钢的断面形状（凸度、楔形等）纵向：成品带钢的平直度等。成因：轧制期间板带材纵横变形不均匀。板带钢质量指标：纵横向凸度、高点、翘曲、边部局部减薄。

2.板形的数量表示方法：(1)凸度：绝对凸度CR：为带钢宽度方向中点与两侧左右标志点厚度平均值之差。(2)楔形：左右标志点厚度之差(3)边部减薄(4)中浪：带钢中部的压下率大于边部(5)边浪：带钢边部的压下率大于中部。3.表示板形最常用的四种方法：用相对波峰值表示、用松弛系数表示、用张力差表示、用板形参数表示。

板形参数：αHδ/h-1当α时，为板形良好的条件；当α时，带钢必将出现中部浪形；当α时，带钢必将出现边部浪形。板形闭环反馈控制：控制目的：消除实测板形与设定板形的偏差。系统工作原理：以板形仪实测板形信号为反馈信号；计算实测板形与设定板形的偏差；分析消除偏差所需的板形控制手段及计算对应的调节量；对轧机的各种板形控制机构发出控制信号驱动板形控制机构。6.有载辊缝形状由下列因素决定：工作辊的原始辊型ΔDW0工作辊的热辊型ΔDWT工作辊的磨损凸度ΔDWM工作辊的弯曲挠度fWb工作辊的压扁变形FWb ，带钢横向厚度差与诸多因素有关：

8.板形控制的主要手段有：控制工作辊弯曲(控制J1)控制支撑辊弯曲(控制J2)控制工作辊热凸度(控制ΔDW)9.轧制压力P变化对板形的影响：轧制压力的变化，将导致板形发生变化因此，从板形控制的角度看，进行厚度控制时引起的轧制压力波动，也是对成品带钢凸度的扰动量，需在生产过程中加以排除。

10.当原料凸度Δ变化，压下量不变时，板形将发生变化。要保持板形良好，压下量应进行相应的改变Δ↑，H-h↑因此，原料凸度的波动，是影响成品带钢凸度的扰动量，在生产过程中对原料凸度的波动应进行约束。

11.板型控制方式：（1）人工板型控制：按经验合理分配各道次的压下率和凸度（2）液压弯辊装置：通过液压系统对工作辊或支承辊端部施加一可变的弯曲力，使轧辊在线有限弯曲来控制轧辊凸度以矫正带钢的板形。正弯工作辊、负弯工作辊、正弯支承辊（3）HC（High Crown）辊：在工作辊与支撑辊间加上了中间辊，通过中间辊的抽动来改变与工作辊的接触长度及改变辊系的弯曲刚度（4）PC（Pair Cro）辊：上下工作辊轴线有一个交叉角，将形成一个相当于有辊型的辊缝形状（5）CVC系统（Continuously Variable Crown）瓶状辊型的工作辊在相对向里或向外抽动时，使空载辊缝形状发生变化。

PP1oA:Pkm(hS0)B:P(h)h1S0HhS

实际轧出厚度随辊缝而变化的规律

图10.2 弹塑性曲线叠加的hhP-h 图