2-材料成形过程自动化-第二章计算机控制系统.ppt
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1、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
2、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、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
3、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m左右皆作傅立叶变换左右皆作傅立叶变换就得到其频响函数就得到其频响函数将二阶系统将二阶系统系统传递函数系统传递函数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)来(或频率特性)来研究与解决研究与解决单输入单输出单输入
4、单输出,线性、线性、定常定常系统的稳定性、响应系统的稳定性、响应快速性与响应准确性问题;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 主主要要是是在在时时域域内内利利用用状状态态空空间间分分析析和和综综合合的的方方法法来来研研究究与与解解决决多多输输入入多多输输出出系系统统的的最最优优化化控控制制问问题题;高高阶阶常常微微分分方方程程转转化化为为一一阶阶微微分分方方程程组组,用用以以描描述述系系统统的的动动态态过过程程,即即状状态态空空间间法法。可可以以解解
5、决决多多输输入入多多输输出出问问题题,系系统统既既可可以以是是线线性的、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
6、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
7、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
8、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间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。的、面向车间层的管理信息系统。l
9、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(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。lMES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。当工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,厂里面有实时事件发生时,MES能对此及能对此及时做出反应、报告,并用当前的准确数据对时做出反应、报告,并用当前的准确数据对它们进行指导和处理。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
10、基本原理 l三三级级系系统统(L3级级),制制造造执执行行系系统统(MES)属属于于生生产产车车间间级级的的管管理理信信息息系系统统,是是生生产产与与计计划划之之间间的的信信息息“集集线线器器”,是是四四级级企企业业资资源源计计划划系系统和二级过程自动化控制系统之间的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主主要要实实现现原原料料管管理理、生生产产订订单单处处理理、工工序序详详细细调调度度、资资源源分分配配和和状状态态管管理理、生生产产单单元元分分配配、过过程程管管理理、人人力力资资源源管管理理、维维护护管管理理、质质量量管管理理、文文档档控控制制、产产品品跟跟踪踪和和产产
11、品品清清单单管管理理、性性能能分分析析和和生生产产实实绩绩数数据据采采集集。一一般般由由区区域域管管理理计计算算机机系系统统完完成成在在线线作作业业计计划划和和生生产产调调度度管管理理、质量跟踪控制等功能。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
12、功能:初始数据输入(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过过程程自自动动化化控控制制系系统统,一一般般称称为为二二级级自自动动化化控控制制系系统统(L2级级)。它它是是提提高高产产品品质质量量、保保证证生生产产过过程程优优化化控控制制的的重重要要环环节节,主主要要实实现现控控制制功功能能设设定定计计算算、过过程程监监视视、区区域域跟跟踪踪等等,并并将将最最终终设设定定的的计计算算结结果果传传递递给给基基础础自自动动化化具具体
13、体执执行行。另另外外,过过程程控控制制系系统统还还具具备备数数据据通通讯讯、实实测测数数据据处处理理、数数据据管管理理、跟跟踪踪管管理理等等为为设设定定计计算算服服务务的的功功能能以以及及人人机机界界面面输输出出、工工艺艺数数据据报报表表、记记录录等为生产过程服务的功能。等为生产过程服务的功能。l设设定定计计算算功功能能是是过过程程控控制制系系统统的的核核心心,以以轧轧制制过过程程的的数数学学模模型型为为基基础础,通通过过轧轧制制负负荷荷分分配配计计算算、板板形形控控制制参参数数计计算算和和平平面面形形状状控控制制参参数数计计算算来来保保证证轧轧机机实实现现高高精精度度厚厚度度控控制制、板板形
14、形控控制制以以及平面形状控制,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 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
15、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 Automation)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
16、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
17、;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、板形控制、,控制执行机构;质量控制是指具体执行厚度控制、板形控制、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理、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。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
18、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(开关量):数字量(开关量):DI/DO,电压,电压l脉冲量:脉冲输入和输出,增量脉冲量:脉冲输入和输出,增量/绝对值编码器绝对值编码器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 检测驱动级检测驱动级l设设备备驱驱动动和和过过程程检检测测系系统统,一一般般
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