第1章-给排水工程仪表与控制

给排水工程仪表与控制1.水处理工艺特点：水质水量、药剂投量、电力设备运行、电气设备等变化2.水处理工艺参数的监测和控制3.采用的仪表和设备4.仪表选择：原理、种类、型号、使用范围5.仪表和设备控制6.信号传输、网络构成、终端1微电子、仪器仪表、电气设备、自动化技术的进步；2给水排水工程由土木工程型向设备型转化，给水排水工程的仪表化、设备化、自动化迅速发展；3各种先进的自动监测、自动控制技术、设备、仪表已在给水排水工程的各个工艺环节以至全系统上应用。1多学科知识：给排水工程、化学、仪器仪表、自动化控制、电气设备、机械设备等；2交叉学科：根据实际情况，了解或掌握一门或多门相关学科知识；3学习本课程之前，要求学生具备物理学、电工学、电子学、流体力学，水泵与水泵站、水质工程学、建筑给水排水工程等技术基础课与专业课的知识。基本内容（高校专业指导委员会）•1、自动控制基础知识•重点:了解自动控制系统的作用与构成，自动控制系统的调节规律，计算机控制系统概述。•难点:建立自动控制的基本概念。•2、城市水工程自动化常用仪表与设备•重点:了解常用过程参数检测仪表、常用过程控制仪表、常用执行设备的基本原理与应用；•难点:仪表种类多，工作原理各不相同，涉及的基础知识广泛，应注重理解各种仪器仪表的工作特点与适用范围。•3、泵及管道系统控制调节•重点:调节的内容与意义，水泵的调速控制，恒压给水系统控制技术；•难点:理解自动控制在水泵及管道系统中应用的基本方式与常用技术。•4、给水处理系统控制技术•重点:混凝投药工艺的控制技术，滤池的控制技术，水厂自动监控系统；•难点:水处理工程中对控制技术的要求、所应用的各种控制系统的工程特点与适用性。计算机在城市供水系统自动监控与调度中的应用。•5、污水处理厂的检测•重点:污水处理厂的检测项目与取样，污水处理厂常用的检测方法与仪表设备，监视控制方式与项目的选择；•难点:污水处理系统中水质对控制技术与仪表选择的特殊要求，以及对控制系统组成的相应影响。课程相关介绍•课程目的：了解基本知识、掌握应用条件、熟悉关键仪表特性；•课程内容介绍：1-6章；•重点讲解内容：每章的侧重点；•自学及了解内容：由于课程学时原因不介绍或简单介绍的部分；第一章自动控制基础知识•1.1自动控制系统概念与构成•1.1.1自动控制系统概念•自动控制系统的基本目的：•解放劳动力提高效率：应用自动控制技术可以解脱繁重的、单调的、低效的人类劳动，以提高生产效率和提高生活水平；•提高精度和质量：对现代生产中很复杂的或极精密的工作，用人力不能胜任时，应用自动控制技术就可以保证高质量地完成任务。人工控制：自动控制：机械电器电子电气工艺•自动控制：在人不直接参与情况下，用外加设备或装置(称自动控制装置)使整个生产过程或工作机械(称被控对象)自动按预定规律运行，或使其某个参数(称被控量)按预定要求变化。•自动控制系统包括：•(1)测量元件：测量被控量（如水位、流量、浊度）的实际值、或对被控量进行物理量的变换；如传感器，检测器，水质仪表；•(2)比较元件：将测量结果和要求值（标准值或水质指标）比较，得到偏差；•(3)调节元件：根据偏差大小产生控制信号。调节元件包括放大器和较正装置，它能放大偏差信号，并使控制信号和偏差具有一定关系；•(4)执行元件：由控制信号产生控制作用，从而使被控量达到要求值，如阀门、水泵等；上述部分归纳和组合为下图：系统输出量：控制系统的被控量。系统输入量：影响系统输出的外界输入。•自动控制系统工作原理：通过测量和比较得到偏差，由偏差产生控制作用，由控制作用使偏差消除或减少的原理。•主要特点：•(1)信号传送：输出量经测量后回送到输入端。回送的信号使回路闭合，构成闭环，此过程称为反馈。•(2)控制作用：由偏差引起。偏差产生的控制作用使系统沿减少或消除偏差的方向运动。由偏差产生控制作用叫做偏差控制。•具有上述两个特点的自控系统叫做反馈控制系统、闭环控制系统、偏差控制系统。•系统的工作原理叫做反馈控制原理。•1.1.2自动控制系统的构成自动控制目的：在人不直接参加的情况下实现同样的控制目的。自动控制系统基本构成：整定文件：或给定文件，给出被控量应取的值。测量元件：检测被控量的大小，如流量计等。比较元件：用来得到给定值与被控量之间的误差。放大元件：用来放大误差信号，驱动执行机构。执行元件：用来执行控制命令，推动被控对象。电机是典型的执行元件。校正元件：用来改善系统的动、静态性能，它可以用模拟/数字电路来实现，也可以用计算机程序来实现。能源元件：用来提供控制系统所需的能量。控制理论和控制工程常用术语：•被控量：指被测量和被控制的量或状态，如上述系统中的炉温。•控制量：一种由控制器改变的量或状态，它将影响被控量的值，如上述系统中加热电阻丝两端的电压。•对象：它一般是一个设备，通常由一些机器零件有机的组合在一起，我们通常将被控物体称为对象，如电加热炉。•系统：系统是一些部件的组合，这些部件组合在一起，完成一定的任务。系统并不限于物理系统，系统的概念有时是很抽象的，它可以指一个特定的动态现象。•扰动：扰动是一种对系统的输出量产生不利影响的因素或信号，如果扰动来自于系统内部，称为内部扰动；如果扰动来自于系统外部，则称之为外部扰动。1.1.3自动控制系统的分类•控制系统：开环控制系统、闭环控制系统、复合控制系统（同时具有开环和闭环结构）。•1.1.3.1闭环控制•闭环控制原理：需要控制的是受控对象（如水处理工艺）的被控量（如流量），而测量的则是被控量和给定值，并计算两者的偏差，该偏差信号经放大后送到执行元件，去操纵受控对象，使被控量按预定的规律变化，以消除偏差。只要被控量偏离了给定值，系统均能自动纠正。这种控制方式也称为按偏差调节。反馈：把输出量回送到输入端，并与指令信号比较产生偏差的过程。指令信号与被控量相减为负反馈，相加则为正反馈。不做特别说明，一般指负反馈。反馈控制：采用负反馈并利用偏差进行控制的过程。这是自控系统中最基本控制方式，在工程中广泛应用。输出量•闭环控制特点：信号按箭头方向传递是封闭的(闭环)、负反馈和按偏差控制。•闭环控制也称为反馈控制或按偏差控制。•闭环控制优点：控制精度高，抗干扰能力强。•闭环控制缺点：元件多，线路复杂，分析和设计麻烦。•1.1.3.2开环控制•（1）按给定值控制•开环控制原理：需要控制的是受控对象的被控量（如流量），控制装置只接收给定值，信号只由给定值单向传递到被控量，无反向联系。其框图如下图所示。•开环控制特点：简单，控制精度低，抗干扰能力差。结构简单、成本低，精度要求不高时，有一定实用价值。•开环控制和闭环控制基本区别：有无负反馈作用。（例如核反应堆与核弹的区别）2）按干扰补偿按干扰补偿原理：需要控制的是被控量，而测量的是干扰信号，利用于扰信号产生控制作用，以减小或抵消干扰对被控量的影响，也称顺馈控制。如图1.10所示。由于测量的是干扰，故只能对可测量的干扰进行补偿。因此，控制精度受到原理的限制。（例如稳压电源）。•1.1.3.3复合控制•复合控制方式：把按偏差控制与按干扰控制结合起来，对主要扰动采用适当的补偿，实现按干扰控制；同时再组成反馈系统实现按偏差控制，以消除其他偏差。如图1.11所示。•综上所述，•自动控制系统组成：控制器和受控对象；•任务：使被控量自动跟随指令信号变化；•实现方式：闭环控制、开环控制和复合控制；•控制器功能：测量、比较放大和执行。•其他分类方法：•按元件类型：可分为机械系统、电气系统、机电系统、液压系统、气动系统、生物系统等；•按系统功用：可分为温度控制系统、压力控制系统、位置控制系统等；•按系统性能：可分为线性系统和非线性系统、连续系统和离散系统、定常系统和时变系统、确定性系统和不确定性系统等；•按输入量形式：可分为恒值控制系统、随动系统和程序控制系统等。•为全面反映自动控制系统特点，常将上述分类方法组合应用。•1.1.3.4线性连续控制系统•1.1.3.5线性定常离散系统•1.1.3.6非线性控制系统•1.1.3.7SISO系统和MIMO系统•1.1.3.8集中参数系统和分布参数系统•1.2传递函数与环节特性（自学）•1.2.1方块图和传递函数•自动控制系统中每个组成环节的特性对控制过程起到的影响，为达到预定的控制要求，构成的控制回路，选择的控制器特性，都是应用方块图和传递函数作为分析基本手段，对自动控制系统进行分析。•方块图和传递函数是自动化理论的重要基础。•（例如常规饮用水处理工艺流程图）水力混合混合折板反应斜管沉淀普通快滤氯消毒原水反应沉淀过滤消毒•在自动控制理论中，常见的是进行拉普拉斯变换(简称拉氏变换)。•拉氏变换是一种积分变换，将微分积分函数转化为代数幂函数形式，将微分方程转化为代数方程，是一种简化运算的手段。•分析自动控制系统，应用拉氏变换方法，再配以方块图形式，会更加清楚和简单。•在方块中填入微分方程的拉氏变换式，把输出和输入的变换式分别写在方块的输出箭头线和输入箭头线上，就可直接看出各环节的联系，及环节对信号的传递过程，如图1.14。方块内的拉氏变换即传递函数。传递函数可用来描述环节或自动控制系统的特性。可以将输入-输出关系清晰地表示出来。•1.2.2典型环节的动态特性及传递函数•自动控制系统是由一些环节所组成的总体，这些环节的基本功能是测量被控变量，揭示它对给定值的偏移，形成和放大控制信号，移动控制机构等。•自动控制系统应按其动态特性来分类，构造不同、原理不同的各种元件、装置，有些是可以用相同的微分方程来描述的，它们的传送函数或动态特性也相同。各种自动控制系统的所有环节都可以用为数不多的几种基本典型环节来概括。•1.3自动控制系统的过渡过程及品质指标•（部分自学）•1.3.1典型输入信号•为比较系统性能优劣，对于外作用信号和初始状态做典型化处理。•规定控制系统的初始状态均为零状态，即在外作用信号加于系统的瞬时（t=0）之前，系统是相对静止的，被控量和各阶导数相对于平衡工作点的增量为零。•规定一些具有特殊形式的信号作为系统的输入信号，这些典型的输入信号反映系统的大部分实际情况。•（1）阶跃函数•指令的突然转换，电源•突然接通，负荷突变•等，均可看作阶跃作用。000)(tattr•（2）速度函数•船闸匀速升降，数控机床•加工斜面时的进给指令均•可看作是斜坡作用。••（3）加速度函数000)(tatttr000)(2tatttr•（4）脉冲函数•四种典型单位输入函数间有一定的关系。按单位脉冲函数、单位阶跃函数、单位斜坡函数、单位抛物线函数的顺序排列，前者是后者的导数；而后者是前者的积分。因此，在分析线性系统时，只需知道一种输入函数的输出时间响应就可以确定另外—种输入函数的输出响应。ttttr01,00)(•1.3.2自动控制系统的静态与动态•当自动控制系统的被控参数不随时间变化，即被控参数变化率等于零的状态，称为系统的静态；而把被控参数随时间变化的状态称为动态。•(1)静态•当一个自动控制系统的输入恒定不变时，既不改变给定值又没有干扰，整个系统就会处于一种相对平衡的静止状态。•自动控制系统的静态过程是暂时的、相对的和有条件的。•(2)动态•生产过程中干扰不断产生，自动控制系统的静态随时被打破，使被控参数变化。在这个过程中，系统各环节都处于运动状态，所以称为动态。•1.3.3自动控制系统的过渡过程•自动控制系统在动态过程中被控量是不断变化的，这种随时间而变化的过程，称为自动控制系统的过渡过程，也就是系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的全过程，或者说是自动控制系统的控制作用不断克服干扰影响的全过程。•（1）单调过程•被控变量在给定值的某一侧做缓慢变化。最后能回到给定值，如图1.27(a)所示。•（2）非周期发散过程•被控变量在给定值的某一侧，逐渐偏离给定值，而且随时间t的变化，偏差越来越大，永远回不到给定值，如图1.27(b)所示。•（3）衰减振荡过程•被控变量在给定值附近上下波动，但振幅逐渐减小