第1章-给排水工程仪表与控制课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,给排水工程仪表与控制,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,水处理工艺参数的监测和控制,采用的仪表和设备,仪表选择：原理、种类、型号、使用范围,仪表和设备控制,信号传输、网络构成、终端,给排水工程仪表与控制水处理工艺特点：水质水量、药剂投量、电力,1,1 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 微电子、仪器仪表、电气设备、自动化技术的进步；,2,1 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。,1 多学科知识：给排水工程、化学、仪器仪表、自动化控制、电气,3,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。,基本内容（高校专业指导委员会）,4,2、,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。,2、城市水工程自动化常用仪表与设备,5,3、,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。,3、泵及管道系统控制调节,6,4、,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。,4、给水处理系统控制技术,7,5、,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。,5、污水处理厂的检测,8,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；,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,9,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。,第一章 自动控制基础知识 1.1 自动控制系统概念与构,10,人工控制：,人工控制：,11,自动控制：,机械,电器,电子,电气,工艺,自动控制：机械电器电子电气工艺,12,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；,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,13,(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；,第1章-给排水工程仪表与控制课件,14,上述部分归纳和组合为下图：,上述部分归纳和组合为下图：,15,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。,系统输出量：控制系统的被控量。,16,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,。,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,17,1.1.2 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。,1.1.2 自动控制系统的构成,18,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。,第1章-给排水工程仪表与控制课件,19,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。,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,20,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。,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,21,1.1.3,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,。,1.1.3 自动控制系统的分类 控制系统：开环控制系统、闭,22,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,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。,23,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。,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,24,1.1.3.2 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）,1.1.3.2 开环控制,25,2）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）。,2）按干扰补偿,26,1.1.3.3 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。,1.1.3.3 复合控制,27,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。,综上所述，,28,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。,其他分类方法：,29,1.1.3.4 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,1.1.3.7 SISO系统和MIMO系统,1.1.3.8 集中参数系统和分布参数系统,1.1.3.4 线性连续控制系统,30,1.2 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,1.2 传递函数与环节特性（自学） 水力混合混合折板反应斜,31,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)。,32,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。,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,33,1.2.2 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。,1.2.2 典型环节的动态特性及传递函数,34,1.3 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。,1.3 自动控制系统的过渡过程及品质指标,35,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。,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,36,（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,（2）速度函数,37,（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。,（4）脉冲函数,38,1.3.2 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。,1.3.2 自动控制系统的静态与动态,39,(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。,(2)动态,40,（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。,（1）单调过程,41,（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，最终能回到给定值，如图1.27(c)所示。,（4）,等幅振荡过程,被控变量在给定值附近上下波动且振幅不变，最终也不能回到给定值，如图1.27(d)所示。,（3）衰减振荡过程,42,（5）,发散振荡过程,被控变量在给定值附近来回波功，而且振幅逐渐增大，偏离给定值越来越远，如图1.27(e)所示。,（5）发散振荡过程,43,以上5种过程可归纳为两类：,第一类：,稳定的过渡过程,，如图1.27(a)和(c)所示，表明当系统受到干扰，平衡被破坏，但经过控制器的工作，被控变量能逐渐恢复到给定值或达到新的平衡状态，是所希望的。,第二类：,不稳定的过渡过程,，如图1.27(b)， (e) ， (d)所示。 (b)， (e)所示的过程是被控变量随时间的增长而无限地偏离给定值，一旦超过生产允许的极限值就可能发生严重事故，造成不应有的损失，这样的过渡过程是绝对不能采用的。,以上5种过程可归纳为两类：,44,1.3.4 自动控制系统的品质指标,1.3.4.1对控制系统的要求,任何技术设备、机器和生产过程都必须按要求运行。可将被操纵的机器设备称作,被控对象,，将表征其工况的关键参数称作,被控变量,，而将这些工况参数所希望所要求达到的值称作,给定值,。,控制系统任务,：使被控对象的被控变量按给定值变化。,通常将系统受到给定值或干扰信号作用后，被控变量变化的全过程称为,系统的动态过程,。,1.3.4 自动控制系统的品质指标,45,控制精确度,是衡量自动控制系统技术性能的重要尺度。一个高品质的控制系统，在整个运行过程中，被控变量对给定值的偏差应该是很小的。考虑到自控系统的动态过程在不同阶段中的特点，工程上常从,“稳”、“快”、“准”,三个主要方面来要求。,被校对象不同，对稳、快、准的技术要求也有所侧重，随动系统对“快”要求较高，而温度控制系统对“稳”限制严格。,同一系统稳、快、准是相互制约的,，提高过程的快速性，常会诱发系统强烈振荡；改善平稳性，控制过程又可能延迟甚至最终精确度也有所下降。,控制精确度是衡量自动控制系统技术性能的重要尺度。一个高品质的,46,1.4,自动控制系统的调节规律,在自动控制系统中，实现调控功能的核心装置是,控制器,(又称,调节器,)。测量值和给定值在调节器中进行比较，得到偏差，调节器按不同规律产生一个调节信号。调节信号随时间变化的规律叫做,调节器的调节规律,。,常用调节规律,：比例、积分、微分、比例加积分、比例加微分、比例加积分加微分等。,1.4 自动控制系统的调节规律,47,1.4.1 位式控制,1.4.1.1 双位控制,只有全开和全关的两个极限位置，叫做,双位调节,。把控制电路工作的晶体管放大器称为,双位式控制器,。,在双位调节系统中，由于双位调节的固有调节规律所限，在任何时刻，调节器输出、调节阀的开关状态都只有,两个对应的极限位置,。,双位控制器,缺点,：动作非常频繁，致使系统中的运动部件容易损坏，很难保证双位调节系统长期安全可靠地运行。,1.4.1 位式控制,48,1.4.1.2 多位控制,为了改善这种特性，控制器的输出可以增加一个中间值，即当被控变量在某一个范围内时，执行器可以处于某一中间位置，以使系统中物料量或能量的不平衡状态得到缓和，这就构成了三位式控制方式。,图1.33（p30）是三位式控制器的特性示意图。显然它的控制效果要比双位式控制的好一些。假如位数更多，则控制效果还会提高。当然增加位数的同时会使控制器复杂程度增加。所以在多位控制中，常用的是三位控制。,1.4.1.2 多位控制,49,1.4.2 比例控制,在双位控制中，由于执行器只有两个极限位置。如果能使阀门的开度与被控量对给定值的偏差成比例，控制的结果就有可能使输出量等于输入量，从而使被控量趋于稳定，系统达到平衡状态；,这种阀门开度与被控量的偏差成比例的控制，称为,比例控制,。就是控制器的输出信号与输入信号之间有一一对应的比例关系。比例控制简称,P控制,。,1.4.2 比例控制,50,1.4.2.1比例控制,：,比例调节器的输出与输入,成比例,；比例调节器的输出为：,P,(,t,)调节器输出；,e,(,t,)偏差信号；,K,c 调节器比例系数。,1.4.2.1比例控制：,51,比例控制器有一输入信号后，其输出为输入信号的,K,c倍。,P,(,t,)随时间的变化规律如图1.34所示。,比例调节器输出随输入成比例变化，,时间上没有任何迟延,。,K,c是一个不随时间而变的常数。,K,c设置成可调的，经人工调定，就不再随时间变化。,比例控制器有一输入信号后，其输出为输入信号的Kc倍。P(t),52,1.4.2.2 比例度,在工业调节器中，采用比例度,为参数。比例度是一个相对值，其定义式：,式中,P,max,-,P,min,输出信号的变化范围；,z,max,-,z,min,输入信号变化范围，即量程；,P,输出信号的变化量；,e,偏差的变化量。,输入信号相对于其满量程的比例,输出信号相对于其满量程的比例,1.4.2.2 比例度输入信号相对于其满量程的比例,53,比例度可这样理解：,要使输出信号作全范围变化，输入信号须改变全量程的百分数,。,例如，输入和输出信号变化范围都是0,10mA，如输入电流改变1mA，则输出电流改变2mA，此时:,也就是说，在50%比例度下，当输入电流改变全范围的50%，输出电流将作全范围的变化。,比例度可这样理解：要使输出信号作全范围变化，输入信号须改变全,54,比例调节器系统，调节余差不为零，即系统是,有差系统,。,余差与,K,c值关系：,随着,K,c值增加，余差将减少，只有当,K,c值无穷大时，余差才可为零,。因此增加比例系数不可能消除余差，必须引进积分作用。,比例调节器输出,P,=,K,c,e,，即只有偏差,e,存在，调节器才有输出,P,产生。,比例调节器系统，调节余差不为零，即系统是有差系统。,55,越大，比例作用越弱；,越小，比例作用越强；,越大，比例作用越弱； 越小，比例作用越强；,56,在,K,c值增大(即,减小)时，变化情况如下：,(a)余差下降；,(b)振荡倾向加强，稳定程度下降；,(c)工作频率提高，工作周期缩短；,(d)在干扰作用下，,K,c越大最大偏差越小。,比例调节器适用于干扰幅度小，滞后较小，时间常数较长(与滞后时间相比)的对象。,通常比例度取值为：流量调节40%100%；液面调节20%80%。,在Kc值增大(即减小)时，变化情况如下：,57,第1章-给排水工程仪表与控制课件,58,1.4.3 比例积分控制,积分环节特性：当有输入信号存在时，其输出就会一直积累下去、直到极值。,积分控制器：,利用积分环节构成的调节器。,只要被调参数有偏差，积分调节器就会为消除这个偏差继续调节。积分调节器一定可以克服偏差，直到偏差为零时，调节的过渡过程才停止。,1.4.3 比例积分控制 积分环节特性：当有输入信号存在时，,59,1.4.3.1 积分控制规律,积分控制器调节规律,：控制器输出的变化量与偏差随时间的积分成比例，即,输出变化速度与输入偏差值成正比,。,e,偏差信号；,T,i积分时间。,当控制器的输入偏差存在时，其输出变化率就不为零，会一直变化下去，直到输入偏差为零，控制器的输出,变化率,才等于零，控制器的输出稳定在一个数值上。因此，,积分调节是无差调节,。,1.4.3.1 积分控制规律,60,在偏差是阶跃信号输入时，积分控制规律特性曲线如图1.38所示。,直线斜率反映了输出的变化速度，它与偏差大小成正比，而与积分时间,T,i成反比。,在偏差是阶跃信号输入时，积分控制规律特性曲线如图1.38所示,61,1.4.3.2 比例积分调节规律,比例积分调节器：,有比例作用又有积分作用的调节器。,在比例作用的基础上，又引入了积分作用。二者之间的关系是比例加积分。,偏差,e,(,t,)是一个幅度为,A,的阶跃信号，则：,(1.42),K,c比例调节比例系数；,T,i 积分时间。,1.4.3.2 比例积分调节规律比例积分调节器：有比例作用又,62,比例积分调节器的输出是两部分输出在同一时刻的和,。在,t,=0时刻，调节器的输出正好是比例作用，积分作用为零，但输出变化率，并不为零，是一恒定速度。随着时间的延续，调节器的比例作用保持不变，积分作用使输出逐渐上升。输出的变化速度与输入偏差幅值,A,的大小有关，也与积分时间,T,i有关。,比例积分调节器的输出是两部分输出在同一时刻的和。在t=0时刻,63,比例积分调节器输出是比例调节作用与积分调节作用的叠加。,比例积分调节作用是,比例粗调和积分细调作用组合。粗调及时克服干扰，细调逐渐克服余差。在调节作用上以比例为主。,比例积分调节作用可看成是比例系数随时间不断加大的比例作用。,比例积分调节器输出是比例调节作用与积分调节作用的叠加。,64,积分时间,T,i缩短时，将产生下列现象：,(a)消除余差较快；,(b)稳定程度下降，振荡倾向加强；,(c)最大偏差减小。,积分时间过大，积分作用弱，消除静差慢；积分时间过小，过渡过程振荡太剧烈，稳定性降低，动态指标下降。,积分时间Ti缩短时，将产生下列现象：,65,1.4.4 比例积分微分控制,1.4.4.1 微分控制规律,根据被调参数的变化速度而输出调节信号，具有明显,超前作用,。,根据偏差变化速度引入控制作用，只要偏差变化出现，就立即动作。,对象存在容量滞后和大时间常数的条件下，变化率很明显，微分调节器会有较大输出。,对于纯滞后情况，微分起不到调节作用。,具有纯滞后的对象利用微分调节器不能改善调节效果。,1.4.4 比例积分微分控制1.4.4.1 微分控制规律,66,理想微分控制器在阶跃输入下特性如图1.41。,微分作用特点：,输入不变，微分作用输出总是零；,输入变化，控制器才有输出；,输入变化越快，输出值越大。,微分控制器,不能作为一个独立控制器使用,，常和比例控制器一起使用。,理想微分控制器在阶跃输入下特性如图1.41。,67,1.4.4.2 比例微分调节规律,比例微分控制器特点,：具有超前作用的控制规律。既有比例控制作用，又有微分作用，有利于克服干扰，降低最大偏差。因此当对象时间常数较大时，常用比例微分控制器。,微分作用超前，是与比例控制作用相对而言的。当偏差作阶跃变化时，控制器输出会一跃而上，加大了作用量，因此可使最大偏差减小，过渡时间缩短。,1.4.4.2 比例微分调节规律比例微分控制器特点：具有超,68,纯比例控制作用与比例微分控制作用的变化过程如图1.42 所示。将PD特性与P特性相比，输出值要高上一段，从时间上看，纯比例作用达到同样的输出值，要多花一段时间。,纯比例控制作用与比例微分控制作用的变化过程如图1.42 所示,69,1.4.4.3 比例积分微分调节规律,PID调节规律,：比例、积分、微分三种调节规律组合。,以比例作为基本调节规律，以微分的超前作用克服容量滞后、测量滞后，以积分作用最后消除余差。,(1)PID控制规律的时间特性,比例积分微分控制规律是比例控制、积分控制和微分控制三种控制作用之和。,1.4.4.3 比例积分微分调节规律 PID调节规律：比例,70,偏差信号为阶跃信号,A,，PID调节器作用：,先是微分起主导；,后是比例；,最后是积分。,PID是三种作用之和，在图形上可相加得到，其输出变化过程示于图1.43。,偏差信号为阶跃信号A，PID调节器作用：,71,(2)PID特征参数及其对过渡过程的影响,一个三作用调节器有,比例度,、积分时间,T,i,和微分时间,T,d,三个可供选择的特征参数，改变参数便可以适应生产过程的不同要求。,对于已设计并安装好的调节系统，主要通过调整这三个参数来达到目的。,(2)PID特征参数及其对过渡过程的影响,72,图1.44为在各种不同调节规律作用下的过渡过程曲线比较图。,比较曲线1与曲线3，曲线2与曲线4：,微分作用能减小最大偏差值和调节时间,。,比较曲线4与曲线 3：,积分作用能够消除余差,，最大偏差值及调节时间增大。如果系统的滞后很大，积分作用还会引起振荡。,第1章-给排水工程仪表与控制课件,73,第1章-给排水工程仪表与控制课件,74,1.4.5 控制方式的选择,典型控制方式优缺点,：各有长短。,PID控制器比较完美，但其应用领域受到限制。考虑到生产领域被控对象面大，负荷变化也有差别，控制品质要求不尽一致等等问题，如何根据实际生产需要合理选择，适当配备，正确使用控制器。,1.4.5 控制方式的选择 典型控制方式优缺点：各有长短。,75,选择控制器的控制方式，应根据对象特性，主要干扰以及控制质量的要求等不同情况。同时还要考虑经济性和系统的投运方便等，具体选择原则如下：,（1）,比例控制方式,：时间常数较小，负荷变化不大，工艺要求不高时；,（2）,比例积分控制方式,：时间常数较小，负荷变化较大，工艺要求无余差时。,选择控制器的控制方式，应根据对象特性，主要干扰以及控制质量的,76,（3）,微分作用：,当时间常数较大或容量滞后大时。,（4）当时间常数较小，负荷变化很大时，选用微分作用和积分作用都容易引起振荡。如果时间常数很小时，可采用,反微分作用,来降低系统的反应速度提高控制质量。,（5）对象滞后很小或噪声严重时，应避免引入微分作用，否则会寻致系统的不稳定。,（3）微分作用：当时间常数较大或容量滞后大时。,77,（6）时间常数很大(或存在较大的纯滞后)，负荷变化也很大时，应设计其他控制方案，根据具体情况选用前馈、串级、采样等复杂控制系统。,（7）当对象数学模型可用近似时，可根据纯滞后时间与时间常数的比值/T来选择控制方式。,当/T0.2时选用比例或比例积分控制方式；,当0.2/T1时采用单回路控制系统往往不能满足要求，应选用其他控制方案。,（6）时间常数很大(或存在较大的纯滞后)，负荷变化也很大时，,78,1.4.6 控制参数整定,控制器投入运行前，须先把它整定（设定）好，即要把决定控制作用强弱的控制器特性参数(P，TI，TD)放在适当的数值上。,在实际中有各种各样被控对象，对控制器特性会有不同要求，整定的目的就是设法使控制器特性能够和被控对象配合好，以便得到最佳控制效果。,如果控制器参数整定不好，既使控制器本身很先进，其控制效果也会很差。因此，控制器参数的整定是一个很重要的问题。,1.4.6 控制参数整定 控制器投入运行前，须先把它整定（,79,在前面讨论了各种类型自动控制器的控制方式和控制效果，可看到决定比例控制作用强弱的特性参数是比例度P()；对于比例积分控制器，比例度P和积分时间TI是主要特性参数，PID控制器则有三个特性参数，即P，TI，TD。这些对控制效果有很大影响，需认真整定。,各种具体的控制器，在结构上，都有相应的旋钮机构来改变这些整定参数。在使用自动控制器的时候，首先需解决应把这些旋钮放在什么位置上，即应把这些参数整定到多大才算合适的问题。为此，首先需要说明以下三点：,在前面讨论了各种类型自动控制器的控制方式和控制效果，可看到决,80,（1）控制器的特性参数，究竟整定到多大合适，取决于具体被控对象的动态特性。控制器是为被控对象服务的，因此就应该根据被控对象的动态特性来确定控制器参数的整定位置，以求两者很好配合，取得“最佳”控制效果。自动控制器之所以具有很大的通用性，关键就在于它可以通过改变其特性参数来适应各种不同的被控对象。,（1）控制器的特性参数，究竟整定到多大合适，取决于具体被控对,81,（2）控制效果怎样才算“最佳”。严格说来，出于各种具体生产过程要求不同，标准也不同，但在一般情况下，可以根据控制系统在阶跃扰动下的控制过程，即被控变量的变化情况来判定控制效果。对控制系统的要求是稳定性、准确性和快速性，稳定性是首先的，在这个前提下，尽量满足准确性和快速性要求。,（2）控制效果怎样才算“最佳”。严格说来，出于各种具体生产过,82,（3）控制器整定方法：直到目前有几十种方法，但是大部分不能在工程上实际应用，有的方法过于繁杂，计算工作量很大，实际应用不便；有的方法过于近似，忽略了重要因素，大多是根据理想控制器和理想对象来整定参数，所获数据并不可靠。,（3）控制器整定方法：直到目前有几十种方法，但是大部分不能在,83,1.4.6.1 临界比例度法,1.4.6.2 衰减曲线法,1.4.6.3 经验法,1.4.6.1 临界比例度法,84,1.5 双位逻辑控制系统（自学）,1.6 计算机控制系统概述,1.6.1 计算机控制系统的组成,以计算机为核心构成的数字式控制系统，是通过数字运算完成各种功能的，其基本构成如图1.65。以微处理器为核心的各种智能化控制装置都可以归结到这一类控制系统中来。,（1）,工业计算机,组成的系统；,（2）可编程序控制器,组成的系统；,（3）智能化专用,调节器,组成的系统；,（4）单板机,或,单片机,组成的系统；,（5）上述各类装置混合组成的系统。,1.5 双位逻辑控制系统（自学）,85,第1章-给排水工程仪表与控制课件,86,参数采集：,在线检测仪表将参数信号连续输送给计算机。这种连续输入信号称为,模拟量,，分为电流信号和电压信号两种模式，通常采用420mA、010mA、010V等规格。,计算机特点是进行数字运算，能识别离散量，称为,数字量,。,将输入的模拟量经过适当变换，转换为计算机能够识别的数字量。,实现这一过程的装置称为,模/数转换器(A/D转换器),，它将连续模拟量调制为离散数字量，以二进制方式传送。,参数采集：在线检测仪表将参数信号连续输送给计算机。这种连续输,87,运算控制：,中央处理器(CPU)按照程序给定的控制算法(例如PID)，根据输入参数的数字量进行逻辑运算，得出控制信号输出。,控制算法,是根据控制过程的特点，人为选定并事先编程贮存在CPU中的。算法中涉及的各项特性参数也已事先整定好，贮存在CPU中供随时调用。,运算控制：中央处理器(CPU)按照程序给定的控制算法(例如P,88,信号输出：,计算机输出的控制信号是数字量，必须转换变为模拟量后才能为执行装置接受。完成这一转换的装置就是,数/模转换器(D/A转换器),。D/A转换的方向是由数字量至模拟量。,例如后续执行装置接受信号为420mA，就应选用输出信号为420mA的D/A转换器。这些模拟控制信号，指挥各种执行机构(泵、阀等)，完成相应调节功能。,信号输出：计算机输出的控制信号是数字量，必须转换变为模拟量后,89,外围设备：,除计算机控制系统主体之外，还可选配一些外围设备配合使用，有显示器、存储记录装置、打印机等。,显示器,：可以图形、数字、表格等形式反映控制过程、状态，给操作人员提供参考。,存储记录装置,：磁盘或光盘，以数字形式贮存信息；磁带等模拟记录方式；纸带或图形记录仪等，将生产过程参数变化直接以图形方式反映出来。,打印机,：将当前或以往的控制数据、图表打印输出，或按需要打印生产报表。,外围设备：除计算机控制系统主体之外，还可选配一些外围设备配合,90,可编程控制器（PLC）：,以微处理器为核心的数字化控制系统。,微电脑工业调节器,：将上述各部分组合成一个固定的单元体，可直接接受、输出模拟量。,这种工业调节器通常可接受或输出几种规格的模拟量，由用户自行选择，使用起来更加方便。,可编程控制器（PLC）：以微处理器为核心的数字化控制系统。,91,计算机控制系统的典型应用方式,（1）操作指示控制系统,计算机对各种参数进行巡回检测，并对测量结果作必要的处理，然后通过声光信号或显示、打印输出数据，供操作人员参考，也可以转储或传输给上一级计算机。,计算机仅作为辅助的检查测量工具和数据采集装置。一般也将此系统称作,计算机监测系统,。,计算机控制系统的典型应用方式 （1）操作指示控制系统,92,（2）直接数字控制系统DDC,在DDC系统中，计算机对一个或多个被控物理量进行,巡回检测,，并根据规定的数学模型（控制规律）进行运算，然后发出控制信号，直接控制被控对象。,一台计算机可控制一个或多个回路。计算机可以依次对各个回路进行检测控制，从而较好地利用计算机资源。,（2）直接数字控制系统DDC,93,（3）分级控制系统,一个工业生产过程可能规模较大或较为复杂，既存在控制问题、又存在管理问题，因此可采用执行不同功能的各类计算机协调工作，形成,分级控制系统,。,例如城市供水系统的自动控制,（1）在工艺单元进行直接数字控制；,（2）在水厂进行监督控制，对各工艺环节协调管理、收集数据；,（3）在公司管理级负责整个供水系统的生产协调、生产计划、经营决策等。,（3）分级控制系统,94,集散型控制系统：,计算机控制系统采用单元组合方式，根据不同需要组合成一个完整系统。,按“,集中管理、分散控制,”方式进行工作。,在各工艺单元，采用由微处理器构成的基本控制器进行直接数字控制，只有必要信息送往上一级计算机，减少信息传输量，降低了对上级计算机要求，使系统可靠性大大提高，易于采用单元组合方式、根据不同需要，组合成一个完整系统，形成所谓,分级分布式控制,，出现了,分散型综合控制系统,或,分散型微处理机控制系统,，简称,集散式控制系统,，如图1.66所示。,集散型控制系统：计算机控制系统采用单元组合方式，根据不同需要,95,第1章-给排水工程仪表与控制课件,96,衡量计算机控制系统质量的两个重要指标：,可靠性：,计算机系统能够无故障运行的能力。具体评价指标是“平均故障间隔时间”，发生故障的间隔时间越长，计算机系统可靠性越高。,可维护性：,指进行维护时方便的程度。仅仅要求可靠性高是不够的，因为即使计算机的平均无故障时间间隔很长；一旦发生故障时，需要很长的时间才能修复，将对生产过程发生不利影响，应该要求计算机有尽量高的可利用率。,衡量计算机控制系统质量的两个重要指标：,97,