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城市水工程儀表與控制 陳 俐 一、控制儀表的分類： 基地式：檢測(cè)控制顯示組合在一起的儀表。 單元組合式：在系統(tǒng)規(guī)定的統(tǒng)一的通訊方式下，按要求給出相應(yīng)的控制信號(hào)。 計(jì)算機(jī)式：以計(jì)算機(jī)為中心控制單元，以測(cè)試儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等單元為外圍設(shè)備的系統(tǒng)。 二、自動(dòng)化及儀表發(fā)展 從自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)看，經(jīng)歷四個(gè)階段： 1、20世紀(jì)50年代以基地式控制器組成的控制系統(tǒng)； 2、20世紀(jì)60年代以單元組合儀表組成的控制系統(tǒng)； 3、20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)； 4、20世紀(jì)80年代以后出現(xiàn)二級(jí)優(yōu)化控制。 三、自動(dòng)控制系統(tǒng)的作用 1、定義：在沒有人直接參與的情況下，利用外加設(shè)備或裝置（稱自動(dòng)控制裝置）使生產(chǎn)過(guò)程或工作機(jī)械（被控對(duì)象）的某些物理量自動(dòng)而準(zhǔn)確地按照預(yù)期規(guī)律變化 2、目的： 提高生產(chǎn)效率、提高生活水平； 保證高質(zhì)量地完成任務(wù)。 按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 第二節(jié) 傳遞函數(shù)與環(huán)節(jié) 一、方塊圖與傳遞函數(shù) 方塊圖：控制系統(tǒng)的元件作用圖用一個(gè)方塊表示，一個(gè)方塊可以對(duì)應(yīng)于一個(gè)元件或一個(gè)設(shè)備，或幾個(gè)設(shè)備的組合，或一個(gè)局部生產(chǎn)過(guò)程，代表一個(gè)環(huán)節(jié)。 拉普拉斯變換：一種積分變換，微積分函數(shù)  代數(shù)冪函數(shù)，微分方程  代數(shù)方程。 傳遞函數(shù)：一個(gè)環(huán)節(jié)或一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，輸出拉氏變換與輸入拉氏變換之比。拉氏變換基礎(chǔ)上，以系統(tǒng)本身參數(shù)描述的線性定常系統(tǒng)輸入量與輸出量的關(guān)系式，表達(dá)了系統(tǒng)內(nèi)在的固有特性，與輸入量無(wú)關(guān)。 用Y(s)代表輸出的拉氏變換，用X(s)代表輸入的拉氏變換，則傳遞函數(shù)G(s)可表示為： 傳遞函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)： 比較簡(jiǎn)單；當(dāng)系統(tǒng)輸入典型信號(hào)時(shí)，輸出與傳遞函數(shù)有一定的關(guān)系；零極點(diǎn)分布決定系統(tǒng)響應(yīng)過(guò)渡過(guò)程。 二、典型環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性及傳遞函數(shù) 動(dòng)態(tài)特性：當(dāng)輸入信號(hào)加入環(huán)節(jié)，其輸出信號(hào)隨時(shí)間變化的規(guī)律。 自控系統(tǒng)是按其動(dòng)態(tài)特性來(lái)分類。盡管構(gòu)造、原理不同，但只要它們的傳送函數(shù)相同，動(dòng)態(tài)特性就相同。所以，各種自控系統(tǒng)都可用五種基本典型環(huán)節(jié)來(lái)概括。掌握這些基本環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性，了解其連接方式，就能熟練地掌握自控系統(tǒng)。五種基本的典型環(huán)節(jié)及其動(dòng)態(tài)特性介紹如下： 比例環(huán)節(jié)：時(shí)間域內(nèi)輸入輸出函數(shù)成比例，表示 為： 一階環(huán)節(jié)：又稱一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為： 積分環(huán)節(jié)：輸出信號(hào)正比于輸入信號(hào)對(duì)時(shí)間的積分，傳遞函數(shù)為： 微分環(huán)節(jié)： a. 理想微分環(huán)節(jié)：輸出量與輸入量的變化速度成正比，其傳遞函數(shù)為： 式中：Td-反映微分作用強(qiáng)弱的特征參數(shù)。 b. 實(shí)際微分環(huán)節(jié)：輸出信號(hào)的變化滯后于輸入信號(hào)的變化，是具有慣性的環(huán)節(jié)。 純滯后環(huán)節(jié)：經(jīng)過(guò)一段純滯后時(shí)間后等量地復(fù)現(xiàn)輸 入信號(hào)變化，稱距離-速度滯后，其傳遞函數(shù)為： 式中τ- 純滯后時(shí)間。 第三節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程及品質(zhì)指標(biāo) 二 自動(dòng)控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài) 靜態(tài)：各個(gè)參數(shù)的變化率為零，即參數(shù)保持不變。 動(dòng)態(tài)：靜態(tài)隨時(shí)被打破，使被控參數(shù)發(fā)生變化。 二、質(zhì)量指標(biāo) 　　 自控系統(tǒng)的性能用控制精確度來(lái)衡量。工程上常用“穩(wěn)、快、準(zhǔn)”來(lái)要求。 典型的自控系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程是衰減振蕩過(guò)程。常用最大偏差A(yù)、過(guò)渡時(shí)間ts、余差C、衰減比ψ、振蕩周期Tp等五個(gè)品質(zhì)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)。 1、最大偏差：被控參數(shù)偏離給定值的最大差值，衡量過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)指標(biāo)。 2、過(guò)渡時(shí)間：系統(tǒng)受到干撓，被控變量從原穩(wěn)定值達(dá)到新穩(wěn)定值所需要時(shí)間，反映控制快速性的指標(biāo)。 3、余差：控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程終了時(shí)給定值與被控變量穩(wěn)定值之差，反映控制準(zhǔn)確性的一個(gè)重要指標(biāo)。 4、衰減比：第一個(gè)波的振幅與同方向第二個(gè)波的振幅之比，衡量過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)指標(biāo)。 5、振蕩周期：第一個(gè)波峰到相鄰波峰之間的時(shí)間，衡量過(guò)渡過(guò)程快速性的指標(biāo)。 第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制方式 控制方式：控制器輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間隨時(shí)間的變化方式，也稱調(diào)節(jié)規(guī)律�；�本的控制方式有位式控制、比例控制、積分控制和微分控制。 一、雙位控制 當(dāng)測(cè)量值大于（或小于）設(shè)定值，即偏差信號(hào)大于零（或小于零）時(shí)，控制器的輸出信號(hào)為最大值；反之，則控制器的輸出信號(hào)為最小值。因此，理想的雙位控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 特點(diǎn)：被調(diào)參數(shù)等幅振蕩，動(dòng)作頻繁，容易損壞，因而難以保證系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行，如恒溫箱溫度控制，泵站液位控制 二、比例控制 P 特點(diǎn)：調(diào)節(jié)器的輸出與被測(cè)參數(shù)的偏差值成比例，響應(yīng)速度 快，調(diào)節(jié)動(dòng)作及時(shí)、迅速，但有余差，如壓縮機(jī)貯氣罐的壓力 控制。 1、調(diào)節(jié)規(guī)律 輸出與輸入成比例，沒有滯后，傳遞函數(shù)是： 2、比例度 ，調(diào)節(jié)器輸入的變化與相應(yīng)輸出變化的百分?jǐn)?shù)。用式子表示為： 式中：Δe—偏差的變化量； Δp—輸出信號(hào)的變化量。 比例度與比例系數(shù)成反比，其值越大，比例作用越弱。 例題： 某氣動(dòng)比例溫度控制器的輸入范圍為500~1000℃，輸出范圍為20~100kPa，當(dāng)控制器輸入變化200℃時(shí)，其輸出信號(hào)變化40kPa，求該控制器的比例度。 解： 3、比例度對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響 靜態(tài)—余差（為什么比例作用會(huì)有余差呢？） 動(dòng)態(tài)—過(guò)渡過(guò)程 比例系數(shù)對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響見下圖： 三、積分控制 I 特點(diǎn)：可以消除偏差，但調(diào)節(jié)動(dòng)作緩慢，不能及時(shí)克服擾動(dòng) 的影響，致使被調(diào)參數(shù)的動(dòng)態(tài)偏差增大，甚至使系統(tǒng)難穩(wěn)定。 四、比例積分調(diào)節(jié) PI 1、特點(diǎn)：既具有比例作用，又具有積分作用，如流量控制。 傳遞函數(shù)是： 2、積分時(shí)間的影響 對(duì)輸出特性的影響：比例粗調(diào)和積分細(xì)調(diào)作用，粗調(diào)及時(shí) 克服干擾，細(xì)調(diào)逐漸克服余差。 對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響： 對(duì)于不同的對(duì)象，其固有特性不同，為獲得理想的過(guò)渡過(guò) 程，應(yīng)選擇不同的積分時(shí)間數(shù)值與之對(duì)應(yīng)。 五、微分控制 D 特點(diǎn)：偏差信號(hào)變化速度越快，微分作用輸出越大，對(duì)于固 定不變的偏差信號(hào)，不管大小都無(wú)微分輸出，所以不能克服余 差。 六、比例微分控制 PD 特點(diǎn)：具有超前作用，傳遞函數(shù)為： 微分增益：在階躍輸入信號(hào)的作用下，實(shí)際比例微分調(diào)節(jié) 器輸出的初始變化量和最終變化量之比，表示微分作用輸出幅 度的大小，其值越大，微分作用越強(qiáng)。 七、比例積分微分控制 PID 特點(diǎn)：比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)相結(jié)合，既能快速調(diào)節(jié) 又能消除偏差，還能根據(jù)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)提前動(dòng)作，具有較好的調(diào)節(jié)性能，如pH值的控制。 時(shí)間特性：當(dāng)偏差信號(hào)為階躍信號(hào)時(shí)，微分調(diào)節(jié)先起主導(dǎo) 作用，而后是比例調(diào)節(jié)，最后是積分調(diào)節(jié)。 特征參數(shù)及其影響：比例度，積分時(shí)間，微分時(shí)間三個(gè)參 數(shù)。微分作用減小過(guò)渡過(guò)程的最大偏差值和調(diào)節(jié)時(shí)間，積分 用消除余差，但會(huì)增大過(guò)渡過(guò)程的最大偏差值及調(diào)節(jié)時(shí)間。 （1）比例控制方式：時(shí)間常數(shù)較小，負(fù)荷變化不大，工藝要求不高時(shí)，如儲(chǔ)存罐的液位控制等； （2）比例積分控制方式：時(shí)間常數(shù)較小，負(fù)荷變化較大，工藝要求無(wú)余差時(shí)。 （3）微分作用：當(dāng)時(shí)間常數(shù)較大或容量滯后大時(shí)。 （4）當(dāng)時(shí)間常數(shù)較小，負(fù)荷變化很大時(shí)，選用微分作用和積分作用都容易引起振蕩。如果時(shí)間常數(shù)很小時(shí)，可采用反微分作用來(lái)降低系統(tǒng)的反應(yīng)速度提高控制質(zhì)量。 （5）對(duì)象滯后很小或噪聲嚴(yán)重時(shí)，應(yīng)避免引入微分作用，否則會(huì)尋致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 九、控制參數(shù)整定 選定的控制器投入運(yùn)行之前，必須根據(jù)控制過(guò)程曲線形狀，直接在生產(chǎn)中逐步、反復(fù)地調(diào)試，得到最佳的控制參數(shù)。這個(gè)過(guò)程就叫控制參數(shù)整定。 一般由有經(jīng)驗(yàn)的工程人員與老師傅共同進(jìn)行。 十、調(diào)節(jié)作用的實(shí)現(xiàn)方法 控制器一般可按能源形式、信號(hào)類型和結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分類。 1、能源形式 （1）氣動(dòng)：發(fā)展較早，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、可靠 性高、價(jià)格便宜，且在本質(zhì)上安全防爆，因而廣泛應(yīng)用于石油 化工等有爆炸危險(xiǎn)的場(chǎng)所。 （2）電動(dòng)：發(fā)展相對(duì)較晚，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)視操作等方面容易 且易與計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代化信息技術(shù)工具聯(lián)用，因此發(fā)展極為迅速 應(yīng)用極為廣泛，目前大多采用。 2、信號(hào)類型 （1）模擬式：線路簡(jiǎn)單，操作方便，在過(guò)程控制中已廣泛應(yīng) 用，如電動(dòng)調(diào)節(jié)器、氣動(dòng)調(diào)節(jié)器等； （2）數(shù)字式：以微型計(jì)算機(jī)為核心，功能完善，性能優(yōu)越， 可靠性高，維護(hù)方便，如可編程控制器、微電腦調(diào)節(jié)器等。 3、結(jié)構(gòu)形式 （1）基地式：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但通用性差，使用不夠靈活，一般 僅用于一些簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)； （2）單元組合式：使用靈活方便，因此在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)得到廣泛 應(yīng)用，目前使用較多的屬于電動(dòng)控制器； （3）組裝式：在單元組合儀表的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，功能分 離、結(jié)構(gòu)組件化； （4）集散控制式：微處理器為基礎(chǔ)的控制器，在結(jié)構(gòu)、功能 可靠性等各方面都進(jìn)入一個(gè)新階段。 第六節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述 一、系統(tǒng)的組成 參數(shù)采集：模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量稱模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。 運(yùn)算控制：輸入?yún)��?shù)數(shù)字量邏輯運(yùn)算，得出控制信號(hào)輸出。 信號(hào)輸出：數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量稱數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。 外圍設(shè)備：顯示器、存儲(chǔ)記錄裝置、打印機(jī)等。 二、應(yīng)用方式 1、操作指示控制系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)巡回檢測(cè)參數(shù)并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行處理后輸出數(shù)據(jù)。 2、直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)：計(jì)算機(jī)巡回檢測(cè)參數(shù)，運(yùn)算后發(fā)出控制信號(hào)，直接控制被控對(duì)象。 3、分級(jí)控制系統(tǒng)：適用于規(guī)模大或復(fù)雜的系統(tǒng)。 4、集散控制系統(tǒng)：集中管理、分散控制，可靠性大大提高。 思考題 1. 以同等精度元件組成的開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)，其精度比較 為（ B ）。 A、開環(huán)高 B、閉環(huán)高 C、相差不多 D、一樣高 2. 系統(tǒng)的輸出信號(hào)對(duì)控制作用的影響（ B ）。 A、開環(huán)有 B、閉環(huán)有 C、都沒有 D、都有 3. 對(duì)系統(tǒng)抗干擾能力（ B ）強(qiáng)。 A、開環(huán) B、閉環(huán) C、都強(qiáng) D、都不強(qiáng) 4. 對(duì)系統(tǒng)抗干擾能力（ A ）及時(shí)。 A、開環(huán) B、閉環(huán) C、都及時(shí) D、都不及時(shí) 5. 溫度控制系統(tǒng)需要采用（B）規(guī)律。 A、P調(diào)節(jié) B、PI調(diào)節(jié) C、PD調(diào)節(jié) D、PID調(diào)節(jié) 6. pH值控制系統(tǒng)采用（ D ）規(guī)律。 A、P調(diào)節(jié) B、PI調(diào)節(jié) C、PD調(diào)節(jié) D、PID調(diào)節(jié) 7. 流量控制系統(tǒng)采用（ B ）規(guī)律。 A、P調(diào)節(jié) B、PI調(diào)節(jié) C、PD調(diào)節(jié) D、PID調(diào)節(jié) 8. 在容量滯后大而又要消除余差的場(chǎng)合采用（ D ）規(guī)律。 A、P調(diào)節(jié) B、PI調(diào)節(jié) C、PD調(diào)節(jié) D、PID調(diào)節(jié) 9. 比例微分調(diào)節(jié)器是（ A ）調(diào)節(jié)。 A、有差 B、無(wú)差 C、有時(shí)有差、有時(shí)無(wú)差 10. 恒溫箱溫度控制屬于（ A ）系統(tǒng)。 A、定值控制 B、隨動(dòng)控制 C、程序控制 11. 各類測(cè)量?jī)x中變送器屬于（ B ）系統(tǒng)。 A、定值控制 B、隨動(dòng)控制 C、程序控制 12. 可克服多種擾動(dòng)的系統(tǒng)有（ C ）。 A、反饋控制 B、前饋控制 C、復(fù)合控制 13. 對(duì)衰減振蕩而言，衰減比越小，穩(wěn)定度（ B ）。 A、越低 B、越高 C、沒有影響 14. 衡量過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)指標(biāo)有（ABCDE）。 A 最大偏差 B 余差 C 過(guò)渡時(shí)間 D 衰減比 E 振蕩周期 15. 微分調(diào)節(jié)規(guī)律主要可用來(lái)克服調(diào)節(jié)對(duì)象的（大時(shí)間常數(shù)）和（容量滯后）的影響。 16. （微分）控制器對(duì)變化很慢的偏差具有很強(qiáng)的調(diào)整能力。eC5紅軟基地

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