第1章-給排水工程儀表與控制課件

30十月20221第1章-給排水工程儀表與控制22十月20221第1章-給排水工程儀表與控制1微電子、儀器儀表、電氣設(shè)備、自動化技術(shù)的進(jìn)步；2給水排水工程由土木工程型向設(shè)備型轉(zhuǎn)化，給水排水工程的儀表化、設(shè)備化、自動化迅速發(fā)展；3各種先進(jìn)的自動監(jiān)測、自動控制技術(shù)、設(shè)備、儀表已在給水排水工程的各個工藝環(huán)節(jié)以至全系統(tǒng)上應(yīng)用。1微電子、儀器儀表、電氣設(shè)備、自動化技術(shù)的進(jìn)步；1多學(xué)科知識：給排水工程、化學(xué)、儀器儀表、自動化控制、電氣設(shè)備、機(jī)械設(shè)備等；2交叉學(xué)科：根據(jù)實(shí)際情況，了解或掌握一門或多門相關(guān)學(xué)科知識；3學(xué)習(xí)本課程之前，要求學(xué)生具備物理學(xué)、電工學(xué)、電子學(xué)、流體力學(xué)，水泵與水泵站、水質(zhì)工程學(xué)、建筑給水排水工程等技術(shù)基礎(chǔ)課與專業(yè)課的知識。

1多學(xué)科知識：給排水工程、化學(xué)、儀器儀表、自動化控制、電氣基本內(nèi)容

（高校專業(yè)指導(dǎo)委員會）1、自動控制基礎(chǔ)知識重點(diǎn):了解自動控制系統(tǒng)的作用與構(gòu)成，自動控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)規(guī)律，計算機(jī)控制系統(tǒng)概述。難點(diǎn):建立自動控制的基本概念。基本內(nèi)容

（高校專業(yè)指導(dǎo)委員會）2、城市水工程自動化常用儀表與設(shè)備重點(diǎn):了解常用過程參數(shù)檢測儀表、常用過程控制儀表、常用執(zhí)行設(shè)備的基本原理與應(yīng)用；難點(diǎn):儀表種類多，工作原理各不相同，涉及的基礎(chǔ)知識廣泛，應(yīng)注重理解各種儀器儀表的工作特點(diǎn)與適用范圍。2、城市水工程自動化常用儀表與設(shè)備3、泵及管道系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)重點(diǎn):調(diào)節(jié)的內(nèi)容與意義，水泵的調(diào)速控制，恒壓給水系統(tǒng)控制技術(shù)；難點(diǎn):理解自動控制在水泵及管道系統(tǒng)中應(yīng)用的基本方式與常用技術(shù)。3、泵及管道系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)4、給水處理系統(tǒng)控制技術(shù)重點(diǎn):混凝投藥工藝的控制技術(shù)，濾池的控制技術(shù)，水廠自動監(jiān)控系統(tǒng)；難點(diǎn):水處理工程中對控制技術(shù)的要求、所應(yīng)用的各種控制系統(tǒng)的工程特點(diǎn)與適用性。計算機(jī)在城市供水系統(tǒng)自動監(jiān)控與調(diào)度中的應(yīng)用。4、給水處理系統(tǒng)控制技術(shù)5、污水處理廠的檢測重點(diǎn):污水處理廠的檢測項目與取樣，污水處理廠常用的檢測方法與儀表設(shè)備，監(jiān)視控制方式與項目的選擇；難點(diǎn):污水處理系統(tǒng)中水質(zhì)對控制技術(shù)與儀表選擇的特殊要求，以及對控制系統(tǒng)組成的相應(yīng)影響。5、污水處理廠的檢測課程相關(guān)介紹課程目的：了解基本知識、掌握應(yīng)用條件、熟悉關(guān)鍵儀表特性；課程內(nèi)容介紹：1-6章；重點(diǎn)講解內(nèi)容：每章的側(cè)重點(diǎn)；自學(xué)及了解內(nèi)容：由于課程學(xué)時原因不介紹或簡單介紹的部分；課程相關(guān)介紹課程目的：了解基本知識、掌握應(yīng)用條件、熟悉關(guān)鍵儀

第一章自動控制基礎(chǔ)知識

1.1自動控制系統(tǒng)概念與構(gòu)成

1.1.1自動控制系統(tǒng)概念自動控制系統(tǒng)的基本目的：解放勞動力提高效率：應(yīng)用自動控制技術(shù)可以解脫繁重的、單調(diào)的、低效的人類勞動，以提高生產(chǎn)效率和提高生活水平；提高精度和質(zhì)量：對現(xiàn)代生產(chǎn)中很復(fù)雜的或極精密的工作，用人力不能勝任時，應(yīng)用自動控制技術(shù)就可以保證高質(zhì)量地完成任務(wù)。第一章自動控制基礎(chǔ)知識1.1自動控制系統(tǒng)概念與構(gòu)人工控制：人工控制：自動控制：機(jī)械電器電子電氣工藝自動控制：機(jī)械電器電子電氣工藝自動控制：在人不直接參與情況下，用外加設(shè)備或裝置(稱自動控制裝置)使整個生產(chǎn)過程或工作機(jī)械(稱被控對象)自動按預(yù)定規(guī)律運(yùn)行，或使其某個參數(shù)(稱被控量)按預(yù)定要求變化。自動控制系統(tǒng)包括：(1)測量元件：測量被控量（如水位、流量、濁度）的實(shí)際值、或?qū)Ρ豢亓窟M(jìn)行物理量的變換；如傳感器，檢測器，水質(zhì)儀表；自動控制：在人不直接參與情況下，用外加設(shè)備或裝置(稱自動控制(2)比較元件：將測量結(jié)果和要求值（標(biāo)準(zhǔn)值或水質(zhì)指標(biāo)）比較，得到偏差；(3)調(diào)節(jié)元件：根據(jù)偏差大小產(chǎn)生控制信號。調(diào)節(jié)元件包括放大器和較正裝置，它能放大偏差信號，并使控制信號和偏差具有一定關(guān)系；(4)執(zhí)行元件：由控制信號產(chǎn)生控制作用，從而使被控量達(dá)到要求值，如閥門、水泵等；第1章-給排水工程儀表與控制課件上述部分歸納和組合為下圖：上述部分歸納和組合為下圖：系統(tǒng)輸出量：控制系統(tǒng)的被控量。系統(tǒng)輸入量：影響系統(tǒng)輸出的外界輸入。系統(tǒng)輸出量：控制系統(tǒng)的被控量。自動控制系統(tǒng)工作原理：通過測量和比較得到偏差，由偏差產(chǎn)生控制作用，由控制作用使偏差消除或減少的原理。主要特點(diǎn)：(1)信號傳送：輸出量經(jīng)測量后回送到輸入端。回送的信號使回路閉合，構(gòu)成閉環(huán)，此過程稱為反饋。(2)控制作用：由偏差引起。偏差產(chǎn)生的控制作用使系統(tǒng)沿減少或消除偏差的方向運(yùn)動。由偏差產(chǎn)生控制作用叫做偏差控制。具有上述兩個特點(diǎn)的自控系統(tǒng)叫做反饋控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)、偏差控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的工作原理叫做反饋控制原理。自動控制系統(tǒng)工作原理：通過測量和比較得到偏差，由偏差產(chǎn)生控制1.1.2自動控制系統(tǒng)的構(gòu)成

自動控制目的：在人不直接參加的情況下實(shí)現(xiàn)同樣的控制目的。自動控制系統(tǒng)基本構(gòu)成：整定文件：或給定文件，給出被控量應(yīng)取的值。測量元件：檢測被控量的大小，如流量計等。比較元件：用來得到給定值與被控量之間的誤差。放大元件：用來放大誤差信號，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行元件：用來執(zhí)行控制命令，推動被控對象。電機(jī)是典型的執(zhí)行元件。1.1.2自動控制系統(tǒng)的構(gòu)成校正元件：用來改善系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能，它可以用模擬/數(shù)字電路來實(shí)現(xiàn)，也可以用計算機(jī)程序來實(shí)現(xiàn)。能源元件：用來提供控制系統(tǒng)所需的能量。第1章-給排水工程儀表與控制課件控制理論和控制工程常用術(shù)語：

被控量：指被測量和被控制的量或狀態(tài)，如上述系統(tǒng)中的爐溫?？刂屏浚阂环N由控制器改變的量或狀態(tài)，它將影響被控量的值，如上述系統(tǒng)中加熱電阻絲兩端的電壓。對象：它一般是一個設(shè)備，通常由一些機(jī)器零件有機(jī)的組合在一起，我們通常將被控物體稱為對象，如電加熱爐?？刂评碚摵涂刂乒こ坛Ｓ眯g(shù)語：被控量：指被測量和被控制的量或系統(tǒng)：系統(tǒng)是一些部件的組合，這些部件組合在一起，完成一定的任務(wù)。系統(tǒng)并不限于物理系統(tǒng)，系統(tǒng)的概念有時是很抽象的，它可以指一個特定的動態(tài)現(xiàn)象。擾動：擾動是一種對系統(tǒng)的輸出量產(chǎn)生不利影響的因素或信號，如果擾動來自于系統(tǒng)內(nèi)部，稱為內(nèi)部擾動；如果擾動來自于系統(tǒng)外部，則稱之為外部擾動。系統(tǒng)：系統(tǒng)是一些部件的組合，這些部件組合在一起，完成一定的任1.1.3自動控制系統(tǒng)的分類

控制系統(tǒng)：開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)、復(fù)合控制系統(tǒng)（同時具有開環(huán)和閉環(huán)結(jié)構(gòu)）。1.1.3.1閉環(huán)控制閉環(huán)控制原理：需要控制的是受控對象（如水處理工藝）的被控量（如流量），而測量的則是被控量和給定值，并計算兩者的偏差，該偏差信號經(jīng)放大后送到執(zhí)行元件，去操縱受控對象，使被控量按預(yù)定的規(guī)律變化，以消除偏差。只要被控量偏離了給定值，系統(tǒng)均能自動糾正。這種控制方式也稱為按偏差調(diào)節(jié)。1.1.3自動控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)：開環(huán)控制系統(tǒng)、閉反饋：把輸出量回送到輸入端，并與指令信號比較產(chǎn)生偏差的過程。指令信號與被控量相減為負(fù)反饋，相加則為正反饋。不做特別說明，一般指負(fù)反饋。反饋控制：采用負(fù)反饋并利用偏差進(jìn)行控制的過程。這是自控系統(tǒng)中最基本控制方式，在工程中廣泛應(yīng)用。

輸出量反饋：把輸出量回送到輸入端，并與指令信號比較產(chǎn)生偏差的過程。閉環(huán)控制特點(diǎn)：信號按箭頭方向傳遞是封閉的(閉環(huán))、負(fù)反饋和按偏差控制。閉環(huán)控制也稱為反饋控制或按偏差控制。閉環(huán)控制優(yōu)點(diǎn)：控制精度高，抗干擾能力強(qiáng)。閉環(huán)控制缺點(diǎn)：元件多，線路復(fù)雜，分析和設(shè)計麻煩。閉環(huán)控制特點(diǎn)：信號按箭頭方向傳遞是封閉的(閉環(huán))、負(fù)反饋和按1.1.3.2開環(huán)控制（1）按給定值控制開環(huán)控制原理：需要控制的是受控對象的被控量（如流量），控制裝置只接收給定值，信號只由給定值單向傳遞到被控量，無反向聯(lián)系。其框圖如下圖所示。開環(huán)控制特點(diǎn)：簡單，控制精度低，抗干擾能力差。結(jié)構(gòu)簡單、成本低，精度要求不高時，有一定實(shí)用價值。開環(huán)控制和閉環(huán)控制基本區(qū)別：有無負(fù)反饋?zhàn)饔?。（例如核反?yīng)堆與核彈的區(qū)別）1.1.3.2開環(huán)控制2）按干擾補(bǔ)償按干擾補(bǔ)償原理：需要控制的是被控量，而測量的是干擾信號，利用于擾信號產(chǎn)生控制作用，以減小或抵消干擾對被控量的影響，也稱順饋控制。如圖1.10所示。由于測量的是干擾，故只能對可測量的干擾進(jìn)行補(bǔ)償。因此，控制精度受到原理的限制。（例如穩(wěn)壓電源）。2）按干擾補(bǔ)償1.1.3.3復(fù)合控制復(fù)合控制方式：把按偏差控制與按干擾控制結(jié)合起來，對主要擾動采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)按干擾控制；同時再組成反饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)按偏差控制，以消除其他偏差。如圖1.11所示。1.1.3.3復(fù)合控制綜上所述，自動控制系統(tǒng)組成：控制器和受控對象；任務(wù)：使被控量自動跟隨指令信號變化；實(shí)現(xiàn)方式：閉環(huán)控制、開環(huán)控制和復(fù)合控制；控制器功能：測量、比較放大和執(zhí)行。綜上所述，其他分類方法：按元件類型：可分為機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、生物系統(tǒng)等；按系統(tǒng)功用：可分為溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)等；按系統(tǒng)性能：可分為線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)、定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)、確定性系統(tǒng)和不確定性系統(tǒng)等；按輸入量形式：可分為恒值控制系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)等。為全面反映自動控制系統(tǒng)特點(diǎn)，常將上述分類方法組合應(yīng)用。其他分類方法：1.1.3.4線性連續(xù)控制系統(tǒng)1.1.3.5線性定常離散系統(tǒng)1.1.3.6非線性控制系統(tǒng)1.1.3.7SISO系統(tǒng)和MIMO系統(tǒng)1.1.3.8集中參數(shù)系統(tǒng)和分布參數(shù)系統(tǒng)1.1.3.4線性連續(xù)控制系統(tǒng)1.2傳遞函數(shù)與環(huán)節(jié)特性（自學(xué)）1.2.1方塊圖和傳遞函數(shù)自動控制系統(tǒng)中每個組成環(huán)節(jié)的特性對控制過程起到的影響，為達(dá)到預(yù)定的控制要求，構(gòu)成的控制回路，選擇的控制器特性，都是應(yīng)用方塊圖和傳遞函數(shù)作為分析基本手段，對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。方塊圖和傳遞函數(shù)是自動化理論的重要基礎(chǔ)。

（例如常規(guī)飲用水處理工藝流程圖）水力混合混合折板反應(yīng)斜管沉淀普通快濾氯消毒原水反應(yīng)沉淀過濾消毒1.2傳遞函數(shù)與環(huán)節(jié)特性（自學(xué)）水力混合混合折板反應(yīng)斜在自動控制理論中，常見的是進(jìn)行拉普拉斯變換(簡稱拉氏變換)。拉氏變換是一種積分變換，將微分積分函數(shù)轉(zhuǎn)化為代數(shù)冪函數(shù)形式，將微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程，是一種簡化運(yùn)算的手段。分析自動控制系統(tǒng)，應(yīng)用拉氏變換方法，再配以方塊圖形式，會更加清楚和簡單。在自動控制理論中，常見的是進(jìn)行拉普拉斯變換(簡稱拉氏變換)。在方塊中填入微分方程的拉氏變換式，把輸出和輸入的變換式分別寫在方塊的輸出箭頭線和輸入箭頭線上，就可直接看出各環(huán)節(jié)的聯(lián)系，及環(huán)節(jié)對信號的傳遞過程，如圖1.14。

方塊內(nèi)的拉氏變換即傳遞函數(shù)。傳遞函數(shù)可用來描述環(huán)節(jié)或自動控制系統(tǒng)的特性?？梢詫⑤斎?輸出關(guān)系清晰地表示出來。在方塊中填入微分方程的拉氏變換式，把輸出和輸入的變換式分別寫1.2.2典型環(huán)節(jié)的動態(tài)特性及傳遞函數(shù)自動控制系統(tǒng)是由一些環(huán)節(jié)所組成的總體，這些環(huán)節(jié)的基本功能是測量被控變量，揭示它對給定值的偏移，形成和放大控制信號，移動控制機(jī)構(gòu)等。自動控制系統(tǒng)應(yīng)按其動態(tài)特性來分類，構(gòu)造不同、原理不同的各種元件、裝置，有些是可以用相同的微分方程來描述的，它們的傳送函數(shù)或動態(tài)特性也相同。各種自動控制系統(tǒng)的所有環(huán)節(jié)都可以用為數(shù)不多的幾種基本典型環(huán)節(jié)來概括。1.2.2典型環(huán)節(jié)的動態(tài)特性及傳遞函數(shù)1.3自動控制系統(tǒng)的過渡過程及品質(zhì)指標(biāo)（部分自學(xué)）

1.3.1典型輸入信號

為比較系統(tǒng)性能優(yōu)劣，對于外作用信號和初始狀態(tài)做典型化處理。規(guī)定控制系統(tǒng)的初始狀態(tài)均為零狀態(tài)，即在外作用信號加于系統(tǒng)的瞬時（t=0）之前，系統(tǒng)是相對靜止的，被控量和各階導(dǎo)數(shù)相對于平衡工作點(diǎn)的增量為零。

1.3自動控制系統(tǒng)的過渡過程及品質(zhì)指標(biāo)規(guī)定一些具有特殊形式的信號作為系統(tǒng)的輸入信號，這些典型的輸入信號反映系統(tǒng)的大部分實(shí)際情況。（1）階躍函數(shù)

指令的突然轉(zhuǎn)換，電源突然接通，負(fù)荷突變等，均可看作階躍作用。

規(guī)定一些具有特殊形式的信號作為系統(tǒng)的輸入信號，這些典型的輸入（2）速度函數(shù)船閘勻速升降，數(shù)控機(jī)床加工斜面時的進(jìn)給指令均可看作是斜坡作用。

（3）加速度函數(shù)

（2）速度函數(shù)（4）脈沖函數(shù)

四種典型單位輸入函數(shù)間有一定的關(guān)系。按單位脈沖函數(shù)、單位階躍函數(shù)、單位斜坡函數(shù)、單位拋物線函數(shù)的順序排列，前者是后者的導(dǎo)數(shù)；而后者是前者的積分。因此，在分析線性系統(tǒng)時，只需知道一種輸入函數(shù)的輸出時間響應(yīng)就可以確定另外—種輸入函數(shù)的輸出響應(yīng)。（4）脈沖函數(shù)1.3.2自動控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)當(dāng)自動控制系統(tǒng)的被控參數(shù)不隨時間變化，即被控參數(shù)變化率等于零的狀態(tài)，稱為系統(tǒng)的靜態(tài)；而把被控參數(shù)隨時間變化的狀態(tài)稱為動態(tài)。

(1)靜態(tài)當(dāng)一個自動控制系統(tǒng)的輸入恒定不變時，既不改變給定值又沒有干擾，整個系統(tǒng)就會處于一種相對平衡的靜止?fàn)顟B(tài)。

自動控制系統(tǒng)的靜態(tài)過程是暫時的、相對的和有條件的。

1.3.2自動控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)(2)動態(tài)生產(chǎn)過程中干擾不斷產(chǎn)生，自動控制系統(tǒng)的靜態(tài)隨時被打破，使被控參數(shù)變化。在這個過程中，系統(tǒng)各環(huán)節(jié)都處于運(yùn)動狀態(tài)，所以稱為動態(tài)。1.3.3自動控制系統(tǒng)的過渡過程

自動控制系統(tǒng)在動態(tài)過程中被控量是不斷變化的，這種隨時間而變化的過程，稱為自動控制系統(tǒng)的過渡過程，也就是系統(tǒng)由一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)的全過程，或者說是自動控制系統(tǒng)的控制作用不斷克服干擾影響的全過程。

(2)動態(tài)（1）單調(diào)過程被控變量在給定值的某一側(cè)做緩慢變化。最后能回到給定值，如圖1.27(a)所示。（2）非周期發(fā)散過程被控變量在給定值的某一側(cè)，逐漸偏離給定值，而且隨時間t的變化，偏差越來越大，永遠(yuǎn)回不到給定值，如圖1.27(b)所示。（1）單調(diào)過程（3）衰減振蕩過程被控變量在給定值附近上下波動，但振幅逐漸減小，最終能回到給定值，如圖1.27(c)所示。（4）等幅振蕩過程被控變量在給定值附近上下波動且振幅不變，最終也不能回到給定值，如圖1.27(d)所示。（3）衰減振蕩過程（5）發(fā)散振蕩過程被控變量在給定值附近來回波功，而且振幅逐漸增大，偏離給定值越來越遠(yuǎn)，如圖1.27(e)所示。（5）發(fā)散振蕩過程以上5種過程可歸納為兩類：第一類：穩(wěn)定的過渡過程，如圖1.27(a)和(c)所示，表明當(dāng)系統(tǒng)受到干擾，平衡被破壞，但經(jīng)過控制器的工作，被控變量能逐漸恢復(fù)到給定值或達(dá)到新的平衡狀態(tài)，是所希望的。第二類：不穩(wěn)定的過渡過程，如圖1.27(b)，(e)，(d)所示。(b)，(e)所示的過程是被控變量隨時間的增長而無限地偏離給定值，一旦超過生產(chǎn)允許的極限值就可能發(fā)生嚴(yán)重事故，造成不應(yīng)有的損失，這樣的過渡過程是絕對不能采用的。以上5種過程可歸納為兩類：1.3.4自動控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)1.3.4.1對控制系統(tǒng)的要求

任何技術(shù)設(shè)備、機(jī)器和生產(chǎn)過程都必須按要求運(yùn)行?？蓪⒈徊倏v的機(jī)器設(shè)備稱作被控對象，將表征其工況的關(guān)鍵參數(shù)稱作被控變量，而將這些工況參數(shù)所希望所要求達(dá)到的值稱作給定值?？刂葡到y(tǒng)任務(wù)：使被控對象的被控變量按給定值變化。通常將系統(tǒng)受到給定值或干擾信號作用后，被控變量變化的全過程稱為系統(tǒng)的動態(tài)過程。

1.3.4自動控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)控制精確度是衡量自動控制系統(tǒng)技術(shù)性能的重要尺度。一個高品質(zhì)的控制系統(tǒng)，在整個運(yùn)行過程中，被控變量對給定值的偏差應(yīng)該是很小的?？紤]到自控系統(tǒng)的動態(tài)過程在不同階段中的特點(diǎn)，工程上常從“穩(wěn)”、“快”、“準(zhǔn)”三個主要方面來要求。被校對象不同，對穩(wěn)、快、準(zhǔn)的技術(shù)要求也有所側(cè)重，隨動系統(tǒng)對“快”要求較高，而溫度控制系統(tǒng)對“穩(wěn)”限制嚴(yán)格。同一系統(tǒng)穩(wěn)、快、準(zhǔn)是相互制約的，提高過程的快速性，常會誘發(fā)系統(tǒng)強(qiáng)烈振蕩；改善平穩(wěn)性，控制過程又可能延遲甚至最終精確度也有所下降。

控制精確度是衡量自動控制系統(tǒng)技術(shù)性能的重要尺度。一個高品質(zhì)的1.4自動控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)規(guī)律在自動控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)調(diào)控功能的核心裝置是控制器(又稱調(diào)節(jié)器)。測量值和給定值在調(diào)節(jié)器中進(jìn)行比較，得到偏差，調(diào)節(jié)器按不同規(guī)律產(chǎn)生一個調(diào)節(jié)信號。調(diào)節(jié)信號隨時間變化的規(guī)律叫做調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律。常用調(diào)節(jié)規(guī)律：比例、積分、微分、比例加積分、比例加微分、比例加積分加微分等。

1.4自動控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)規(guī)律1.4.1位式控制1.4.1.1雙位控制只有全開和全關(guān)的兩個極限位置，叫做雙位調(diào)節(jié)。把控制電路工作的晶體管放大器稱為雙位式控制器。在雙位調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，由于雙位調(diào)節(jié)的固有調(diào)節(jié)規(guī)律所限，在任何時刻，調(diào)節(jié)器輸出、調(diào)節(jié)閥的開關(guān)狀態(tài)都只有兩個對應(yīng)的極限位置。雙位控制器缺點(diǎn)：動作非常頻繁，致使系統(tǒng)中的運(yùn)動部件容易損壞，很難保證雙位調(diào)節(jié)系統(tǒng)長期安全可靠地運(yùn)行。1.4.1位式控制1.4.1.2多位控制

為了改善這種特性，控制器的輸出可以增加一個中間值，即當(dāng)被控變量在某一個范圍內(nèi)時，執(zhí)行器可以處于某一中間位置，以使系統(tǒng)中物料量或能量的不平衡狀態(tài)得到緩和，這就構(gòu)成了三位式控制方式。圖1.33（p30）是三位式控制器的特性示意圖。顯然它的控制效果要比雙位式控制的好一些。假如位數(shù)更多，則控制效果還會提高。當(dāng)然增加位數(shù)的同時會使控制器復(fù)雜程度增加。所以在多位控制中，常用的是三位控制。

1.4.1.2多位控制1.4.2比例控制在雙位控制中，由于執(zhí)行器只有兩個極限位置。如果能使閥門的開度與被控量對給定值的偏差成比例，控制的結(jié)果就有可能使輸出量等于輸入量，從而使被控量趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)；這種閥門開度與被控量的偏差成比例的控制，稱為比例控制。就是控制器的輸出信號與輸入信號之間有一一對應(yīng)的比例關(guān)系。比例控制簡稱P控制。

1.4.2比例控制1.4.2.1比例控制：比例調(diào)節(jié)器的輸出與輸入成比例；比例調(diào)節(jié)器的輸出為：

P(t)—調(diào)節(jié)器輸出；e(t)—偏差信號；Kc—調(diào)節(jié)器比例系數(shù)。1.4.2.1比例控制：比例控制器有一輸入信號后，其輸出為輸入信號的Kc倍。P(t)隨時間的變化規(guī)律如圖1.34所示。

比例調(diào)節(jié)器輸出隨輸入成比例變化，時間上沒有任何遲延。Kc是一個不隨時間而變的常數(shù)。Kc設(shè)置成可調(diào)的，經(jīng)人工調(diào)定，就不再隨時間變化。

比例控制器有一輸入信號后，其輸出為輸入信號的Kc倍。P(t)1.4.2.2比例度在工業(yè)調(diào)節(jié)器中，采用比例度δ為參數(shù)。比例度是一個相對值，其定義式：

式中Pmax-Pmin—輸出信號的變化范圍；zmax-zmin—輸入信號變化范圍，即量程；P—輸出信號的變化量；e—偏差的變化量。輸入信號相對于其滿量程的比例輸出信號相對于其滿量程的比例1.4.2.2比例度輸入信號相對于其滿量程的比例比例度可這樣理解：要使輸出信號作全范圍變化，輸入信號須改變?nèi)砍痰陌俜謹(jǐn)?shù)。例如，輸入和輸出信號變化范圍都是010mA，如輸入電流改變1mA，則輸出電流改變2mA，此時:也就是說，在50%比例度下，當(dāng)輸入電流改變?nèi)秶?0%，輸出電流將作全范圍的變化。比例度可這樣理解：要使輸出信號作全范圍變化，輸入信號須改變?nèi)壤{(diào)節(jié)器系統(tǒng)，調(diào)節(jié)余差不為零，即系統(tǒng)是有差系統(tǒng)。余差與Kc值關(guān)系：隨著Kc值增加，余差將減少，只有當(dāng)Kc值無窮大時，余差才可為零。因此增加比例系數(shù)不可能消除余差，必須引進(jìn)積分作用。比例調(diào)節(jié)器輸出P=Kc·e，即只有偏差e存在，調(diào)節(jié)器才有輸出P產(chǎn)生。比例調(diào)節(jié)器系統(tǒng)，調(diào)節(jié)余差不為零，即系統(tǒng)是有差系統(tǒng)。δ越大，比例作用越弱；δ越小，比例作用越強(qiáng)；

δ越大，比例作用越弱；δ越小，比例作用越強(qiáng)；在Kc值增大(即減小)時，變化情況如下：(a)余差下降；(b)振蕩傾向加強(qiáng)，穩(wěn)定程度下降；(c)工作頻率提高，工作周期縮短；(d)在干擾作用下，Kc越大最大偏差越小。比例調(diào)節(jié)器適用于干擾幅度小，滯后較小，時間常數(shù)較長(與滯后時間相比)的對象。通常比例度取值為：流量調(diào)節(jié)40%～100%；液面調(diào)節(jié)20%～80%。在Kc值增大(即減小)時，變化情況如下：第1章-給排水工程儀表與控制課件1.4.3比例積分控制

積分環(huán)節(jié)特性：當(dāng)有輸入信號存在時，其輸出就會一直積累下去、直到極值。積分控制器：利用積分環(huán)節(jié)構(gòu)成的調(diào)節(jié)器。只要被調(diào)參數(shù)有偏差，積分調(diào)節(jié)器就會為消除這個偏差繼續(xù)調(diào)節(jié)。積分調(diào)節(jié)器一定可以克服偏差，直到偏差為零時，調(diào)節(jié)的過渡過程才停止。

1.4.3比例積分控制積分環(huán)節(jié)特性：當(dāng)有輸入信號存在時，1.4.3.1積分控制規(guī)律積分控制器調(diào)節(jié)規(guī)律：控制器輸出的變化量與偏差隨時間的積分成比例，即輸出變化速度與輸入偏差值成正比。

e—偏差信號；

Ti—積分時間。當(dāng)控制器的輸入偏差存在時，其輸出變化率就不為零，會一直變化下去，直到輸入偏差為零，控制器的輸出變化率才等于零，控制器的輸出穩(wěn)定在一個數(shù)值上。因此，積分調(diào)節(jié)是無差調(diào)節(jié)。

1.4.3.1積分控制規(guī)律在偏差是階躍信號輸入時，積分控制規(guī)律特性曲線如圖1.38所示。直線斜率反映了輸出的變化速度，它與偏差大小成正比，而與積分時間Ti成反比。在偏差是階躍信號輸入時，積分控制規(guī)律特性曲線如圖1.38所示1.4.3.2比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律比例積分調(diào)節(jié)器：有比例作用又有積分作用的調(diào)節(jié)器。在比例作用的基礎(chǔ)上，又引入了積分作用。二者之間的關(guān)系是比例加積分。偏差e(t)是一個幅度為A的階躍信號，則：

(1.42)

Kc—比例調(diào)節(jié)比例系數(shù)；

Ti—積分時間。1.4.3.2比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律比例積分調(diào)節(jié)器：有比例作用又比例積分調(diào)節(jié)器的輸出是兩部分輸出在同一時刻的和。在t=0時刻，調(diào)節(jié)器的輸出正好是比例作用，積分作用為零，但輸出變化率，并不為零，是一恒定速度。隨著時間的延續(xù)，調(diào)節(jié)器的比例作用保持不變，積分作用使輸出逐漸上升。輸出的變化速度與輸入偏差幅值A(chǔ)的大小有關(guān)，也與積分時間Ti有關(guān)。比例積分調(diào)節(jié)器的輸出是兩部分輸出在同一時刻的和。在t=0時刻比例積分調(diào)節(jié)器輸出是比例調(diào)節(jié)作用與積分調(diào)節(jié)作用的疊加。比例積分調(diào)節(jié)作用是比例粗調(diào)和積分細(xì)調(diào)作用組合。粗調(diào)及時克服干擾，細(xì)調(diào)逐漸克服余差。在調(diào)節(jié)作用上以比例為主。

比例積分調(diào)節(jié)作用可看成是比例系數(shù)隨時間不斷加大的比例作用。

比例積分調(diào)節(jié)器輸出是比例調(diào)節(jié)作用與積分調(diào)節(jié)作用的疊加。

積分時間Ti縮短時，將產(chǎn)生下列現(xiàn)象：(a)消除余差較快；(b)穩(wěn)定程度下降，振蕩傾向加強(qiáng)；(c)最大偏差減小。積分時間過大，積分作用弱，消除靜差慢；積分時間過小，過渡過程振蕩太劇烈，穩(wěn)定性降低，動態(tài)指標(biāo)下降。

積分時間Ti縮短時，將產(chǎn)生下列現(xiàn)象：1.4.4比例積分微分控制1.4.4.1微分控制規(guī)律

根據(jù)被調(diào)參數(shù)的變化速度而輸出調(diào)節(jié)信號，具有明顯超前作用。根據(jù)偏差變化速度引入控制作用，只要偏差變化出現(xiàn)，就立即動作。對象存在容量滯后和大時間常數(shù)的條件下，變化率很明顯，微分調(diào)節(jié)器會有較大輸出。對于純滯后情況，微分起不到調(diào)節(jié)作用。具有純滯后的對象利用微分調(diào)節(jié)器不能改善調(diào)節(jié)效果。

1.4.4比例積分微分控制1.4.4.1微分控制規(guī)律理想微分控制器在階躍輸入下特性如圖1.41。微分作用特點(diǎn)：輸入不變，微分作用輸出總是零；輸入變化，控制器才有輸出；輸入變化越快，輸出值越大。微分控制器不能作為一個獨(dú)立控制器使用，常和比例控制器一起使用。

理想微分控制器在階躍輸入下特性如圖1.41。1.4.4.2比例微分調(diào)節(jié)規(guī)律比例微分控制器特點(diǎn)：具有超前作用的控制規(guī)律。既有比例控制作用，又有微分作用，有利于克服干擾，降低最大偏差。因此當(dāng)對象時間常數(shù)較大時，常用比例微分控制器。微分作用超前，是與比例控制作用相對而言的。當(dāng)偏差作階躍變化時，控制器輸出會一躍而上，加大了作用量，因此可使最大偏差減小，過渡時間縮短。

1.4.4.2比例微分調(diào)節(jié)規(guī)律比例微分控制器特點(diǎn)：具有超純比例控制作用與比例微分控制作用的變化過程如圖1.42所示。將PD特性與P特性相比，輸出值要高上一段，從時間上看，純比例作用達(dá)到同樣的輸出值，要多花一段時間。

純比例控制作用與比例微分控制作用的變化過程如圖1.42所示1.4.4.3比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律

PID調(diào)節(jié)規(guī)律：比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)規(guī)律組合。以比例作為基本調(diào)節(jié)規(guī)律，以微分的超前作用克服容量滯后、測量滯后，以積分作用最后消除余差。

(1)PID控制規(guī)律的時間特性比例積分微分控制規(guī)律是比例控制、積分控制和微分控制三種控制作用之和。

1.4.4.3比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律PID調(diào)節(jié)規(guī)律：比例偏差信號為階躍信號A，PID調(diào)節(jié)器作用：先是微分起主導(dǎo)；后是比例；最后是積分。PID是三種作用之和，在圖形上可相加得到，其輸出變化過程示于圖1.43。偏差信號為階躍信號A，PID調(diào)節(jié)器作用：(2)PID特征參數(shù)及其對過渡過程的影響一個三作用調(diào)節(jié)器有比例度δ、積分時間Ti和微分時間Td三個可供選擇的特征參數(shù)，改變參數(shù)便可以適應(yīng)生產(chǎn)過程的不同要求。對于已設(shè)計并安裝好的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主要通過調(diào)整這三個參數(shù)來達(dá)到目的。(2)PID特征參數(shù)及其對過渡過程的影響圖1.44為在各種不同調(diào)節(jié)規(guī)律作用下的過渡過程曲線比較圖。比較曲線1與曲線3，曲線2與曲線4：微分作用能減小最大偏差值和調(diào)節(jié)時間。比較曲線4與曲線3：積分作用能夠消除余差，最大偏差值及調(diào)節(jié)時間增大。如果系統(tǒng)的滯后很大，積分作用還會引起振蕩。第1章-給排水工程儀表與控制課件第1章-給排水工程儀表與控制課件1.4.5控制方式的選擇

典型控制方式優(yōu)缺點(diǎn)：各有長短。PID控制器比較完美，但其應(yīng)用領(lǐng)域受到限制。考慮到生產(chǎn)領(lǐng)域被控對象面大，負(fù)荷變化也有差別，控制品質(zhì)要求不盡一致等等問題，如何根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要合理選擇，適當(dāng)配備，正確使用控制器。

1.4.5控制方式的選擇典型控制方式優(yōu)缺點(diǎn)：各有長短。選擇控制器的控制方式，應(yīng)根據(jù)對象特性，主要干擾以及控制質(zhì)量的要求等不同情況。同時還要考慮經(jīng)濟(jì)性和系統(tǒng)的投運(yùn)方便等，具體選擇原則如下：（1）比例控制方式：時間常數(shù)較小，負(fù)荷變化不大，工藝要求不高時；（2）比例積分控制方式：時間常數(shù)較小，負(fù)荷變化較大，工藝要求無余差時。

選擇控制器的控制方式，應(yīng)根據(jù)對象特性，主要干擾以及控制質(zhì)量的（3）微分作用：當(dāng)時間常數(shù)較大或容量滯后大時。（4）當(dāng)時間常數(shù)較小，負(fù)荷變化很大時，選用微分作用和積分作用都容易引起振蕩。如果時間常數(shù)很小時，可采用反微分作用來降低系統(tǒng)的反應(yīng)速度提高控制質(zhì)量。（5）對象滯后很小或噪聲嚴(yán)重時，應(yīng)避免引入微分作用，否則會尋致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。（3）微分作用：當(dāng)時間常數(shù)較大或容量滯后大時。（6）時間常數(shù)很大(或存在較大的純滯后)，負(fù)荷變化也很大時，應(yīng)設(shè)計其他控制方案，根據(jù)具體情況選用前饋、串級、采樣等復(fù)雜控制系統(tǒng)。（7）當(dāng)對象數(shù)學(xué)模型可用近似時，可根據(jù)純滯后時間與時間常數(shù)的比值τ/T來選擇控制方式。當(dāng)τ/T<0.2時選用比例或比例積分控制方式；當(dāng)0.2<τ/T<1時選用比例積分或比例積分微分方式規(guī)律；當(dāng)τ/T>1時采用單回路控制系統(tǒng)往往不能滿足要求，應(yīng)選用其他控制方案。（6）時間常數(shù)很大(或存在較大的純滯后)，負(fù)荷變化也很大時，1.4.6控制參數(shù)整定

控制器投入運(yùn)行前，須先把它整定（設(shè)定）好，即要把決定控制作用強(qiáng)弱的控制器特性參數(shù)(P，TI，TD)放在適當(dāng)?shù)臄?shù)值上。在實(shí)際中有各種各樣被控對象，對控制器特性會有不同要求，整定的目的就是設(shè)法使控制器特性能夠和被控對象配合好，以便得到最佳控制效果。如果控制器參數(shù)整定不好，既使控制器本身很先進(jìn)，其控制效果也會很差。因此，控制器參數(shù)的整定是一個很重要的問題。1.4.6控制參數(shù)整定控制器投入運(yùn)行前，須先把它整定（在前面討論了各種類型自動控制器的控制方式和控制效果，可看到?jīng)Q定比例控制作用強(qiáng)弱的特性參數(shù)是比例度P(％)；對于比例積分控制器，比例度P和積分時間TI是主要特性參數(shù)，PID控制器則有三個特性參數(shù)，即P，TI，TD。這些對控制效果有很大影響，需認(rèn)真整定。各種具體的控制器，在結(jié)構(gòu)上，都有相應(yīng)的旋鈕機(jī)構(gòu)來改變這些整定參數(shù)。在使用自動控制器的時候，首先需解決應(yīng)把這些旋鈕放在什么位置上，即應(yīng)把這些參數(shù)整定到多大才算合適的問題。為此，首先需要說明以下三點(diǎn)：在前面討論了各種類型自動控制器的控制方式和控制效果，可看到?jīng)Q（1）控制器的特性參數(shù)，究竟整定到多大合適，取決于具體被控對象的動態(tài)特性?？刂破魇菫楸豢貙ο蠓?wù)的，因此就應(yīng)該根據(jù)被控對象的動態(tài)特性來確定控制器參數(shù)的整定位置，以求兩者很好配合，取得“最佳”控制效果。自動控制器之所以具有很大的通用性，關(guān)鍵就在于它可以通過改變其特性參數(shù)來適應(yīng)各種不同的被控對象。（1）控制器的特性參數(shù)，究竟整定到多大合適，取決于具體被控對（2）控制效果怎樣才算“最佳”。嚴(yán)格說來，出于各種具體生產(chǎn)過程要求不同，標(biāo)準(zhǔn)也不同，但在一般情況下，可以根據(jù)控制系統(tǒng)在階躍擾動下的控制過程，即被控變量的變化情況來判定控制效果。對控制系統(tǒng)的要求是穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性，穩(wěn)定性是首先的，在這個前提下，盡量滿足準(zhǔn)確性和快速性要求。

（2）控制效果怎樣才算“最佳”。嚴(yán)格說來，出于各種具體生產(chǎn)過（3）控制器整定方法：直到目前有幾十種方法，但是大部分不能在工程上實(shí)際應(yīng)用，有的方法過于繁雜，計算工作量很大，實(shí)際應(yīng)用不便；有的方法過于近似，忽略了重要因素，大多是根據(jù)理想控制器和理想對象來整定參數(shù)，所獲數(shù)據(jù)并不可靠。（3）控制器整定方法：直到目前有幾十種方法，但是大部分不能在1.4.6.1臨界比例度法1.4.6.2衰減曲線法1.4.6.3經(jīng)驗(yàn)法1.4.6.1臨界比例度法1.5雙位邏輯控制系統(tǒng)（自學(xué)）1.6計算機(jī)控制系統(tǒng)概述1.6.1計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成以計算機(jī)為核心構(gòu)成的數(shù)字式控制系統(tǒng)，是通過數(shù)字運(yùn)算完成各種功能的，其基本構(gòu)成如圖1.65。以微處理器為核心的各種智能化控制裝置都可以歸結(jié)到這一類控制系統(tǒng)中來。（1）工業(yè)計算機(jī)組成的系統(tǒng)；（2）可編程序控制器組成的系統(tǒng)；（3）智能化專用調(diào)節(jié)器組成的系統(tǒng)；（4）單板機(jī)或單片機(jī)組成的系統(tǒng)；（5）上述各類裝置混合組成的系統(tǒng)。1.5雙位邏輯控制系統(tǒng)（自學(xué)）第1章-給排水工程儀表與控制課件參數(shù)采集：在線檢測儀表將參數(shù)信號連續(xù)輸送給計算機(jī)。這種連續(xù)輸入信號稱為模擬量，分為電流信號和電壓信號兩種模式，通常采用4～20mA、0～10mA、0～10V等規(guī)格。計算機(jī)特點(diǎn)是進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算，能識別離散量，稱為數(shù)字量。將輸入的模擬量經(jīng)過適當(dāng)變換，轉(zhuǎn)換為計算機(jī)能夠識別的數(shù)字量。實(shí)現(xiàn)這一過程的裝置稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換器)，它將連續(xù)模擬量調(diào)制為離散數(shù)字量，以二進(jìn)制方式傳送。

參數(shù)采集：在線檢測儀表將參數(shù)信號連續(xù)輸送給計算機(jī)。這種連續(xù)輸運(yùn)算控制：中央處理器(CPU)按照程序給定的控制算法(例如PID)，根據(jù)輸入?yún)?shù)的數(shù)字量進(jìn)行邏輯運(yùn)算，得出控制信號輸出?？刂扑惴ㄊ歉鶕?jù)控制過程的特點(diǎn)，人為選定并事先編程貯存在CPU中的。算法中涉及的各項特性參數(shù)也已事先整定好，貯存在CPU中供隨時調(diào)用。運(yùn)算控制：中央處理器(CPU)按照程序給定的控制算法(例如P信號輸出：計算機(jī)輸出的控制信號是數(shù)字量，必須轉(zhuǎn)換變?yōu)槟M量后才能為執(zhí)行裝置接受。完成這一轉(zhuǎn)換的裝置就是數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(D/A轉(zhuǎn)換器)。D/A轉(zhuǎn)換的方向是由數(shù)字量至模擬量。例如后續(xù)執(zhí)行裝置接受信號為4～20mA，就應(yīng)選用輸出信號為4～20mA的D/A轉(zhuǎn)換器。這些模擬控制信號，指揮各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)(泵、閥等)，完成相應(yīng)調(diào)節(jié)功能。

信號輸出：計算機(jī)輸出的控制信號是數(shù)字量，必須轉(zhuǎn)換變?yōu)槟M量后外圍設(shè)備：除計算機(jī)控制系統(tǒng)主體之外，還可選配一些外圍設(shè)備配合使用，有顯示器、存儲記錄裝置、打印機(jī)等。顯示器：可以圖形、數(shù)字、表格等形式反映控制過程、狀態(tài)，給操作人員提供參考。存儲記錄裝置：磁盤或光盤，以數(shù)字形式貯存信息；磁帶等模擬記錄方式；紙帶或圖形記錄儀等，將生產(chǎn)過程參數(shù)變化直接以圖形方式反映出來。打印機(jī)：將當(dāng)前或以往的控制數(shù)據(jù)、圖表打印輸出，或按需要打印生產(chǎn)報表。

外圍設(shè)備：除計算機(jī)控制系統(tǒng)主體之外，還可選配一些外圍設(shè)備配合可編程控制器（PLC）：以微處理器為核心的數(shù)字化控制系統(tǒng)。微電腦工業(yè)調(diào)節(jié)器：將上述各部分組合成一個固定的單元體，可直接接受、輸出模擬量。這種工業(yè)調(diào)節(jié)器通?？山邮芑蜉敵鰩追N規(guī)格的模擬量，由用戶自行選擇，使用起來更加方便?？删幊炭刂破鳎≒LC）：以微處理器為核心的數(shù)字化控制系統(tǒng)。計算機(jī)控制系統(tǒng)的典型應(yīng)用方式

（1）操作指示控制系統(tǒng)計算機(jī)對各種參數(shù)進(jìn)行巡回檢測，并對測量結(jié)果作必要的處理，然后通過聲光信號或顯示、打印輸出數(shù)據(jù)，供操作人員參考，也可以轉(zhuǎn)儲或傳輸給上一級計算機(jī)。計算機(jī)僅作為輔助的檢查測量工具和數(shù)據(jù)采集裝置。一般也將此系統(tǒng)稱作計算機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)。

計算機(jī)控制系統(tǒng)的典型應(yīng)用方式（1）操作指示控制系統(tǒng)（2）直接數(shù)字控制系統(tǒng)——DDC在DDC系統(tǒng)中，計算機(jī)對一個或多個被控物理量進(jìn)行巡回檢測，并根據(jù)規(guī)定的數(shù)學(xué)模型（控制規(guī)律）進(jìn)行運(yùn)算，然后發(fā)出控制信號，直接控制被控對象。一臺計算機(jī)可控制一個或多個回路。計算機(jī)可以依次對各個回路進(jìn)行檢測控制，從而較好地利用計算機(jī)資源。

（2）直接數(shù)字控制系統(tǒng)——DDC（3）分級控制系統(tǒng)一個工業(yè)生產(chǎn)過程可能規(guī)模較大或較為復(fù)雜，既存在控制問題、又存在管理問題，因此可采用執(zhí)行不同功能的各類計算機(jī)協(xié)調(diào)工作，形成分級控制系統(tǒng)。例如城市供水系統(tǒng)的自動控制（1）在工藝單元進(jìn)行直接數(shù)字控制；（2）在水廠進(jìn)行監(jiān)督控制，對各工藝環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)管理、收集數(shù)據(jù)；（3）在公司管理級負(fù)責(zé)整個供水系統(tǒng)的生產(chǎn)協(xié)調(diào)、生產(chǎn)計劃、經(jīng)營決策等。

（3）分級控制系統(tǒng)集散型控制系統(tǒng)：計算機(jī)控制系統(tǒng)采用單元組合方式，根據(jù)不同需要組合成一個完整系統(tǒng)。按“集中管理、分散控制”方式進(jìn)行工作。在各工藝單元，采用由微處理器構(gòu)成的基本控制器進(jìn)行直接數(shù)字控制，只有必要信息送往上一級計算機(jī)，減少信息傳輸量，降低了對上級計算機(jī)要求，使系統(tǒng)可靠性大大提高，易于采用單元組合方式、根據(jù)不同需要，組合成一個完整系統(tǒng)，形成所謂分級分布式控制，出現(xiàn)了分散型綜合控制系統(tǒng)或分散型微處理機(jī)控制系統(tǒng)，簡稱集散式控制系統(tǒng)，如圖1.66所示。

集散型控制系統(tǒng)：計算機(jī)控制系統(tǒng)采用單元組合方式，根據(jù)不同需要第1章-給排水工程儀表與控制課件30十月202297第1章-給排水工程儀表與控制22十月20221第1章-給排水工程儀表與控制1微電子、儀器儀表、電氣設(shè)備、自動化技術(shù)的進(jìn)步；2給水排水工程由土木工程型向設(shè)備型轉(zhuǎn)化，給水排水工程的儀表化、設(shè)備化、自動化迅速發(fā)展；3各種先進(jìn)的自動監(jiān)測、自動控制技術(shù)、設(shè)備、儀表已在給水排水工程的各個工藝環(huán)節(jié)以至全系統(tǒng)上應(yīng)用。1微電子、儀器儀表、電氣設(shè)備、自動化技術(shù)的進(jìn)步；1多學(xué)科知識：給排水工程、化學(xué)、儀器儀表、自動化控制、電氣設(shè)備、機(jī)械設(shè)備等；2交叉學(xué)科：根據(jù)實(shí)際情況，了解或掌握一門或多門相關(guān)學(xué)科知識；3學(xué)習(xí)本課程之前，要求學(xué)生具備物理學(xué)、電工學(xué)、電子學(xué)、流體力學(xué)，水泵與水泵站、水質(zhì)工程學(xué)、建筑給水排水工程等技術(shù)基礎(chǔ)課與專業(yè)課的知識。

1多學(xué)科知識：給排水工程、化學(xué)、儀器儀表、自動化控制、電氣基本內(nèi)容

（高校專業(yè)指導(dǎo)委員會）1、自動控制基礎(chǔ)知識重點(diǎn):了解自動控制系統(tǒng)的作用與構(gòu)成，自動控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)規(guī)律，計算機(jī)控制系統(tǒng)概述。難點(diǎn):建立自動控制的基本概念?；緝?nèi)容

（高校專業(yè)指導(dǎo)委員會）2、城市水工程自動化常用儀表與設(shè)備重點(diǎn):了解常用過程參數(shù)檢測儀表、常用過程控制儀表、常用執(zhí)行設(shè)備的基本原理與應(yīng)用；難點(diǎn):儀表種類多，工作原理各不相同，涉及的基礎(chǔ)知識廣泛，應(yīng)注重理解各種儀器儀表的工作特點(diǎn)與適用范圍。2、城市水工程自動化常用儀表與設(shè)備3、泵及管道系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)重點(diǎn):調(diào)節(jié)的內(nèi)容與意義，水泵的調(diào)速控制，恒壓給水系統(tǒng)控制技術(shù)；難點(diǎn):理解自動控制在水泵及管道系統(tǒng)中應(yīng)用的基本方式與常用技術(shù)。3、泵及管道系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)4、給水處理系統(tǒng)控制技術(shù)重點(diǎn):混凝投藥工藝的控制技術(shù)，濾池的控制技術(shù)，水廠自動監(jiān)控系統(tǒng)；難點(diǎn):水處理工程中對控制技術(shù)的要求、所應(yīng)用的各種控制系統(tǒng)的工程特點(diǎn)與適用性。計算機(jī)在城市供水系統(tǒng)自動監(jiān)控與調(diào)度中的應(yīng)用。4、給水處理系統(tǒng)控制技術(shù)5、污水處理廠的檢測重點(diǎn):污水處理廠的檢測項目與取樣，污水處理廠常用的檢測方法與儀表設(shè)備，監(jiān)視控制方式與項目的選擇；難點(diǎn):污水處理系統(tǒng)中水質(zhì)對控制技術(shù)與儀表選擇的特殊要求，以及對控制系統(tǒng)組成的相應(yīng)影響。5、污水處理廠的檢測課程相關(guān)介紹課程目的：了解基本知識、掌握應(yīng)用條件、熟悉關(guān)鍵儀表特性；課程內(nèi)容介紹：1-6章；重點(diǎn)講解內(nèi)容：每章的側(cè)重點(diǎn)；自學(xué)及了解內(nèi)容：由于課程學(xué)時原因不介紹或簡單介紹的部分；課程相關(guān)介紹課程目的：了解基本知識、掌握應(yīng)用條件、熟悉關(guān)鍵儀

第一章自動控制基礎(chǔ)知識

1.1自動控制系統(tǒng)概念與構(gòu)成

1.1.1自動控制系統(tǒng)概念自動控制系統(tǒng)的基本目的：解放勞動力提高效率：應(yīng)用自動控制技術(shù)可以解脫繁重的、單調(diào)的、低效的人類勞動，以提高生產(chǎn)效率和提高生活水平；提高精度和質(zhì)量：對現(xiàn)代生產(chǎn)中很復(fù)雜的或極精密的工作，用人力不能勝任時，應(yīng)用自動控制技術(shù)就可以保證高質(zhì)量地完成任務(wù)。第一章自動控制基礎(chǔ)知識1.1自動控制系統(tǒng)概念與構(gòu)人工控制：人工控制：自動控制：機(jī)械電器電子電氣工藝自動控制：機(jī)械電器電子電氣工藝自動控制：在人不直接參與情況下，用外加設(shè)備或裝置(稱自動控制裝置)使整個生產(chǎn)過程或工作機(jī)械(稱被控對象)自動按預(yù)定規(guī)律運(yùn)行，或使其某個參數(shù)(稱被控量)按預(yù)定要求變化。自動控制系統(tǒng)包括：(1)測量元件：測量被控量（如水位、流量、濁度）的實(shí)際值、或?qū)Ρ豢亓窟M(jìn)行物理量的變換；如傳感器，檢測器，水質(zhì)儀表；自動控制：在人不直接參與情況下，用外加設(shè)備或裝置(稱自動控制(2)比較元件：將測量結(jié)果和要求值（標(biāo)準(zhǔn)值或水質(zhì)指標(biāo)）比較，得到偏差；(3)調(diào)節(jié)元件：根據(jù)偏差大小產(chǎn)生控制信號。調(diào)節(jié)元件包括放大器和較正裝置，它能放大偏差信號，并使控制信號和偏差具有一定關(guān)系；(4)執(zhí)行元件：由控制信號產(chǎn)生控制作用，從而使被控量達(dá)到要求值，如閥門、水泵等；第1章-給排水工程儀表與控制課件上述部分歸納和組合為下圖：上述部分歸納和組合為下圖：系統(tǒng)輸出量：控制系統(tǒng)的被控量。系統(tǒng)輸入量：影響系統(tǒng)輸出的外界輸入。系統(tǒng)輸出量：控制系統(tǒng)的被控量。自動控制系統(tǒng)工作原理：通過測量和比較得到偏差，由偏差產(chǎn)生控制作用，由控制作用使偏差消除或減少的原理。主要特點(diǎn)：(1)信號傳送：輸出量經(jīng)測量后回送到輸入端?；厮偷男盘柺够芈烽]合，構(gòu)成閉環(huán)，此過程稱為反饋。(2)控制作用：由偏差引起。偏差產(chǎn)生的控制作用使系統(tǒng)沿減少或消除偏差的方向運(yùn)動。由偏差產(chǎn)生控制作用叫做偏差控制。具有上述兩個特點(diǎn)的自控系統(tǒng)叫做反饋控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)、偏差控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的工作原理叫做反饋控制原理。自動控制系統(tǒng)工作原理：通過測量和比較得到偏差，由偏差產(chǎn)生控制1.1.2自動控制系統(tǒng)的構(gòu)成

自動控制目的：在人不直接參加的情況下實(shí)現(xiàn)同樣的控制目的。自動控制系統(tǒng)基本構(gòu)成：整定文件：或給定文件，給出被控量應(yīng)取的值。測量元件：檢測被控量的大小，如流量計等。比較元件：用來得到給定值與被控量之間的誤差。放大元件：用來放大誤差信號，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行元件：用來執(zhí)行控制命令，推動被控對象。電機(jī)是典型的執(zhí)行元件。1.1.2自動控制系統(tǒng)的構(gòu)成校正元件：用來改善系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能，它可以用模擬/數(shù)字電路來實(shí)現(xiàn)，也可以用計算機(jī)程序來實(shí)現(xiàn)。能源元件：用來提供控制系統(tǒng)所需的能量。第1章-給排水工程儀表與控制課件控制理論和控制工程常用術(shù)語：

被控量：指被測量和被控制的量或狀態(tài)，如上述系統(tǒng)中的爐溫?？刂屏浚阂环N由控制器改變的量或狀態(tài)，它將影響被控量的值，如上述系統(tǒng)中加熱電阻絲兩端的電壓。對象：它一般是一個設(shè)備，通常由一些機(jī)器零件有機(jī)的組合在一起，我們通常將被控物體稱為對象，如電加熱爐?？刂评碚摵涂刂乒こ坛Ｓ眯g(shù)語：被控量：指被測量和被控制的量或系統(tǒng)：系統(tǒng)是一些部件的組合，這些部件組合在一起，完成一定的任務(wù)。系統(tǒng)并不限于物理系統(tǒng)，系統(tǒng)的概念有時是很抽象的，它可以指一個特定的動態(tài)現(xiàn)象。擾動：擾動是一種對系統(tǒng)的輸出量產(chǎn)生不利影響的因素或信號，如果擾動來自于系統(tǒng)內(nèi)部，稱為內(nèi)部擾動；如果擾動來自于系統(tǒng)外部，則稱之為外部擾動。系統(tǒng)：系統(tǒng)是一些部件的組合，這些部件組合在一起，完成一定的任1.1.3自動控制系統(tǒng)的分類

控制系統(tǒng)：開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)、復(fù)合控制系統(tǒng)（同時具有開環(huán)和閉環(huán)結(jié)構(gòu)）。1.1.3.1閉環(huán)控制閉環(huán)控制原理：需要控制的是受控對象（如水處理工藝）的被控量（如流量），而測量的則是被控量和給定值，并計算兩者的偏差，該偏差信號經(jīng)放大后送到執(zhí)行元件，去操縱受控對象，使被控量按預(yù)定的規(guī)律變化，以消除偏差。只要被控量偏離了給定值，系統(tǒng)均能自動糾正。這種控制方式也稱為按偏差調(diào)節(jié)。1.1.3自動控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)：開環(huán)控制系統(tǒng)、閉反饋：把輸出量回送到輸入端，并與指令信號比較產(chǎn)生偏差的過程。指令信號與被控量相減為負(fù)反饋，相加則為正反饋。不做特別說明，一般指負(fù)反饋。反饋控制：采用負(fù)反饋并利用偏差進(jìn)行控制的過程。這是自控系統(tǒng)中最基本控制方式，在工程中廣泛應(yīng)用。

輸出量反饋：把輸出量回送到輸入端，并與指令信號比較產(chǎn)生偏差的過程。閉環(huán)控制特點(diǎn)：信號按箭頭方向傳遞是封閉的(閉環(huán))、負(fù)反饋和按偏差控制。閉環(huán)控制也稱為反饋控制或按偏差控制。閉環(huán)控制優(yōu)點(diǎn)：控制精度高，抗干擾能力強(qiáng)。閉環(huán)控制缺點(diǎn)：元件多，線路復(fù)雜，分析和設(shè)計麻煩。閉環(huán)控制特點(diǎn)：信號按箭頭方向傳遞是封閉的(閉環(huán))、負(fù)反饋和按1.1.3.2開環(huán)控制（1）按給定值控制開環(huán)控制原理：需要控制的是受控對象的被控量（如流量），控制裝置只接收給定值，信號只由給定值單向傳遞到被控量，無反向聯(lián)系。其框圖如下圖所示。開環(huán)控制特點(diǎn)：簡單，控制精度低，抗干擾能力差。結(jié)構(gòu)簡單、成本低，精度要求不高時，有一定實(shí)用價值。開環(huán)控制和閉環(huán)控制基本區(qū)別：有無負(fù)反饋?zhàn)饔?。（例如核反?yīng)堆與核彈的區(qū)別）1.1.3.2開環(huán)控制2）按干擾補(bǔ)償按干擾補(bǔ)償原理：需要控制的是被控量，而測量的是干擾信號，利用于擾信號產(chǎn)生控制作用，以減小或抵消干擾對被控量的影響，也稱順饋控制。如圖1.10所示。由于測量的是干擾，故只能對可測量的干擾進(jìn)行補(bǔ)償。因此，控制精度受到原理的限制。（例如穩(wěn)壓電源）。2）按干擾補(bǔ)償1.1.3.3復(fù)合控制復(fù)合控制方式：把按偏差控制與按干擾控制結(jié)合起來，對主要擾動采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)按干擾控制；同時再組成反饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)按偏差控制，以消除其他偏差。如圖1.11所示。1.1.3.3復(fù)合控制綜上所述，自動控制系統(tǒng)組成：控制器和受控對象；任務(wù)：使被控量自動跟隨指令信號變化；實(shí)現(xiàn)方式：閉環(huán)控制、開環(huán)控制和復(fù)合控制；控制器功能：測量、比較放大和執(zhí)行。綜上所述，其他分類方法：按元件類型：可分為機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、生物系統(tǒng)等；按系統(tǒng)功用：可分為溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)等；按系統(tǒng)性能：可分為線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)、定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)、確定性系統(tǒng)和不確定性系統(tǒng)等；按輸入量形式：可分為恒值控制系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)等。為全面反映自動控制系統(tǒng)特點(diǎn)，常將上述分類方法組合應(yīng)用。其他分類方法：1.1.3.4線性連續(xù)控制系統(tǒng)1.1.3.5線性定常離散系統(tǒng)1.1.3.6非線性控制系統(tǒng)1.1.3.7SISO系統(tǒng)和MIMO系統(tǒng)1.1.3.8集中參數(shù)系統(tǒng)和分布參數(shù)系統(tǒng)1.1.3.4線性連續(xù)控制系統(tǒng)1.2傳遞函數(shù)與環(huán)節(jié)特性（自學(xué)）1.2.1方塊圖和傳遞函數(shù)自動控制系統(tǒng)中每個組成環(huán)節(jié)的特性對控制過程起到的影響，為達(dá)到預(yù)定的控制要求，構(gòu)成的控制回路，選擇的控制器特性，都是應(yīng)用方塊圖和傳遞函數(shù)作為分析基本手段，對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。方塊圖和傳遞函數(shù)是自動化理論的重要基礎(chǔ)。

（例如常規(guī)飲用水處理工藝流程圖）水力混合混合折板反應(yīng)斜管沉淀普通快濾氯消毒原水反應(yīng)沉淀過濾消毒1.2傳遞函數(shù)與環(huán)節(jié)特性（自學(xué)）水力混合混合折板反應(yīng)斜在自動控制理論中，常見的是進(jìn)行拉普拉斯變換(簡稱拉氏變換)。拉氏變換是一種積分變換，將微分積分函數(shù)轉(zhuǎn)化為代數(shù)冪函數(shù)形式，將微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程，是一種簡化運(yùn)算的手段。分析自動控制系統(tǒng)，應(yīng)用拉氏變換方法，再配以方塊圖形式，會更加清楚和簡單。在自動控制理論中，常見的是進(jìn)行拉普拉斯變換(簡稱拉氏變換)。在方塊中填入微分方程的拉氏變換式，把輸出和輸入的變換式分別寫在方塊的輸出箭頭線和輸入箭頭線上，就可直接看出各環(huán)節(jié)的聯(lián)系，及環(huán)節(jié)對信號的傳遞過程，如圖1.14。

方塊內(nèi)的拉氏變換即傳遞函數(shù)。傳遞函數(shù)可用來描述環(huán)節(jié)或自動控制系統(tǒng)的特性?？梢詫⑤斎?輸出關(guān)系清晰地表示出來。在方塊中填入微分方程的拉氏變換式，把輸出和輸入的變換式分別寫1.2.2典型環(huán)節(jié)的動態(tài)特性及傳遞函數(shù)自動控制系統(tǒng)是由一些環(huán)節(jié)所組成的總體，這些環(huán)節(jié)的基本功能是測量被控變量，揭示它對給定值的偏移，形成和放大控制信號，移動控制機(jī)構(gòu)等。自動控制系統(tǒng)應(yīng)按其動態(tài)特性來分類，構(gòu)造不同、原理不同的各種元件、裝置，有些是可以用相同的微分方程來描述的，它們的傳送函數(shù)或動態(tài)特性也相同。各種自動控制系統(tǒng)的所有環(huán)節(jié)都可以用為數(shù)不多的幾種基本典型環(huán)節(jié)來概括。1.2.2典型環(huán)節(jié)的動態(tài)特性及傳遞函數(shù)1.3自動控制系統(tǒng)的過渡過程及品質(zhì)指標(biāo)（部分自學(xué)）

1.3.1典型輸入信號

為比較系統(tǒng)性能優(yōu)劣，對于外作用信號和初始狀態(tài)做典型化處理。規(guī)定控制系統(tǒng)的初始狀態(tài)均為零狀態(tài)，即在外作用信號加于系統(tǒng)的瞬時（t=0）之前，系統(tǒng)是相對靜止的，被控量和各階導(dǎo)數(shù)相對于平衡工作點(diǎn)的增量為零。

1.3自動控制系統(tǒng)的過渡過程及品質(zhì)指標(biāo)規(guī)定一些具有特殊形式的信號作為系統(tǒng)的輸入信號，這些典型的輸入信號反映系統(tǒng)的大部分實(shí)際情況。（1）階躍函數(shù)

指令的突然轉(zhuǎn)換，電源突然接通，負(fù)荷突變等，均可看作階躍作用。

規(guī)定一些具有特殊形式的信號作為系統(tǒng)的輸入信號，這些典型的輸入（2）速度函數(shù)船閘勻速升降，數(shù)控機(jī)床加工斜面時的進(jìn)給指令均可看作是斜坡作用。

（3）加速度函數(shù)

（2）速度函數(shù)（4）脈沖函數(shù)

四種典型單位輸入函數(shù)間有一定的關(guān)系。按單位脈沖函數(shù)、單位階躍函數(shù)、單位斜坡函數(shù)、單位拋物線函數(shù)的順序排列，前者是后者的導(dǎo)數(shù)；而后者是前者的積分。因此，在分析線性系統(tǒng)時，只需知道一種輸入函數(shù)的輸出時間響應(yīng)就可以確定另外—種輸入函數(shù)的輸出響應(yīng)。（4）脈沖函數(shù)1.3.2自動控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)當(dāng)自動控制系統(tǒng)的被控參數(shù)不隨時間變化，即被控參數(shù)變化率等于零的狀態(tài)，稱為系統(tǒng)的靜態(tài)；而把被控參數(shù)隨時間變化的狀態(tài)稱為動態(tài)。

(1)靜態(tài)當(dāng)一個自動控制系統(tǒng)的輸入恒定不變時，既不改變給定值又沒有干擾，整個系統(tǒng)就會處于一種相對平衡的靜止?fàn)顟B(tài)。

自動控制系統(tǒng)的靜態(tài)過程是暫時的、相對的和有條件的。

1.3.2自動控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)(2)動態(tài)生產(chǎn)過程中干擾不斷產(chǎn)生，自動控制系統(tǒng)的靜態(tài)隨時被打破，使被控參數(shù)變化。在這個過程中，系統(tǒng)各環(huán)節(jié)都處于運(yùn)動狀態(tài)，所以稱為動態(tài)。1.3.3自動控制系統(tǒng)的過渡過程

自動控制系統(tǒng)在動態(tài)過程中被控量是不斷變化的，這種隨時間而變化的過程，稱為自動控制系統(tǒng)的過渡過程，也就是系統(tǒng)由一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)的全過程，或者說是自動控制系統(tǒng)的控制作用不斷克服干擾影響的全過程。

(2)動態(tài)（1）單調(diào)過程被控變量在給定值的某一側(cè)做緩慢變化。最后能回到給定值，如圖1.27(a)所示。（2）非周期發(fā)散過程被控變量在給定值的某一側(cè)，逐漸偏離給定值，而且隨時間t的變化，偏差越來越大，永遠(yuǎn)回不到給定值，如圖1.27(b)所示。（1）單調(diào)過程（3）衰減振蕩過程被控變量在給定值附近上下波動，但振幅逐漸減小，最終能回到給定值，如圖1.27(c)所示。（4）等幅振蕩過程被控變量在給定值附近上下波動且振幅不變，最終也不能回到給定值，如圖1.27(d)所示。（3）衰減振蕩過程（5）發(fā)散振蕩過程被控變量在給定值附近來回波功，而且振幅逐漸增大，偏離給定值越來越遠(yuǎn)，如圖1.27(e)所示。（5）發(fā)散振蕩過程以上5種過程可歸納為兩類：第一類：穩(wěn)定的過渡過程，如圖1.27(a)和(c)所示，表明當(dāng)系統(tǒng)受到干擾，平衡被破壞，但經(jīng)過控制器的工作，被控變量能逐漸恢復(fù)到給定值或達(dá)到新的平衡狀態(tài)，是所希望的。第二類：不穩(wěn)定的過渡過程，如圖1.27(b)，(e)，(d)所示。(b)，(e)所示的過程是被控變量隨時間的增長而無限地偏離給定值，一旦超過生產(chǎn)允許的極限值就可能發(fā)生嚴(yán)重事故，造成不應(yīng)有的損失，這樣的過渡過程是絕對不能采用的。以上5種過程可歸納為兩類：1.3.4自動控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)1.3.4.1對控制系統(tǒng)的要求

任何技術(shù)設(shè)備、機(jī)器和生產(chǎn)過程都必須按要求運(yùn)行?？蓪⒈徊倏v的機(jī)器設(shè)備稱作被控對象，將表征其工況的關(guān)鍵參數(shù)稱作被控變量，而將這些工況參數(shù)所希望所要求達(dá)到的值稱作給定值?？刂葡到y(tǒng)任務(wù)：使被控對象的被控變量按給定值變化。通常將系統(tǒng)受到給定值或干擾信號作用后，被控變量變化的全過程稱為系統(tǒng)的動態(tài)過程。

1.3.4自動控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)控制精確度是衡量自動控制系統(tǒng)技術(shù)性能的重要尺度。一個高品質(zhì)的控制系統(tǒng)，在整個運(yùn)行過程中，被控變量對給定值的偏差應(yīng)該是很小的?？紤]到自控系統(tǒng)的動態(tài)過程在不同階段中的特點(diǎn)，工程上常從“穩(wěn)”、“快”、“準(zhǔn)”三個主要方面來要求。被校對象不同，對穩(wěn)、快、準(zhǔn)的技術(shù)要求也有所側(cè)重，隨動系統(tǒng)對“快”要求較高，而溫度控制系統(tǒng)對“穩(wěn)”限制嚴(yán)格。同一系統(tǒng)穩(wěn)、快、準(zhǔn)是相互制約的，提高過程的快速性，常會誘發(fā)系統(tǒng)強(qiáng)烈振蕩；改善平穩(wěn)性，控制過程又可能延遲甚至最終精確度也有所下降。

控制精確度是衡量自動控制系統(tǒng)技術(shù)性能的重要尺度。一個高品質(zhì)的1.4自動控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)規(guī)律在自動控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)調(diào)控功能的核心裝置是控制器(又稱調(diào)節(jié)器)。測量值和給定值在調(diào)節(jié)器中進(jìn)行比較，得到偏差，調(diào)節(jié)器按不同規(guī)律產(chǎn)生一個調(diào)節(jié)信號。調(diào)節(jié)信號隨時間變化的規(guī)律叫做調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律。常用調(diào)節(jié)規(guī)律：比例、積分、微分、比例加積分、比例加微分、比例加積分加微分等。

1.4自動控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)規(guī)律1.4.1位式控制1.4.1.1雙位控制只有全開和全關(guān)的兩個極限位置，叫做雙位調(diào)節(jié)。把控制電路工作的晶體管放大器稱為雙位式控制器。在雙位調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，由于雙位調(diào)節(jié)的固有調(diào)節(jié)規(guī)律所限，在任何時刻，調(diào)節(jié)器輸出、調(diào)節(jié)閥的開關(guān)狀態(tài)都只有兩個對應(yīng)的極限位置。雙位控制器缺點(diǎn)：動作非常頻繁，致使系統(tǒng)中的運(yùn)動部件容易損壞，很難保證雙位調(diào)節(jié)系統(tǒng)長期安全可靠地運(yùn)行。1.4.1位式控制1.4.1.2多位控制

為了改善這種特性，控制器的輸出可以增加一個中間值，即當(dāng)被控變量在某一個范圍內(nèi)時，執(zhí)行器可以處于某一中間位置，以使系統(tǒng)中物料量或能量的不平衡狀態(tài)得到緩和，這就構(gòu)成了三位式控制方式。圖1.33（p30）是三位式控制器的特性示意圖。顯然它的控制效果要比雙位式控制的好一些。假如位數(shù)更多，則控制效果還會提高。當(dāng)然增加位數(shù)的同時會使控制器復(fù)雜程度增加。所以在多位控制中，常用的是三位控制。

1.4.1.2多位控制1.4.2比例控制在雙位控制中，由于執(zhí)行器只有兩個極限位置。如果能使閥門的開度與被控量對給定值的偏差成比例，控制的結(jié)果就有可能使輸出量等于輸入量，從而使被控量趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)；這種閥門開度與被控量的偏差成比例的控制，稱為比例控制。就是控制器的輸出信號與輸入信號之間有一一對應(yīng)的比例關(guān)系。比例控制簡稱P控制。

1.4.2比例控制1.4.2.1比例控制：比例調(diào)節(jié)器的輸出與輸入成比例；比例調(diào)節(jié)器的輸出為：

P(t)—調(diào)節(jié)器輸出；e(t)—偏差信號；Kc—調(diào)節(jié)器比例系數(shù)。1.4.2.1比例控制：比例控制器有一輸入信號后，其輸出為輸入信號的Kc倍。P(t)隨時間的變化規(guī)律如圖1.34所示。

比例調(diào)節(jié)器輸出隨輸入成比例變化，時間上沒有任何遲延。Kc是一個不隨時間而變的常數(shù)。Kc設(shè)置成可調(diào)的，經(jīng)人工調(diào)定，就不再隨時間變化。

比例控制器有一輸入信號后，其輸出為輸入信號的Kc倍。P(t)1.4.2.2比例度在工業(yè)調(diào)節(jié)器中，采用比例度δ為參數(shù)。比例度是一個相對值，其定義式：

式中Pmax-Pmin—輸出信號的變化范圍；zmax-zmin—輸入信號變化范圍，即量程；P—輸出信號的變化量；e—偏差的變化量。輸入信號相對于其滿量程的比例輸出信號相對于其滿量程的比例1.4.2.2比例度輸入信號相對于其滿量程的比例比例度可這樣理解：要使輸出信號作全范圍變化，輸入信號須改變?nèi)砍痰陌俜謹(jǐn)?shù)。例如，輸入和輸出信號變化范圍都是010mA，如輸入電流改變1mA，則輸出電流改變2mA，此時:也就是說，在50%比例度下，當(dāng)輸入電流改變?nèi)秶?0%，輸出電流將作全范圍的變化。比例度可這樣理解：要使輸出信號作全范圍變化，輸入信號須改變?nèi)壤{(diào)節(jié)器系統(tǒng)，調(diào)節(jié)余差不為零，即系統(tǒng)是有差系統(tǒng)。余差與Kc值關(guān)系：隨著Kc值增加，余差將減少，只有當(dāng)Kc值無窮大時，余差才可為零。因此增加比例系數(shù)不可能消除余差，必須引進(jìn)積分作用。比例調(diào)節(jié)器輸出P=Kc·e，即只有偏差e存在，調(diào)節(jié)器才有輸出P產(chǎn)生。比例調(diào)節(jié)器系統(tǒng)，調(diào)節(jié)余差不為零，即系統(tǒng)是有差系統(tǒng)。δ越大，比例作用越弱；δ越小，比例作用越強(qiáng)；

δ越大，比例作用越弱；δ越小，比例作用越強(qiáng)；在Kc值增大(即減小)時，變化情況如下：(a)余差下降；(b)振蕩傾向加強(qiáng)，穩(wěn)定程度下降；(c)工作頻率提高，工作周期縮短；(d)在干擾作用下，Kc越大最大偏差越小。比例調(diào)節(jié)器適用于干擾幅度小，滯后較小，時間常數(shù)較長(與滯后時間相比)的對象。通常比例度取值為：流量調(diào)節(jié)40%～100%；液面調(diào)節(jié)20%～80%。在Kc值增大(即減小)時，變化情況如下：第1章-給排水工程儀表與控制課件1.4.3比例積分控制

積分環(huán)節(jié)特性：當(dāng)有輸入信號存在時，其輸出就會一直積累下去、直到極值。積分控制器：利用積分環(huán)節(jié)構(gòu)成的調(diào)節(jié)器。只要被調(diào)參數(shù)有偏差，積分調(diào)節(jié)器就會為消除這個偏差繼續(xù)調(diào)節(jié)。積分調(diào)節(jié)器一定可以克服偏差，直到偏差為零時，調(diào)節(jié)的過渡過程才停止。

1.4.3比例積分控制積分環(huán)節(jié)特性：當(dāng)有輸入信號存在時，1.4.3.1積分控制規(guī)律積分控制器調(diào)節(jié)規(guī)律：控制器輸出的變化量與偏差隨時間的積分成比例，即輸出變化速度與輸入偏差值成正比。

e—偏差信號；

Ti—積分時間。當(dāng)控制器的輸入偏差存在時，其輸出變化率就不為零，會一直變化下去，直到輸入偏差為零，控制器的輸出變化率才等于零，控制器的輸出穩(wěn)定在一個數(shù)值上。因此，積分調(diào)節(jié)是無差調(diào)節(jié)。

1.4.3.1積分控制規(guī)律在偏差是階躍信號輸入時，積分控制規(guī)律特性曲線如圖1.38所示。直線斜率反映了輸出的變化速度，它與偏差大小成正比，而與積分時間Ti成反比。在偏差是階躍信號輸入時，積分控制規(guī)律特性曲線如圖1.38所示1.4.3.2比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律比例積分調(diào)節(jié)器：有比例作用又有積分作用的調(diào)節(jié)器。在比例作用的基礎(chǔ)上，又引入了積分作用。二者之間的關(guān)系是比例加積分。偏差e(t)是一個幅度為A的階躍信號，則：

(1.42)

Kc—比例調(diào)節(jié)比例系數(shù)；

Ti—積分時間。1.4.3.2比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律比例積分調(diào)節(jié)器：有比例作用又比例積分調(diào)節(jié)器的輸出是兩部分輸出在同一時刻的和。在t=0時刻，調(diào)節(jié)器的輸出正好是比例作用，積分作用為零，但輸出變化率，并不為零，是一恒定速度。隨著時間的延續(xù)，調(diào)節(jié)器的比例作用保持不變，積分作用使輸出逐漸上升。輸出的變化速度與輸入偏差幅值A(chǔ)的大小有關(guān)，也與積分時間Ti有關(guān)。比例積分調(diào)節(jié)器的輸出是兩部分輸出在同一時刻的和。在t=0時刻比例積分調(diào)節(jié)器輸出是比例調(diào)節(jié)作用與積分調(diào)節(jié)作用的疊加。比例積分調(diào)節(jié)作用是比例粗調(diào)和積分細(xì)調(diào)作用組合。粗調(diào)及時克服干擾，細(xì)調(diào)逐漸克服余差。在調(diào)節(jié)作用上以比例為主。

比例積分調(diào)節(jié)作用可看成是比例系數(shù)隨時間不斷加大的比例作用。

比例積分調(diào)節(jié)器輸出是比例調(diào)節(jié)作用與積分調(diào)節(jié)作用的疊加。

積分時間Ti縮短時，將產(chǎn)生下列現(xiàn)象：(a)消除余差較快；(b)穩(wěn)定程度下降，振蕩傾向加強(qiáng)；(c)最大偏差減小。積分時間過大，積分作用弱，消除靜差慢；積分時間過小，過渡過程振蕩太劇烈，穩(wěn)定性降低，動態(tài)指標(biāo)下降。

積分時間Ti縮短時，將產(chǎn)生下列現(xiàn)象：1.4.4比例積分微分控制1.4.4.1微分控制規(guī)律

根據(jù)被調(diào)參數(shù)的變化速度而輸出調(diào)節(jié)信號，具有明顯超前作用。根據(jù)偏差變化速度引入控制作用，只要偏差變化出現(xiàn)，就立即動作。對象存在容量滯后和大時間常數(shù)的條件下，變化率很明顯，微分調(diào)節(jié)器會有較大輸出。對于純滯后情況，微分起不到調(diào)節(jié)作用。具有純滯后的對象利用微分調(diào)節(jié)器不能改善調(diào)節(jié)效果。

1.4.4比例積分微分控制1.4.4.1微分控制規(guī)律理想微分控制器在階躍輸入下特性如圖1.41。微分作用特點(diǎn)：輸入不變，微分作用輸出總是零；輸入變化，控制器才有輸出；輸入變化越快，輸出值越大。微分控制器不能作為一個獨(dú)立控制器使用，常和比例控制器一起使用。

理想微分控制器在階躍輸入下特性如圖1.41。1.4.4.2比例微分調(diào)節(jié)規(guī)律比例微分控制器特點(diǎn)：具有超前作用的控制規(guī)律。既有比例控制作用，又有微分作用，有利于克服干擾，降低最大偏差。因此當(dāng)對象時間常數(shù)較大時，常用比例微分控制器。微分作用超前，是與比例控制作用相對而言的。當(dāng)偏差作階躍變化時，控制器輸出會一躍而上，加大了作用量，因此可使最大偏差減小，過渡時間縮短。

1.4.4.2比例微分調(diào)節(jié)規(guī)律比例微分控制器特點(diǎn)：具有超純比例控制作用與比例微分控制作用的變化過程如圖1.42所示。將PD特性與P特性相比，輸出值要高上一段，從時間上看，純比例作用達(dá)到同樣的輸出值，要多花一段時間。

純比例控制作用與比例微分控制作用的變化過程如圖1.42所示1.4.4.3比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律

PID調(diào)節(jié)規(guī)律：比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)規(guī)律組合。以比例作為基本調(diào)節(jié)規(guī)律，以微分的超前作用克服容量滯后、測量滯后，以積分作用最后消除余差。

(1)PID控制規(guī)律的時間特性比例積分微分控制規(guī)律是比例控制、積分控制和微分控制三種控制作用之和。

1.4.4.3比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律PID調(diào)節(jié)規(guī)律：比例偏差信號為階躍信號A，PID調(diào)節(jié)器作用：先是微分起主導(dǎo)；后是比例；最后是積分。PID是三種作用之和，在圖形上可相加得到，其輸出變化過程示于圖1.43。偏差信號為階躍信號A，PID調(diào)節(jié)器作用：(2)PID特征參數(shù)及其對過渡過程的影響一個三作用調(diào)節(jié)器有比例度δ、積分時間Ti和微分時間Td三個可供選擇的特征參數(shù)，改變參數(shù)便可以適應(yīng)生產(chǎn)過程的不同要求。對于已設(shè)計并安裝好的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主要通過調(diào)整這三個參數(shù)來達(dá)到目的。(2)PID特征參數(shù)及其對過渡過程的影響圖1.44為在各種不同調(diào)節(jié)規(guī)律作用下的過渡過程曲線比較圖。比較曲線1與曲線3，曲線2與曲線4：微分作用能減小最大偏差值和調(diào)節(jié)時間。比較曲線4與曲線3：積分作用能夠消除余差，最大偏差值及調(diào)節(jié)時間增大。如果系統(tǒng)的滯后很大，積分作用還會引起振蕩。第1章-給排水工程儀表與控制課件第1章-給排水工程儀表與控制課件1.4.5控制方式的選擇

典型控制方式優(yōu)缺點(diǎn)：各有長短。PID控制器比較完美，但其應(yīng)用領(lǐng)域受到限制?？紤]到生產(chǎn)領(lǐng)域被控對象面大，負(fù)荷變化也有差別，控制品質(zhì)要求不盡一致等等問題，如何根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要合理選擇，適當(dāng)配備，正確使用控制器。

1.4.5控制方式的選擇典型控制方式優(yōu)缺點(diǎn)：各有長短。選擇控制器的控制方式，應(yīng)根據(jù)對象特性，主要干擾以及控制質(zhì)量的要求等不同情況。同時還要考慮經(jīng)濟(jì)性和系統(tǒng)的投運(yùn)方便等，具體選擇原則如下：（1）比例控制方式：時間常數(shù)較小，負(fù)荷變化不大，工藝要求不高時；（2）比例積分控制方式：時間常數(shù)較小，負(fù)荷變化較大，工藝要求無余差時。

選擇控制器的控制方式，應(yīng)根據(jù)對象特性，主要干擾以及控制質(zhì)量的（3）微分作用：當(dāng)時間常數(shù)較大或容量滯后大時。（4）當(dāng)時間常數(shù)較小，負(fù)荷變化很大時，選用微分作用和積分作用都容易引起振蕩。如果時間常數(shù)很小時，可采用反微分作用