1、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、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水处理工艺参数的监测和控制3. 采用的仪表和设备采用的仪表和设备4. 仪表选择：原理、种类、型号、使用范围仪表选择：原理、种类、型号、使用范围5. 仪表和设备控制仪表和设备控制6. 信号传输、网络构成、终端信号传输、网络构成、终端1 微电子、仪器仪表、电气设备、自动微电子、仪器仪表、电气设备、自动化技术的进步；化技术的进步；2 给水排水工程由土木工程型向设备型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
2、仪表化、设备转化，给水排水工程的仪表化、设备化、自动化迅速发展；化、自动化迅速发展；3 各种先进的自动监测、自动控制技术、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。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、机器仪表、自动化控制、电气设备、机械设备等；械设备等；2 交叉学科：根据实际情况，了解或掌交叉学科：根据实际情况，了解或掌握一门或多门相关学科知识；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习本课程之前，要求
3、学生具备物理学、电工学、电子学、流体力学，水学、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排水工程等技术基础课与专业课的知识。识。 基本内容（高校专业指导委员会）1、自动控制基础知识自动控制基础知识重点重点: 了解自动控制系统的作用与构成，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，计算机控制自动控制系统的调节规律，计算机控制系统概述。系统概述。难点难点: 建立自动控制的基本概念。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城市水工程自动化常用仪表与设备 重点重点: 了解常用过程参数检测
4、仪表、常用过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程控制仪表、常用执行设备的基本原理与应用；应用； 难点难点: 仪表种类多，工作原理各不相同，涉仪表种类多，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。仪表的工作特点与适用范围。 3、泵及管道系统控制调节泵及管道系统控制调节 重点重点: 调节的内容与意义，水泵的调速控制，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；恒压给水系统控制技术； 难点难点: 理解自动控制在水泵及管道系统中应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
5、术。用的基本方式与常用技术。 4、给水处理系统控制技术给水处理系统控制技术 重点重点: 混凝投药工艺的控制技术，滤池的控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；制技术，水厂自动监控系统； 难点难点: 水处理工程中对控制技术的要求、所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。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计算机在城市供水系统自动监控与调度中的应用。的应用。 5、污水处理厂的检测污水处理厂的检测 重点重点: 污水处理厂的检测项目与取样，污水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
6、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；制方式与项目的选择； 难点难点: 污水处理系统中水质对控制技术与仪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表选择的特殊要求，以及对控制系统组成的相应影响。相应影响。课程相关介绍 课程目的：了解基本知识、掌握应用课程目的：了解基本知识、掌握应用条件、熟悉关键仪表特性；条件、熟悉关键仪表特性； 课程内容介绍：课程内容介绍：1-6章；章； 重点讲解内容：每章的侧重点；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；不介绍或简单介绍的部分； 第一
7、章 自动控制基础知识 1.1 1.1 自动控制系统概念与构成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概念 自动控制系统的自动控制系统的基本目的基本目的： 解放劳动力提高效率：解放劳动力提高效率：应用自动控制技术应用自动控制技术可以解脱繁重的、单调的、低效的人类劳可以解脱繁重的、单调的、低效的人类劳动，以提高生产效率和提高生活水平；动，以提高生产效率和提高生活水平； 提高精度和质量：提高精度和质量：对现代生产中很复杂的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用自动控制技术就可以保证高质
8、量地完成任务。任务。 人工控制：人工控制：自动控制：自动控制：机械机械电器电器电子电子电气电气工艺工艺 自动控制自动控制：在人不直接参与情况下，用外加设备或装：在人不直接参与情况下，用外加设备或装置置( (称自动控制装置称自动控制装置) )使整个生产过程或工作机械使整个生产过程或工作机械( (称称被控对象被控对象) )自动按预定规律运行，或使其某个参数自动按预定规律运行，或使其某个参数( (称称被控量被控量) )按预定要求变化。按预定要求变化。 自动控制系统包括：自动控制系统包括： (1)测量元件测量元件：测量：测量被控量被控量（如水位、流量、浊度）（如水位、流量、浊度）的实际值、或对被控量进
9、行物理量的变换；如传感器，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；检测器，水质仪表； (2)比较元件比较元件：将测量结果和要求值（标准值：将测量结果和要求值（标准值或水质指标）比较，得到偏差；或水质指标）比较，得到偏差； (3)调节元件调节元件：根据偏差大小产生控制信号。：根据偏差大小产生控制信号。调节元件包括调节元件包括放大器放大器和和较正装置较正装置，它能放大，它能放大偏差信号，并使控制信号和偏差具有一定关偏差信号，并使控制信号和偏差具有一定关系；系； (4)执行元件执行元件：由控制信号产生控制作用，从：由控制信号产生控制作用，从而使被控量达到要求值，而使被控量达
10、到要求值， 如阀门、水泵等；如阀门、水泵等；上述部分归纳和组合为下图：系统输出量：系统输出量：控制系统的被控量。控制系统的被控量。系统输入量：系统输入量：影响系统输出的外界输入。影响系统输出的外界输入。 自动控制系统工作原理自动控制系统工作原理：通过测量和比较得到偏差，：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。少的原理。 主要特点：主要特点： (1)信号传送：输出量经测量后回送到输入端。回送信号传送：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，此过程称为的信号使回路闭合，构成闭环，此过程称为反馈反
11、馈。 (2)控制作用：由偏差引起。偏差产生的控制作用使控制作用：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制作用叫做偏差控制偏差控制。 具有上述两个特点的自控系统叫做具有上述两个特点的自控系统叫做反馈控制系统、反馈控制系统、闭环控制系统、偏差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系统的工作原理叫做反馈控制原理反馈控制原理。 1.1.2 自动控制系统的构成 自动控制目的自动控制目的：在人不直接参加的情况下实现同样：在人不直接参加的情况下实现同样的控制目的。的控制目的。 自动控制系统基本构成：
12、自动控制系统基本构成：整定文件整定文件：或给定文件，给出被控量应取的值。：或给定文件，给出被控量应取的值。 测量元件测量元件：检测被控量的大小，如流量计等。：检测被控量的大小，如流量计等。 比较元件比较元件：用来得到给定值与被控量之间的误差。：用来得到给定值与被控量之间的误差。 放大元件放大元件：用来放大误差信号，驱动执行机构。：用来放大误差信号，驱动执行机构。执行元件执行元件：用来执行控制命令，推动被控对象。电：用来执行控制命令，推动被控对象。电机是典型的执行元件。机是典型的执行元件。 校正元件校正元件：用来改善系统的动、静态性能，它可以用：用来改善系统的动、静态性能，它可以用模拟模拟/数字
13、电路来实现，也可以用计算机程序来实现。数字电路来实现，也可以用计算机程序来实现。能源元件能源元件：用来提供控制系统所需的能量。：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： 被控量被控量：指被测量和被控制的量或状态，如上述系：指被测量和被控制的量或状态，如上述系统中的炉温。统中的炉温。 控制量控制量：一种由控制器改变的量或状态，它将影响：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。被控量的值，如上述系统中加热电阻丝两端的电压。 对象对象：它一般是一个设备，通常由一些机器零件有：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
14、物体称为对象，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。如电加热炉。 系统系统：系统是一些部件的组合，这些部件组合在一：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统的概念有时是很抽象的，它可以指一个特定的动态现象。态现象。 扰动扰动：扰动是一种对系统的输出量产生不利影响的：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，则称之为外部扰扰动；如果扰动
15、来自于系统外部，则称之为外部扰动。动。1.1.3 自动控制系统的分类 控制系统：控制系统：开环控制系统开环控制系统、闭环控制系统闭环控制系统、复合控制复合控制系统系统（同时具有开环和闭环结构）。（同时具有开环和闭环结构）。 1.1.3.1闭环控制闭环控制 闭环控制原理闭环控制原理：需要控制的是受控对象（如水处理工：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执行元件，去操纵受控对
16、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均能自动纠正。这种控制方式也称为按偏差调节按偏差调节。 反馈：反馈：把输出量回送到输入端，并与指令信号比较产生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。偏差的过程。指令信号与被控量相减为指令信号与被控量相减为负反馈负反馈，相加则为，相加则为正反馈正反馈。不不做特别说明，一般指负反馈做特别说明，一般指负反馈。反馈控制反馈控制：采用负反馈并利用偏差进行控制的过程。：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
17、泛应用。这是自控系统中最基本控制方式，在工程中广泛应用。 输出量输出量 闭环控制特点闭环控制特点：信号按箭头方向传递是：信号按箭头方向传递是封闭封闭的的(闭环闭环)、负反馈负反馈和和按偏差按偏差控制。控制。 闭环控制也称为闭环控制也称为反馈控制或按偏差控制反馈控制或按偏差控制。 闭环控制优点闭环控制优点：控制精度高，抗干扰能力强。：控制精度高，抗干扰能力强。 闭环控制缺点闭环控制缺点：元件多，线路复杂，分析和设计麻烦。：元件多，线路复杂，分析和设计麻烦。 1.1.3.2 开环控制开环控制 （1）按给定值控制）按给定值控制 开环控制原理开环控制原理：需要控制的是受控对象的被控量（如流：需要控制的
18、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。递到被控量，无反向联系。其框图如下图所示。 开环控制特点开环控制特点：简单，控制精度低，抗干扰能力差。结：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。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）如核反应堆与核弹的区别）2）按干扰补偿）按干扰补偿 按干扰补偿原理按干扰补偿原理
19、：需要控制的是被控量，而测量的是干：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，也称扰对被控量的影响，也称顺馈控制顺馈控制。如图。如图1.10所示。所示。由于测量的是干扰，故只能对可测量的干扰进行补偿。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）。因此，控制精度受到原理的限制。（例如稳压电源）。 1.1.3.3 1.1.3.3 复合控制复合控制 复合控制方式：复合控制方式：把按偏差控制与按干扰控制结合起来，把按偏差控制与按干扰控制结合起来，对主
20、要扰动采用适当的补偿，实现按干扰控制；同时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。再组成反馈系统实现按偏差控制，以消除其他偏差。如图如图1.11所示。所示。 综上所述，综上所述， 自动控制系统组成自动控制系统组成：控制器和受控对象；：控制器和受控对象； 任务任务：使被控量自动跟随指令信号变化；：使被控量自动跟随指令信号变化； 实现方式实现方式：闭环控制、开环控制和复合控制；：闭环控制、开环控制和复合控制； 控制器功能控制器功能：测量、比较放大和执行。：测量、比较放大和执行。 其他分类方法：其他分类方法： 按元件类型按元件类型：可分为机械系统、
21、电气系统、机电系统、：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；液压系统、气动系统、生物系统等； 按系统功用按系统功用：可分为温度控制系统、压力控制系统、：可分为温度控制系统、压力控制系统、位置控制系统等；位置控制系统等； 按系统性能按系统性能：可分为线性系统和非线性系统、连续系：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；不确定性系统等； 按输入量形式按输入量形式：可分为恒值控制系统、随动系统和程：可分为恒值控制系统、随动系统和程序控制系统等。序控制系统等。 为全面反映
22、自动控制系统特点，常将上述分类方法组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。合应用。 1.1.3.4 线性连续控制系统线性连续控制系统 1.1.3.5 线性定常离散系统线性定常离散系统 1.1.3.6 非线性控制系统非线性控制系统 1.1.3.7 SISO系统和系统和MIMO系统系统 1.1.3.8 集中参数系统和分布参数系统集中参数系统和分布参数系统 1.2 1.2 传递函数与环节特性（自学）传递函数与环节特性（自学） 1.2.1 1.2.1 方块图和传递函数方块图和传递函数 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
23、到预定的控制要求，构成的控制回到的影响，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，都是应用路，选择的控制器特性，都是应用方块图方块图和和传递函传递函数数作为分析基本手段，对自动控制系统进行分析。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。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）（例如常规饮用水处理工艺流程图）水力混合混合混合折板反应斜管沉淀普通快滤氯消毒原水反应反应沉淀沉淀过滤过滤消毒消毒 在自动控制理论中，常见的是进行拉普拉斯变换在自动控制理论中，常见的是进行拉普拉斯变换(简简称拉氏变换称拉氏变换)。 拉
24、氏变换拉氏变换是一种积分变换，将微分积分函数转化为是一种积分变换，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。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。块图形式，会更加清楚和简单。 在方块中填入微分方程在方块中填入微分方程的拉氏变换式，把输出的拉氏变换式，把输出和输入的变换式分别写和输入的变换式分别写在方块的输出箭头线和在方块的输出箭头线和输入箭头线上，就可直输入箭头线上，就可直接看出各环节的联系，接看出各环节的联系
25、，及环节对信号的传递过及环节对信号的传递过程，如图程，如图1.14。 方块内的拉氏变换即方块内的拉氏变换即传递函数传递函数。传递函数可用来描。传递函数可用来描述环节或自动控制系统的特性。可以将输入述环节或自动控制系统的特性。可以将输入-输出关输出关系清晰地表示出来。系清晰地表示出来。 1.2.2 1.2.2 典型环节的动态特性及传递函数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。偏移，形成和放
26、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、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。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自动控制系统的过渡过程及品质指标 （部分自学）（部分自学） 1.3.1 1.3.1 典型输入信号典型输入信号 为比较
27、系统性能优劣，对于外作用信号和初始状态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。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（信号加于系统的瞬时（t=0）之前，系统是相对静止）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的，被控量和各阶导数相对于平衡工作点的增量为零。零。 规定一些具有特殊形式的信号作为系统的输入信号，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。这些典型的输入信号反映系统的大部分实际情况。 （1）阶跃函数阶跃函数 指令的
28、突然转换，电源指令的突然转换，电源 突然接通，负荷突变突然接通，负荷突变 等，均可看作阶跃作用。等，均可看作阶跃作用。 000)(tattr （2）速度函数速度函数 船闸匀速升降，数控机床船闸匀速升降，数控机床 加工斜面时的进给指令均加工斜面时的进给指令均 可看作是斜坡作用。可看作是斜坡作用。 （3）加速度函数加速度函数 000)(tatttr000)(2tatttr （4）脉冲函数）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，
29、前者是后者的导数；而后者是前者的积分。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出时间响应就可以确定另外种输入函数的输出响应。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，称为系统的参数变化率等于零的状态，称为系统的静态静态；而把；而把被控参数随时间变化的状态称为被控参数随时间变化的状态称为动态动态。 (1)静态静态
30、 当一个自动控制系统的输入恒定不变时，既不改变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。衡的静止状态。 自动控制系统的静态过程是暂时的、相对的和有条自动控制系统的静态过程是暂时的、相对的和有条件的。件的。 (2)动态动态 生产过程中干扰不断产生，自动控制系统的静态随时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，所以称为节都处于运动状态，所以称为动态动态。 1.3.3 1.3.3 自
31、动控制系统的过渡过程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，称为种随时间而变化的过程，称为自动控制系统的过渡过自动控制系统的过渡过程程，也就是系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状，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。克服干扰影响的全过程。 （1）单调过程单调过程 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，如图给定值，如图1
32、.27(a)所示。所示。 （2）非周期发散过程非周期发散过程 被控变量在给定值的某一侧，逐渐偏离给定值，而且被控变量在给定值的某一侧，逐渐偏离给定值，而且随时间随时间t的变化，偏差越来越大，永远回不到给定值，的变化，偏差越来越大，永远回不到给定值，如图如图1.27(b)所示。所示。 （3）衰减振荡过程衰减振荡过程 被控变量在给定值附近上下波动，但振幅逐渐减小，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，如图最终能回到给定值，如图1.27(c)所示。所示。 （4）等幅振荡过程等幅振荡过程 被控变量在给定值附近上下波动且振幅不变，最终也被控变量在给定值附近上下波动且振幅不变，最
33、终也不能回到给定值，如图不能回到给定值，如图1.27(d)所示。所示。 （5）发散振荡过程发散振荡过程 被控变量在给定值附近来回波功，而且振幅逐渐增大，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，如图偏离给定值越来越远，如图1.27(e)所示。所示。 以上以上5种过程可归纳为两类：种过程可归纳为两类： 第一类：第一类：稳定的过渡过程稳定的过渡过程，如图，如图1.27(a)和和(c)所示，所示，表明当系统受到干扰，平衡被破坏，但经过控制器的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工作，被控变量能逐渐恢复到给定值或达到新的
34、平衡状态，是所希望的。状态，是所希望的。 第二类：第二类：不稳定的过渡过程不稳定的过渡过程，如图，如图1.27(b)， (e) ， (d)所示。所示。 (b)， (e)所示的过程是被控变量随时间的增长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。过程是绝对不能采用的。 1.3.4 1.3.4 自动控制系统的品质指标自动控制系统的品质指标 1.3.4.11.3.4.1对控制系统的要求对控制系统的要求 任何技
35、术设备、机器和生产过程都必须按要求运行。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可将被操纵的机器设备称作被控对象被控对象，将表征其工况，将表征其工况的关键参数称作的关键参数称作被控变量被控变量，而将这些工况参数所希望，而将这些工况参数所希望所要求达到的值称作所要求达到的值称作给定值给定值。 控制系统任务控制系统任务：使被控对象的被控变量按给定值变化。：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变化的全过程称为系统的动态过程系统的动态过程。 控制精确度控制精确度是衡
36、量自动控制系统技术性能的重要尺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，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，工程上常控系统的动态过程在不同阶段中的特点，工程上常从从“稳稳”、“快快”、“准准”三个主要方面来要求。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，随动系统对重，随动系统对“快快”要求较高，而温度控制系统要求较高，而温度控制系统对对“稳稳”限制严格。限制
37、严格。同一系统稳、快、准是相互制同一系统稳、快、准是相互制约的约的，提高过程的快速性，常会诱发系统强烈振荡；，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。也有所下降。 1.4 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在自动控制系统中，实现调控功能的核心装置是控控制器制器(又称又称调节器调节器)。测量值和给定值在调节器中进行。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
38、律叫做信号。调节信号随时间变化的规律叫做调节器的调调节器的调节规律节规律。 常用调节规律常用调节规律：比例、积分、微分、比例加积分、：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。比例加微分、比例加积分加微分等。 1.4.1 位式控制位式控制 1.4.1.1 双位控制双位控制 只有全开和全关的两个极限位置，叫做只有全开和全关的两个极限位置，叫做双位调节双位调节。把控制电路工作的晶体管放大器称为把控制电路工作的晶体管放大器称为双位式控制器双位式控制器。 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
39、关状所限，在任何时刻，调节器输出、调节阀的开关状态都只有态都只有两个对应的极限位置两个对应的极限位置。 双位控制器双位控制器缺点缺点：动作非常频繁，致使系统中的运：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。可靠地运行。 1.4.1.2 多位控制多位控制 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以处于某一中间位置，以使系统中物料量或能
40、量的不平衡状态得到缓和，这就构成了三位式控制方式。不平衡状态得到缓和，这就构成了三位式控制方式。 图图1.33（p30）是三位式控制器的特性示意图。显然）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。用的是三位控制。 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。如果在双位控制中，由于执行器只有两个极限位置。如果能
41、使阀门的开度与被控量对给定值的偏差成比例，控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；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，称为这种阀门开度与被控量的偏差成比例的控制，称为比比例控制例控制。就是控制器的输出信号与输入信号之间有一。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。比例控制简称一对应的比例关系。比例控制简称P控制控制。 1.4.2.1比例控制： 比例调节器的输出与输入比例调节器的输出与输入成比例成比例；比例调节器的；
42、比例调节器的输出为：输出为： P(t)调节器输出；调节器输出； e(t)偏差信号；偏差信号； Kc 调节器比例系数。调节器比例系数。P tKe t( )( )c比例控制器有一输入信号比例控制器有一输入信号后，其输出为输入信号的后，其输出为输入信号的Kc倍。倍。P(t)随时间的变化随时间的变化规律如图规律如图1.34所示。所示。 比例调节器输出随输入成比例调节器输出随输入成比例变化，比例变化，时间上没有任时间上没有任何迟延何迟延。Kc是一个不随时间而变的是一个不随时间而变的常数。常数。Kc设置成可调的，设置成可调的，经人工调定，就不再随时经人工调定，就不再随时间变化。间变化。 1.4.2.2 1
43、.4.2.2 比例度比例度 在工业调节器中，采用比例度在工业调节器中，采用比例度为参数。比例度为参数。比例度是一个相对值，其定义式：是一个相对值，其定义式： 式中式中 Pmax-Pmin输出信号的变化范围；输出信号的变化范围； zmax-zmin输入信号变化范围，即量程；输入信号变化范围，即量程； P输出信号的变化量；输出信号的变化量； e偏差的变化量。偏差的变化量。ezzPPPmaxminmaxmin100%输入信号相对于其满输入信号相对于其满量程的比例量程的比例输出信号相对于其满输出信号相对于其满量程的比例量程的比例 比例度可这样理解：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
44、改变全量程的百分数。 例如，输入和输出信号变化范围都是例如，输入和输出信号变化范围都是0 10mA，如，如输入电流改变输入电流改变1mA，则输出电流改变，则输出电流改变2mA，此时，此时: 也就是说，在也就是说，在50%比例度下，当输入电流改变全范比例度下，当输入电流改变全范围的围的50%，输出电流将作全范围的变化。，输出电流将作全范围的变化。1100210010050% 比例调节器系统，调节余差不为零，即系统是比例调节器系统，调节余差不为零，即系统是有有差系统差系统。 余差与余差与Kc值关系：值关系：随着随着Kc值增加，余差将减少，值增加，余差将减少，只有当只有当Kc值无穷大时，余差才可为零
45、值无穷大时，余差才可为零。因此增加。因此增加比例系数不可能消除余差，必须引进积分作用。比例系数不可能消除余差，必须引进积分作用。 比例调节器输出比例调节器输出 P=Kc e，即只有偏差，即只有偏差 e存在，存在，调节器才有输出调节器才有输出 P产生。产生。 越大，比越大，比例作用越例作用越弱；弱； 越小，越小，比例作用比例作用越强；越强； 1100%Kc 在在Kc值增大值增大(即即 减小减小)时，变化情况如下：时，变化情况如下： (a)余差下降；余差下降； (b)振荡倾向加强，稳定程度下降；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；工作频率提高，工作周期缩短； (d)在干
46、扰作用下，在干扰作用下，Kc越大最大偏差越小。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，时间常比例调节器适用于干扰幅度小，滞后较小，时间常数较长数较长(与滞后时间相比与滞后时间相比)的对象。的对象。 通常比例度取值为：流量调节通常比例度取值为：流量调节40%100%；液面；液面调节调节20%80%。 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。一直积累下去、直到极值。 积分控制器：积分控制器：利用积分环节构成的调节器。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
47、这个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。到偏差为零时，调节的过渡过程才停止。 1.4.3.1 积分控制规律 积分控制器调节规律积分控制器调节规律：控制器输出的变化量与偏差随：控制器输出的变化量与偏差随时间的积分成比例，即时间的积分成比例，即输出变化速度与输入偏差值成输出变化速度与输入偏差值成正比正比。 e偏差信号；偏差信号； Ti积分时间。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，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
48、到输入偏差为零，控制器的输出会一直变化下去，直到输入偏差为零，控制器的输出变化率变化率才等于零，控制器的输出稳定在一个数值上。才等于零，控制器的输出稳定在一个数值上。因此，因此，积分调节是无差调节积分调节是无差调节。 PTe t1id在偏差是阶跃信号在偏差是阶跃信号输入时，积分控制输入时，积分控制规律特性曲线如图规律特性曲线如图1.38所示。所示。直线斜率反映了输直线斜率反映了输出的变化速度，它出的变化速度，它与偏差大小成正比，与偏差大小成正比，而与积分时间而与积分时间Ti成成反比。反比。 1.4.3.2 比例积分调节规律比例积分调节规律 比例积分调节器：比例积分调节器：有比例作用又有积分作用
49、的调节有比例作用又有积分作用的调节器。器。 在比例作用的基础上，又引入了积分作用。二者之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。间的关系是比例加积分。 偏差偏差e(t)是一个幅度为是一个幅度为A的阶跃信号，则：的阶跃信号，则： (1.42) Kc比例调节比例系数；比例调节比例系数； Ti 积分时间。积分时间。 P tKATA t( )()cid1 比例积分调节器的输出是两部分输出在同一时刻的和比例积分调节器的输出是两部分输出在同一时刻的和。在在t=0时刻，调节器的输出正好是比例作用，积分作用时刻，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
50、定速度。随着为零，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输出逐渐上升。输出的变化速度与输入偏差幅值A的大的大小有关，也与积分时间小有关，也与积分时间Ti有关。有关。 比例积分调节器输出是比例调节作用与积分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。调节作用的叠加。 比例积分调节作用是比例积分调节作用是比例粗调和积分细调作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。
