這是給排水工程儀表與控制ppt，包括了自動控制系統(tǒng)的作用與構成，控制儀表的分類，自動化及儀表發(fā)展，自動控制系統(tǒng)的作用，傳遞函數(shù)與環(huán)節(jié)，自動控制系統(tǒng)的過渡過程及品質指標，自動控制系統(tǒng)的控制方式等內(nèi)容，歡迎點擊下載。

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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，按要求給出相應的控制信號。 計算機式：以計算機為中心控制單元，以測試儀表、執(zhí)行機構等單元為外圍設備的系統(tǒng)。 二、自動化及儀表發(fā)展 從自動控制系統(tǒng)結構看，經(jīng)歷四個階段： 1、20世紀50年代以基地式控制器組成的控制系統(tǒng)； 2、20世紀60年代以單元組合儀表組成的控制系統(tǒng)； 3、20世紀70年代出現(xiàn)了計算機控制系統(tǒng)； 4、20世紀80年代以后出現(xiàn)二級優(yōu)化控制。 三、自動控制系統(tǒng)的作用 1、定義：在沒有人直接參與的情況下，利用外加設備或裝置（稱自動控制裝置）使生產(chǎn)過程或工作機械（被控對象）的某些物理量自動而準確地按照預期規(guī)律變化 2、目的： 提高生產(chǎn)效率、提高生活水平； 保證高質量地完成任務。 按系統(tǒng)的結構特點 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方塊表示，一個方塊可以對應于一個元件或一個設備，或幾個設備的組合，或一個局部生產(chǎn)過程，代表一個環(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)：一個環(huán)節(jié)或一個自動控制系統(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系式，表達了系統(tǒng)內(nèi)在的固有特性，與輸入量無關。 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： 比較簡單；當系統(tǒng)輸入典型信號時，輸出與傳遞函數(shù)有一定的關系；零極點分布決定系統(tǒng)響應過渡過程。 二、典型環(huán)節(jié)的動態(tài)特性及傳遞函數(shù) 動態(tài)特性：當輸入信號加入環(huán)節(jié)，其輸出信號隨時間變化的規(guī)律。 自控系統(tǒng)是按其動態(tài)特性來分類。盡管構造、原理不同，但只要它們的傳送函數(shù)相同，動態(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)來概括。掌握這些基本環(huán)節(jié)的動態(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)及其動態(tài)特性介紹如下： 比例環(huán)節(jié)：時間域內(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)：輸出信號正比于輸入信號對時間的積分，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-反映微分作用強弱的特征參數(shù)。 b. 實際微分環(huán)節(jié)：輸出信號的變化滯后于輸入信號的變化，是具有慣性的環(huán)節(jié)。 純滯后環(huán)節(jié)：經(jīng)過一段純滯后時間后等量地復現(xiàn)輸 入信號變化，稱距離-速度滯后，其傳遞函數(shù)為： 式中τ- 純滯后時間。 第三節(jié) 自動控制系統(tǒng)的過渡過程及品質指標 二 自動控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài) 靜態(tài)：各個參數(shù)的變化率為零，即參數(shù)保持不變。 動態(tài)：靜態(tài)隨時被打破，使被控參數(shù)發(fā)生變化。 二、質量指標 　　 自控系統(tǒng)的性能用控制精確度來衡量。工程上常用“穩(wěn)、快、準”來要求。 典型的自控系統(tǒng)過渡過程是衰減振蕩過程。常用最大偏差A、過渡時間ts、余差C、衰減比ψ、振蕩周期Tp等五個品質指標來評價。 1、最大偏差：被控參數(shù)偏離給定值的最大差值，衡量過渡過程穩(wěn)定性的動態(tài)指標。 2、過渡時間：系統(tǒng)受到干撓，被控變量從原穩(wěn)定值達到新穩(wěn)定值所需要時間，反映控制快速性的指標。 3、余差：控制系統(tǒng)過渡過程終了時給定值與被控變量穩(wěn)定值之差，反映控制準確性的一個重要指標。 4、衰減比：第一個波的振幅與同方向第二個波的振幅之比，衡量過渡過程穩(wěn)定性的動態(tài)指標。 5、振蕩周期：第一個波峰到相鄰波峰之間的時間，衡量過渡過程快速性的指標。 第四節(jié) 自動控制系統(tǒng)的控制方式 控制方式：控制器輸出信號與輸入信號之間隨時間的變化方式，也稱調(diào)節(jié)規(guī)律。基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 當測量值大于（或小于）設定值，即偏差信號大于零（或小于零）時，控制器的輸出信號為最大值；反之，則控制器的輸出信號為最小值。因此，理想的雙位控制規(guī)律的數(shù)學表達式為： 特點：被調(diào)參數(shù)等幅振蕩，動作頻繁，容易損壞，因而難以保證系統(tǒng)安全可靠地運行，如恒溫箱溫度控制，泵站液位控制 二、比例控制 P 特點：調(diào)節(jié)器的輸出與被測參數(shù)的偏差值成比例，響應速度 快，調(diào)節(jié)動作及時、迅速，但有余差，如壓縮機貯氣罐的壓力 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輸出變化的百分數(shù)。用式子表示為： 式中：Δe—偏差的變化量； Δp—輸出信號的變化量。 比例度與比例系數(shù)成反比，其值越大，比例作用越弱。 例題： 某氣動比例溫度控制器的輸入范圍為500~1000℃，輸出范圍為20~100kPa，當控制器輸入變化200℃時，其輸出信號變化40kPa，求該控制器的比例度。 解： 3、比例度對過渡過程的影響 靜態(tài)—余差（為什么比例作用會有余差呢？） 動態(tài)—過渡過程 比例系數(shù)對過渡過程的影響見下圖： 三、積分控制 I 特點：可以消除偏差，但調(diào)節(jié)動作緩慢，不能及時克服擾動 的影響，致使被調(diào)參數(shù)的動態(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：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、積分時間的影響 對輸出特性的影響：比例粗調(diào)和積分細調(diào)作用，粗調(diào)及時 克服干擾，細調(diào)逐漸克服余差。 對過渡過程的影響： 對于不同的對象，其固有特性不同，為獲得理想的過渡過 程，應選擇不同的積分時間數(shù)值與之對應。 五、微分控制 D 特點：偏差信號變化速度越快，微分作用輸出越大，對于固 定不變的偏差信號，不管大小都無微分輸出，所以不能克服余 差。 六、比例微分控制 PD 特點：具有超前作用，傳遞函數(shù)為： 微分增益：在階躍輸入信號的作用下，實際比例微分調(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。 七、比例積分微分控制 PID 特點：比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)相結合，既能快速調(diào)節(jié) 又能消除偏差，還能根據(jù)偏差信號的變化趨勢提前動作，具有較好的調(diào)節(jié)性能，如pH值的控制。 時間特性：當偏差信號為階躍信號時，微分調(diào)節(jié)先起主導 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，積分時間，微分時間三個參 數(shù)。微分作用減小過渡過程的最大偏差值和調(diào)節(jié)時間，積分 用消除余差，但會增大過渡過程的最大偏差值及調(diào)節(jié)時間。 （1）比例控制方式：時間常數(shù)較小，負荷變化不大，工藝要求不高時，如儲存罐的液位控制等； （2）比例積分控制方式：時間常數(shù)較小，負荷變化較大，工藝要求無余差時。 （3）微分作用：當時間常數(shù)較大或容量滯后大時。 （4）當時間常數(shù)較小，負荷變化很大時，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)的反應速度提高控制質量。 （5）對象滯后很小或噪聲嚴重時，應避免引入微分作用，否則會尋致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 九、控制參數(shù)整定 選定的控制器投入運行之前，必須根據(jù)控制過程曲線形狀，直接在生產(chǎn)中逐步、反復地調(diào)試，得到最佳的控制參數(shù)。這個過程就叫控制參數(shù)整定。 一般由有經(jīng)驗的工程人員與老師傅共同進行。 十、調(diào)節(jié)作用的實現(xiàn)方法 控制器一般可按能源形式、信號類型和結構形式進行分類。 1、能源形式 （1）氣動：發(fā)展較早，其特點是結構簡單、性能穩(wěn)定、可靠 性高、價格便宜，且在本質上安全防爆，因而廣泛應用于石油 化工等有爆炸危險的場所。 （2）電動：發(fā)展相對較晚，實現(xiàn)遠距離監(jiān)視操作等方面容易 且易與計算機等現(xiàn)代化信息技術工具聯(lián)用，因此發(fā)展極為迅速 應用極為廣泛，目前大多采用。 2、信號類型 （1）模擬式：線路簡單，操作方便，在過程控制中已廣泛應 用，如電動調(diào)節(jié)器、氣動調(diào)節(jié)器等； （2）數(shù)字式：以微型計算機為核心，功能完善，性能優(yōu)越， 可靠性高，維護方便，如可編程控制器、微電腦調(diào)節(jié)器等。 3、結構形式 （1）基地式：結構簡單，但通用性差，使用不夠靈活，一般 僅用于一些簡單控制系統(tǒng)； （2）單元組合式：使用靈活方便，因此在生產(chǎn)現(xiàn)場得到廣泛 應用，目前使用較多的屬于電動控制器； （3）組裝式：在單元組合儀表的基礎上發(fā)展起來的，功能分 離、結構組件化； （4）集散控制式：微處理器為基礎的控制器，在結構、功能 可靠性等各方面都進入一個新階段。 第六節(jié) 計算機控制系統(tǒng)概述 一、系統(tǒng)的組成 參數(shù)采集：模擬量轉換為數(shù)字量稱模/數(shù)轉換器。 運算控制：輸入?yún)��?shù)數(shù)字量邏輯運算，得出控制信號輸出。 信號輸出：數(shù)字量轉換為模擬量稱數(shù)/模轉換器。 外圍設備：顯示器、存儲記錄裝置、打印機等。 二、應用方式 1、操作指示控制系統(tǒng)：計算機巡回檢測參數(shù)并對測量結果進行處理后輸出數(shù)據(jù)。 2、直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)：計算機巡回檢測參數(shù)，運算后發(fā)出控制信號，直接控制被控對象。 3、分級控制系統(tǒng)：適用于規(guī)模大或復雜的系統(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)的輸出信號對控制作用的影響（ B ）。 A、開環(huán)有 B、閉環(huán)有 C、都沒有 D、都有 3. 對系統(tǒng)抗干擾能力（ B ）強。 A、開環(huán) B、閉環(huán) C、都強 D、都不強 4. 對系統(tǒng)抗干擾能力（ A ）及時。 A、開環(huán) B、閉環(huán) C、都及時 D、都不及時 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、無差 C、有時有差、有時無差 10. 恒溫箱溫度控制屬于（ A ）系統(tǒng)。 A、定值控制 B、隨動控制 C、程序控制 11. 各類測量儀中變送器屬于（ B ）系統(tǒng)。 A、定值控制 B、隨動控制 C、程序控制 12. 可克服多種擾動的系統(tǒng)有（ C ）。 A、反饋控制 B、前饋控制 C、復合控制 13. 對衰減振蕩而言，衰減比越小，穩(wěn)定度（ B ）。 A、越低 B、越高 C、沒有影響 14. 衡量過渡過程穩(wěn)定性的動態(tài)指標有（ABCDE）。 A 最大偏差 B 余差 C 過渡時間 D 衰減比 E 振蕩周期 15. 微分調(diào)節(jié)規(guī)律主要可用來克服調(diào)節(jié)對象的（大時間常數(shù)）和（容量滯后）的影響。 16. （微分）控制器對變化很慢的偏差具有很強的調(diào)整能力。eC5紅軟基地

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