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简介
这是给排水工程仪表与控制ppt，包括了自动控制系统的作用与构成，控制仪表的分类，自动化及仪表发展，自动控制系统的作用，传递函数与环节，自动控制系统的过渡过程及品质指标，自动控制系统的控制方式等内容，欢迎点击下载。
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城市水工程仪表与控制 陈 俐 一、控制仪表的分类： 基地式：检测控制显示组合在一起的仪表。 单元组合式：在系统规定的统一的通讯方式下，按要求给出相应的控制信号。 计算机式：以计算机为中心控制单元，以测试仪表、执行机构等单元为外围设备的系统。 二、自动化及仪表发展 从自动控制系统结构看，经历四个阶段： 1、20世纪50年代以基地式控制器组成的控制系统； 2、20世纪60年代以单元组合仪表组成的控制系统； 3、20世纪70年代出现了计算机控制系统； 4、20世纪80年代以后出现二级优化控制。 三、自动控制系统的作用 1、定义：在没有人直接参与的情况下，利用外加设备或装置（称自动控制装置）使生产过程或工作机械（被控对象）的某些物理量自动而准确地按照预期规律变化 2、目的： 提高生产效率、提高生活水平； 保证高质量地完成任务。 按系统的结构特点 第二节 传递函数与环节 一、方块图与传递函数 方块图：控制系统的元件作用图用一个方块表示，一个方块可以对应于一个元件或一个设备，或几个设备的组合，或一个局部生产过程，代表一个环节。 拉普拉斯变换：一种积分变换，微积分函数 代数幂函数，微分方程 代数方程。 传递函数：一个环节或一个自动控制系统，输出拉氏变换与输入拉氏变换之比。拉氏变换基础上，以系统本身参数描述的线性定常系统输入量与输出量的关系式，表达了系统内在的固有特性，与输入量无关。 用Y(s)代表输出的拉氏变换，用X(s)代表输入的拉氏变换，则传递函数G(s)可表示为： 传递函数的优点： 比较简单；当系统输入典型信号时，输出与传递函数有一定的关系；零极点分布决定系统响应过渡过程。 二、典型环节的动态特性及传递函数 动态特性：当输入信号加入环节，其输出信号随时间变化的规律。 自控系统是按其动态特性来分类。尽管构造、原理不同，但只要它们的传送函数相同，动态特性就相同。所以，各种自控系统都可用五种基本典型环节来概括。掌握这些基本环节的动态特性，了解其连接方式，就能熟练地掌握自控系统。五种基本的典型环节及其动态特性介绍如下： 比例环节：时间域内输入输出函数成比例，表示 为： 一阶环节：又称一阶惯性环节，其传递函数为： 积分环节：输出信号正比于输入信号对时间的积分，传递函数为： 微分环节： a. 理想微分环节：输出量与输入量的变化速度成正比，其传递函数为： 式中：Td-反映微分作用强弱的特征参数。 b. 实际微分环节：输出信号的变化滞后于输入信号的变化，是具有惯性的环节。 纯滞后环节：经过一段纯滞后时间后等量地复现输 入信号变化，称距离-速度滞后，其传递函数为： 式中τ- 纯滞后时间。 第三节 自动控制系统的过渡过程及品质指标 二 自动控制系统的静态与动态 静态：各个参数的变化率为零，即参数保持不变。 动态：静态随时被打破，使被控参数发生变化。 二、质量指标 自控系统的性能用控制精确度来衡量。工程上常用“稳、快、准”来要求。 典型的自控系统过渡过程是衰减振荡过程。常用最大偏差A、过渡时间ts、余差C、衰减比ψ、振荡周期Tp等五个品质指标来评价。 1、最大偏差：被控参数偏离给定值的最大差值，衡量过渡过程稳定性的动态指标。 2、过渡时间：系统受到干挠，被控变量从原稳定值达到新稳定值所需要时间，反映控制快速性的指标。 3、余差：控制系统过渡过程终了时给定值与被控变量稳定值之差，反映控制准确性的一个重要指标。 4、衰减比：第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比，衡量过渡过程稳定性的动态指标。 5、振荡周期：第一个波峰到相邻波峰之间的时间，衡量过渡过程快速性的指标。 第四节 自动控制系统的控制方式 控制方式：控制器输出信号与输入信号之间随时间的变化方式，也称调节规律。基本的控制方式有位式控制、比例控制、积分控制和微分控制。 一、双位控制 当测量值大于（或小于）设定值，即偏差信号大于零（或小于零）时，控制器的输出信号为最大值；反之，则控制器的输出信号为最小值。因此，理想的双位控制规律的数学表达式为： 特点：被调参数等幅振荡，动作频繁，容易损坏，因而难以保证系统安全可靠地运行，如恒温箱温度控制，泵站液位控制 二、比例控制 P 特点：调节器的输出与被测参数的偏差值成比例，响应速度 快，调节动作及时、迅速，但有余差，如压缩机贮气罐的压力 控制。 1、调节规律 输出与输入成比例，没有滞后，传递函数是： 2、比例度 ，调节器输入的变化与相应输出变化的百分数。用式子表示为： 式中：Δe—偏差的变化量； Δp—输出信号的变化量。 比例度与比例系数成反比，其值越大，比例作用越弱。 例题： 某气动比例温度控制器的输入范围为500~1000℃，输出范围为20~100kPa，当控制器输入变化200℃时，其输出信号变化40kPa，求该控制器的比例度。 解： 3、比例度对过渡过程的影响 静态—余差（为什么比例作用会有余差呢？） 动态—过渡过程 比例系数对过渡过程的影响见下图： 三、积分控制 I 特点：可以消除偏差，但调节动作缓慢，不能及时克服扰动 的影响，致使被调参数的动态偏差增大，甚至使系统难稳定。 四、比例积分调节 PI 1、特点：既具有比例作用，又具有积分作用，如流量控制。 传递函数是： 2、积分时间的影响 对输出特性的影响：比例粗调和积分细调作用，粗调及时 克服干扰，细调逐渐克服余差。 对过渡过程的影响： 对于不同的对象，其固有特性不同，为获得理想的过渡过 程，应选择不同的积分时间数值与之对应。 五、微分控制 D 特点：偏差信号变化速度越快，微分作用输出越大，对于固 定不变的偏差信号，不管大小都无微分输出，所以不能克服余 差。 六、比例微分控制 PD 特点：具有超前作用，传递函数为： 微分增益：在阶跃输入信号的作用下，实际比例微分调节 器输出的初始变化量和最终变化量之比，表示微分作用输出幅 度的大小，其值越大，微分作用越强。 七、比例积分微分控制 PID 特点：比例、积分、微分三种调节相结合，既能快速调节 又能消除偏差，还能根据偏差信号的变化趋势提前动作，具有较好的调节性能，如pH值的控制。 时间特性：当偏差信号为阶跃信号时，微分调节先起主导 作用，而后是比例调节，最后是积分调节。 特征参数及其影响：比例度，积分时间，微分时间三个参 数。微分作用减小过渡过程的最大偏差值和调节时间，积分 用消除余差，但会增大过渡过程的最大偏差值及调节时间。 （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，如储存罐的液位控制等； （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。 （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。 九、控制参数整定 选定的控制器投入运行之前，必须根据控制过程曲线形状，直接在生产中逐步、反复地调试，得到最佳的控制参数。这个过程就叫控制参数整定。 一般由有经验的工程人员与老师傅共同进行。 十、调节作用的实现方法 控制器一般可按能源形式、信号类型和结构形式进行分类。 1、能源形式 （1）气动：发展较早，其特点是结构简单、性能稳定、可靠 性高、价格便宜，且在本质上安全防爆，因而广泛应用于石油 化工等有爆炸危险的场所。 （2）电动：发展相对较晚，实现远距离监视操作等方面容易 且易与计算机等现代化信息技术工具联用，因此发展极为迅速 应用极为广泛，目前大多采用。 2、信号类型 （1）模拟式：线路简单，操作方便，在过程控制中已广泛应 用，如电动调节器、气动调节器等； （2）数字式：以微型计算机为核心，功能完善，性能优越， 可靠性高，维护方便，如可编程控制器、微电脑调节器等。 3、结构形式 （1）基地式：结构简单，但通用性差，使用不够灵活，一般 仅用于一些简单控制系统； （2）单元组合式：使用灵活方便，因此在生产现场得到广泛 应用，目前使用较多的属于电动控制器； （3）组装式：在单元组合仪表的基础上发展起来的，功能分 离、结构组件化； （4）集散控制式：微处理器为基础的控制器，在结构、功能 可靠性等各方面都进入一个新阶段。 第六节 计算机控制系统概述 一、系统的组成 参数采集：模拟量转换为数字量称模/数转换器。 运算控制：输入参数数字量逻辑运算，得出控制信号输出。 信号输出：数字量转换为模拟量称数/模转换器。 外围设备：显示器、存储记录装置、打印机等。 二、应用方式 1、操作指示控制系统：计算机巡回检测参数并对测量结果进行处理后输出数据。 2、直接数字控制系统(DDC)：计算机巡回检测参数，运算后发出控制信号，直接控制被控对象。 3、分级控制系统：适用于规模大或复杂的系统。 4、集散控制系统：集中管理、分散控制，可靠性大大提高。 思考题 1. 以同等精度元件组成的开环系统和闭环系统，其精度比较 为（ B ）。 A、开环高 B、闭环高 C、相差不多 D、一样高 2. 系统的输出信号对控制作用的影响（ B ）。 A、开环有 B、闭环有 C、都没有 D、都有 3. 对系统抗干扰能力（ B ）强。 A、开环 B、闭环 C、都强 D、都不强 4. 对系统抗干扰能力（ A ）及时。 A、开环 B、闭环 C、都及时 D、都不及时 5. 温度控制系统需要采用（B）规律。 A、P调节 B、PI调节 C、PD调节 D、PID调节 6. pH值控制系统采用（ D ）规律。 A、P调节 B、PI调节 C、PD调节 D、PID调节 7. 流量控制系统采用（ B ）规律。 A、P调节 B、PI调节 C、PD调节 D、PID调节 8. 在容量滞后大而又要消除余差的场合采用（ D ）规律。 A、P调节 B、PI调节 C、PD调节 D、PID调节 9. 比例微分调节器是（ A ）调节。 A、有差 B、无差 C、有时有差、有时无差 10. 恒温箱温度控制属于（ A ）系统。 A、定值控制 B、随动控制 C、程序控制 11. 各类测量仪中变送器属于（ B ）系统。 A、定值控制 B、随动控制 C、程序控制 12. 可克服多种扰动的系统有（ C ）。 A、反馈控制 B、前馈控制 C、复合控制 13. 对衰减振荡而言，衰减比越小，稳定度（ B ）。 A、越低 B、越高 C、没有影响 14. 衡量过渡过程稳定性的动态指标有（ABCDE）。 A 最大偏差 B 余差 C 过渡时间 D 衰减比 E 振荡周期 15. 微分调节规律主要可用来克服调节对象的（大时间常数）和（容量滞后）的影响。 16. （微分）控制器对变化很慢的偏差具有很强的调整能力。
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