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1、第一章 自动控制基础知识为什么修这门课？1. 1914 年活性污泥法发明以来，水处理工艺实质上变化不大，但电子、电器、仪表和自动化专业发展迅猛；2.有利于探索水处理过程的本质，深入进行基础研究；3.有利于新工艺的研究开发；4. 有利于实现水处理过程的模拟和自动控制，提高水处理系统的管理水平；5. 有利于减轻工人劳动强度，提高出水品质1.1 自动控制的概念和构成1.1.1 什么是自动控制？人不直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（机械的、电子的、电气的、光学的装置等），代替人工器官的作用，使生产过程按预定规律或预定要求变化。发展与趋势：发展过程：任务的需要、理论的开拓、技术工具的应用 相互影响
2、、相互推动、相互促进综合技术：数学、物理、电子、计算机、仪表、水处理、机械、设备发展过程时代 时间 任务的需要 理论依据 技术工具应用原始控制理论（经验总结） 十二世纪 航海交通 磁场（萌芽） 指南针、指南车1756 年 工业革命、工业应用 传统机械原理 蒸汽机1930s 系统稳定性 微分方程解析 基地式大尺寸仪表经典控制理论（来自工程界） 1940s 需要的领域在拓宽 频域法、根轨迹法 小型化仪表1950s 工业发展需要复杂控制系统 复杂微分方程解析 单元组合仪表现代控制理论（来自数学家） 1960s 航空、航天、军事 极小值理论动态规划 小型化远程化计算机应用1970s 工业发展、军事发展
3、、简单-复杂-多变量 智能控制理论最优化控制 微处理器、单片机、PLC、DCS1970s 以后 深度广度拓展广泛的商用 智能控制理论、检测、控制管理相结合 高精度仪表、高度集成芯片自动控制系统方框图为了表示控制系统的组成，以及各组成部分信号传递的关系，常用方框图表示方框图特点：系统容易组成和识别；连线表示信息流，不表示具体实物和介质流；形象直观，容易体现系统因果关系。自动控制系统方框图 自动控制系统方框图自动控制系统的组成（1）测量元件：检测被控量的大小（2）整定元件：设定被控变量的值（3）比较元件：得到给定值与被控量之间的误差（4）放大元件：误差信号放大，驱动执行机构（5）执行元件：执行控制
4、指令，影响被控对象（6）校正元件：改善系统的动、静态性能（7）能量元件：提供控制系统需要的能量控制对象：在生产过程中被控制的反应构筑物或生产设备，可指各种装置、设备、反应器，或反应系统中某一相关部分被控参数 y：按工艺要求对某些参数进行调节控制给水处理：流量、液位、浊度、余氯、压力、污水处理：DO、MLSS、COD、BOD、SS、NH3N、TP干扰 f：破坏系统平衡，引起被控参数变化的外界因素常见阶跃干扰：调节器输出 P：遵照工艺规律，按一定控制算法，得到的控制调节作用的电信号或其它信号控制作用 q：为克服干扰所采取的手段，所用介质为控制介质传感器与变送器：直接感受被测参数变化的装置：膜电极反
5、应电磁感应光感量变化超声波感应接受电动势位移 将感应信号变为标准信号的元件或装置测量值 z：变送器的输出值；电流信号：4-20mA, 0-10m气压信号：20-100kPa电压信号：0-5V,0-10V,-5-+5V常用 4-20mA，负载小于 600 欧设定值 x：设定工艺参数的预期值，或期望值偏差值 e：设定值与测量值的偏差，e=x-z偏差速率 ec：偏差值的变化速率， ec =de/dt执行装置：执行指令，实现控制调节的装置1.1.3 自动控制系统分类信息传递特点：闭环控制、开环控制、复合环路控制按系统性能：线性系统与非线性系统，定常系统与时变系统、确定性系统与不确定性系统输入量的形式：
6、恒值控制系统、随动控制系统、程序控制系统元件类型：机械系统、电气系统、液压系统、气动系统等系统功能：温度控制系统、压力控制系统、位置控制系统等简单复杂程度：简单控制系统、复杂控制系统、智能控制系统等（1）闭环控制（反馈控制）系统据被控量与给定值的偏差进行控制，最终达到消除或减少偏差，反馈控制系统的优点是能缩小或消除偏差，无论偏差的根源何在，他们都可以工作，具有普遍的适应性。缺点是比较被动。给水处理系统中的滤后加氯系统，对余氯量控制要求高，通常采用反馈控制或复合环路控制。（2）开环控制系统按给定值控制：受控对象是被控量，但控制装置仅接受给定值，信号只有倾向作用，无反(2）开环控制系统按干扰补偿（
7、前馈控制）：直接根据扰动进行工作，扰动是控制的依据，没有被控量的反馈，不构成闭合环路，属开环控制，优点是能针对扰动迅速改变被控量。（3）复合环路控制系统反馈控制系统中加入扰动前馈控制。恒值控制系统控制系统的输入量是一个常值，要求被控量也是一个常值，如果被控量是生产过程的参量时，称为过程控制系统。系统的重点是克服干扰，研究抗扰动措施。曝气池 DO 控制系统；曝气池 MLSS 定值控制系统；出水 COD、氨氮、TP 等控制系统；沉淀池浊度、滤池出水浊度控制系统；出厂水余氯、压力控制系统等随动控制系统输入量是预先未知的随时间任意变化的函数，要求被控量以尽可能小的误差跟随给定量的变化，又称跟踪系统。研
8、究被控量跟随的快速性和准确性。如：自来水厂加药量控制数学模型智能控制系统智能控制系统有多种分类：如：模糊逻辑控制、模糊预测控制、神经网络控制、专家控制系统、自学习功能控制系统等微分方程表述控制环节，复杂且求解麻烦，常用拉氏变换来简化数学过程。拉氏变换：微分积分函数转化为代数幂函数；将微分方程转化为代数方程。拉氏变换： 拉氏反变换： 1.3 自动控制系统的过渡过程及品质指标1.3.1 典型输入信号系统本身的结构和参数是相对固定的，响应与输入信号及干扰有关；初始状态和干扰复杂多变；典型化处理：零初始状态、典型输入信号1.3.2 自动控制系统的静态和动态静态：输入恒定，不改变设定值也没有干扰，控制系
9、统暂不动作，被控参数呈一条直线。静态过程是暂时的、相对的、有条件的。动态：干扰不断产生，静态随时被打破，系统各环节都处于动作状态，不断克服干扰。研究控制系统，就是要研究系统的动态过程。1.3.3 自动控制系统的过渡过程（1）单调过程（自衡非振荡过程）自衡：过程能自发地趋向稳态值的性质自衡非振荡：阶跃变化下，被控变量不经振荡，逐步向新的稳态值靠拢。（2）非周期发散过程（无自衡非振荡过程）阶跃变化下，被控变量一直上升或下降，直到极限值。实际工程中难以控制（3）衰减振荡过程（有自衡振荡过程）阶跃变化下，被控变量上下振荡，最后能趋于新的稳态值。这类过程较为常见。（4）等幅振荡过程（临界状态）被控变量在
10、给定值附近来回波动，最后不能回到给定值，也不发散。（5）发散振荡过程被控变量来回波动，振幅逐渐增大，偏移给定值越来越大。1.4.5 控制方式的选择控制方式选择影响因素：对象特性，负荷变化情况，控制质量要求，经济性，投运方便等因素决定。选择原则：1）控制通道时间常数小，负荷变化不大，工艺要求不高，可选用比例控制方式，否则应选用比例积分控制方式；2）容量滞后大时，采用微分控制方式；3）通道时间常数小而负荷变化较大时，可采用反微分作用；4）对象滞后小或噪声严重时，应避免微分作用；5）通道时间长，负荷变化大时，选择复杂控制方式；6）一阶滞后模型根据滞后时间与时间常数比值选择适当控制方式。第二章 自动化
11、仪表与设备给排水自动化仪表与设备给排水常用仪表与设备:1）参数检测仪表：各种水质参数，过程参数，量的参数等2）过程控制仪表：各种控制器，包括单元组合仪表3）执行设备：计量泵、水泵、调节阀、变频器等4）机电设备器件：继电器、接触器等2.1 检测技术基础检测就是为了定性了解和定量掌握被测对象所包含信息所采取的一系列技术措施。检测技术：信息的获取、转换、显示、处理2.1.1 仪表设置目的提高污水处理系统的稳定性、可靠性与处理效率水处理工程的节能降耗改善操作环境，减轻劳动强度提高出水品质2.1.2 检测信号的获取测量性能与测量误差传感器和变送器的作用是把工艺过程的参数，检测出来转换成标准信号送往显示仪
12、表和控制器，把变量的值显示或纪录下来。对检测仪表的基本要求：可靠、正确、迅速地反应被测变量所处环境条件下正常长期工作；误差不超过规定的界限；动态响应是否比较迅速。在所处环境条件下能否正常长期工作？仪表的材料、检测方法等不断在改进：腐蚀性、含颗粒介质使用隔膜等非接触性方法，如酸、碱、絮凝剂等流量测量采用防腐内衬，氯气隔膜压力测量；高温测温材料：Pt 电极，Rh 电极等；DO 仪的金属膜电极的使用；防爆型仪表等仪表性能是否满足要求？测量误差由仪表读得的测量值与被测量真值之间存在的差距。绝对误差：测量值与被测变量真值之间的差额：? xi? xt? x? x0相对误差：绝对误差与标准值之比测量误差组成
13、：仪表本身误差：应知道仪表的精确程度，以估计测量值的误差仪表的精度不仅与绝对误差有关，还与仪表的测量范围有关，工业上常用相对百分误差表示量程选择：温度：正常使用温度为量程的 5070%，最高测量值不超过 90，接头规格 1/2”NPT压力：正常操作压力为仪表量程的 1/32/3,压力波动较大时 1/31/2.用表头时 100mm，接头规格 1/2”NPT流量：正常流量为仪表量程 50-70%，最大不超过 90%，最小不超过 10%变送器：两线制或四线制，输出 4-20mA,或叠加 4-20mA，220VAC 或 24VDC 供电，负载阻抗不低于 600 欧姆。环境条件引起的误差：孔板的安装误差
14、，流速及流体性质变化，电源电压变化，环境温度等。确定的可设法补偿，随机的无法消除测量中的动态误差：仪表响应跟不上被测参数变化，差别就表现为动态误差。反应时间的长短有不同的表示方法，一般为稳态值的 95%变差测量范围正反行程测量时被测值正行和反行所得两条曲线的最大偏差灵敏度与分辨力指针仪表：灵敏度：被测参数变化引起线位移或角位移的变化，灵敏限：使指针动作的被测参数最小变化量。数字仪表：有效位最末一位代表被测参数的变化量（分辨力）2.2 典型水质检测仪表2.2.1 pH 值检测仪表a.测量原理氢离子活度的负对数b.复合 pH 电极复合电极将指示电极和参比电极组装在一起，便于安装、标定和使用。复合电
15、极响应：c.pH 测量仪表要求：高输入阻抗，低输入电流，高稳定性，低漂移；具调节特性，零点调节，灵敏度调节，温度补偿调节和等电位点调节；显示，信号隔离和信号输出。d.pH 仪表的改进2.2.2 电导率检测仪表a.基本概念电导率反映了水和溶液的导电性质，用以了解水被杂质污染的程度和溶液中所含离子的含量，是水质监测特别是高纯工业给水监测的常规项目之一。电导为电阻的倒数b.电导测量原理平衡电桥式、电阻分压式、电流测量式、电磁诱导式在线测量仪表：（1）氧电极法溶氧电极应用极谱式原理,以黄金(Au)或铂金(Pt)作阴极，Ag/AgCl 作阳极，电解液为 0.1M氯化钾(KCl)，聚四氟乙烯作为渗透膜。测
16、量时，在阳极和阴极间加上 0.50.8V 的极化电压，氧通过渗透膜在阴极消耗， 同时在阳极提供等量的电子，此时电极间的电流与氧分压成正比，检测此电流并经运算变换成氧浓度。同时热敏电阻检测溶液的温度，并对氧浓度进行温度补偿（2）电导测定法用非导电的金属铊或其它化合物（氧化氮气生成硝酸根离子）与水中溶解的氧反应生成能导电的离子 Tl+反应式如下: 2Tl+0.5O2+H2O =2Tl+ 2OH-通过测定水样的电导率增量换算溶解氧浓度（3）测量仪表a.氧电极基本类型电极电位法测量特定离子活度测定氧电极包含由一种电解质连接的阴极和阳极。电极反应产生一个与氧分压或氧浓度成正比的电流溶液的粘度和流速对测量影响较大b.溶解氧测量仪表普通膜电极；金属膜电极；荧光溶氧仪；激光溶氧仪荧光溶氧仪利用电子从高能极转换为低能极时，产生荧光原理，选择能够确定荧光频率的材料，当氧出现时，这种材料根据氧浓度变化反射不同强度的荧光。a.浊度的定义与控制意义对水中所含不溶性杂质的光学度量指标b.
