给排水水工艺仪表与控制

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1、第一章自动控制基础知识1.1自动控制系统的概念与构成在科学技术飞速发展的今天，自动控制技术所起的作用越来越重要，无论是在宇宙飞船、导弹制导、雷达定位等尖端技术领域中，还是在机械制造工业、石油、化工、医药工业等的过程控制中，都有自动控制技术的应用，并且它所取得的成功都是巨大的。因此，自动控制技术已成为现代社会生活中不可缺少的重要组成部分。人工水位控制：机械式水位控制：机电一体化水位控制：水箱水位控制系统包括：被控对象：水箱被控量：水箱水位控制装置：杠杆检测元件：浮球控制手段：进水阀自动控制装置包括：测量元件：传感器；比较元件：给定信号与测量元件比

2、较，输出误差信号；调节元件：对误差信号进行调理，并按设定调节规律输出控制信号；执行元件：在控制信号作用下，使被控制量满足要求。控制的概念自动控制:指在脱离人的直接干预，利用控制装置（简称控制器）使被控对象（如设备生产过程等）的工作状态或简称被控量（如温度、压力、流量、速度、pH值等）按照预定的规律运行.自动控制系统：实现上述控制目的，由相互制约的各部分按一定规律组成的具有特定功能的整体.自动控制系统的组成自动控制系统组成方框图（闭环）扰动调节阀控制器执行器受控对象测量、变送元件给定值被控量操作值偏差值反馈值例水箱水位控制系统调节器(杠杆)执行器

3、调节阀水箱变送器(浮球)+-测量水位偏差量控制量调节位移进水量实际水位设定水位反馈控制系统的中的常用术语：给定值（参考输入值）偏差值控制量被控量扰动量(内扰,外扰)自动控制装置=传感器+控制器+给定器+执行器受控过程（受控对象）控制系统=受控过程＋控制装置设定器被控过程传感器控制器1按系统环节连接形式分类闭环控制系统：设定器控制器被控对象扰动被控量开环控制系统：控制系统的分类2按控制依据信号性质分类控制器控制器被控过程控制器被控过程控制器被控过程反馈控制系统前馈控制系统前馈---反馈控制系统前馈---反馈控制系统前馈---反馈控制系统即复合控制

4、系统复合控制:闭环控制和开环控制结合的一种方式。它是在闭环控制等基础上增加一个干扰信号的补偿控制，以提高控制系统的抗干扰能力。增加干扰信号的补偿控制作用，可以在干扰对被控量产生不利影响同时及时提供控制作用以抵消此不利影响。纯闭环控制则要等待该不利影响反映到被控信号之后才引起控制作用，对干扰的反应较慢。恒值控制系统（或称自动调节系统）特点：输入信号是一个恒定的数值。恒值控制系统主要研究各种干扰对系统输出的影响以及如何克服这些干扰随动控制系统（或称伺服系统）特点：输入信号是一个未知函数，要求输出量跟随给定量变化。程序控制系统特点：输入信号是一个已知

5、的时间函数，系统的控制过程按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现。3按给定值变化规律分类4按系统特性分类线性控制系统输入与输出成正比，可用叠加原理用线性数学模型描述非线性控制系统输入与输出不成正比，不可用叠加原理用非线性数学模型描述5按变量的时间特性分类（1）连续时间控制系统系统各部分的信号是模拟的连续函数例：工业中普遍采用的常规控制仪表PID调节器控制的系统（2）离散时间控制系统系统的某一处或几处，信号以脉冲序列或数码的形式传递的控制系统例计算机控制系统经典控制理论以传递函数为基础，研究单输入-单输出一类定常控制系统的分析与设计问题。这

6、些理论由于其发展较早，现已臻成熟。现代控制理论以状态空间法为基础，研究多输入-多输出、时变、非线性一类控制系统的分析与设计问题。系统具有高精度和高效能的特点。自动控制系统性能要求典型试验信号阶跃信号系统性能分析方法动态特性分析稳态特性分析阶跃信号（StepFunction）阶跃信号是最常用系统性能测试信号时间r(t)R-----单位阶跃函数动态特性分析动态响应:系统输出在典型测试信号下随时间变化的特性y(t)--输出x(t)--输入y（t）=f(x（t）)x(t)y(t)tt自动控制系统被控量变化的动态特性(a)单调过程(b)衰减振荡过程(c)

7、等幅振荡过程(d)渐扩振荡过程(1)稳定性---自动控制系统的最基本的要求(2)快速性---在系统稳定的前提下，希望控制过程（过渡过程）进行得越快越好，但如果要求过渡过程时间很短，可能使动态误差（偏差）过大。合理的设计应该兼顾这两方面的要求。(3)准确性---即要求动态误差和稳态误差都越小越好。自动控制系统性能要求系统的数学模型:描述系统各变量之间关系的数学表达式如微分方程、传递函数控制系统的数学模型关系到对系统性能的分析结果和控制过程。自动控制系统的数学描述建模举例单容水箱已知:流入量Qi,流出量Qo,截面A;液位H求:以Qi为输入，H为输出

8、的系统动态方程式.解:根据物质守恒定律中间变量为Qo据流量公式线性化处理:规范化QiQoAH建模举例RLC电路求:以Ui为输入，Uo为输出的系统动态方