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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、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 1930’s 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） 1940’s 需要的领域在拓宽 频域法、根轨迹法 小型化仪表 1950’s 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） 1960’s 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 1970’s 工业发展、军事发展、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、DCS 1970’s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：⑴直接感受被测参数变化的装置：①膜电极反应②电磁感应③光感量变化④超声波感应接受⑤电动势⑥位移 ⑵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；①电流信号：4-20mA, 0-10m②气压信号：20-100kPa③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： 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（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