環(huán)境仿真與自控

1、一、基本概念一、基本概念1 1、仿真的定義、仿真的定義： 運用物理或數學模型代替實際系統(tǒng)進行試驗研究。運用物理或數學模型代替實際系統(tǒng)進行試驗研究。以計算機和其它專用物理效應設備為工具，利用以計算機和其它專用物理效應設備為工具，利用系統(tǒng)模型對真實或假想的系統(tǒng)進行系統(tǒng)模型對真實或假想的系統(tǒng)進行試驗試驗，并借助，并借助于經驗知識、數據資料對試驗結果進行分析研究于經驗知識、數據資料對試驗結果進行分析研究。研究系統(tǒng)的特征研究系統(tǒng)的特征連續(xù)連續(xù)離散離散模型時間與原型模型時間與原型時間標尺的比例時間標尺的比例實時（實時（1）非實時非實時仿真模型種類仿真模型種類物理物理數學數學物理數學物理數學物理仿真物理仿真

2、按照實際系統(tǒng)的物理性質構造系統(tǒng)的物理模型進行試驗研究直觀形象，逼真度高直觀形象，逼真度高; ;但不方便但不方便, ,投資大，周期長，投資大，周期長，不易修改系統(tǒng)的結構和參數。不易修改系統(tǒng)的結構和參數。數學仿真數學仿真建立系統(tǒng)的數學模型，并將其轉化成仿真計算模型進行試驗研究經濟、靈活和仿真模型通用性物理物理-數學仿真數學仿真部分以數學模型描述，并把它轉化為仿真計算模型；另一部分以實物方式引入仿真回路進行試驗研究避免建模的困難；檢驗模型的準確性；可以檢驗真實系統(tǒng)的性能過程系統(tǒng)過程系統(tǒng)仿真機仿真機建模建模 仿真模型仿真模型模型模型仿真試驗仿真試驗1）預測性）預測性“超時空超時空”2）可產生動態(tài)響應）

3、可產生動態(tài)響應3）安全、節(jié)約、互補性）安全、節(jié)約、互補性4）軟件形式，便于推廣）軟件形式，便于推廣5）高效、優(yōu)質、低廉）高效、優(yōu)質、低廉對立統(tǒng)一對立統(tǒng)一1） 補充試驗補充試驗 2 2） 試驗驗證試驗驗證 可模擬各種苛刻的試驗條件；可短時獲得結果；可研究變量多、次數多的問題。1）優(yōu)化運行過程）優(yōu)化運行過程2）協助研究）協助研究3）提高效率）提高效率4）指導實踐）指導實踐5）節(jié)省人力、物力）節(jié)省人力、物力一 、仿真步驟 建模建模模型分析模型分析二、模型的用途1、分析：、分析：指定量研究現實對象的某種現象指定量研究現實對象的某種現象 變動模型輸入量，考察過程響應情況變動模型輸入量，考察過程響應情況

4、改變結構或參數，考察輸出改變結構或參數，考察輸出2、預報：、預報：根據對象的固有特性預測對象的發(fā)展規(guī)律根據對象的固有特性預測對象的發(fā)展規(guī)律3、決策：、決策：根據對象滿足的規(guī)律作出優(yōu)化方案根據對象滿足的規(guī)律作出優(yōu)化方案4、控制：、控制：根據對象的特征和某些指標給出盡可能滿根據對象的特征和某些指標給出盡可能滿意的控制方案意的控制方案數學模型數學模型描述研究對象或過程內描述研究對象或過程內部各個變量間的相互關系部各個變量間的相互關系 1、分類、分類1 1 連續(xù)，離散連續(xù)，離散2 2 代數、微分、偏微方程代數、微分、偏微方程3 3 隨機型與確定型隨機型與確定型4 4 時不變與時變模型時不變與時變模型5

5、 5依據依據是否與空間幾何分布是否與空間幾何分布有關：有關： 集總參數與分布參數模型集總參數與分布參數模型6 6依據依據建模原理建模原理分：分：機理、統(tǒng)計、混合模型機理、統(tǒng)計、混合模型7 7 線性與非線性線性與非線性 依據質量守恒等原則依據質量守恒等原則 “白白箱箱”模模型型 依據數據分析依據數據分析“黑黑箱箱”模型模型 二者結合二者結合“灰灰箱箱”模型模型建模的必要條件：建模的必要條件：1 1、 建模原則：建模原則：3）一般式一般式V(dj/dt)qvijiqvojoVRjnd dj j/dt/dtV V內組分內組分j j濃度濃度隨時間隨時間t t的變化率的變化率 q qv vi i、q q

6、v vo o流流入入或流或流出出V V的流量的流量 R Rjnjn組分組分j j濃度變化速率濃度變化速率n1簡化簡化（合理假定，簡化系統(tǒng)，抓主棄次）（合理假定，簡化系統(tǒng)，抓主棄次）2系統(tǒng)分割系統(tǒng)分割（機理模型得以成立，（機理模型得以成立，空間和過程空間和過程）3綜合綜合（建立整個系統(tǒng)模型）（建立整個系統(tǒng)模型）模型的有效性：模型的有效性：模型所產生的行為數據與模型所產生的行為數據與 實際過程系統(tǒng)數據源的相似程度實際過程系統(tǒng)數據源的相似程度復制有效復制有效與之匹配與之匹配。仿真培訓仿真培訓預測有效預測有效之前預知。之前預知。事故分析事故分析結構有效結構有效反映內在原因。反映內在原因。生產優(yōu)化生產優(yōu)

7、化1）數模求解的實時性）數模求解的實時性2）可操作性）可操作性（大范圍適應能力）（大范圍適應能力）3）逼真性）逼真性(計算結果、變量關系）計算結果、變量關系）4）可靠性）可靠性五、簡單系統(tǒng)建模舉例五、簡單系統(tǒng)建模舉例液槽水量模型液槽水量模型（無反應）（無反應）outinddmmtM0ddtMoutinmm m in m outm in 進水流量kg/s； mout 出水流量kg/s； M 儲水量kg儲水量不變時（穩(wěn)態(tài)）例例1.1調節(jié)池水質模型調節(jié)池水質模型（考慮濃度稀釋）（考慮濃度稀釋）outs,outins,insddSqSqtSV q in , Ss,in q out , Ss,out式中

8、：Ss,in 進水基質濃度； Ss,out 出水基質濃度。V，Ss例例1.313類假定類假定(CSTR,運行正常運行正常、二沉池無反應、二沉池無反應)2空間無分割，對組分與過程分割空間無分割，對組分與過程分割38個基本方程個基本方程422個相關方程個相關方程5統(tǒng)一統(tǒng)一單位單位619個參數（化學計量，動力學）個參數（化學計量，動力學）79個動力學方程聯立求解個動力學方程聯立求解集總參數集總參數模型模型 2 2個子過程個子過程: :濃縮和澄清濃縮和澄清 5 5種體元層種體元層: :等距分割等距分割 1 1CSTRCSTR 2 2無反應，無擴散無反應，無擴散 3 3體元層內顆粒濃度體元層內顆粒濃度由

9、由對流對流控制控制 （受顆粒沉降受顆粒沉降和水流同步運動影響和水流同步運動影響）分布參數分布參數模型模型一、仿真的定義、分類、特點一、仿真的定義、分類、特點二、仿真與試驗二、仿真與試驗 三、建模的方法、要求、原則、步驟三、建模的方法、要求、原則、步驟四、弄懂活性污泥模型的建立四、弄懂活性污泥模型的建立 仿真是一種仿真是一種 求解實際問題的方法求解實際問題的方法 仿真的主要目的是仿真的主要目的是 獲取過程的動態(tài)特征獲取過程的動態(tài)特征仿真與試驗的關系是仿真與試驗的關系是 對立統(tǒng)一對立統(tǒng)一 數字仿真是數字仿真是 仿真的重要組成部分仿真的重要組成部分 數字仿真主要內容是數字仿真主要內容是 建模、求解建

10、模、求解 仿真用數學模型主要是仿真用數學模型主要是 機理模型機理模型1 自控系統(tǒng)的基本概念一、定義：一、定義： 二、作用與應用二、作用與應用1、應用：、應用： 節(jié)省人力、提高效率節(jié)省人力、提高效率 運行優(yōu)化、實現復雜過程運行優(yōu)化、實現復雜過程2、作用：、作用：三、與人工的區(qū)別：三、與人工的區(qū)別： 1、共同點：、共同點： 控制過程同控制過程同2、不同點：、不同點： 系統(tǒng)組成型式不同系統(tǒng)組成型式不同 人靈活，易疲勞，可靠性和精度不高，人靈活，易疲勞，可靠性和精度不高， 自控相反自控相反 組成組成1 1）控制（調節(jié)）對象）控制（調節(jié)）對象2 2）執(zhí)行機構）執(zhí)行機構3 3）測量元件）測量元件4 4）控

11、制（調節(jié)）器）控制（調節(jié)）器分類分類單回路單回路簡單簡單按按復雜程度復雜程度數字數字離散離散干擾干擾偏差偏差調節(jié)依據調節(jié)依據前饋前饋復合復合復雜復雜模擬模擬連續(xù)連續(xù)控制器組成控制器組成反饋反饋結構特點結構特點已知已知程序程序未知未知隨動隨動恒定恒定定值定值設定值設定值傳輸形式傳輸形式設定值設定值控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)分類方式分類方式前饋控制前饋控制 f（t） y（t） 測量測量儀表儀表前饋調前饋調節(jié)器節(jié)器調節(jié)調節(jié)閥閥對對象象 復合控制復合控制 前饋調前饋調節(jié)器節(jié)器 檢測儀檢測儀表表反饋調反饋調節(jié)器節(jié)器調節(jié)閥調節(jié)閥對象對象 檢測儀檢測儀表表2.1 自控系統(tǒng)質量指標自控系統(tǒng)質量指標評定系統(tǒng)好壞的品質指標

12、：評定系統(tǒng)好壞的品質指標：余差、最大偏差、過渡時間、衰減比余差、最大偏差、過渡時間、衰減比對象的不同的特性：對象的不同的特性：放大系數、時滯、時間常數等放大系數、時滯、時間常數等 過渡過程的質量指標）最大偏差）最大偏差A小?。┻^渡時間）過渡時間ts短短 變化到新的平衡狀態(tài)所經歷的時間變化到新的平衡狀態(tài)所經歷的時間過渡過程的質量指標 ）余差）余差C 小小新穩(wěn)定值與給定值之差。精度新穩(wěn)定值與給定值之差。精度）衰減比）衰減比B/B1大大，靈敏，不穩(wěn)定；靈敏，不穩(wěn)定；）振蕩周期）振蕩周期Tp6）超調值）超調值B/(A-B)2.2 自控系統(tǒng)的調節(jié)規(guī)律（控制策略）（控制策略）調節(jié)規(guī)律 調節(jié)信號隨時間變化的

13、規(guī)律調節(jié)信號隨時間變化的規(guī)律 指調節(jié)器輸入和輸出之間的關系指調節(jié)器輸入和輸出之間的關系、雙位調節(jié)、雙位調節(jié) 輸出只有兩個值，開與關輸出只有兩個值，開與關 動作頻繁，易損，可靠性差。動作頻繁，易損，可靠性差。 結構簡單、成本低、易于實現。結構簡單、成本低、易于實現。 被調參數被調參數等幅振蕩等幅振蕩2、比例調節(jié)（、比例調節(jié)（proportional）1）比例調節(jié)規(guī)律）比例調節(jié)規(guī)律 調節(jié)器的調節(jié)器的與被測參數的與被測參數的成比例成比例 3)特點：v成比例，無延遲成比例，無延遲v動作平滑，動作平滑， 但存在余差但存在余差vKc增大，余差下降；振蕩加強；工作周增大，余差下降；振蕩加強；工作周期縮短期縮

14、短3、比例積分調節(jié)、比例積分調節(jié)調節(jié)器的調節(jié)器的成正比成正比 特點：特點： “ “有差則動，無差則停有差則動，無差則?！?；積分飽和現象：積分飽和現象：輸出超過糾正偏差所需要的輸出值輸出超過糾正偏差所需要的輸出值2）比例積分調節(jié)規(guī)律1比例積分作用的特性：比例積分作用的特性： 比例比例主、先、粗主、先、粗 ，及時克服干擾。，及時克服干擾。 積分積分后、細，逐漸克服余差。后、細，逐漸克服余差。2積分時間積分時間T T對過渡過程的影響對過渡過程的影響 T Tk kc c/k/k1 1 短：除余差快；不穩(wěn)定，振蕩強；短：除余差快；不穩(wěn)定，振蕩強；A A小小 4、PID調節(jié)調節(jié)1）微分調節(jié)）微分調節(jié)(De

15、rivative)： 根據根據偏差變化速度偏差變化速度調節(jié)調節(jié)“超前調節(jié)超前調節(jié)” ” 輸入變化時，輸入變化時， 才有輸出，不單用才有輸出，不單用2）比例微分調節(jié)）比例微分調節(jié)利于克服干擾，降低最大偏差。利于克服干擾，降低最大偏差。 3）PID調節(jié)規(guī)律調節(jié)規(guī)律1原理：原理： 比例比例基本基本 微分微分克服滯后克服滯后 積分積分消除余差消除余差 2特征參數 比例度、積分時間、和微分時間比例度、積分時間、和微分時間三三 過程動態(tài)分析過程動態(tài)分析1、 時間常數和穩(wěn)態(tài)增益時間常數和穩(wěn)態(tài)增益時間常數時間常數：達到穩(wěn)值達到穩(wěn)值63.2%63.2%時經歷的時間時經歷的時間穩(wěn)態(tài)增益：穩(wěn)態(tài)增益：響應的最終值響應

16、的最終值2、 超調量和衰減比超調量和衰減比（二）定量分析3、放大系數、放大系數輸出、輸入變化量之比輸出、輸入變化量之比4、對象的滯后、對象的滯后傳遞（純）滯后：傳遞（純）滯后：由設備的容積或反應時由設備的容積或反應時間引起的滯后間引起的滯后容量（過渡）滯后：容量（過渡）滯后：指被調參數由開始變指被調參數由開始變 化至接近穩(wěn)定值的時間?；两咏€(wěn)定值的時間。過程控制目標過程控制目標 2） 確保過程的穩(wěn)定性確保過程的穩(wěn)定性 3） 過程最優(yōu)化過程最優(yōu)化 一、控制系統(tǒng)分類：一、控制系統(tǒng)分類：由兩個或以上調節(jié)器、被調參數等組成由兩個或以上調節(jié)器、被調參數等組成1、提高控制品質：、提高控制品質：串級、前饋

17、控制串級、前饋控制2、實現特定要求：、實現特定要求： 比值、均勻、分程、選擇性控制系統(tǒng)比值、均勻、分程、選擇性控制系統(tǒng)3、非線性控制系統(tǒng)非線性控制系統(tǒng)2、復雜控制系統(tǒng)：、復雜控制系統(tǒng)：3.1 串級控制系統(tǒng)一、一、 結構與原理結構與原理1、原理：、原理：引入引入輔助變量，輔助變量，在主回路中串接副回路所組在主回路中串接副回路所組成的系統(tǒng)。成的系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng)方框圖串級控制系統(tǒng)方框圖W1（s）W2（s）Wm2（s）W01（s）W02（s）Wv（s）Wm1（s） Y1（s）X1（s） X2（s） F2（s） Y2（s）F1(S)Z1(S) Z2(S)1）主、副調節(jié)器）主、副調節(jié)器 2）兩個測量單元

18、）兩個測量單元 3、工作過程、工作過程： 1） 干擾作用于副回路干擾作用于副回路2） 干擾作用于主回路干擾作用于主回路3） 干擾作用于主、副回路干擾作用于主、副回路4、特點：、特點：主、副串聯。主、副串聯。迅速克服副回路干擾，迅速克服副回路干擾，加快調節(jié)主回路干擾。加快調節(jié)主回路干擾。副回路副回路先調、快調、粗調先調、快調、粗調主回路主回路后調、慢調、細調后調、慢調、細調 6、舉例：、舉例：加藥控制加藥控制控制變量：控制變量：加藥量加藥量 影響因素：影響因素：原水流量原水流量受控變量：受控變量： 主參數：主參數：沉淀池出水濁度沉淀池出水濁度 副參數：副參數：模擬沉淀出水濁度模擬沉淀出水濁度 水

19、水 藥藥混合混合絮凝絮凝沉淀沉淀Z2CZ1CZ2TZ1T3.2 比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng) 兩個量之間成一定比例關系兩個量之間成一定比例關系v1、 開環(huán)開環(huán) v2、 單閉環(huán)單閉環(huán) v3、 雙閉環(huán)雙閉環(huán) v4、 變比值控制變比值控制 單閉環(huán)雙閉環(huán)比值一、概述一、概述 廣義廣義: 程序控制程序控制 實時控制實時控制數字控制數字控制 綜合控制綜合控制 - 給定值給定值 + 微型計算機微型計算機 被控參數被控參數1、生產過程的巡回檢測與數據處理、生產過程的巡回檢測與數據處理DPS特點：特點：1計算機可代替儀表，集中監(jiān)視計算機可代替儀表，集中監(jiān)視2數據集中，利于指導數據集中，利于指導 2、直接數字控制系統(tǒng)

20、、直接數字控制系統(tǒng)DDC特點：特點：1計算機直接控制，閉環(huán)計算機直接控制，閉環(huán)2設定值不變設定值不變3經濟經濟 4可實現復雜控制可實現復雜控制 3、監(jiān)督計算機控制、監(jiān)督計算機控制SCC提供最佳給定值提供最佳給定值 SCC+模擬調節(jié)器模擬調節(jié)器（DDC）4、多級控制、多級控制(集散）集散）DCSDDCDDC+ +SCCSCC+ +MISMIS特點：特點： 1 1）分級遞階結構分級遞階結構 分散控制和集中管理分散控制和集中管理 2 2）高可靠性高可靠性定義：定義： 現場總線是連接現場智能設備與控制現場總線是連接現場智能設備與控制室之間的室之間的全數字式、開放的、雙向全數字式、開放的、雙向的通的通信

21、網絡信網絡第三章第三章 自控常用儀表自控常用儀表檢測儀表控制儀表執(zhí)行設備專用（水質參數）專用（水質參數）通用（工作參數）通用（工作參數）微處理裝置 模擬調節(jié)器泵泵閥門閥門2、 技術指標技術指標A、精確度：精確度： 測量值與實際值的差距測量值與實際值的差距 B、靈敏度：靈敏度： 儀表輸出變化量與被測參數變化量之比儀表輸出變化量與被測參數變化量之比C、變差：變差： 同一儀表反復測量的最大差值與測量范圍之比同一儀表反復測量的最大差值與測量范圍之比D、測量儀表的反應時間測量儀表的反應時間： 內部慣性或滯后內部慣性或滯后3、 組成組成 1)傳感器傳感器 感受被測量，并轉為感受被測量，并轉為其他量其他量2

22、）變換器）變換器 將傳感器的輸出量將傳感器的輸出量標準信號標準信號3）傳輸通道）傳輸通道給各環(huán)節(jié)的給各環(huán)節(jié)的I/O信號提供通道信號提供通道4）信號接收設備接受信號，并顯示、指示、記錄等接受信號，并顯示、指示、記錄等（三）通用檢測儀表1、 流量儀表：流量儀表： 1）堰板流量計）堰板流量計2）巴式計量槽）巴式計量槽 3）孔板流量計4）面積容量式）面積容量式5）速度式1電磁流量計：電磁感應定律電磁流量計：電磁感應定律2超聲波流量計：傳播速度差法1）電氣式）電氣式 2）彈性式）彈性式 3) 其他其他 2、壓力檢測儀表壓力檢測儀表3、液位計：、液位計： 恒浮力液位計壓差式液位計超聲波液位儀超聲波液位儀

23、4、溫度測量：、溫度測量： 1雙金屬溫度計雙金屬溫度計 2 熱電偶：熱電偶： 3 熱電阻：熱電阻： （四）專用檢測儀表余氯儀余氯儀污泥濃度測定儀污泥濃度測定儀pH計計濁濁度度儀儀電導率測定儀電導率測定儀濁度儀散射光散射光透射光透射光散射透射光散射透射光表面散射光表面散射光（五）在線檢測儀表 1）要求：）要求：便于安裝；抗干擾，具信號隔離、信便于安裝；抗干擾，具信號隔離、信號輸出遠傳能力；分辨要求不高；號輸出遠傳能力；分辨要求不高； 2）存在問題：）存在問題：運行穩(wěn)定性；自動清洗運行穩(wěn)定性；自動清洗：指連續(xù)地采集某種數據，與生產過：指連續(xù)地采集某種數據，與生產過程相連。程相連。 二、控制儀表微處

24、理裝置 模擬調節(jié)器微處理器比較工作方式順序掃描中斷處理編程方法梯形圖應用專用通用IPCPLC硬線標準化程度高差軟件豐富應用復雜計算現場兼容性高不三、執(zhí)行設備三、執(zhí)行設備泵泵 閥門閥門電動、氣動、液動電動、氣動、液動變頻調速控制系統(tǒng)變頻調速控制系統(tǒng)吸水池吸水池變頻調速器變頻調速器微機控制器微機控制器壓力傳感器壓力傳感器2、常用閥門電動閥電動閥氣動閥氣動閥液動閥液動閥第四章第四章 人工智能人工智能 定義定義 用機器模仿和實現人類的智能，實現腦力用機器模仿和實現人類的智能，實現腦力勞動自動化或半自動化勞動自動化或半自動化專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)神經網絡神經網絡模糊控制模糊控制解釋型推理解釋型推理反射型推理反

25、射型推理似然推理似然推理 模 糊 控 制 系 統(tǒng) *被控對象被控對象傳感器傳感器執(zhí)行機構執(zhí)行機構A/DD/A計算控制變量計算控制變量模糊量化處理模糊量化處理模糊控制規(guī)則模糊控制規(guī)則模糊決策模糊決策非模糊化處理非模糊化處理二、水廠控制二、水廠控制1 1、意義：、意義： 對非穩(wěn)定工況即時調節(jié)，保證高效處理、經濟運行，對非穩(wěn)定工況即時調節(jié)，保證高效處理、經濟運行，強化生產管理強化生產管理2 2、組成：、組成：1）取水泵站2）加藥間站3）濾池控制4）中控室（二）（二） 各構筑物的控制各構筑物的控制2、二泵站的控制、二泵站的控制A、按最不利點水壓進行工況調節(jié)B、控制點設于水泵出口恒壓控制、變壓控制恒壓控

26、制、變壓控制3 3、混凝控制、混凝控制1 1模擬法：模擬法： 燒杯試驗法、模擬濾池法燒杯試驗法、模擬濾池法2 2水質參數法：數學模型法水質參數法：數學模型法3 3特性參數法：特性參數法：流動流動電電流法流法、透光率脈動測定法透光率脈動測定法4 4效果評價法：經驗目測法效果評價法：經驗目測法（2）常用混凝控制方案混凝控制系統(tǒng)框圖混凝控制系統(tǒng)框圖Q計計沉淀出水沉淀出水濁度濁度四沉淀池及澄清池控制四沉淀池及澄清池控制1 1、控制內容控制內容 排泥控制排泥控制2 2、排泥控制技術、排泥控制技術 根據泥位、周期、積泥規(guī)律根據泥位、周期、積泥規(guī)律 五濾池的控制五濾池的控制 按濾池的水頭損失、濾后水濁度；周期按濾池的水頭損失、濾后水濁度；周期六加氯消毒控制器控制器2余氯余氯2控制器控制器1出廠水出廠水加氯管道加氯管道加氯機加氯機余氯余氯11流量比例控制2余氯反饋控制3復合環(huán)控制4串級控制復合控制系統(tǒng)比例控制比例控制器器加氯加氯機機余氯余氯控制控制器器流量計流量計余氯分析儀余氯分析儀