第二章環(huán)境工程仿真與控制

第二章環(huán)境工程仿真與控制第1頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章過程控制本章重點1.掌握PID的定義及優(yōu)缺點2.能讀懂過程控制示意圖3.能讀懂溫度控制PLC程序設(shè)計的梯形圖第2頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)基本概念1.環(huán)境工程的過程控制的主要目標(biāo)有三個:（1）抑制外部擾動對污染物處理過程的影響;（2）確保（內(nèi)部）過程的穩(wěn)定性;（3）使過程的經(jīng)濟指標(biāo)（工藝參數(shù)）最優(yōu)化。2.外部擾動主要來自兩個方面：（1）過程輸入信號的變化，例如：進水水量、水質(zhì)、廢棄的污泥量等。（2）過程設(shè)定值的變化。例如：DO等第3頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)基本概念3.反饋控制:當(dāng)過程的擾動已經(jīng)發(fā)生并產(chǎn)生后果以后，根據(jù)后果的大小和方向來確定控制策略。4.反饋控制系統(tǒng)組成:由（1）被控對象（即過程）、（2）測量元件和變送器、（3）控制器、（4）執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)閥，四部分組成。第4頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月第5頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)基本概念5.反饋與負反饋:反饋是控制系統(tǒng)的輸出通過測量變送器返回到輸入，并和設(shè)定值進行比較的過程。負反饋：若反饋的結(jié)果使控制系統(tǒng)輸出信號減弱則稱為負反饋。正反饋：若反饋的結(jié)果使控制系統(tǒng)輸出信號增強則稱為正反饋。對于工業(yè)過程控制系統(tǒng)，應(yīng)使控制回路為負反饋。第6頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)基本概念6.正作用控制器與反作用控制器:將具有負增益的控制器稱為正作用控制器。將具有正增益的控制器稱為反作用控制器。7.閉環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)：

如果一個系統(tǒng)輸出變量會返回影響控制變量，則稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。此時，控制變量不是獨立的自變量，它依賴于輸出變量。當(dāng)工業(yè)控制器處于“自動”狀態(tài)時，就是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。如果一個系統(tǒng)的控制變量不受系統(tǒng)輸出變量的影響，則稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。此時，為了使系統(tǒng)輸出滿足事先規(guī)定的要求，必須周密而精確地計算控制變量的變化規(guī)律。當(dāng)工業(yè)控制器處于“手動”狀態(tài)時，就是一個開環(huán)控制系統(tǒng)。第7頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2-3的解釋p140第8頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)PID控制比例控制P（proportional）、積分控制I(integral)、微分控制D(derivative)。組合控制：PI、PD、PID一、比例控制過程的控制變量或控制器輸出的大小，與過程擾動產(chǎn)生的后果成正比。具體說，就是和被控變量與設(shè)定值之間偏差(Pian)的大小成正比。偏差越大,則控制器的輸出值越大,執(zhí)行器的動作范圍越大,控制變量的變化值越大。第9頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)PID控制比例控制的特點:（1）控制器對被控變量的偏差立即作出反應(yīng),不存在滯后。（2）存在余差，即被控變量在受到外界擾動后不能完全恢復(fù)到原來的設(shè)定值。比例控制的適用范圍:應(yīng)用最廣泛的控制規(guī)律。適用于負荷變化小、過程純滯后不大、時間常數(shù)較大而又允許余差存在的控制系統(tǒng)，例如：液位、要求不高的壓力控制。第10頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月第11頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2-5解釋p142第12頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月二、積分控制積分控制的定義:過程的控制變量或控制器輸出的大小，與過程擾動的時間成正比。具體說，就是和被控變量與設(shè)定值之間偏差存在的時間長短成正比。時間越長，則積分控制器的輸出值越大，執(zhí)行器的動作范圍也越大，控制變量的變化值也越大。這一個過程要持續(xù)到積分控制器的極限輸出為止。第13頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月二、積分控制積分控制的優(yōu)缺點:優(yōu)點:具有消除余差的性質(zhì)。缺點(1)其控制作用滯后于偏差，不能及時消除外界擾動的影響。

(2)積分飽和。比例控制與積分控制聯(lián)合使用可以避免積分控制對偏差存在反應(yīng)時間滯后的弱點。第14頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月公式2-3的解釋，p143第15頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2-6的解釋,p144圖2-6（b）比例控制瞬時，有余差。圖2-6（c）積分控制滯后，無余差。圖2-6（d）比例積分控制先由比例控制起作用，產(chǎn)生瞬時變化，然后由積分作用產(chǎn)生漸進變化。第16頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2-7的解釋,積分飽和，p145T0時刻產(chǎn)生偏差階躍變化，到t1時刻開始變小，到t2時刻偏差改變方向。t0*時刻達到u2，由于向曝氣池供氣與DO上升需要一段時間的滯后，盡管在u2點，閥門的開啟度已足夠，但DO還未達到設(shè)定值，偏差仍然存在，因此積分控制繼續(xù)開大閥門到上限值u3。到T1時偏差變小，到T2時偏差為0。從T1到T2，由于偏差繼續(xù)存在，積分控制作用仍然使閥門停留在上限位置。由于閥門全開，盡管偏差已下降到0，空氣仍然被大量供入池內(nèi)。結(jié)果，DO形成負偏差。此時，積分控制開始反向，閥門開起度開始變小，到達T3時閥門開啟度才降到U2點以下。從t0*到T3時，積分控制使控制器輸出超過糾正輸入偏差需要的輸出值。這就稱為積分飽和。第17頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月防止積分飽和的方法：p1451.對控制器的輸出進行限幅，使其不超過規(guī)定的最大或最小值。2.只限制積分作用的輸出ΔUI（t）,使其不超過規(guī)定的最大或最小值。3.若控制器輸出超過某一限值，則切除積分作用，將比例積分控制切換為純比例控制。第18頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月提問：1.比例控制的定義及優(yōu)缺點？2.積分控制的定義及優(yōu)缺點？3.防止積分飽和的方法？第19頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月二、微分控制微分控制的定義:過程的控制變量或控制器輸出的大小，與被控變量和設(shè)定值之間偏差的變化速度成正比。偏差的變化速度越快，則微分控制器的輸出值越大，執(zhí)行器的動作范圍也越大，控制變量的變化值也越大。第20頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月二、微分控制公式2-6的解釋p145第21頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2-8的解釋，p146第22頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月p146提問：為什么圖2-8的（b）圖中有一條垂直線？第23頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月第24頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2-92-10的解釋，p147第25頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月提問：曝氣池的溶解氧濃度與那些因素有關(guān)?第26頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月例題2-2溶解氧濃度PI控制，p149第27頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月p150第28頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月p150第29頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)自動化儀表過程控制中的檢測器、變送器、控制器及執(zhí)行器可統(tǒng)稱為自動化儀表。是實現(xiàn)過程控制必不可少的組成部分。（簡便控制行走）一、控制器控制器又稱調(diào)節(jié)器，是實現(xiàn)控制規(guī)律的核心器件，分為模擬式和數(shù)字式兩大類。第30頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2-13p153第31頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月二、執(zhí)行器執(zhí)行器按動力傳遞介質(zhì)可分為氣動、電動、液動三類。第32頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2-14的解釋,p156第33頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2-15的解釋,p157第34頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2-20的解釋,p160第35頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月二、檢測變送器檢測器、變送器的作用是將過程中的工藝變量檢測出來，轉(zhuǎn)化為標(biāo)準信號送往調(diào)節(jié)器或顯示儀表。需檢測的變量有：溫度、壓力、成分、濃度等。第36頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）溫度檢測變送按測溫方式分為接觸式和非接觸式兩大類。（1）熱電偶：利用金屬材料的熱電效應(yīng)來測量溫度。（2）熱電阻：基于金屬的電阻會隨溫度變化而變化的原理。（3）變送器：將溫度信號轉(zhuǎn)變成0-10mA的直流信號。第37頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）流量檢測流量檢測器有節(jié)流式流量檢測器、電磁流量計、蝸輪流量計等。（1）節(jié)流式流量檢測器，見圖2-27，p165第38頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）流量檢測（2）電磁流量計，見圖2-29，p166第39頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）流量檢測（3）蝸輪流量計，見圖2-30，p167第40頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）液位檢測（1）浮子式液位檢測，見圖2-31，p167第41頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）液位檢測（2）壓差式液位檢測，見圖2-32，p168第42頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）液位檢測（3）伽馬射線液位檢測，見圖2-33，p168第43頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）液位檢測（4）開關(guān)型及電極型固定液位控制器，見圖2-34，p168第44頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）液位檢測（4）開關(guān)型及電極型固定液位控制器，見圖2-35，p169第45頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月四、設(shè)計符號自動控制系統(tǒng)工程設(shè)計符號包括圖形符號和字母代號，兩者組合起來，可以表達過程控制系統(tǒng)中的儀表、設(shè)備、元件、管線的名稱。下面介紹典型的符號。第46頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月表2-8，p178第47頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月表2-9，p178第48頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月表2-9，p179第49頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）字母代號，表2-10，p179，第一位與第二位含義不一樣，請注意。第50頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）字母代號，表2-11，p180，熟悉它對后面的理解有幫助。第51頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月例題2-3初沉池和污泥泵的過程控制圖2-49的解釋，p182第52頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月例題2-4流量分配的過程控制圖2-50的解釋，p183第53頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月例題2-4流量分配的過程控制圖2-51的解釋，p183第54頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月作業(yè)一：（1）P186,描述污泥廢棄過程控制方法（見圖2-53），說明每個符號的意思。（2）P187,描述藥劑投放（體積流量）過程控制方法，說明每個符號的意思。（見圖2-54）。第55頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)可編程邏輯控制器p188本節(jié)課重點：（1）了解PLC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（2）掌握PLC梯形圖符號的含義（3）能看懂控制系統(tǒng)電路圖第56頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)可編程邏輯控制器可編程邏輯控制器(programmablelogiccontroler,PLC):是融自動化、計算機、通訊等IT技術(shù)為一體的新型工業(yè)自動控制裝置。PLCPIDPACPAMPAOORP思考與P相關(guān)的術(shù)語：第57頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月與P相關(guān)的術(shù)語PLC：可編程邏輯控制器，programmablelogiccontrolerPID：比例、積分、微分控制。比例P（proportional）、積分I(integral)、微分D(derivative)PAC：聚合鋁、粉末活性碳PAM：聚丙烯酰胺，coagulant,polyacrylamidePAO：聚磷菌ORP：氧化還原電位第58頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)可編程邏輯控制器本節(jié)介紹PLC的基本概念、開關(guān)量控制、模擬量控制、編程方法。（限于時間關(guān)系，僅講基本概念）（一）組成與結(jié)構(gòu)第59頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2-56的解釋，p188第60頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月電腦知識P189

RAM可讀、可寫的存儲器。用戶可修改程序和數(shù)據(jù)。ROM只讀（不能寫）的存儲器。用戶不能修改程序和數(shù)據(jù)。PROM：可編程只讀的存儲器。EPROM：電可編程只讀的存儲器。I/O：輸入/輸出接口，in/out。第61頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2-57的解釋，p189第62頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2-58的解釋，p189第63頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月提問：P189，為什么采用光耦合器？第64頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2-59的解釋，p190第65頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月P190，編程器是用戶為PLC編程用的工具。PLC一般用梯形圖編程。PLC梯形圖程序起源于繼電器梯形圖程序。（a）圖左側(cè)豎直線是電源，右側(cè)豎直線是地線。解釋兩個圖的意思（啟動、停止），指出錯誤的符號。第66頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）工作原理p191第67頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）工作原理p191第68頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2-62的解釋p191第69頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月思考（作業(yè)）：p191，解釋X402起什么作用。第70頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月二、開關(guān)量控制p193開關(guān)量控制是指設(shè)備的啟動與關(guān)閉的控制，可以利用PLC實現(xiàn)。第71頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月例2-8p193圖2-64的解釋第72頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月三、模擬量控制p197與開關(guān)量控制不同，模擬量（溫度、壓力、濃度、流量）須轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后才能被PLC的CPU及用戶程序處理。相對于開關(guān)量控制，增加1項功能，即模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）和數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A）。若對模擬量的控制是一個反饋控制，則可能增加PID控制算法功能；若是前饋控制，則可能增加一個變量的動態(tài)模型。第73頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月三、模擬量控制p197溫度一般由熱電偶或熱敏電阻測量，測量輸出是一個電壓或電流信號，因此是模擬量。下面介紹三菱公司F1系列小型PLC進行溫度控制的方法。溫度PLC控制的硬件連接示意圖，由基本單元F1-40MR及擴展單元F2-6A-E單元。第74頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2-68的解釋p197第75頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）基本單元p197F1-40MR是F1系列PLC的基本單元，為繼電器輸出型，40點開關(guān)量輸入-輸出。F1的功能指令包含數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)比較、算術(shù)運算、刷新、復(fù)位等。1.數(shù)據(jù)傳送第76頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月1.數(shù)據(jù)傳送p198實際是讓電腦“讀數(shù)”。第77頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月1.數(shù)據(jù)傳送p199K700改為K231，設(shè)定十進制常數(shù)231。第78頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月注意區(qū)別注意K33、K38、K39的區(qū)別。如果將一個數(shù)據(jù)放在2、3、4個不同的位置會是怎樣的命令？第79頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月2.數(shù)據(jù)比較p199第80頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）基本單元p2002.數(shù)據(jù)比較第81頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月3.算術(shù)運算p200+：K57-：K68×：K77（K79）÷：K81‖：K87第82頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月+：K57

功能指令p201第83頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月-：K68

功能指令p201第84頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月-：K68

功能指令p201思考：為什么改K58為K68？第85頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月×：K77（K79）功能指令p202第86頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月p202提問：K79與K77功能指令的區(qū)別在哪里？第87頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月÷：K81功能指令p202第88頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月‖：K87功能指令p201第89頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月4.刷新、復(fù)位p202輸入刷新：K100

輸出刷新：K102

復(fù)位：K103

監(jiān)控計時器WDT復(fù)位：K04

該節(jié)命令自己看

第90頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月功能指令小結(jié)：3：位置，讀數(shù)4：比較5：+6：-7：×8：÷（K81

）讀數(shù)后進行比較，然后運算+-×÷補充：K85為A/D，K86為D/A，K87為取絕對值第91頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）擴展單元p205

1.數(shù)模轉(zhuǎn)換

包括A/D與D/A。

圖2-86的解釋。

第92頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）擴展單元p207

1.數(shù)模轉(zhuǎn)換

圖2-87的解釋，p207。

第93頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月

p207

圖2-88的解釋

第94頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月思考題，p210,自己下去看懂圖2-89第95頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月Endofchapter2Thanksforyourattention!第96頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月環(huán)境工程仿真與控制

第三章動態(tài)分析

李軍Mobile-mail:lijun681116@浙江工商大學(xué)第97頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章動態(tài)分析

本章重點1.掌握過程動態(tài)分析的步驟2.了解輸入-輸出模型和狀態(tài)方程模型3.掌握傳遞函數(shù)的定義4.掌握拉普拉斯變換的步驟和優(yōu)點第98頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章動態(tài)分析

過程動態(tài)特性分析的目的：了解當(dāng)過程受到擾動或控制時，過程的性質(zhì)或狀態(tài)會發(fā)生什么變化。過程的擾動來自兩個方面：一個是輸入變量變化產(chǎn)生的擾動，如水質(zhì)、水量的變化；（外部）二是過程內(nèi)部設(shè)定值的變化，如DO設(shè)定值的變化。或者施加PID控制也會使過程的性質(zhì)或狀態(tài)發(fā)生變化。（內(nèi)部）第99頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)輸入-輸出模型過程動態(tài)分析的步驟：1.建立過程模型。2.求解模型實現(xiàn)過程的動態(tài)分析。第100頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月一、輸入-輸出模型的建立輸入-輸出模型是以輸出變量的顯式表達式表述過程的系統(tǒng)變量之間關(guān)系的模型。在數(shù)學(xué)上就是過程狀態(tài)變量模型的積分表達式。當(dāng)過程的狀態(tài)變量和輸出變量完全一致時，可以通過對狀態(tài)變量模型的微分方程求解來獲得輸入-輸出模型。第101頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月例3-1攪拌槽加熱輸入-輸出模型p229第102頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月第103頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月第104頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月該推導(dǎo)過程簡單，不講第105頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月第106頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月二、非線性系統(tǒng)的線性化本節(jié)的目的：1.學(xué)習(xí)將復(fù)雜的問題轉(zhuǎn)化為簡單的問題的辦法。2.學(xué)習(xí)一點高等數(shù)學(xué)中的Taylor級數(shù)的知識。3.學(xué)習(xí)如何將非線性系統(tǒng)線性化第107頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月1.單變量系統(tǒng)的線性化,p234第108頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月Taylor級數(shù)公式，p234第109頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月例題3-3污水儲槽液位模型線性化p234第110頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月例題3-3污水儲槽液位模型線性化p234第111頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月p235第112頁，課件共127頁，創(chuàng)作于2023年2月第113頁，課件共127頁，創(chuàng)作于20