环境仿真与自控

第一章仿真 1概述 一 基本概念1 仿真的定义 运用物理或数学模型代替实际系统进行试验研究 以计算机和其它专用物理效应设备为工具 利用系统模型对真实或假想的系统进行试验 并借助于经验知识 数据资料对试验结果进行分析研究 2 分类 研究系统的特征 连续离散 模型时间与原型时间标尺的比例 实时 1 非实时 仿真模型种类 物理数学物理 数学 物理仿真与数学仿真 物理仿真 按照实际系统的物理性质构造系统的物理模型进行试验研究直观形象 逼真度高 但不方便 投资大 周期长 不易修改系统的结构和参数 数学仿真 建立系统的数学模型 并将其转化成仿真计算模型进行试验研究 经济 灵活和仿真模型通用性 物理 数学仿真 部分以数学模型描述 并把它转化为仿真计算模型 另一部分以实物方式引入仿真回路进行试验研究 避免建模的困难 检验模型的准确性 可以检验真实系统的性能 3 仿真三要素 过程系统仿真机建模仿真模型模型 仿真试验 4 仿真系统的特点 1 预测性 超时空 2 可产生动态响应3 安全 节约 互补性4 软件形式 便于推广5 高效 优质 低廉 5 仿真与试验 对立统一1 补充试验2 试验验证 可模拟各种苛刻的试验条件 可短时获得结果 可研究变量多 次数多的问题 7 意义 1 优化运行过程2 协助研究3 提高效率4 指导实践5 节省人力 物力 2模型的建立 一 仿真步骤建模 模型分析二 模型的用途1 分析 指定量研究现实对象的某种现象变动模型输入量 考察过程响应情况改变结构或参数 考察输出2 预报 根据对象的固有特性预测对象的发展规律3 决策 根据对象满足的规律作出优化方案4 控制 根据对象的特征和某些指标给出尽可能满意的控制方案 数学模型 描述研究对象或过程内部各个变量间的相互关系 三 模型分类 1 分类1 连续 离散2 代数 微分 偏微方程3 随机型与确定型4 时不变与时变模型5 依据是否与空间几何分布有关 集总参数与分布参数模型6 依据建模原理分 机理 统计 混合模型7 线性与非线性 三 模型分类 2 机理模型依据质量守恒等原则 白箱 模型3 统计模型依据数据分析 黑箱 模型4 混合模型二者结合 灰箱 模型 四 建模方法 建模的必要条件 建模的基本原则 合理的过程假定及系统分割1 建模原则 质量 能量 动量守恒定律一进一出一反应 3 一般式V d j dt qvi ji qvo jo VRjnd j dt V内组分j浓度随时间t的变化率qvi qvo 流入或流出V的流量Rjn 组分j浓度变化速率 n 2 系统建模原理 4 建模步骤 1 简化 合理假定 简化系统 抓主弃次 2 系统分割 机理模型得以成立 空间和过程 3 综合 建立整个系统模型 5 模型评估 模型的有效性 模型所产生的行为数据与实际过程系统数据源的相似程度 复制有效 与之匹配 仿真培训 预测有效 之前预知 事故分析 结构有效 反映内在原因 生产优化 6 仿真建模的特点 1 数模求解的实时性2 可操作性 大范围适应能力 3 逼真性 计算结果 变量关系 4 可靠性 五 简单系统建模举例 液槽水量模型 无反应 minmout min 进水流量kg s mout 出水流量kg s M 储水量kg 储水量不变时 稳态 例1 1 调节池水质模型 考虑浓度稀释 qin Ss inqout Ss out 式中 Ss in 进水基质浓度 Ss out 出水基质浓度 V Ss 例1 3 六 复杂系统建模 1 ASM1 1 3类假定 CSTR 运行正常 二沉池无反应 2 空间无分割 对组分与过程分割3 8个基本方程4 22个相关方程5 统一单位6 19个参数 化学计量 动力学 7 9个动力学方程联立求解 集总参数模型 2 二沉池一维浓度分布模型 1 系统分割2个子过程 浓缩和澄清5种体元层 等距分割2 过程假定1 CSTR2 无反应 无扩散3 体元层内颗粒浓度由对流控制 受颗粒沉降和水流同步运动影响 分布参数模型 第一章小结 一 仿真的定义 分类 特点二 仿真与试验三 建模的方法 要求 原则 步骤四 弄懂活性污泥模型的建立 仿真是一种求解实际问题的方法仿真的主要目的是获取过程的动态特征仿真与试验的关系是对立统一数字仿真是仿真的重要组成部分数字仿真主要内容是建模 求解仿真用数学模型主要是机理模型 1自控系统的基本概念 一 定义 在没有人直接参与的情况下 利用控制装置或控制器 使机器 设备或生产过程 被控对象 的某个工作状态或参数 即被控量 自动地按照预定的规律运行 二 作用与应用 1 应用 节省人力 提高效率运行优化 实现复杂过程 2 作用 三 与人工的区别 1 共同点 控制过程同2 不同点 系统组成型式不同人灵活 易疲劳 可靠性和精度不高 自控相反 组成 1 控制 调节 对象2 执行机构3 测量元件4 控制 调节 器 分类 单回路 简单 按复杂程度 数字 离散 干扰 偏差 调节依据 前馈 复合 复杂 模拟 连续 控制器组成 反馈 结构特点 已知 程序 未知 随动 恒定 定值 设定值 传输形式 设定值 控制系统 分类方式 前馈控制 f t y t 测量仪表 前馈调节器 调节阀 对象 复合控制 前馈调节器 检测仪表 反馈调节器 调节阀 对象 检测仪表 2 1自控系统质量指标 评定系统好坏的品质指标 余差 最大偏差 过渡时间 衰减比对象的不同的特性 放大系数 时滞 时间常数等 过渡过程的质量指标 最大偏差A 小 过渡时间ts 短变化到新的平衡状态所经历的时间 过渡过程的质量指标 余差C 小新稳定值与给定值之差 精度 衰减比B B1大 灵敏 不稳定 振荡周期Tp6 超调值B A B 2 2自控系统的调节规律 控制策略 调节规律 调节信号随时间变化的规律指调节器输入和输出之间的关系双位 比例 积分 微分等 双位调节 动作规律输出只有两个值 开与关2 特点 动作频繁 易损 可靠性差 结构简单 成本低 易于实现 被调参数 等幅振荡 2 比例调节 proportional 1 比例调节规律 调节器的输出与被测参数的偏差值成比例 3 特点 成比例 无延迟动作平滑 但存在余差Kc增大 余差下降 振荡加强 工作周期缩短 3 比例积分调节 1 积分调节 integral 调节器的输出变化速度与偏差成正比特点 有差则动 无差则停 积分饱和现象 输出超过纠正偏差所需要的输出值 2 比例积分调节规律 1 比例积分作用的特性 比例 主 先 粗 及时克服干扰 积分 后 细 逐渐克服余差 2 积分时间T对过渡过程的影响T kc k1短 除余差快 不稳定 振荡强 A小 4 PID调节 1 微分调节 Derivative 根据偏差变化速度调节 超前调节 输入变化时 才有输出 不单用 2 比例微分调节 利于克服干扰 降低最大偏差 3 PID调节规律 1 原理 比例 基本微分 克服滞后积分 消除余差2 特征参数比例度 积分时间 和微分时间 三过程动态分析 二 定量分析1 时间常数和稳态增益时间常数 达到稳值63 2 时经历的时间稳态增益 响应的最终值2 超调量和衰减比 二 定量分析 3 放大系数输出 输入变化量之比4 对象的滞后传递 纯 滞后 由设备的容积或反应时间引起的滞后容量 过渡 滞后 指被调参数由开始变化至接近稳定值的时间 过程控制目标 1 抑制扰动的影响2 确保过程的稳定性3 过程最优化 一 控制系统分类 由两个或以上调节器 被调参数等组成1 提高控制品质 串级 前馈控制2 实现特定要求 比值 均匀 分程 选择性控制系统3 非线性控制系统 2 复杂控制系统 3 1串级控制系统 一 结构与原理1 原理 引入辅助变量 在主回路中串接副回路所组成的系统 串级控制系统方框图 2 结构 1 主 副调节器2 两个测量单元 3 工作过程 1 干扰作用于副回路 2 干扰作用于主回路 3 干扰作用于主 副回路 4 特点 主 副串联 迅速克服副回路干扰 加快调节主回路干扰 副回路 先调 快调 粗调主回路 后调 慢调 细调 6 举例 加药控制 控制变量 加药量影响因素 原水流量受控变量 主参数 沉淀池出水浊度副参数 模拟沉淀出水浊度 水药 3 2比值控制系统 一 原理两个量之间成一定比例关系二 分类 1 开环2 单闭环3 双闭环4 变比值控制 单闭环 双闭环比值 4计算机控制系统 一 概述 一 定义 含有计算机并由计算机控制的系统广义 核心 微处理器 二 特点 程序控制 实时控制 数字控制 综合控制 计算机控制系统方框图 控制器 D A 执行装置 A D 测量装置 被控对象 给定值 微型计算机被控参数 二 计算机控制系统分类 1 生产过程的巡回检测与数据处理DPS特点 1 计算机可代替仪表 集中监视2 数据集中 利于指导 二 计算机控制系统分类 2 直接数字控制系统DDC特点 1 计算机直接控制 闭环2 设定值不变3 经济4 可实现复杂控制 二 计算机控制系统分类 3 监督计算机控制SCC提供最佳给定值SCC 模拟调节器 DDC 二 计算机控制系统分类 4 多级控制 集散 DCSDDC SCC MIS特点 1 分级递阶结构分散控制和集中管理2 高可靠性 5 现场总线控制系统 定义 现场总线是连接现场智能设备与控制室之间的全数字式 开放的 双向的通信网络 第三章自控常用仪表 检测仪表 控制仪表 执行设备 专用 水质参数 通用 工作参数 微处理装置模拟调节器 泵阀门 2 技术指标 A 精确度 测量值与实际值的差距B 灵敏度 仪表输出变化量与被测参数变化量之比C 变差 同一仪表反复测量的最大差值与测量范围之比D 测量仪表的反应时间 内部惯性或滞后 3 组成 1 传感器感受被测量 并转为其他量 2 变换器将传感器的输出量 标准信号 3 传输通道给各环节的I O信号提供通道 4 信号接收设备 接受信号 并显示 指示 记录等 三 通用检测仪表 1 流量仪表 1 堰板流量计 2 巴式计量槽 3 孔板流量计 4 面积容量式 5 速度式 1 电磁流量计 电磁感应定律 2 超声波流量计 传播速度差法 1 电气式2 弹性式3 其他 2 压力检测仪表 3 液位计 恒浮力液位计压差式液位计超声波液位仪 4 温度测量 1 双金属温度计2 热电偶 3 热电阻 四 专用检测仪表 余氯仪 污泥浓度测定仪 pH计 浊度仪 电导率测定仪 有机物测定仪 浊度仪 散射光透射光散射透射光表面散射光 五 在线检测仪表 1 要求 便于安装 抗干扰 具信号隔离 信号输出远传能力 分辨要求不高 2 存在问题 运行稳定性 自动清洗在线检测 指连续地采集某种数据 与生产过程相连 二 控制仪表 微处理装置模拟调节器 微处理器比较 三 执行设备 泵阀门 电动 气动 液动 变频调速控制系统 2 常用阀门 电动阀 气动阀 液动阀 第四章人工智能 定义用机器模仿和实现人类的智能 实现脑力劳动自动化或半自动化 专家系统 神经网络 模糊控制 解释型推理 反射型推理 似然推理 模糊控制器 模糊控制系统 被控对象 传感器 执行机构 A D D A 计算控制变量 模糊量化处理 模糊控制规则 模糊决策 非模糊化处理 二 水厂控制 一 水厂自动控制过程1 意义 对非稳定工况即时调节 保证高效处理 经济运行 强化生产管理2 组成 1 取水泵站2 加药间站3 滤池控制 4 中控室 二 各构筑物的控制 1 取水泵房根据清水池水位高低 2 二泵站的控制 A 按最不利点水压进行工况调节B 控制点设于水泵出口恒压控制 变压控制 3 混凝控制 目的稳定水质 降低矾耗 节约劳动力衡量标准沉淀池出水浊度的稳定性和保证率实质混凝剂投加量的控制 1 方法 1 模拟法 烧杯试验法 模拟滤池法2 水质参数法 数学模型法3 特性参数法 流动电流法 透光率脉动测定法4 效果评价法 经验目测法 2 常用混凝控制方案 1 前馈控制 原水流量 数模 PLC控制加药泵转速2 后馈控制 SCD 模拟 控制加药泵冲程3 复合控制4 串级控制 原水 混合 后续处理工艺 出水 混凝控制系统框图 控制中心 微机 混凝投加装置 四 沉淀池及澄清池控制 1 控制内容 排泥控制2 排泥控制技术根据泥位 周期 积泥规律 五 滤池的控制 按滤池的水头损失 滤后水浊度 周期 六 加氯消毒 控制器2 1 流量比例控制 2 余氯反馈控制 3 复合环控制 4 串级控制 复合控制系统 比例控制器 加氯机 余氯控制器 流量计 余氯分析仪 2污水厂的自动控制 一 污水自控技术的要求与特点 二 污水厂主要控制环节 一 自控的要求与特点 一 实现自动化的必要性1 便于管理2 优化运行3 运行安全4 促进工艺5 减轻工人负担 二 要求1 能耗优化2 系统运行优化 3 单元优化 一 控制方式 单独控制 连动控制 自动控制 二 污水厂的主要控制环节 二 单元控制 1 污水预处理 2 格栅定时或栅前后水位差 3 进水泵房根据泵房液位高低和累计工作时间 1 进水闸门控制进入泵站污水量 4 刮砂机 2 初沉池 控制目标 保持污泥浓度恒定及所有沉泥去除 受控变量 悬浮固体浓度或泥层厚度 控制变量 污泥流量 控制方案