第二章环境工程仿真与控制

第二章环境工程仿真与控制第1页，课件共127页，创作于2023年2月第二章过程控制本章重点1.掌握PID的定义及优缺点2.能读懂过程控制示意图3.能读懂温度控制PLC程序设计的梯形图第2页，课件共127页，创作于2023年2月第一节基本概念1.环境工程的过程控制的主要目标有三个:（1）抑制外部扰动对污染物处理过程的影响;（2）确保（内部）过程的稳定性;（3）使过程的经济指标（工艺参数）最优化。2.外部扰动主要来自两个方面：（1）过程输入信号的变化，例如：进水水量、水质、废弃的污泥量等。（2）过程设定值的变化。例如：DO等第3页，课件共127页，创作于2023年2月第一节基本概念3.反馈控制:当过程的扰动已经发生并产生后果以后，根据后果的大小和方向来确定控制策略。4.反馈控制系统组成:由（1）被控对象（即过程）、（2）测量元件和变送器、（3）控制器、（4）执行机构和调节阀，四部分组成。第4页，课件共127页，创作于2023年2月第5页，课件共127页，创作于2023年2月第一节基本概念5.反馈与负反馈:反馈是控制系统的输出通过测量变送器返回到输入，并和设定值进行比较的过程。负反馈：若反馈的结果使控制系统输出信号减弱则称为负反馈。正反馈：若反馈的结果使控制系统输出信号增强则称为正反馈。对于工业过程控制系统，应使控制回路为负反馈。第6页，课件共127页，创作于2023年2月第一节基本概念6.正作用控制器与反作用控制器:将具有负增益的控制器称为正作用控制器。将具有正增益的控制器称为反作用控制器。7.闭环控制系统与开环控制系统：

如果一个系统输出变量会返回影响控制变量，则称为闭环控制系统。此时，控制变量不是独立的自变量，它依赖于输出变量。当工业控制器处于“自动”状态时，就是一个闭环控制系统。如果一个系统的控制变量不受系统输出变量的影响，则称为开环控制系统。此时，为了使系统输出满足事先规定的要求，必须周密而精确地计算控制变量的变化规律。当工业控制器处于“手动”状态时，就是一个开环控制系统。第7页，课件共127页，创作于2023年2月图2-3的解释p140第8页，课件共127页，创作于2023年2月第二节PID控制比例控制P（proportional）、积分控制I(integral)、微分控制D(derivative)。组合控制：PI、PD、PID一、比例控制过程的控制变量或控制器输出的大小，与过程扰动产生的后果成正比。具体说，就是和被控变量与设定值之间偏差(Pian)的大小成正比。偏差越大,则控制器的输出值越大,执行器的动作范围越大,控制变量的变化值越大。第9页，课件共127页，创作于2023年2月第二节PID控制比例控制的特点:（1）控制器对被控变量的偏差立即作出反应,不存在滞后。（2）存在余差，即被控变量在受到外界扰动后不能完全恢复到原来的设定值。比例控制的适用范围:应用最广泛的控制规律。适用于负荷变化小、过程纯滞后不大、时间常数较大而又允许余差存在的控制系统，例如：液位、要求不高的压力控制。第10页，课件共127页，创作于2023年2月第11页，课件共127页，创作于2023年2月图2-5解释p142第12页，课件共127页，创作于2023年2月二、积分控制积分控制的定义:过程的控制变量或控制器输出的大小，与过程扰动的时间成正比。具体说，就是和被控变量与设定值之间偏差存在的时间长短成正比。时间越长，则积分控制器的输出值越大，执行器的动作范围也越大，控制变量的变化值也越大。这一个过程要持续到积分控制器的极限输出为止。第13页，课件共127页，创作于2023年2月二、积分控制积分控制的优缺点:优点:具有消除余差的性质。缺点(1)其控制作用滞后于偏差，不能及时消除外界扰动的影响。

(2)积分饱和。比例控制与积分控制联合使用可以避免积分控制对偏差存在反应时间滞后的弱点。第14页，课件共127页，创作于2023年2月公式2-3的解释，p143第15页，课件共127页，创作于2023年2月图2-6的解释,p144图2-6（b）比例控制瞬时，有余差。图2-6（c）积分控制滞后，无余差。图2-6（d）比例积分控制先由比例控制起作用，产生瞬时变化，然后由积分作用产生渐进变化。第16页，课件共127页，创作于2023年2月图2-7的解释,积分饱和，p145T0时刻产生偏差阶跃变化，到t1时刻开始变小，到t2时刻偏差改变方向。t0*时刻达到u2，由于向曝气池供气与DO上升需要一段时间的滞后，尽管在u2点，阀门的开启度已足够，但DO还未达到设定值，偏差仍然存在，因此积分控制继续开大阀门到上限值u3。到T1时偏差变小，到T2时偏差为0。从T1到T2，由于偏差继续存在，积分控制作用仍然使阀门停留在上限位置。由于阀门全开，尽管偏差已下降到0，空气仍然被大量供入池内。结果，DO形成负偏差。此时，积分控制开始反向，阀门开起度开始变小，到达T3时阀门开启度才降到U2点以下。从t0*到T3时，积分控制使控制器输出超过纠正输入偏差需要的输出值。这就称为积分饱和。第17页，课件共127页，创作于2023年2月防止积分饱和的方法：p1451.对控制器的输出进行限幅，使其不超过规定的最大或最小值。2.只限制积分作用的输出ΔUI（t）,使其不超过规定的最大或最小值。3.若控制器输出超过某一限值，则切除积分作用，将比例积分控制切换为纯比例控制。第18页，课件共127页，创作于2023年2月提问：1.比例控制的定义及优缺点？2.积分控制的定义及优缺点？3.防止积分饱和的方法？第19页，课件共127页，创作于2023年2月二、微分控制微分控制的定义:过程的控制变量或控制器输出的大小，与被控变量和设定值之间偏差的变化速度成正比。偏差的变化速度越快，则微分控制器的输出值越大，执行器的动作范围也越大，控制变量的变化值也越大。第20页，课件共127页，创作于2023年2月二、微分控制公式2-6的解释p145第21页，课件共127页，创作于2023年2月图2-8的解释，p146第22页，课件共127页，创作于2023年2月p146提问：为什么图2-8的（b）图中有一条垂直线？第23页，课件共127页，创作于2023年2月第24页，课件共127页，创作于2023年2月图2-92-10的解释，p147第25页，课件共127页，创作于2023年2月提问：曝气池的溶解氧浓度与那些因素有关?第26页，课件共127页，创作于2023年2月例题2-2溶解氧浓度PI控制，p149第27页，课件共127页，创作于2023年2月p150第28页，课件共127页，创作于2023年2月p150第29页，课件共127页，创作于2023年2月第三节自动化仪表过程控制中的检测器、变送器、控制器及执行器可统称为自动化仪表。是实现过程控制必不可少的组成部分。（简便控制行走）一、控制器控制器又称调节器，是实现控制规律的核心器件，分为模拟式和数字式两大类。第30页，课件共127页，创作于2023年2月图2-13p153第31页，课件共127页，创作于2023年2月二、执行器执行器按动力传递介质可分为气动、电动、液动三类。第32页，课件共127页，创作于2023年2月图2-14的解释,p156第33页，课件共127页，创作于2023年2月图2-15的解释,p157第34页，课件共127页，创作于2023年2月图2-20的解释,p160第35页，课件共127页，创作于2023年2月二、检测变送器检测器、变送器的作用是将过程中的工艺变量检测出来，转化为标准信号送往调节器或显示仪表。需检测的变量有：温度、压力、成分、浓度等。第36页，课件共127页，创作于2023年2月（一）温度检测变送按测温方式分为接触式和非接触式两大类。（1）热电偶：利用金属材料的热电效应来测量温度。（2）热电阻：基于金属的电阻会随温度变化而变化的原理。（3）变送器：将温度信号转变成0-10mA的直流信号。第37页，课件共127页，创作于2023年2月（二）流量检测流量检测器有节流式流量检测器、电磁流量计、蜗轮流量计等。（1）节流式流量检测器，见图2-27，p165第38页，课件共127页，创作于2023年2月（二）流量检测（2）电磁流量计，见图2-29，p166第39页，课件共127页，创作于2023年2月（二）流量检测（3）蜗轮流量计，见图2-30，p167第40页，课件共127页，创作于2023年2月（三）液位检测（1）浮子式液位检测，见图2-31，p167第41页，课件共127页，创作于2023年2月（三）液位检测（2）压差式液位检测，见图2-32，p168第42页，课件共127页，创作于2023年2月（三）液位检测（3）伽马射线液位检测，见图2-33，p168第43页，课件共127页，创作于2023年2月（三）液位检测（4）开关型及电极型固定液位控制器，见图2-34，p168第44页，课件共127页，创作于2023年2月（三）液位检测（4）开关型及电极型固定液位控制器，见图2-35，p169第45页，课件共127页，创作于2023年2月四、设计符号自动控制系统工程设计符号包括图形符号和字母代号，两者组合起来，可以表达过程控制系统中的仪表、设备、元件、管线的名称。下面介绍典型的符号。第46页，课件共127页，创作于2023年2月表2-8，p178第47页，课件共127页，创作于2023年2月表2-9，p178第48页，课件共127页，创作于2023年2月表2-9，p179第49页，课件共127页，创作于2023年2月（二）字母代号，表2-10，p179，第一位与第二位含义不一样，请注意。第50页，课件共127页，创作于2023年2月（二）字母代号，表2-11，p180，熟悉它对后面的理解有帮助。第51页，课件共127页，创作于2023年2月例题2-3初沉池和污泥泵的过程控制图2-49的解释，p182第52页，课件共127页，创作于2023年2月例题2-4流量分配的过程控制图2-50的解释，p183第53页，课件共127页，创作于2023年2月例题2-4流量分配的过程控制图2-51的解释，p183第54页，课件共127页，创作于2023年2月作业一：（1）P186,描述污泥废弃过程控制方法（见图2-53），说明每个符号的意思。（2）P187,描述药剂投放（体积流量）过程控制方法，说明每个符号的意思。（见图2-54）。第55页，课件共127页，创作于2023年2月第四节可编程逻辑控制器p188本节课重点：（1）了解PLC的内部结构（2）掌握PLC梯形图符号的含义（3）能看懂控制系统电路图第56页，课件共127页，创作于2023年2月第四节可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器(programmablelogiccontroler,PLC):是融自动化、计算机、通讯等IT技术为一体的新型工业自动控制装置。PLCPIDPACPAMPAOORP思考与P相关的术语：第57页，课件共127页，创作于2023年2月与P相关的术语PLC：可编程逻辑控制器，programmablelogiccontrolerPID：比例、积分、微分控制。比例P（proportional）、积分I(integral)、微分D(derivative)PAC：聚合铝、粉末活性碳PAM：聚丙烯酰胺，coagulant,polyacrylamidePAO：聚磷菌ORP：氧化还原电位第58页，课件共127页，创作于2023年2月第四节可编程逻辑控制器本节介绍PLC的基本概念、开关量控制、模拟量控制、编程方法。（限于时间关系，仅讲基本概念）（一）组成与结构第59页，课件共127页，创作于2023年2月图2-56的解释，p188第60页，课件共127页，创作于2023年2月电脑知识P189

RAM可读、可写的存储器。用户可修改程序和数据。ROM只读（不能写）的存储器。用户不能修改程序和数据。PROM：可编程只读的存储器。EPROM：电可编程只读的存储器。I/O：输入/输出接口，in/out。第61页，课件共127页，创作于2023年2月图2-57的解释，p189第62页，课件共127页，创作于2023年2月图2-58的解释，p189第63页，课件共127页，创作于2023年2月提问：P189，为什么采用光耦合器？第64页，课件共127页，创作于2023年2月图2-59的解释，p190第65页，课件共127页，创作于2023年2月P190，编程器是用户为PLC编程用的工具。PLC一般用梯形图编程。PLC梯形图程序起源于继电器梯形图程序。（a）图左侧竖直线是电源，右侧竖直线是地线。解释两个图的意思（启动、停止），指出错误的符号。第66页，课件共127页，创作于2023年2月（二）工作原理p191第67页，课件共127页，创作于2023年2月（二）工作原理p191第68页，课件共127页，创作于2023年2月图2-62的解释p191第69页，课件共127页，创作于2023年2月思考（作业）：p191，解释X402起什么作用。第70页，课件共127页，创作于2023年2月二、开关量控制p193开关量控制是指设备的启动与关闭的控制，可以利用PLC实现。第71页，课件共127页，创作于2023年2月例2-8p193图2-64的解释第72页，课件共127页，创作于2023年2月三、模拟量控制p197与开关量控制不同，模拟量（温度、压力、浓度、流量）须转换成数字量后才能被PLC的CPU及用户程序处理。相对于开关量控制，增加1项功能，即模数转换（A/D）和数模转换（D/A）。若对模拟量的控制是一个反馈控制，则可能增加PID控制算法功能；若是前馈控制，则可能增加一个变量的动态模型。第73页，课件共127页，创作于2023年2月三、模拟量控制p197温度一般由热电偶或热敏电阻测量，测量输出是一个电压或电流信号，因此是模拟量。下面介绍三菱公司F1系列小型PLC进行温度控制的方法。温度PLC控制的硬件连接示意图，由基本单元F1-40MR及扩展单元F2-6A-E单元。第74页，课件共127页，创作于2023年2月图2-68的解释p197第75页，课件共127页，创作于2023年2月（一）基本单元p197F1-40MR是F1系列PLC的基本单元，为继电器输出型，40点开关量输入-输出。F1的功能指令包含数据传送、数据比较、算术运算、刷新、复位等。1.数据传送第76页，课件共127页，创作于2023年2月1.数据传送p198实际是让电脑“读数”。第77页，课件共127页，创作于2023年2月1.数据传送p199K700改为K231，设定十进制常数231。第78页，课件共127页，创作于2023年2月注意区别注意K33、K38、K39的区别。如果将一个数据放在2、3、4个不同的位置会是怎样的命令？第79页，课件共127页，创作于2023年2月2.数据比较p199第80页，课件共127页，创作于2023年2月（一）基本单元p2002.数据比较第81页，课件共127页，创作于2023年2月3.算术运算p200+：K57-：K68×：K77（K79）÷：K81‖：K87第82页，课件共127页，创作于2023年2月+：K57

功能指令p201第83页，课件共127页，创作于2023年2月-：K68

功能指令p201第84页，课件共127页，创作于2023年2月-：K68

功能指令p201思考：为什么改K58为K68？第85页，课件共127页，创作于2023年2月×：K77（K79）功能指令p202第86页，课件共127页，创作于2023年2月p202提问：K79与K77功能指令的区别在哪里？第87页，课件共127页，创作于2023年2月÷：K81功能指令p202第88页，课件共127页，创作于2023年2月‖：K87功能指令p201第89页，课件共127页，创作于2023年2月4.刷新、复位p202输入刷新：K100

输出刷新：K102

复位：K103

监控计时器WDT复位：K04

该节命令自己看

第90页，课件共127页，创作于2023年2月功能指令小结：3：位置，读数4：比较5：+6：-7：×8：÷（K81

）读数后进行比较，然后运算+-×÷补充：K85为A/D，K86为D/A，K87为取绝对值第91页，课件共127页，创作于2023年2月（二）扩展单元p205

1.数模转换

包括A/D与D/A。

图2-86的解释。

第92页，课件共127页，创作于2023年2月（二）扩展单元p207

1.数模转换

图2-87的解释，p207。

第93页，课件共127页，创作于2023年2月

p207

图2-88的解释

第94页，课件共127页，创作于2023年2月思考题，p210,自己下去看懂图2-89第95页，课件共127页，创作于2023年2月Endofchapter2Thanksforyourattention!第96页，课件共127页，创作于2023年2月环境工程仿真与控制

第三章动态分析

李军Mobile-mail:lijun681116@浙江工商大学第97页，课件共127页，创作于2023年2月第二章动态分析

本章重点1.掌握过程动态分析的步骤2.了解输入-输出模型和状态方程模型3.掌握传递函数的定义4.掌握拉普拉斯变换的步骤和优点第98页，课件共127页，创作于2023年2月第二章动态分析

过程动态特性分析的目的：了解当过程受到扰动或控制时，过程的性质或状态会发生什么变化。过程的扰动来自两个方面：一个是输入变量变化产生的扰动，如水质、水量的变化；（外部）二是过程内部设定值的变化，如DO设定值的变化。或者施加PID控制也会使过程的性质或状态发生变化。（内部）第99页，课件共127页，创作于2023年2月第一节输入-输出模型过程动态分析的步骤：1.建立过程模型。2.求解模型实现过程的动态分析。第100页，课件共127页，创作于2023年2月一、输入-输出模型的建立输入-输出模型是以输出变量的显式表达式表述过程的系统变量之间关系的模型。在数学上就是过程状态变量模型的积分表达式。当过程的状态变量和输出变量完全一致时，可以通过对状态变量模型的微分方程求解来获得输入-输出模型。第101页，课件共127页，创作于2023年2月例3-1搅拌槽加热输入-输出模型p229第102页，课件共127页，创作于2023年2月第103页，课件共127页，创作于2023年2月第104页，课件共127页，创作于2023年2月该推导过程简单，不讲第105页，课件共127页，创作于2023年2月第106页，课件共127页，创作于2023年2月二、非线性系统的线性化本节的目的：1.学习将复杂的问题转化为简单的问题的办法。2.学习一点高等数学中的Taylor级数的知识。3.学习如何将非线性系统线性化第107页，课件共127页，创作于2023年2月1.单变量系统的线性化,p234第108页，课件共127页，创作于2023年2月Taylor级数公式，p234第109页，课件共127页，创作于2023年2月例题3-3污水储槽液位模型线性化p234第110页，课件共127页，创作于2023年2月例题3-3污水储槽液位模型线性化p234第111页，课件共127页，创作于2023年2月p235第112页，课件共127页，创作于2023年2月第113页，课件共127页，创作于20