给排水工程仪表与控制(第1章)
给排水工程仪表与控制
第六章 第十题
20.有以下几种控制策略：
1）定污泥排放量控制
根据计算或经验每日都排放一定量的污泥，在操作是每日可排放一次或数次，以至于可以连续排放，排放时应当用MLSS浓度监测仪和流量计来计量。
2）间歇定时排泥控制
每隔一定的时间t排放污泥一次，使曝气池中的MLSS至某一设定的最小浓度为止其中两次排泥的间隔时间t为一常数。
5 三种控制的基本方式分别为 顺序控制，反馈控制，前馈控制
模糊控制 是以模糊集合论，模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。在控制投加混凝剂量和控制泵的运行台数等实际运行中，都有应用模糊控制的实例。、 神经控制 它是基于人类的神经网络的控制，也称神经网络控制，它能模拟人的思考方式来思考，学习和判断的一种控制方式。基于神经网络的智能模拟用于控制，是实现智能控制的一种重要形式。 专家系统 它是应用以专家的知识和经验为基础的专家系统的控制方式。可以认为，专家系统是一个具有大量专门知识和经验的程序系统。它应用于人工智能技术，根据一个或多个人类专家提供的特殊领域知识和经验进行推理和判断，模拟人类专家做决策的过程来解决那些需要专家才能解决的复杂问题。简言之，专家系统是一种计算机程序，它能以专家的水平完成专门的而一般又是困难的专业任务，包括控制问题。
控制过程 1 实时数据采集，即对被控制量的瞬时值进行检测和输入、
2 实施决策：对实时的设定值和被控制的数量进行已定的控制规律运算，决定下一步的控制过程
3 实时控制：根据决策，适时的对执行机构发出控制信号
8、 一．操作指导控制系统
1.结构：见课本图6.4
2.工作原理：在计算机的指挥下，定期地对生产过程中的参数作巡回检测，并对其进行处理、分析、记录及参数越限警报等。
第章-给排水工程仪表与控制(1)
第章-给排水工程仪表与控制(1)
给排水工程是建筑物中具有重要作用的一个分支，为了保障其正常运行，必须要有合适的仪表与控制系统进行监测与调控。
本章将从给排水工程仪表、给排水工程控制系统、以及控制系统的运行进行讨论。
一、给排水工程仪表
1.流量计
流量计是用来测量水流速和流量的仪器。
在给水管道中，通常采用涡街流量计、超声波流量计等技术手段进行测量。
2.压力表
压力表是用来测量管道内压力的仪器。
主要用于监测和调节管道内的水压，供水管道内的压力通常控制在2.5~4.0kg/厘米²。
3.液位计
液位计是用来测量储水池、水箱等水位高度的仪器。
在基建工程中，液位计使用广泛，其通过计算水箱中的水位高度来保障水位的平衡。
二、给排水工程控制系统
给排水工程控制系统是保障给水清洁、卫生、畅通的一个重要设备，它主要由控制器、执行器、传感器、监控系统四个部分组成。
其中控制器负责处理传感器测得的信息并通过执行器来完成具体控制任务。
三、控制系统的运行
控制系统的运行需要有精准的控制算法与严密的程序设计。
其通过监
测和调节管道内的水流量、压力及水位变化，从而达到自动化的控制
效果。
在使用控制系统前，应对相关人员进行培训，确保其了解仪器与控制
技术的基本原理。
同时，运行过程中应注意仪器的保养养护，定期进
行检测与维修，以确保其正常运行。
总之，给排水工程仪表与控制是基础设施建设计划中至关重要的环节。
优秀的仪表与控制系统可以有效保障基础建设中给排水的清洁与畅通。
给排水仪表与控制课程设计
给排水仪表与控制课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解给排水系统中仪表与控制设备的基本原理和功能。
2. 学生能掌握给排水系统中常见仪表的操作方法和控制流程。
3. 学生能了解给排水系统中自动控制系统的设计原则及其在实际工程中的应用。
技能目标：1. 学生具备分析给排水系统中问题并进行仪表选型及控制策略设计的能力。
2. 学生能够运用相关软件或工具对给排水自动控制系统进行模拟和调试。
3. 学生能够通过小组合作，完成一个简单的给排水自动控制系统的设计与实施。
情感态度价值观目标：1. 学生能够认识到给排水仪表与控制在环境保护和资源利用中的重要性，培养环保意识和社会责任感。
2. 学生在学习过程中，能够积极探究、主动思考，形成对工程技术的兴趣和认识。
3. 学生通过团队协作，培养沟通、交流和团队协作能力，增强集体荣誉感。
课程性质：本课程为实践性较强的专业课，通过理论讲解与实际操作相结合，使学生掌握给排水仪表与控制的相关知识。
学生特点：高二年级学生，具有一定的物理、数学基础，对工程实践有较高的兴趣，具备一定的自主学习能力。
教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，强调知识的应用性和实际操作能力。
在教学过程中，注重启发式教学，引导学生主动探究和思考，培养其解决实际问题的能力。
通过课程学习，使学生在知识、技能和情感态度价值观方面取得具体的学习成果。
二、教学内容1. 给排水系统概述：介绍给排水系统的基本组成、功能及其在现代社会中的应用。
- 教材章节：第一章 给排水工程概述2. 给排水系统中仪表与控制设备原理：讲解压力表、流量计、液位计等仪表的工作原理及控制系统组成。
- 教材章节：第二章 给排水系统仪表与控制设备3. 给排水自动控制策略：分析给排水系统中常见的自动控制策略，如PID控制、PLC编程等。
- 教材章节：第三章 给排水自动控制系统4. 给排水仪表选型与安装：介绍仪表选型依据、安装要求及在给排水系统中的应用。
给排水工程仪表与控制复习（全面）
给排⽔⼯程仪表与控制复习（全⾯）课后思考题答案：给⽔排⽔⼯程仪表复习第⼀章1.⾃动控制概念：在⼈不直接参与的情况下，利⽤外加的设备或装置使整个⽣产过程或⼯作机械（被控对象）⾃动地按预定规律运⾏，或使其某个参数（被控量）按预定要求变化。
⾃动控制系统⼯作原理：当被控量偏离给定要求值时，测量元件测得被测量或经物理量变换后由⽐较元件将其给定值⽐较得出偏差，根据偏差⼤⼩，经放⼤、调节、执⾏等元件后产⽣控制作⽤，控制作⽤使被控量回复到或趋近于要求值，从⽽使偏差消除或减⼩。
⾃动控制系统主要特点：从信号传送来看，输出量经测量后回送到输⼊端，回送的信号使信号回路闭合，构成闭环，即为负反馈。
从控制作⽤的产⽣看，由偏差产⽣的控制作⽤使系统沿减少或消除偏差的⽅向运动。
——偏差控制采⽤⾃动控制系统的⽬的：（1）解放劳动⼒，变⾰⽣产⼒，提⾼⽣产效率；（2）提⾼精度和质量。
1．⾃动控制系统有哪些基本组成部分?答：⼀个⾃动控制系统主要由以下基本部件构成：(1)控制对象；(2)传感器；变送(3) 控制器；(4)执⾏装置。
⼀个⾃动控制系统只要由以下基本元件构成：①整定⽂件：也称给定⽂件，给出了被控量应取的值②测量元件：检测被控量的⼤⼩③⽐较⽂件：⽤来得到给定值与被控量之间的误差④放⼤元件：⽤来将误差信号放⼤，⽤以驱动执⾏机构⑤执⾏元件：⽤来执⾏控制命令，推动被控对象⑥校正元件：⽤来改善系统的动静性能⑦能源元件：⽤来提供控制系统所需的能量。
2．⾃动控制系统的分类？答：按系统的结构特点：前馈控制系统(开环)、反馈控制系统(闭环)、复合控制系统。
按给定值的不同形式：定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。
闭环控制特点开环控制特点3. 传递函数的概念？什么是阶跃函数答：传递函数：⼀个环节或⼀个⾃动控制系统中，输出拉式变换和输⼊拉式变换之⽐。
4．⽅块图和传递函数有什么作⽤？答：⽅块图和传递函数是⾃动化理论的重要基础。
通过⽅块图可以直接看出各环节的联系，及环节对信号的传递过程；⽽传递函数可以⽤来描述环节或⾃动控制系统的特性，将输⼊----输出关系⼀⽬了然表⽰出来。
给排水工程仪表与控制第1章自动控制基础知识
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
位于几个检测器与一个执行器之间
时代
原始控制 理论（经 验总结）
经典控制 理论
（来自工 程界）
现代控制 理论
（来自数 学家）
时间 十二世纪
1756年
1930’s
任务的需要
航海交通 工业革命 工业应用 系统稳定性
1940’s 需要的领域在拓宽
工业发展需要复杂
1950’s
控制系统
1960’s 航空、航天、军事
1970’s
工业发展 军事发展 简单－复杂－多变
水处理过程控制存在问题
研究过程： (1) 注重工艺工况研究，基础研究不够 (2) 研究精度不足，分析连续性差，数据粗糙 (3)自动控制能力差，环境条件变化大
实际工程： (1) 盲目引进，不适国情 (2) 配合不够，建而无用 (3) 维护不力，故障频繁
6
1.1 自动控制的概念和构成 1.1.1 什么是自动控制？
20
（6）恒值控制系统 控制系统的输入量是一个常值，要求被控量也是一个常 值，如果被控量是生产过程的参量时，称为过程控制系统。 系统的重点是克服干扰，研究抗扰动措施。 曝气池DO控制系统； 曝气池MLSS定值控制系统； 出水COD、氨氮、TP等控制系统； 沉淀池浊度、滤池出水浊度控制系统； 出厂水余氯、压力控制系统等
12
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
给排水工程仪表与控制
1. 过程控制系统中，需要控制的工艺设备(塔、容器、贮糟等)、机器称为被控对象。
(√ )2. 扰动量是作用于生产过程对象并引起被控变量变化的随机因素。
(×)答案：扰动量是除控制变量外作用于生产过程对象并引起被控变量变化的随机因素。
3. 由调节器输出至被调参数间的所有环节称为干扰通道。
(×)答案：由调节器输出至被调参数间的所有环节称为调节通道。
4. 过程控制系统的偏差是指设定值与测量值之差。
(√ )5. 由控制阀控制，能使被控变量恢复到设定值的物料量或者能量即为控制变量。
(√ )6. 按控制系统的输出信号是否反馈到系统的输入端可分为开环系统和闭环系统。
(√ )7. 在闭环控制系统中，按照设定值的情况不同，可分为定值控制系统、前馈控制系统、程序控制系统。
(×)答案：在闭环控制系统中，按照设定值的情况不同，可分为定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。
8. 在一个定值控制系统中，被控变量不随时间变化的平衡状态，也即被控变量变化率等于零的状态，称为系统的动态。
(×)答案：在一个定值控制系统中，被控变量不随时间变化的平衡状态，也即被控变量变化率等于零的状态，称为系统的静态，静态是一种相对静止状态。
9. 对一个系统总是希翼能够做到余差小，最大偏差小，调节时间短，回复快。
(√ )10. 时间常数越小，被控变量的变化越慢，达到新的稳态值所需的时间也越长。
(×)答案：时间常数越大，被控变量的变化越慢，达到新的稳态值所需的时间也越长。
11. 时间常数指当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达到新稳态值的63.2 %所需要的时间。
(√)12. 对干扰通道时间常数越小越好，这样干扰的影响和缓，控制就容易。
(×)答案：时间常数越大越好，这样干扰的影响和缓，控制就容易。
13. 放大倍数K 取决于稳态下的数值，是反映静态特性的参数。
(√ )14. 对于控制通道来说希翼τ 越大越好，而对扰动通道来说希翼τ 适度小点好。
《给排水工程仪表与控制》第二版思考题与习题答案
《给排水工程仪表与控制》第二版思考题与习题答案制共模干扰；（5）计算机系统的稳压电源具有过压、欠压和过流保护能力；前置机掉电，数据能持续保存24h，系统掉电数据存贮时间<10min；（6）软件设计按工艺条件划分模块，并有数据纠错、虑错和改错技术。
第四章1混凝控制的目的与意义是什么？目的：是水中的混浊物质聚结形成具有一定力度及表面特性的絮凝体，为沉淀或过滤去除创造良好的条件。
意义：在保证效果的前提下，节约混凝剂消耗，是降低净水成本的重要措施，经济意义十分重大。
2混凝控制技术有哪些类型？经典目测法烧杯试验法模拟滤池法数学模型法胶体电荷控制法3数学模型混凝控制技术的特点是什么？数学模型是如何建立的？数学模型法是以若干原水水质，水量参数为变量，建立其与投药量之间的相关函数，即数学模型，计算机系统自动采集参数数据，并按此模型自动控制投药。
数学模型的建立包括两方面的内容：一，模型参数的选取，这往往要综合多年的生产经验、混凝试验、数学统计检验以及参数的可测性等因素确定；二，模型中各项系数的确定，这可以根据多年的运行资料，有统计分析确定，也可以对长期烧杯实验的结果进行统计分析确定，然后再生产上加以修正。
4流动电流混凝控制技术的特点是什么？其基本组成是什么？特点：单因子控制小滞后系统中间参数控制基本组成：检测，控制，执行三大部分5流动电流的基本原理和检测原理是什么？流动电流参数有哪些基本特性？基本原理：指在外力作用下，液体相对于固体表面流动而产生的电场的现象。
检测原理：1966年，GERDES发明了活塞式“流动电流检测器”，可以用于检测水样中胶体粒子的荷电特性。
检测器由检测水样的传感器和检测信号的放大处理器两部分构成。
传感器主要由圆形检测室、活塞和环形电极组成，活塞和检测室内壁之间的缝隙构成一个环形毛细空间。
当活塞在电机驱动下作往复运动时，水样中的微粒附着在“环形毛细管”壁上形成一个微粒“膜”，水流的运动带动微粒“膜”扩散层中反离子运动，从而在“环形毛细管”的表面产生交变电流，此电流由检测室两端的环形电极收集并经放大处理后输出。
《给排水工程仪表与控制》课程介绍与教学大纲
课程名称：给排水工程仪表与控制/ Water supply and drainage engineering instrument and control 学分：2学时：32（实验：8 ）适用专业：给排水建议修读学期：7开课单位：电气与信息工程学院测控与仪表系课程负责人：先修课程：电工学考核方式与成绩评定标准：百分制，笔试（闭卷）成绩：70%,平时（实验、作业、出勤等）成绩：30% 教材与主要参考书目：1 .给排水工程仪表与控制，崔福义，建筑工业出版社，2006, 62 .化工自动化及仪表，张光新等,化学工'也出版社，2016, 4 3.化工仪表及自动化，厉玉鸣等，化学工业出版社，2011, 11 4.仪表与自动化，何道清，化学工业出版社内容概述：主要介绍工业生产过程中自动控制系统方面的知识，并分别介绍了构成自动控制系统的各个基本环节（包括被控对象、测量元件及变送器、显示仪表、自动控制仪表、执行器等）。
在简单、复杂控制系统的基础上，还介绍了计算机控制系统，最后结合生产过程介绍了典型单元操作的控制方案。
通过课程基本内容的学习，培养学生初步掌握自动控制系统的分析和设计方法；通过介绍各种控制方案的原理和应用，培养学生的工程应用能力；在课堂教学过程中，穿插介绍常见的工业控制案例，培养学生理论联系实际能力；配合本课程开设的相关实验，培养学生的实践动手能力。
英文：Mainly introduces the knowledge of industrial production process automatic control system, and introduces the automaticcontrol system of the basic link （including the controlled object, the measuring element and transmitter, displayinstruments, automatic control instruments, actuators, etc.）. Based on simple and complex control system, alsointroduces the computer control system, finally combining with the production process control scheme of a typical unitoperation is introduced. By learning, the student can master the automatic control system analysis and design methods.Through the introduction of the principle and application in kinds of control cases, the engineering application ability ofstudent should be promoted. The normal industrial control cases are interspersed in teaching, so the linking theory withpractice ability of student should be promoted. Matching the experiments in this course, the manipulative ability of thestudent should be promoted.课程名称：给排水工程仪表与控制/ Water supply and drainage engineering instrument and control学分：2学时：32(实验：8)适用专业：给排水开课单位：电气与信息工程学院测控与仪表系课程负责人：先修课程：电工学一、课程性质、目的与任务课程性质：本课程是给排水等专业的专业选修课。
给排水工程仪表与控制复习(全面)
课后思考题答案：给水排水工程仪表复习第一章1.自动控制概念：在人不直接参与的情况下，利用外加的设备或装置使整个生产过程或工作机械（被控对象）自动地按预定规律运行，或使其某个参数（被控量）按预定要求变化。
自动控制系统工作原理：当被控量偏离给定要求值时，测量元件测得被测量或经物理量变换后由比较元件将其给定值比较得出偏差，根据偏差大小，经放大、调节、执行等元件后产生控制作用，控制作用使被控量回复到或趋近于要求值，从而使偏差消除或减小。
自动控制系统主要特点：从信号传送来看，输出量经测量后回送到输入端，回送的信号使信号回路闭合，构成闭环，即为负反馈。
从控制作用的产生看，由偏差产生的控制作用使系统沿减少或消除偏差的方向运动。
——偏差控制采用自动控制系统的目的：（1）解放劳动力，变革生产力，提高生产效率；（2）提高精度和质量。
1．自动控制系统有哪些基本组成部分?答：一个自动控制系统主要由以下基本部件构成：(1)控制对象；(2)传感器；变送(3) 控制器；(4)执行装置。
一个自动控制系统只要由以下基本元件构成：①整定文件：也称给定文件，给出了被控量应取的值②测量元件：检测被控量的大小③比较文件：用来得到给定值与被控量之间的误差④放大元件：用来将误差信号放大，用以驱动执行机构⑤执行元件：用来执行控制命令，推动被控对象⑥校正元件：用来改善系统的动静性能⑦能源元件：用来提供控制系统所需的能量。
2．自动控制系统的分类？答：按系统的结构特点：前馈控制系统(开环)、反馈控制系统(闭环)、复合控制系统。
按给定值的不同形式：定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。
闭环控制特点开环控制特点3. 传递函数的概念？什么是阶跃函数答：传递函数：一个环节或一个自动控制系统中，输出拉式变换和输入拉式变换之比。
4．方块图和传递函数有什么作用？答：方块图和传递函数是自动化理论的重要基础。
通过方块图可以直接看出各环节的联系，及环节对信号的传递过程；而传递函数可以用来描述环节或自动控制系统的特性，将输入----输出关系一目了然表示出来。
给排水工程仪表与控制
第一章1.1.2自动控制系统的构成（了解）1.整定文件：也称给定文件，给出了被控量应取的值2.测量元件：检测被控量的大小传感器3.比较元件：用来得到给定值与被控量之间的误差4.放大元件：将误差信号放大，用以驱动执行机构5.执行元件：用来执行控制命令，推动被控对象。
6.校正元件：用来改善系统的动、静态性能。
7.能源元件：用来提供控制系统所需的能量1.1.3自动控制系统的分类(了解)分为开环控制系统和闭环控制系统，以及同时具有开环结构和闭环结构的复合控制系统1.闭环控制：原理是，需要控制的是受控对象的被控量，而测量的则是被控量和给定值，并计算两者的偏差，该偏差信号经放大后送到执行元件，去操纵受控对象，使被控量按预定的规律变化，力图消除偏差。
也称为偏差调节。
反馈：把取出的输出量回送到输入端，并与指令信号比较产生偏差的过程称为反馈反馈控制就是采用负反馈并利用偏差进行控制的过程，是自动控制系统中最基本的控制方式。
闭环控制的三大特点：信号按箭头方向传递是封闭的（闭环）、负反馈和按偏差控制。
优点：控制精度高，抗干扰能力强缺点：使用的元件多，线路复杂，系统的分析和设计都比较麻烦。
2.开环控制：分为按给定值控制或者按干扰补偿与闭环控制的基本区别在于有无负反馈作用。
这种控制方式简单，但精度较低抗干扰能力差。
但结构简单、成本低、在精度要求不高时有一定的使用价值。
3.复合控制把按偏差控制和按干扰控制结合起来，对主要扰动采用适当的补偿，实现按干扰控制；同时在组成反馈系统实现按偏差控制，以消除其他偏差。
1.3.3自动控制系统的过渡过程自动控制系统在动态过程中被控量是不断变化的，这种随时间而变化的过程称为自动控制系统的过渡过程。
1单调过程：被控变量在给定值的某一侧做缓慢变化。
最后能回到给定值。
2非周期发散过程：被控变量在给定值的某一侧，逐渐偏离给定值，而且随时间t的变化，偏差越来越大，永远回不到给定值。
3衰减振荡过程：被控变量在给定值附近上下波动，但振幅逐渐减小，最终能回到给定值4等幅振荡过程：被控变量在给定值附件上下波动且振幅不变，最终也不能回到给定值5发散振荡过程：被控变量在给定值附近来回波动，而且振幅逐渐增大，偏离给定值越来越远1,3是稳定的过渡过程，系统受到干扰时，平衡被破坏当经过控制器的工作，被控变量能逐渐恢复到给定值或达到新的平衡状态。
给排水工程仪表与控制复习题及答案.doc
发展趋势1、微电子、仪器仪表、电气设备、自动化技术的进行2、给水排水工程由土木工程型向设备型转化，给水排水匸程的仪表化，设备化，自动化迅速发展3、各种先进的白动，白动控制技术、设备、仪表已在给水排水T程的各个工艺环节以至全系统上应用。
第一章1、自动控制系统的基木目的：解放劳动力提高效率：应用H动控制技术可以解脱繁重的、单调的、低效的人类劳动，以提高生产效率和提高生活水平；提高精度和质量：对现代生产中很复杂的或极精密的工作，川人力不能胜任时，应川自动控制技术就可以保证高质量地完成任务。
2、自动控制：在人不直接参加情况下，利用外加的设备或装置使整个生产过程或工作机械口动地按预定规律运行，或使其某个参数按预定要求变化。
自动控制系统基本构成：整定文件：或给定文件，给出被控量应取的值。
测量元件：检测被控量的大小，如流量计等。
比较元件：用来得到给定值与被控屋Z间的误差。
放人元件：用来放人误差信号，驳动执行机构。
执行元件：用來执行控制命令，推动被控対象。
电机是典型的执行文件校正元件：用来改善系统的动、静态性能。
能源元件：用来提供控制系统所需的能竝。
第二章1、常用仪表M设备可分为以下几类：过程参数检测仪表：包括各种水质参数在线检测仪表，如浊度、pH值等，工作参数的检测，如压力。
过程控制仪表：如电动、气动单元组合仪表。
调节控制的执行设备：水泵、电磁阀、调节阀等。
2、测量仪表性能指标:（1）精确度：即精度，表示仪表测量结果的可靠程度，精度等级数值越小，仪表测量精确度越高。
粕度一定，减小量程可减小测量误差。
（2）变差：外界条件不变的情况下使用同一仪表对某一变虽进行正反行程测屋时对应于同一测量值所得的读书间的差异，使用中不能超出仪表允许谋差。
（3）线性度：检测仪表的输入输出信号之间存在线性対应关系，并将仪表的刻度制成线性。
线性度衡量实际特性偏离线性程度的指标（4）灵敏度和分辨率：灵敏度指仪表仪表输出京华量与引起此变化量之比，反映仪表对■被测量变化的灵敏程度3、pH计的清洗方法机械刷洗、超声波清洗、水喷射清洗、化学溶液喷射清洗、复合清洗4、pHik应用的注意事项：（1）电极清洗方式：要选用于所测液体的介质条件环境；（2）安装配管应合理：以保证介质的流通性能；⑶信号干扰问题：电势mv级，易受干扰，在泵示安装时最好距电机一定距离；（4）保持输入端插口的清洁：不用时将应路线接入；（5）玻璃电极的玻璃球泡切忌与硬物相接触；（6）预热:短时间测量5min,长时间测量20min以上；（7）U'汞电极内部的氯化钾溶液保持在2/3左右；（8）测量时必须注意控制溶液的温度的变化。
《给排水工程仪表与控制》
《给排水工程仪表与控制》
课程代码：0801890 开课学院：土木建筑工程学院
开课学期：6 授课对象：给排水科学与工程本科生
学分：1.5 课程负责人：王弘宇
课程简介：
本课程是给排水科学与工程专业的主要专业课之一。
其目的是使学生了解与城市水工程有关的仪器仪表和自动化的基本知识，以及自动化技术在城市水工程中的各种应用，并具有进一步研究城市水工程自动化技术的能力。
内容包括自动控制的基础知识；城市水工程常用自动化仪器仪表的基本工作原理，电路结构和控制技术；水泵及管道系统的控制调节方法和调节器电路的基本工作原理；给水处理系统和污水处理系统的自动控制技术等。
为了学生能够较好理解课程的教学内容，本课程采用以多媒体课堂授课为主，结合课堂讨论、书面作业、实践教学多种教学形式。
本课程于第6学期开课。
课程考核：课外作业，闭卷考试。
教材：《给水排水工程仪表与控制》，崔福义主编，中国建筑工业出版社，2002
参考书目：施汉昌，柯细勇，刘辉，《污水处理在线监测仪器原理与应用》，化学工业出版社，2008。
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G (s ) = Y (s ) X (s )
第1章 基础知识
例如：在输出电压uc与输入电压ui之间有如下关系：
duc dt
=ห้องสมุดไป่ตู้
1 RC
(u i
-
uc )
经拉氏变换为：Y (s ) =
1 X (s )
(RCs + 1)
则阻容环节的传递函数G(s)为： G (s ) = Y (s ) = 1 X (s ) RCs + 1
以水池水位控制为例，说明人工控制系统与自动控制系统。
两者对比可知，一般自控应有以下几部分： (1)测量元件(感知被控量)； (2)比较元件(感知与要求比较得到偏差)； (3)调节元件(偏差按调节规律变为控制信号)；(4)执行元件(执行控制)。
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通常用方框图表示控制系统的组成以及各组成部分信号传送的关系。 上述水池水位控制方框图如下。所以，控制系统的元件作用图，简称方框 图。
按要求给出相应的控制信号。 • 计算机式：以计算机为中心控制单元，以测试仪
表、执行机构等单元为外围设备的系统。
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第1章 基础知识
二、自动化及仪表发展 从自动控制系统结构看，经历四个阶段： 1、20世纪50年代以基地式控制器组成的控制系统； 2、20世纪60年代以单元组合仪表组成的控制系统； 3、20世纪70年代出现了计算机控制系统； 4、20世纪80年代以后出现二级优化控制。
用方框图表示阻容环节，就可将填入其中。如图。 当系统或环节的物理过程不清，不知其传递函数时，可以输入一特定 信号X(s)，通过对输出的观察记录得到Y(s)，传递函数公式，就可求出该环 节或系统的传递函数。这就是在工程中利用实验求取系统或环节传递函数 的方法。
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第1章 基础知识
传递函数的优点： 比较简单；当系统输入典型信号时，输出与传递函数有一定的关系； 零极点分布决定系统响应过渡过程。
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第1章 基础知识
第二节 传递函数与环节
一、方块图与传递函数
方块图：控制系统的元件作用图用一个方块表示，一个方块可以对应 于一个元件或一个设备，或几个设备的组合，或一个局部生产过程， 代表一个环节。
拉普拉斯变换：一种积分变换，微积分函数 代数幂函数，微分方程 代数方程。
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第1章 基础知识
积分环节：输出信号正比于输入信号对时间的积分，传递 函数为：
G (s) K Ti s
式中 Ti——积分时间；K——比例系数。
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第1章 基础知识
微分环节：
a. 理想微分环节：输出量与输入量的变化速度成正比，其传
递函数为：
G (s ) = Td s
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City College Of Science and Technology,Chongqing University
城市水工程仪表与控制
陈俐
重庆大学城市科技学院
第一章 自动控制基础知识
第一节 自动控制系统的作用与构成
一、控制仪表的分类： • 基地式：检测控制显示组合在一起的仪表。 • 单元组合式：在系统规定的统一的通讯方式下，
传递函数：一个环节或一个自动控制系统，输出拉氏变换与输入拉氏 变换之比。拉氏变换基础上，以系统本身参数描述的线性定常系统输 入量与输出量的关系式，表达了系统内在的固有特性，与输入量无关。
用Y(s)代表输出的拉氏变换，用X(s)代表输入的拉氏变换，则传递函数
G(s)可表示为：
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每个组成部分用一个方框表示，并标上名称，通常又称为环节。 信号用箭头表示。信号可有分支点(分成多路输出)和相加点(多个倍 号的代数相加)。
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介绍几个常用的控制理论和控制工程专用术语： (1)被控量和控制量(Controlled variable and controlling variable)： 被控量是指被测量和被控制的量或状态，如水箱水位； 控制量是由控制器要改变的量或状态，它能影响被控量值，如给水阀开 度。 (2)对象(Plant)：一般是设备或装置，通常被控物体称为对象，如阀门。 (3)系统(system)：系统是指与完成一定任务有关的部件组合。系统可以 是物理系统，也可是特定的动态现象，如股市、或汇率、或人口的变化。 (4)扰动(disturbance)：是指对系统输出量产生不利影响的因素或信号。 如果扰动来自于系统内部，称为内部扰动；如果扰动来自于系统外部，则 称为外部扰动。如进水管内压力增大或降低，显然会改变进水流量大小， 这种因素对系统来说是外部扰动。如果水箱发生渗漏，则是内部扰动。
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二、自动控制系统的构成 通过前面的分析，可以看出，自控系统的基本元件构成： (1)整定元件：也称给定元件，给出了被控量应取的要求值。 (2)测量元件：检测被控量的大小，并将信号传送。也叫做传感器。高精 度传感器，决定自控系统的好坏，是自控系统最重要的基础工作。 (3)比较元件：得出给定值与被控量的偏差，常用差动放大器、电桥等。 在计算机控制系统中，可直接进行数值计算，不需要特定的比较元件。 (4)放大元件：将差信号放大，输出控制信号驱动执行机构。 (5)执行元件：执行控制命令，推动被控对象。如电机、电动阀等。 (6)校正元件：用于改善系统的动、静态性能。 (7)能源元件：用于提供控制系统所需的能量。
必须指出，开环控制和闭环控制之间的基本区别在于有无负反馈作用。
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(2)按干扰补偿。控制原理是：需要控制受控对象的被控量，测量干扰 信号，利用干扰信号产生控制作用，以减小或抵消干扰对被控量的影响， 故称为按干扰补偿，也可称顺馈控制。
由于测量的是干扰，故只能对可测量的干扰信号进行补偿。控制精度受 到原理的限制。常用于电源系统稳压、稳频控制。
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第三节 自动控制系统的过渡过程及品质指标
一、典型输入信号 为了比较系统性能优劣，需对输入信号和初始状态做典型化处理。 规定控制系统的初始状态均为零状态，规定了一些尽量简单，便于分析， 并让系统工作最不利的试验信号作为典型系统输入信号。一般常用的有 四种典型输入函数信号。 (1)阶跃函数。如图。其表达式为：
多种扰动
在控制精度与稳定性
矛盾
控制及时、具有 一定的自适应能 力可克服多种干 扰、调节精度高
缺点
元件多，线路复杂。不能消除偏差,只能克
控制滞后
服所测量的扰动
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自动控制系统的其他分类方法： 4、线性连续控制系统
这类系统可以用线性微分方程式描述。按参数量的变化规律不同又可分 为恒值控制系统、随动系统和程序控制系统。
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方框中列数学式，可表征该环节的数学形式，该数学式称为传递函数。 自控系统由控制器和控制对象组成。通常把自控系统的被控量叫做 系统输出量。而把外界输入系统的量叫做系统输入量。一般系统的输入 有两类：给定输入和扰动输入。如图。
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通过前面讨论，可以看出自控系统的工作原理： 测量元件测得被测量，变换为输入量→比较元件将其与给定值比较算 出偏差→偏差经放大、调节运算，得出使被控量回归的要求值→执行元件 产生控制动作，使偏差消除或减少。这种自控系统的主要特点是： (1)信号的传送。输出量经测量回送到输入端，构成闭环，称为反馈，反 馈有正、负反馈两种方式。负反馈闭环是这种自动控制系统结构特点。 (2)控制的产生。由偏差产生控制作用，使系统沿减少或消除偏差方向运 动。由偏差产生控制作用叫做偏差控制。 具有上述两个特点的自动控制系统叫做反馈控制系统、闭环控制系统或 偏差控制系统。这一系统的工作原理叫做反馈控制原理。
控制系统 恒值系统 随动系统 程序系统
特点
应用
输入量和被控量为常值
恒温箱温度控制
流量等控制系统
输入量不断地任意变化，被控量 雷达跟踪系统
随之变化
测量仪中变送器
给定值按一定时间程序变化
滤池反冲洗过程控制
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5、线性定常离散系统。 6、非线性控制系统。 7、SISO系统和MIMO系统。
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三、自动控制系统的分类 从信息传送的特点或系统的结构特点，控制系统可分为开环控制系统和 闭环控制系统，以及开环和闭环构成的复合控制系统。 1、闭环控制。
比较机构
给定值
偏差 调节器
调节阀
干扰
被调参数 调节对象
测 量
测量变送
闭环控制按箭头方向传递信号有三大特点： ①封闭(闭环)；②负反馈； ③按偏差控制。因此，闭环控制也称为反馈控制或按偏差控制。
二、典型环节的动态特性及传递函数 动态特性：当输入信号加入环节，其输出信号随时间变化的规律。 自控系统是按其动态特性来分类。尽管构造、原理不同，但只要它们
的传送函数相同，动态特性就相同。所以，各种自控系统都可用五种 基本典型环节来概括。掌握这些基本环节的动态特性，了解其连接方 式，就能熟练地掌握自控系统。五种基本的典型环节及其动态特性介 绍如下：
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按系统的结构特点
系统 项目
反馈/闭环控制
前馈/开环控制
复合/前馈-反馈 控制
给定值或干扰量的大 被控变量的偏差
控制依据 被控变量的偏差
小
干扰量的大小
发生时间 偏差出现后
偏差出现前
优点
结构简单、投资省、控制及时、不受系统
操作方便、消除或 滞后的影响、补偿较
减小偏差、可克服 为频繁的扰动、不存
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3、复合控制。 虽然干扰控制较反馈控制简单，但要求扰动可测，且每个干扰单独需 一个补偿装置。因此，常常把按偏差控制与按干扰控制相结合，主要干 扰采用干扰补偿控制；同时对被控量采用按偏差控制的反馈系统，消除 其他偏差，提高控制效果。这种控制方式称为复合控制方式。