仪控-1自控基本知识
自动化仪表与过程控制考试总结-1
前言+第一章1、自动化仪表：是实现工业生产过程自动化的重要工具，它被广泛地应用于石油、化工等各工业部门。
在自动控制系统中，自动化仪表将被控变量转换成电信号或气压信号后，除了送至显示仪表进行指示和记录外，还需送到控制仪表进行自动控制，从而实现生产过程的自动化，使被控变量达到预期的要求。
2、过程控制仪表包括：检测仪表、调节仪表（也叫控制器）、执行器，以及可编程调节器等各种新型控制仪表及装置。
3、过程控制系统的主要任务是：对生产过程中的重要参数（温度、压力、流量、物位、成分、湿度等）进行控制，使其保持恒定或按一定规律变化。
4、标准信号制度：国际电工委员会规定：过程控制系统的模拟标准信号为直流电流4-20mA，直流电压1-5V。
我国DDZ型仪表采用的标准信号：DDZ-Ⅰ型和DDZ-Ⅱ型仪表：0-10mA。
DDZ-Ⅲ型仪表：4-20mA。
5、我国的DDZ型仪表采用的是直流电流信号作为标准信号。
6、采用电流信号的优点：电流不受传输线及负载电阻变化的影响，适于远距离传输。
动单元组合仪表很多是采用力平衡原理构成，使用电流信号可直接与磁场作用产生正比于信号的机械力。
对于要求电压输入的受信仪表和元件，只要在回路中串联电阻便可得到电压信号。
7、采用直流信号的优点：a.直流信号传输过程中易于和交流感应干扰相区别，且不存在移相问题；b.直流信号不受传输线中电感、电容和负载性质的限制。
8、热电偶是以热电效应为原理的测温元件，能将温度信号转换成电势信号（mV）。
特点：结构简单、测温准确可靠、信号便于远传。
一般用于测量500～1600℃之间的温度。
9、热电偶的测温原理：将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，若两个连接点温度不同，回路中会产生电势。
此电势称为热电势，并产生电流。
10、对于确定的热电偶，热电势只与热端和冷端温度有关。
11、热电偶的基本定律:均质导体定律、中间导体定律、中间温度定律。
12、热电阻：对于500℃以下的中、低温，热电偶输出的热电势很小，容易受到干扰而测不准。
自控基础知识
自控基础知识自动控制系统（automatic control systems）是在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按期望规律或预定程序进行的运行操作管理系统。
随着科技的发展，人们的多项生产、生活工作都越来越取向机械化、自动化，不仅大大提高了工作效率，而且极大的保证了生产过程中的安全性和达标性。
输气站场的自动控制系统包括现场仪表、变送器、各种流量仪表及流量计、调压控制器、PLC系统、ESD系统、站控系统、可燃气体/火灾报警系统、色谱分析仪、硫化氢分析仪、水露点分析仪、RMU远程维护系统、与DCC通讯用交换机、路由器等。
一、就地显示仪表1、压力表弹簧管压力表耐震压力表（1）现场压力仪表等级:1.0、1.5(1.6)、2.5、4.0（2）现场仪表读数原则：压力表估读到最小分格值的1/5 ；（3）允许误差:最大允许误差：（量程上限-下限）*精度等级%例如：1块1.0级，量程为6MPa的压力表，最大允许误差为：±6*1.0%=±6*0.01=±0.06MPa（4）压力仪表的维护：巡回检查：仪表指示情况；电源电压（电接点压力表等）；伴热保温情况；清洁状况；隔离液、接口、导压管、阀门有无泄漏、腐蚀。
定期维护：定期检查校验零点、量程；定期排污、排凝、放空；定期吹扫导压管，灌隔离液等。
工程师专业检查：仪表使用质量；仪表零部件的完整性、完好性；检测元件、导压管线、接口等安装情况；技术资料的管理等。
2、温度计：电接点温度计耐震温度计（1）现场温度计等级:1.0、1.5(1.6)、2.5、4.0（2）现场温度计读数原则：估读到最小分格值的1/10 ；（3）允许误差:最大允许误差：（量程上限-下限）*精度等级%例如：1支1.0级，量程为-40至+80℃的温度计，最大允许误差为：±〔80-（-40）〕*1.0%=±120*0.01=±1.2℃（4）温度仪表的维护：巡回检查：仪表指示情况；电源电压（电接点温度计等）；伴热保温情况；清洁状况；隔离液、接口有无泄漏、腐蚀。
自动控制基础知识.详解
例2：“是”函数的真值 表
例3：“与”函数的真值 表
例4：“或”函数的真值 表
三、卡诺图
卡诺图：就是按一定规则画出的方块图。
图中一个方块就代表变量的一种取值情况，和真值表类似， 有n个逻辑变量，在卡诺图中就有2n 个格。
0 a1
aa
图1.19 单变量 卡诺图
3 复合控制
计算
给定值
计算
执行
测量
干扰
受控对象
被控量
测量
图1.7 复合控制框图
§1.2 传递函数与环节特性
一、比例环节
其传递函数为：
特点：当输人信号变化时，输出信号会同时以一定的比例 复现输入信号的变化。
x(t)
y(t)
A A
KA A
图1.8 比例环节动态特性
二、一阶环节
其传递函数为： 特点：当输入信号x(t)作阶跃变化后，输出信号y(t)立刻以
“非”函数可用常闭开关符号代表：
“非”函数的基本性质如下：
(2) 双变量(多变量)运算
设变量“a、b、c、d…”，函数S，有如下运算： a．“与”函数
又称“逻辑乘”，表示“同时”、“共同 ” 等价表于达两式个为常：开开关串联：
基本性质： 置换律： 结合律： 几个特殊关系：
当有n个变量时，“与”函数可表示为： 上述性质均成立
（2）过渡过程的5个品质指标
y
图1.13 定值系统的过渡过程
最大偏差A 过渡时间ts 余差C 衰减比ψ 振荡周期Tp
§1.4 自动控制的基本方式
f 被控对象
uห้องสมุดไป่ตู้
控制器
c
c
e
r0
图1.14 控制系统方框图
自控基础知识
⾃控基础知识⾃控基础知识第⼀章⾃动控制系统1.1 概述1、⽬的：(1)看懂P&I图; (2)掌握单回路、复杂回路的控制原理;2、⽣产过程⾃动化包括⾃动检测、⾃动控制、⾃动保护（ESD）程序控制。
(Emergency Shut Down)3、确保⽣产安全，提⾼劳动⽣产率，改善劳动条件，保护⼈⾝健康，必须实现⾃动控制。
1.2 ⾃动检测1、温度、压⼒、流量、液位、密度、浓度、成份在⾃动控制和⾃动保护系统中，⾃动检测是基础。
2、⾃动控制：是在测量的基础上，进⼀步⽤⾃动化装置代替操作⼯⼈的直接操作，⾃动克服扰动对被控变量的影响，稳定⼯艺⽣产过程。
3、⾃动保护：（ESD）：在⽣产过程中，某些⼯艺变量超过⼀定限度时，就会严重影响⽣产，发⽣爆炸等事故，为帮助操作⼈员及时发现问题，并⾃动采取紧急措施，以避免事故的进⼀步扩⼤，⽽设计的⾃动保护联锁系统，如声光报警、联锁停车。
4、程序控制：它和⾃动控制系统的区别在于设定值，在⾃动控制系统中，其设定值为恒定或随机变化，⽽程序控制，设定值随时按预先设定程序⽽变化。
5、控制系统应满⾜的三项基本要求：A 抑制外部扰动的影响；B 确保⽣产过程稳定；C 使⽣产过程的⼯况为最优化；1.3 国内外科技现状、发展趋势及差距分析：1、随着信息发展，国外⼤多数⽯化企业相继采⽤APC先控技术，在线优化，电⼦商务管理等来降低成本，提⾼产品竞争⼒。
DCS的应⽤是炼化⼯业⾃动化⽔平的最重要的标志之⼀，DCS主要⽣产企业如HoneyWell TDC3000 Fisher -Rosemont CENTUM－CS已推出了相应的产品。
2、先进控制技术, 在国外此项技术已经发展了20年，应⽤已经普及，中国⽯9年开始推⼴普及先进控制，初见成效。
中国⽯油99年开始此项⼯作，并已经开始花费经费购买国外公司的先控软件（Aspen Tech）。
3、⼈⼒资源实现先进控制需要复合型⼈才，要懂计算机、仪表、⼯艺技术才能较好的调试使⽤先控系统（建⽴数学模型、设计软仪表、实现多变量预估控制）。
仪表自动化控制基础知识
脉冲量信号：
脉冲量常用于转速测量、流量测量和记数。 脉冲输入的测量分为以测量频率为目的、以测量脉冲 个数为目的和频率、脉冲个数都需要的三种应用场合。 频率测量范围：0.1Hz-25KHz,高于25KHz的信号需 要选择仪表内部的预分频单元 频率测量精度:0.100Hz~45.000Hz范围:±0.01Hz 45.00Hz~450.00Hz范围:±0.02Hz 450.0Hz~4500.0Hz范围:±0.2Hz 4500Hz~25000Hz范围:±2Hz 计数测量一般用于用于过程计数，事件计数，位移 测量等。
位式PID控制是仪表按一定的周期，通过控
制接点的通断对系统进行控制。在一个周期内，
接点的接通和断开的时间长短反映控制量的大小，
操作量为100%时，接点在整个周期内完全接通，
操作量为0%时，接点在整个周期内完全断开。
3．6程序给定 ① 模拟量输出（方式1）：输出信号的大小 及变化斜率可以通过编程设定，编程通过设置参
1/45000。
信号类型： 仪表能接收的模拟量信号有：
1、标准电流信号
2、准电压信号 3、mV信号
标准电流信号：
4mA~20mA DC、0mA~10mA DC、 0mA~20mA DC。其它直流电流信号，需要在订货 时注明，但最大不能超过5A，大于5A的信号应在仪 表外使用分流器或变送器进行处理。 多数变送器的输出信号都是4m A~20m A标准 电流信号，传送到控制室供各类仪表接收，特点时
的过程参数控制，可能需要加进出量进行修正，使控制过程尽快回到 原来的控制状态，微分时间表示微分作用强度的单位，仪表设定的 微分时间越长，则以微分作用进行的修正越强。
• 3．5位式PID控制
一般的PID控制是以连续的电流或电压输出
仪控知识培训
测参数标准值之差。
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精度等级就是最大相对百分误差去掉正负 号和%。数字越小，说明仪表精确度越高。 仪表精度不仅和绝对误差有关，而且和仪 表的测量范围有关。
绝对误差大，相对百分误差就大，仪表精 度就低。如果绝对误差相同的两台仪表， 其测量范围不同，那么测量范围大的仪表 相对百分误差就小，仪表精度就高。
检测压力超出变送器的量程范围， DCS画面显示为红色，数值没有变化。
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压力变送器工作原理
压力源
气室
标准电流输出
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压力检测原理图
两线制与DCS 卡件连接
通过总线与 DCS主机连接 经组态后屏幕 显示压力值
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DCS主机
思考题： 当压力显示不对，如何
判断故障点。
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2、流量检测
2.1、就地式种类：转子流量计、金属管 浮子流量计、水表
2.1.1、工作原理：根据不同流量检测 方法，把流量值转换成转子、指针、数字显 示出来，通过刻度可以读取流量数。
2.1.2、常见故障：流量计测量室有异 物、指示传动机构磨损、超量程，会造成流 量显示不准确。
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转子流量计（只显 示瞬时流量）
翻板式液位计
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5、分析仪
样气流量，调整为 红线标识处
样气流量调节旋钮
正常工作处于‘样气 ’
正常工作处于‘正常 ’
样气旁通流量，在保 证测量流量下尽量调 节为最大
3.2.2、常见故障：热电阻丝断线，造成 显示为最大值。
接线盒进水、接线端子松动，都 会造成显示值波动或显示最大值。
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温度检测原理图
DCS主机（组态 ）
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• 辐射测温主要有三种基本方法，即全辐射 法、亮度法和比色法。
• 无论采用何种辐射测温法，辐射温度计主 要由光学系统、检测元件、转换电路和信 号处理等部分组成。
全辐射高温计
• 全辐射高温计是接受被测物体全部辐射能量来测 定温度的。这种高温计的光学系统有透镜式和反 射镜式两种结构。透镜式系统将物体的全辐射能 透过透镜及光阑、滤光片等聚焦于检测元件；反 射镜式系统则将全辐射能利用反射聚光镜反射后 聚焦在检测元件上。前者主要用来测量高温，后 者用于测量中温。
差压式流量计
• 由节流元件、连接管路和差压变送器组成 一体，统称为差压式流量计。
• 差压变送器由两部分组成，下半部分为测 量部分，上半部分为转换部分。测量部分 包括测量室、测量元件（膜盒）等，转换 部分包括主杠杆、矢量机构、副杠杆、差 动变压器、反馈机构、调零装置和放大器 等。
要使仪表的指示值与通过管道的实际流量相 符，必须做到以下几点
三、涡街流量计
涡街流量计是由检测器（圆柱或三角柱等）、 放大器和转换器等组成。
◆特点： • 管道内无可动部件，寿命长、量程比大、
压力损失小。 • 精度较高，量程比宽，可达100:1，安
装简便，维护量小，故障极少。 • 流速分布及脉动流影响测量，有直管段
要求，检测元件必要时清污。
三、涡街流量计
• 仪表示值几乎不受温度、压力、密度、黏 度及成分等影响。用水或空气标定的流量 计可用于其他液体或气体的流量测量而不 用校正。涡街流量计适用于各种液体、气 体、蒸汽流量的测量。
• 全辐射温度计的温度测量范围一般在400— 2000℃（根据不同的结构形式），测量误差在 1.5%—2.0%左右。
光电温度计
• 光电温度计采用光电元件作为敏感元件，感受辐 射源的亮度变化，并根据被测物体亮度与温度的 关系确定温度的高低。
仪表自控基础知识
三、常见测量仪表
超声波液位控制
雷达液位计
三、常见测量仪表
5、光导液位计 光导液位计组成：浮漂、导向钢丝、钢带、 码带、重锤、滑轮、保护筒、热电阻、一次表、 二次表等部件组成。
工作原理：浮漂浮在液体表面，浮漂重力=液 体对浮漂的浮力+重锤的重力，达到平衡，整个 测量系统静止，一次表通过光电采集码带上与液 面高度对应的格雷码，并将温度信号依格雷码的 形式一同送到二次表，在二次表上转换显示液面 高度、体积和介质温度。当液面发生改变时，重 锤带动码带达到新的平衡，时时检测实际液位。
简单液位控制
仪表是在工业生产过程中，对工艺参数进行检测、显示、记录或者 控制的基础。随着工业的发展，对仪表控制系统提出了更高的要求，电动 仪表逐步向数字化、智能化方向发展，计算机系统向网络化、开放化发展， 新一代的仪表主要特点是智能化和数字化。实现自动校零、线性化、补偿 环境因素变化等功能，甚至包括模型运算和人工智能的应用，使自动控制 的精度等到进一步提高。在仪表调节回路，除一般的比例、积分、
系统的主流。当今几乎每个发达国家都生产自己的DCS，生产厂家100多家，已销售几万台
（套）。主要生产厂家集中在美国、日本、德国等多家公司
二、自动化仪表分类
单元组合仪表可分现场安装仪表和控制室安装仪表两大部分，共八大类。 按仪表在系统中所起的不同作用，现场安装仪表可分为变送单元类和执行 单元类；控制室内安装仪表又分为调节单元类、转换单元类、运算单元类、 显示单元类、给定单元类和辅助单元类等。 1、变送单元是将各种被测参数如温度、压力、流量、物位等物理量转换 成相应的0~10mADC、4~20mADC或20~100Kpa信号，并将其传送到显示、 调节单元，以供指示、记录或控制。 2、转换单元是单元组合仪表与其它仪表之间联系的桥梁，它能将电压、 频 率等电信号转换成相应的0~10mADC、4~20mADC或20~100Kpa信号， 实现与电动单元组合仪表标准信号之间的转换。 3、调节单元是将变送单元的测量信号和给定信号进行比较，按其差值给 出控制信号去控制执行器的动作，使测量信号和给定信号相等。 4、运算单元是将给类仪表输出的标准统一信号进行加减乘除等运算，以 满足多参数复合测量、校正和调节的要求。 5、显示单元是将各种被测参数进行指示、记录、报警和积算等，供操作 员监控控制系统工况。 6、给定单元是提供被控参数的给定值送到调节单元，实现定值控制。
仪控-1自控基本知识
单闭环比值控制系统
双闭环比值控制系统：两个控制回路：随动系统和比值系统
双闭环比值控制系统
变比值控制系统：一个控制器给出，通常也只有一个控制回路
变比值控制系统
4）分程控制系统 一个控制器的输出同时送往两个或更多的执行器，各个执行器 的工作范围不同。
PID图：
PID图自控系统部分主要有：图形符号、字母代号、仪表 位号及各种信号连线组成。
图形符号：测量点、连接线、仪表符号
仪表就地安装
就地仪表盘面安装
集中仪表盘面安装
集中仪表盘后安装
字母代号： 仪表圈内两 位或两位以 上的字母所 代表的被测 变量及仪表 功能。
注意圈外字 母。
仪表位号：每个仪表都应有自己的仪表位号，由字母组 合和数字标号构成，数字一般分两段，第一段表示处理 工段号，后续数字表示仪表序号。
严格地说，实际的物理系统都不可能是线性系统。但是，通过近似处理 和合理简化，大量的物理系统都可在足够准确的意义下和一定的范围内视 为线性系统进行分析。例如一个电子放大器，在小信号下就可以看作是一 个线性放大器，只是在大范围时才需要考虑其饱和特性即非线性特性。线 性系统的理论比较完整，也便于应用，所以有时对非线性系统也近似地用 线性系统来处理。
控制作用q：为克服干扰所采取的手段，所用介质为控制介质。
传感器与 变送器：
直接感受被测参数变化的装置
膜电极反应 电磁感应 光感量变化 超声波感应接受 电动势 位移
将感应信号变为标准信号的元件或装置
传感器与变送器可以合装或分装：
传感器与变送器分装 传感器与变送器组合
测量值z：变送器的输出值
电流信号：4-20mA, 0-10mA 电压信号：0-5V,0-10V,-5-+5V 气压信号：20-100kPa
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三 流量测量仪表
3.1 概念 流量是单位时间内流过管道某一截面的流体数量,常把 它叫瞬时流量. 流量分积流量和质量流量. 单位时间内流过的流体以体积表示的,称为体积流量 ,用Q表示; 单位时间内流过的流体以质量表示的,称为质量流量 .用M表示.它们之间的关系是: M=Q·ρ , ρ 为流体的密度. 总流量是指某一段时间T内流体流过管道或某一截面 的流体总量,即瞬时流量的累加值.瞬时流量和总流量的关 系为: M总=M瞬·T; Q总=Q瞬·T.
C=2π ε L/㏑R/r
式中R 、r —分别为绝缘层外半径和内电极外半径 .由上式 可以看出 ε、R 、r的值不高时，电容C信号和L成正比，由 C的大小便可知道L的数值，在振荡器中由于电容的变化产 生了与液位成正比的电流4－20mA标准信号输出传递到检 测仪表。 电容液位计结构特点： 结构： 电容液位计由电极 、振荡器 、传感器 、计算仪表及显示 仪表组成 。 特点： 它的结构简单 、安装方便 、可靠性高 、适用范围广 。
五 过程控制
铂铑-铂热电偶（R型），铂铑丝为正极，纯铂丝为 负极。测量范围：0—1600℃。一般用于加热/转化等 炉子的炉膛温度的测量。 镍铬-镍硅热电偶（K型），镍铬为正极，镍硅为负 极。测量范围：-200—1200℃。 铁-铜镍合金（康铜）热电偶（J型），铁为正极， 铜镍为负极。测量范围：-150—750℃。 各种热电偶具有不同的优缺点，因此在选用时，应 根据测温范围，测温状态和介质情况进行综合考虑。
四 物位测量仪表
在化工生产中，用于测量液位、固体料位及液体－液体 界面的仪表统称为物位测量仪表，由于生产工艺过程的要 求不同，物位测量仪表有各种不同类型。 下面对几种常用的物位测量仪表进行介绍。 4.1 浮力式液位计 浮力式液位计可分为恒浮力式液位计和变浮力式液位计 两大类,恒浮力式液位计是根据浮球的位置始终跟随液位 的变化而变化来进行液位测量的；变浮力式液位计是根据 浮筒所受的浮力随液位的变化而变化来进行液位测量的。 变浮力式液位计有浮筒液位计；常见的恒浮力式液位计有 杠杆带浮力式液位计、磁耦合浮力式液位计、浮子钢丝液 位计。
仪表自控基本知识摘录
仪表自控基本知识（仅供学习）1.1 概述(1) 自动化仪表的发展趋势工业自动化控制仪表主要包括变送器、调节器、调节阀等设备，控制仪表从基地式调节器(变送、指示、调节一体化的仪表)开始，经历了气动、电动单元组合仪表到计算机直接控制系统(DDC)，直到今日的分散控制系统DCS和现场总线控制系统FCS,经历了漫长的发展过程。
在这过程中计算机技术的发展是一大关键，最初计算机只用于生产数据的处理和巡回检测（如我部２＃芳烃FOX1系统），到２０世纪５０年代末期才用于实现闭环控制。
如今控制系统以DCS和PLC为主流，而现场总线控制系统将是发展的必然趋势。
DCS经历了初创(1975－1980年)、成熟(1980－1985年)、扩展(1985年以后)几个发展时期，在控制功能完善、信息处理能力、速度及组态软件等软件等方面取得令人瞩目的成就，以其高度的可靠性、方便的组态软件、丰富的控制算法、开放的联网能力等优点，得到迅速的发展，成为计算机控制系统的主流。
当今几乎每个发达国家都生产自己的DCS，生产厂家100多家，已销售几万台(套)。
主要生产厂家集中在美国、日本、德国等多家公司。
我国主要有浙大中控和北京的和利时两公司。
PLC以其结构紧凑、功能简单、速度快、可靠性高、价格低等优点，获得广泛应用，已成为与DCS 并驾齐驱的另一种主流工业控制系统。
现场总线技术是20世纪90年代迅速发展起来的一种用于各种现场自动化设备与其控制系统的网络通信技术，是一种用于各种现场仪表(包括变送器、执行器、记录仪、单回路调节器、可编程序控制器、流程分析器等) 与基于计算机的控制系统之间进行的数据通信系统。
现场总线的使用具有许多优点：①增加了仪表系统的功能。
现场总线可实现就地闭环控制，使控制彻底分散，从而提高了控制系统的可靠性;现场总线使用智能仪表，便于仪表在线维护、调校以及在线设备管理;提高了系统的开放性。
②提高了仪表系统的技术性能。
由于信号传输的数字化，增强了现场信号的传输及抗干扰能力，使精度从±0.5%提高到±0.1%，增加了信号传输距离及信息量。
化工仪表及其自动化控制第一章 自动控制系统基本概念
执行器
前馈+反馈
f 前馈补偿器 SP + e z － 调节器 + 执行器 传感器、变送器 变送器 干 扰 对象 y
+ x
2013-8-8
化工仪表及其自动化控制课件
（三）按控制系统的复杂程度区分 简单控制系统 复杂控制系统
（四）按控制变量的名称区分
温度控制系统
（五）按调节规律区分
压力控制系统 ……
P、PI、PD、PID、预估控制 …… （六）按被控变量对操作变量的影响分 闭环控制系统——如：反馈控制 开环控制系统——如：前馈控制
化工仪表及其自动化控制课件
2013-8-8
化工自动化的发展历程
1950s~1960 s 基地式气动单元仪表，基地式电动单元仪表，膜片 式仪表。为化工单元操作的发展提供了技术支撑。 1970 s~1980 s 单元组合Ⅱ型仪表：QDZⅡ，DDZ Ⅱ 1990 s~ 单元组合Ⅲ型仪表：QDZⅢ ，DDZ Ⅲ
2013-8-8 化工仪表及其自动化控制课件
以阶跃响应曲线的形式表示的品质指标（和初值有关，这里只分析变化量） 分两种情况：
y (t )
B
C
0
稳定误差范围： 2％
B
或者 5％的新稳态值
t1 e()
t2
t3
t
阶跃干扰作用下的过渡过程（设定值固定，加一阶跃干扰）——定值系统
y (t )
B
Sp
化工仪表及 自动化
2013-8-8
化工仪表及其自动化控制课件
你
2013-8-8
化工仪表及其自动化控制课件
2013-8-8
化工仪表及其自动化控制课件
自动化控制仪表基本知识点
自动控制系统基本概念1.化工自动化的目的：（1）加快生产速度，降低生产成本，提高产品产量和质量。
（2）减轻劳动强度，改善劳动条件。
(3)保证生产安全，防止事故发生或扩大，可以延长设备使用寿命，提高设备利用能力。
(4)生产过程自动化的实现，能根本改变劳动方式，提高社会整体的科技、文化技术水平。
现代自动化技术特点：控制与管理一体化高智能化2.生产过程自动化一般要包括自动检测、自动保护（非自动化系统组成部分）、自动操纵和自动控制3. 控制系统的品质指标1．最大偏差或超调量2．衰减比是B：B’，习惯上表示为n：1 3．余差4．过渡时间稳态值的±5%5．振荡周期或频率4.自动化装置的三个部分（1）测量元件与变送器（2）自动控制器（3）执行器控制阀的输出信号q，任何情况下都指向被控对象。
简单的自动控制系统是一个闭环系统。
6TRC-303 测量点在蒸汽加热器出料管线上的一台温度记录控制仪表，工段号为3，仪表序号为03，仪表安装在集中仪表盘面上。
最本质的区别，就在于自动控制系统有负反馈。
过程特性及其数学模型1.数学模型的表达形式1、参量模型数学模型是采用数学方程式来描述. 2非参量模型数学模型采用曲线或数据表格等来表示.2.建模目的（1）控制系统的方案设计（2）控制系统的调试和控制器参数的确定对象的特性（3）制定工业过程操作优化方案（4）新型控制方案及控制算法的确定（5）计算机仿真与过程培训系统（6）设计工业过程的故障检测与诊断系统提供正确的解决途径。
3.实验建模：主要特点是把被研究的对象视为一个黑匣子，完全从外部特性上来测试和描述它的动态特性，因此不需要深入了解其内部机理，在测试过程中必须注意：（1）加测试信号之前，对象的输入量和输出量应尽可能稳定一段时间，不然会影响测试结果的准确度。
（2）在反应曲线的起始点，对象输出量未开始变化，而输入量则开始作阶跃变化。
因此要在记录纸上标出开始施加输入作用的时刻，以便计算滞后时间。
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现代水工业对自动化控制的要求
水工业对自动化控制的总体要求：
极强的应变能力：
第一章 自动控制基本知识
水－城市的血液
城市供水水库
城市供水厂
城
市
景观水体
水的社会循环过程
河
污水处理厂
段
水的社会循环
水处理从传统学科向水工业转化
水工艺技术向水工业系统转化：
化学
传统以工艺为核心
相关专业 资源环境 社会问题 市场经济
材料科学 生物生态学
电子电气 自动控制
现代水工业对自动化控制的要求
现代水处理工程必须有很强的对处理对象的快速变化的响应 能力；对核心技术的支持能力；对风险的应变能力。
极强的应变速度：
对陈旧落后的工艺和设备要尽快革新；淘汰老朽监测仪器， 加快信息快速整合；加强网络建设，在线及时把握现场状态； 系统对异常情况要有快速反应。
极强的求知力度：
增强数据和信息资源的处理和应用能力，数据资源的提炼能 力，成熟知识的模型和实际转化能力，支持市场竞争的决策 能力。
被控参数y：按工艺要求对某些参数进行调节控制。 给水处理：流量、液位、浊度、余氯、压力、 污水处理：DO、MLSS、COD、BOD、SS、NH3N、TP 干扰f：破坏系统平衡，引起被控参数变化的外界因素。 常见阶跃干扰：
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。
液位自动控制
污水处理系统全过程自动控制
进厂污水 粗格栅
污水泵房
细格栅
沉砂池
A2/O 反应池
剩余污泥
鼓风机房
污泥脱水车间
泥饼外运
UV 消毒 排放
自动控制构成
控制对象、测量变送器、控制器、执行装置
自动控制系统方块图
控制对象：在生产过程中被控制的反应构筑物或生产设备，可 指各种装置、设备、反应器，或反应系统中某一相关部分。
水处理仪表与控制
杨殿海
yangdianhai@
为什么修这门课？
丝 状 菌 与 污 泥 絮 体 的 自 动 鉴 别
武汉水专项试验装置及仪表控制系统
污泥中回收磷
为什么修这门课？
1. 1914年活性污泥法发明以来，水处理工艺实质上变化不大， 但电子、电器、仪表和自动化专业发展迅猛； 2.有利于探索水处理过程的本质，深入进行基础研究； 3.有利于新工艺的研究开发； 4. 有利于实现水处理过程的模拟和自动控制，提高水处理系 统的管理水平； 5. 有利于减轻工人劳动强度，提高出水品质。
常用4-20mA，负载小于600欧
设定值x：设定工艺参数的预期值，或期望值
DO：2-3mg/L 风压：65 kPa 沉淀出水: 10 NTU …......
偏差值e：设定值与测量值的偏差，e=x-z
偏差速率ec：偏差值的变化速率， ec =de/dt 执行装置：执行指令，实现控制调节的装置
控制回路构成
x
y
z
e
p
q
y’
输出信号引回到输入端，通过反馈构成控制回路
4. 工艺管道及控制流程图
工艺研究或工程设计的控制方案，最终形成PID（Process & Instrument Diagram）图。 控制方案包括：测量参数选择，测量点选择、自动信号作 用、控制方式确定。 化工部行业标准：《过程检测和控制系统用文字代号和图 形符号》HG20505-92 国家标准： 《过程检测和控制系统用图形符号和文字代号》 GB2625-81
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
1 什么是自动控制？
人不直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（机械的、 电子的、电气的、光学的装置等），代替人工器官的作用， 使生产过程按预定规律或预定要求变化。
磁场（萌芽） 传统机械原理 微分方程解析
指南针、指南车 蒸汽机
基地式大尺寸仪表
经典控制 理论（来 自工程界）
1940’s 域法（频响法） 根轨迹法
工业发展需要复杂 复杂微分方程解
控制系统
析
小型化仪表 单元组合仪表
1960’s 航空、航天、军事
极小值理论 动态规划
小型化远程化 计算机应用
现代控制 理论
（来自数 学家）
1970’s
工业发展 军事发展
简单－复杂－多变 量
1970’s以后
深度广度扩展 广泛的商用
智能控制理论 最优化控制
智能控制理论 检测、控制管理
相结合
微处理器 单片机
PLC DCS
高精度仪表 高度集成芯片
3 自动控制系统的构成
液位人工控制操作
液位人工控制过程
液位自动控制
控制作用q：为克服干扰所采取的手段，所用介质为控制介质。
传感器与 变送器：
直接感受被测参数变化的装置
膜电极反应 电磁感应 光感量变化 超声波感应接受 电动势 位移
将感应信号变为标准信号的元件或装置
传感器与变送器可以合装或分装：
传感器与变送器分装 传感器与变送器组合
测量值z：变送器的输出值
电流信号：4-20mA, 0-10mA 电压信号：0-5V,0-10V,-5-+5V 气压信号：20-100kPa
2 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
时代
时间
任务的需要
理论依据
技术工具应用
原始控制 理论（经 验总结）
十二世纪 1756年 1930’s
航海交通
工业革命 工业应用
系统稳定性
参考文献：
1 《自动检测技术及仪表控制系统》（第二版） 张毅，张宝芬，曹丽，彭黎辉编著，化学工业出版社，2005
2. 《环境工程仿真与控制》 姚重华编著，高等教育出版社，2001
3. 《过程控制工程》 （第二版） 蒋慰孙，俞金寿编著，中国石化出版社，1999
4. 《污水处理系统的建模、诊断和控制》 Gustaf Olsson, Bob Newell著，高景峰，彭永臻译，化学工业出版社，2005