环境工程仿真模拟第四章复杂控制系统
环境工程仿真模拟过程动态特性
生态系统服务功能
生态系统提供的如水源涵 养、土壤保持、气候调节 等服务功能是动态变化的 。
生态恢复与重建
受损生态系统的恢复和重 建过程中，物种组成、群 落结构和生态系统功能随 时间发生变化。
04
仿真模拟过程动态特性的实 现
数学模型的建立
水流动态特性
水流速度与流量
水流在环境中的流动速度和流量是动态变化的， 受到地形、气候、降雨等多种因素的影响。
水体质量
水质参数如溶解氧、浊度、pH值等随时间和空间 发生变化，影响水生生态系统和人类健康。
洪水模拟
模拟洪水过程的动态特性，预测洪水的发生、发 展及消亡，为防洪减灾提供决策依据。
空气流动动态特性
06
结论与展望
当前研究的局限性和挑战
数据获取与处理
在模拟过程中，数据的获取和处理是一个关键的挑战。由 于环境工程涉及大量的实时数据，如何有效地收集、整理 和分析这些数据是一个难题。
计算资源需求
环境工程仿真模拟通常需要大量的计算资源，包括高性能 计算机和专业软件。这限制了模拟的规模和实时性。
模型精度与适用性
空气流动模拟案例
总结词
空气流动模拟有助于了解污染物扩散和通风性能，优化建筑 设计。
详细描述
通过模拟空气在建筑物内部的流动特性，工程师可以评估建 筑物的通风性能，预测室内污染物浓度分布，为建筑设计提 供依据。这在暖通空调设计、环境评估和工业通风等领域具 有实际应用价值。
土壤污染模拟案例
总结词
土壤污染模拟有助于了解污染物在土壤中的迁移转化规律，为土壤修复和土地利 用提供决策支持。
城市排水系统模拟
基于PLC的海洋环境仿真控制系统(本科生毕业设计论文)
第一章绪论1.1 引言随着世界经济的迅速发展，人类对矿产资源的需求日益增加，资源的开采亦日益加剧，陆地资源正日趋贫化和枯竭，丰富的海底矿产资源将成为人类可持续发展的重要物质基础[1]。
许多国家已经把开发利用海洋资源作为基本国策；许多著名的政治家、经济学家都预言，二十一世纪将是“海洋经济时代”[2]根据国内外科学家多年的勘探和研究表明，占地球表面积约71％的海洋是一个巨大的资源宝库，其矿产资源存储量大大高于陆地的存储量，而且一些新的矿床还不断被发现。
在已发现的深海矿产资源中，对人类生产生活有重大应用价值的主要有多金属结核矿、铁锰结壳矿和海底热液矿等。
其中大洋多金属结核是一种富含锰、铜、钴、镍等多种金属的结核矿，主要分布在世界大洋底部水深3500．6000rn的海底表层，在整个大洋底的储量约为3万亿吨，其中仅太平洋地区就达1．7万亿吨[3]，并且其储量还将以每年100万吨的速度增长。
大洋多金属结核所含的锰、铜、钴、镍等金属的储量分别是陆地相应储量的200，40，129和328倍。
可见，深海的矿产资源不仅储量丰富，且矿产的品位极高，其所含的多种矿产都是人类工业生产和国防等工业的必备资源。
因此，深海底丰富的矿产资源已成为世界瞩目的具有商业开发前景的战略资源，对深海环境的研究也成为世界各国的重要研究课题。
1.2 本课题研究的目的和意义1.2.1海洋环境研究的重要性随着社会的发展和进步以及世界人口的急剧增加，陆地资源正日趋贫化和枯竭。
丰富的海底矿产资源将成为人类可持续发展的重要物质基础，许多国家已经把开发利用海洋资源作为基本国策。
与此同时海洋的鱼类资源、海洋风暴以及海浪等许多的海洋气象都对我们人类的发展有着重要的意义。
图1.1 矿藏丰富的海洋据我国国土资源部发布的《全国矿产资源规划 (2008至2015年)》[4]说，中国经济社会发展对矿产资源的需求持续快速增长，矿产资源保障程度总体不足，中国正成为一个能源消费大国。
环境工程仿真模拟复杂控制系统
城市排水系统控制涉及对降雨、径流、管网等环节的模拟，通过数据分析预测洪涝灾害风险，制定合 理的排水调度方案。同时，对泵站、闸门等设备进行自动化控制，确保排水系统的稳定运行。
05
案例分析
水处理厂的仿真模拟与控制
总结词
水处理厂的仿真模拟与控制是环境工程中重要的应用之一，通过模拟和控制系统，实现对水质的精确控制和优化 处理。
感谢观看
最优控制理论
最优控制问题定义
在满足一定约束条件下，寻找最优控制策略，使得系统性能指标达 到最优。
最优控制问题的求解方法
采用动态规划、极大值原理、变分法等方法求解最优控制问题。
最优控制理论的应用
在环境工程仿真模拟中，最优控制理论可用于优化控制策略，提高 系统性能和效率。
04
环境工程仿真模拟复杂控 制系统的应用
环境工程仿真统模拟复杂控制系
目 录
• 引言 • 环境工程仿真模拟技术 • 复杂控制系统理论 • 环境工程仿真模拟复杂控制系统的应用 • 案例分析 • 结论与展望
01
引言
目的和背景
• 环境工程仿真模拟复杂控制系统 是为了解决环境工程中的复杂问 题而开发的一种技术手段。随着 环境工程领域的不断发展，越来 越多的复杂系统需要得到有效的 控制和管理。为了更好地理解和 优化这些系统，环境工程师们开 始采用仿真模拟技术来模拟和预 测系统的行为。
详细描述
城市空气质量受到多种因素的影响，如工业 排放、交通排放、气象条件等。通过仿真模 拟技术，可以模拟城市空气质量的变化情况 ，预测和控制空气质量。同时，通过控制系 统，可以实现自动化监测和控制，提高城市 空气质量。
城市排水系统的仿真模拟与控制
总结词
城市排水系统的仿真模拟与控制是环境工程中重要的应用之一，通过模拟和控制系统， 实现对城市排水系统的优化和控制。
控制系统建模及仿真综合设计总结
控制系统建模及仿真综合设计总结
控制系统建模及仿真是现代控制理论和工程实践中非常重要的环节。
通过对系统进行建模和仿真，可以实现对系统行为和性能的分析、优化和预测。
以下是控制系统建模及仿真综合设计的总结：
1. 确定系统的目标和需求：系统的目标和需求是建模和仿真的基础，需要明确系统的控制目标、工作条件、输入输出特性等。
2. 收集系统的信息：收集系统的相关信息，包括系统结构、工作原理、参数等。
可以通过文献调研、实验测试等方式获取。
3. 进行系统建模：根据系统的特性和要求，选择合适的建模方法。
常见的建模方法包括状态空间法、传递函数法、仿真模型法等。
根据建模方法，建立系统的数学模型。
4. 进行系统仿真：利用仿真软件，将系统的数学模型转化为计算机可执行的模型，并设计仿真实验。
根据实验设置系统的输入信号，进行仿真计算并得到系统的输出响应。
5. 分析和优化系统性能：对仿真结果进行分析，评估系统的控制性能。
可以利用仿真结果，进行参数调节、控制算法优化等操作，以提升系统的性能。
6. 验证仿真结果：将仿真结果与实际系统的实验结果进行比较，验证仿真模型的准确性和可靠性。
若有差异，可以对仿真模型进行修正和优化。
7. 编写综合设计报告：根据仿真结果和优化方案，编写综合设计报告，包括系统的建模过程、仿真实验的设置、仿真结果的分析和优化方案的描述等。
基于PLC的海洋环境仿真控制系统本科生设计
第一章绪论1.1引言随着世界经济的迅速发展，人类对矿产资源的需求日益增加，资源的开采亦日益加剧，陆地资源正日趋贫化和枯竭，丰富的海底矿产资源将成为人类可持续发展的重要物质基础[1]。
许多国家已经把开发利用海洋资源作为基本国策；许多著名的政治家、经济学家都预言，二十一世纪将是“海洋经济时代”[2] 根据国内外科学家多年的勘探和研究表明，占地球表面积约71％的海洋是一个巨大的资源宝库，其矿产资源存储量大大高于陆地的存储量，而且一些新的矿床还不断被发现。
在已发现的深海矿产资源中，对人类生产生活有重大应用价值的主要有多金属结核矿、铁锰结壳矿和海底热液矿等。
其中大洋多金属结核是一种富含锰、铜、钴、镍等多种金属的结核矿，主要分布在世界大洋底部水深3500．6000rn的海底表层，在整个大洋底的储量约为3万亿吨，其中仅太平洋地区就达1．7万亿吨[3]，并且其储量还将以每年100万吨的速度增长。
大洋多金属结核所含的锰、铜、钴、镍等金属的储量分别是陆地相应储量的200，40，129和328倍。
可见，深海的矿产资源不仅储量丰富，且矿产的品位极高，其所含的多种矿产都是人类工业生产和国防等工业的必备资源。
因此，深海底丰富的矿产资源已成为世界瞩目的具有商业开发前景的战略资源，对深海环境的研究也成为世界各国的重要研究课题。
1.2本课题研究的目的和意义1.2.1海洋环境研究的重要性随着社会的发展和进步以及世界人口的急剧增加，陆地资源正日趋贫化和枯竭。
丰富的海底矿产资源将成为人类可持续发展的重要物质基础，许多国家已经把开发利用海洋资源作为基本国策。
与此同时海洋的鱼类资源、海洋风暴以及海浪等许多的海洋气象都对我们人类的发展有着重要的意义。
图1.1 矿藏丰富的海洋据我国国土资源部发布的《全国矿产资源规划 (2008至2015年)》[4]说，中国经济社会发展对矿产资源的需求持续快速增长，矿产资源保障程度总体不足，中国正成为一个能源消费大国。
环境工程仿真模拟仿真实验
1 S nh rnh X b rb ——微生物反应速率； Yb S nh K nh Snh ——氨氮浓度；
rnh ——氨氮反应速率；
Snh,in、Snh,out ——进、出水氨氮浓度；
Yb ——微生物相对氨氮质量的变化系数；
μ——微生物最大比生长速率。
实验1 简单系统建模仿真
4
要求： 利用MATLAB中simulink工具搭建上述模型，令Snh,in在 时间2时作阶跃变化，变为300，画出： 浓度Xb和Snh在时间0～5内的变化曲线。
实验2 控制系统仿真
6Leabharlann 简单控制系统控制器参数整定
内容及要求： 搭建如下系统，调整PID参数，使输出响应曲线衰减比达 到4:1 ，给出调整后的PID参数和输出响应曲线。
例1.6污泥生长及氨氮的消耗模型
模型参数： Knh ——20；Yb ——0.67；μ——5。 进水条件： V ——1.2；qin≈ qout ——5；Xb,in ——100；Snh,in——400。 初始值： Xb0——350；Snh0——30。
实验1 简单系统建模仿真
5
例1.6污泥生长及氨氮的消耗模型
搭建如下的系统并判断各开关的位置使得分别实现搭建如下的系统并判断各开关的位置使得分别实现静态前馈静态前馈动态前馈动态前馈反馈反馈动态前馈动态前馈反馈反馈控制并比控制并比较相应的输出响应曲线
1
环境工程仿真与控制 仿真实验
实验1 简单系统建模仿真
2
例1.6污泥生长及氨氮的消耗模型
式中： Xb ——微生物浓度； V ——反应器体积； qin、 qout ——进、出水水量 ； Xb,in 、Xb,,out ——进、出水微生物浓度；
环境工程仿真模拟智能控制
跨学科合作
环境工程仿真模拟智能控制涉及到多个学科领域，如计算机科学、数 学、物理学等，加强跨学科合作是未来发展的重要方向。
05
环境工程仿真模拟智能控制的案 例研究
案例一：某城市污水处理厂的智能控制系统
THANKS
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技术发展
近年来，随着计算机技术的不断 进步，环境工程仿真模拟技术也 在不断发展，出现了许多新的模 拟方法和软件。
未来展望
未来，随着计算机技术的进一步 发展，环境工程仿真模拟技术将 更加成熟和智能化，能够更好地 服务于环境工程领域。
02
环境工程智能控制技术
智能控制系统的基本组成
传感器
控制器
用于检测被控对象的参数变化，并将检测 到的信息转换为电信号或数字信号传输给 控制器。
法律法规
环境工程仿真模拟智能控制需要遵守相关的法律法规，如何合理合规地应用技术也是一个社会挑战。
解决方案与未来发展方向
技术创新
通过技术创新提高数据处理效率、模型精度和实时性，是解决技术挑 战的有效途径。
成本控制
通过优化算法、减少计算量等方法降低成本，提高经济效益，是解决 经济挑战的关键。
公众教育和法律法规完善
针对大气污染控制的需求，该智能优化算法 能够快速响应并进行精准调控。通过实时监 测和数据分析，智能优化算法能够自动调整 污染控制设备的运行参数，有效减少污染物
排放，提高大气质量。
案例四：固体废弃物处理的仿真模拟研究
要点一
总结词
要点二
详细描述
资源化利用、降低能耗、环境友好
该仿真模拟研究通过建立固体废弃物处理的数学模型和智 能算法，实现了对固体废弃物处理的资源化利用和环境友 好。通过智能控制系统的优化调度，有效降低了处理能耗 和资源消耗，提高了废弃物处理效率和资源回收率。同时 ，该研究还考虑了环境影响和可持续发展的需求，为固体 废弃物处理提供了更加环保和可持续的解决方案。
控制工程基础-控制系统的计算机仿真
计算机仿真在电子工程中用于模拟电路系 统和数字系统的行为，进行电路设计和优 化。
04 控制系统的计算机仿真
控制系统的数学模型
线性时不变系统
描述系统的动态行为，通过微分方程、差分方程等数学表达式表 示。
传递函数
描述系统输入与输出之间的关系，通过传递函数进行描述。
状态空间模型
描述系统的动态行为，通过状态方程和输统
开环控制系统是指系统中没有反馈回路的系统，输入信号 直接作用于受控对象，输出信号与输入信号之间的关系是 固定的。
线性控制系统
线性控制系统是指系统中各元件之间的关系可以用线性方 程描述的系统。
闭环控制系统
闭环控制系统是指系统中具有反馈回路的系统，输出信号 通过反馈回路回到输入端，控制器根据反馈信号调整输入 信号，以实现控制目标。
03
计算机资源的限制
大规模的控制系统仿真可能需要 较高的计算机资源，如内存和计 算能力。
未来发展方向与展望
混合仿真
结合物理实验和计算机仿真，以提高仿真的 准确性和可信度。
多尺度仿真
考虑系统不同尺度的特性和行为，以更全面 地模拟和控制复杂系统。
高性能计算
利用高性能计算机和并行计算技术，提高大 规模控制系统的仿真效率。
智能化仿真
结合人工智能和机器学习技术，实现自适应 和智能化的仿真和控制。
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多输入多输出系统仿真
总结词
多输入多输出系统是指具有多个输入信号和多个输出信号的控制系统。
详细描述
多输入多输出系统在工业控制中应用广泛，如机器人、飞行器等。通过计算机仿真，可以模拟系统的动态行为， 分析系统的稳定性和性能，优化控制策略。
分析复杂控制系统(化工仪表与自动控制课件)
主要适用于主流量干扰频繁、工艺上不允许负荷有较 大波动或工艺上经常需要提降负荷的场合。
一
情景导入
课
程
二
课程内容
内
容
三
课程总结
3.课程总结
1.比值控制系统的定义。 2.开环比值控制系统。 3.单闭环比值控制系统。 4.双闭环比值控制系统。
三
实际应用
实际应用1:串级控制系统中副回路的确定
1.主副变量间应有一定的内在联系 一类情况是选择与主变量有一定关系的某一中间变
量作为副变量。如前面讲过的管式加热炉的例子。 另一类选择的副变量就是操纵变量本身,这样能及时
克服它的波动,减小对主变量的影响。见下例。
例：
通过这套串级控制系统，能 够在塔釜温度稳定不变时，蒸汽 流量能保持恒定值，而当温度在 外来干扰作用下偏离给定值时， 又要求蒸汽流量能作相应的变化， 以使能量的需要与供给之间得到 平衡，从而保持釜温在要求的数 值上。
3.干扰同时作用于副回路和主对象 (1)在干扰作用下，主、副变量的变化方向相同 燃料油热值 θ2 e2 p 阀开度 原料油流量 θ1 e1 p 阀开度 (2)在干扰作用下，主、副变量的变化方向相反 燃料油热值 θ2 e2 p 阀开度 原料油流量 θ1 e1 p 阀开度
一
基本原理
课
程
二
主要结构
内
容
1.课程导入
阀2
阀1 图1 前后精馏塔的供求关系
一
情景导入
课
程
二
课程内容
安
排
三
课程总结
一
均匀控制原理
课
程
二
简单均匀控制
环境工程仿真模拟智能控制讲义
网络的构建 y=f(x)
x1
y1
x2
y2
……
…
…
xn
ym
环境工程仿真模拟智能控 制
第五章 智能控制
5.1 神经网络
网络的拓扑结构 前向型
反馈型 环境工程仿真模拟智能控 制
第五章 智能控制
5.1 神经网络
激活函数 阶跃函数 f (x) 10,,xx00 线性函数 f(x)axb
f(x)
Sigmoid函数 f (x)11ex
第五章 智能控制
5.1 神经网络
神经网络自适应控制
参考模型 ym
yr
神经网络 u
被控对象
y
环境工程仿真模拟智能控 制
第五章 智能控制
5.1 神经网络
神经网络内模控制
yr
神经网络 u 控制器
对象
y
神经网络
模型
环境工程仿真模拟智能控 制
第五章 智能控制
5.2 模糊控制
模糊集合的概念 为了解决真实世界中普遍存在 的模糊现象而发展的一门学问， 用数学模型来描述语意式的模 糊信息。
A(x3)B(y1) A(x3)B(y2) A(x3)B(y3) A(x3)B(y4)
0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.3 0.4 0.4
0.2 0.3 0.5 0.6
环境工程仿真模拟智能控 制
第五章 智能控制
5.2 模糊控制
模糊控制器的设计
模糊控制器
知识 库
+ -
精
模
确 值
模
糊 值
计算e和e 糊
权值已定输入输出实际数据5151神经网络神经网络输出层隐藏层输入层5151神经网络神经网络bpbpbackbackpropagationnetworkpropagationnetwork5151神经网络神经网络bpbp线性组合激活函数线性组合激活函数前向计算反向传播5151神经网络神经网络bpbp5151神经网络神经网络bpbp115151神经网络神经网络bpbp22335151神经网络神经网络bpbp440010800108555151神经网络神经网络进水出水废弃污泥回流污泥nd3xbh3xba3x3xnd5151神经网络神经网络废水氨氮浓度snh废水可溶性可降解有机氮snd废水停留时间time1达稳态时间稳态缓慢降解有机碳浓度5151神经网络神经网络11iawprciawprc225151神经网络神经网络33556633445151神经网络神经网络55trainbpxtrainbpx665151神经网络神经网络进水ss对出水达新稳态所需时间的影响0204060812052205680614065907050750795084108860932进水ss220mgcodl进水ss对出水xs的影响04050607080911052205680614065907050750795084108960931进水ss220mgcodl进水xs对出水达新稳态所需时间的影响0102030405060708090779080208260849087208950919094209650988进水xs430mgcodl进水xs对出水xs的影响02040608120779080208260849087208950919094209650988进水xs430mgcodl5151神经网络神经网络神经网络控制器被控对象5151神经网络神经网络参考模型被控对象神经网络5151神经网络神经网络神经网络控制器对象神经网络模型5252模糊控制模糊控制5252模糊控制模糊控制公分高的程度180160fuzzyfuzzy公分高的程度180crispcrisp5252模糊控制模糊控制20200818082208180822061707180819120092107220623061707180819120092107220623隶属度01集合元素5252模糊控制模糊控制隶属度函数论域5252模糊控制模糊控制5252模糊控制模糊控制03b04a06b07a
第二章环境工程仿真与控制(详细介绍“过程”共127张)
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，共127页。
（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，共127页。
• 公式2-6的解释 p145
第21页，共127页。
图2-8的解释，p146
第22页，共127页。
p146
• 提问：为什么图2-8的（b）图中有一条垂 直线？
第23页，共127页。
第24页，共127页。
图2-9 2-10的解释，p147
第25页，共127页。
提问：
• 曝气池的溶解氧浓度与那些因素有关?
号的意思。 （见图2-54）。
第55页，共127页。
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，共127页。
第四节 可编程逻辑控制器
• 可编程逻辑控制器(programmable logic controler,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。
第10页，共127页。
二、非线性系统的线性化 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。 第113页，共127页。 第102页，共127页。 第51页，共127页。 第98页，共127页。 第一节 输入-输出模型 第36页，共127页。 从过程的线性微分方程或状态变量模型比较方便地得到该过程的输入-输出模型，以实现过程控制或动态分析。 第62页，共127页。 第五节 反馈控制过程动态响应 补充： K85为A/D， K86为D/A， K87为取绝对值 （2）掌握PLC梯形图符号的含义 到T1时偏差变小，到T2时偏差为0。 第75页，共127页。
环境工程仿真模拟第四章复杂控制系统
“超驰控制”
override control
TC u1
LC < TY u2
控制阀
60
第四章 复杂控制系统
4.6 选择控制系统
选择器位于两个控制器和一个 执行器之间
“超驰控制”
override control
适用情况 1）扰动变量可测不可控； 2）扰动变化频繁，幅度变化大； 3）扰动变量对被控变量影响大。
29
第四章 复杂控制系统
4.2 前馈控制系统
比较
被测变量
反馈控制 被控变量
前馈控制 扰动量
控制器输入
偏差
被测的扰动量
控制规律的实现
可精确控制
有时只能近似
控制回路
闭环
开环
克服干扰
可克服多个干扰
克服特定干扰
进厌氧反应器的废 水温度串级控制
13
第四章 复杂控制系统
4.1 串级控制系统
应用实例 纯滞后时间较大的过程（物料浸 取过程）：
浸取过程网前箱温度串级控制
14
第四章 复杂控制系统
4.1应串用级实控制例系统 扰动幅度大且变化大的过程（石 灰石-石膏湿法脱硫）：
WC
WT
DC DT
主被控变量D（浆液密 度）
1
环境工程仿真与控制 第四章 复杂控制系统
2
第四章 复杂控制系统
单回路控制系统 简单控制系统，最基本、最广 泛
复杂控制系统 串级、比值、前馈、均匀、分 程、选择控制等
3
第四章 复杂控制系统
4.1 串级控制系统
结构与原理 由两个或两个以上的控制器串
联连接组成，一个控制器的输 出作为另一个控制器的设定值。
第二章环境工程仿真与控制(分析“过程”文档)共127张PPT
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。
第一节 基本概念
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。
二、积分控制
成负偏差。此时，积分控制开
始反向，阀门开起度开始变小，
到U2达点T以3时下阀。门开启度才降到
• 从制t器0*到输T出3时超，过积纠分正控输制入使控偏 差需要的输出值。这就称 为积分饱和。
防止积分饱和的方法：p145
• 限幅，使其不超过规定的最大或最小 值。
• 积分作用的输出ΔUI（t）,使其不超过 规定的最大或最小值。
• 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
（二）流量检测
• （2）电磁流量计，见图2-29，p166
（二）流量检测
• （3）蜗轮流量计，见图2-30，p167
（三）液位检测
• （1）浮子式液位检测，见图2-31，p167
（三）液位检测
• 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。
图2-13 p153
环境工程仿真
环境工程仿真摘要：系统仿真是第二次世界大战后发展起来的一门新技术, 目前已广泛应用于工程与非工程的不同领域, 它与航天技术的关系尤为密切。
本文阐明卫星控制系统仿真在卫星研制中的地位, 并叙述卫星仿真的几种级别数学仿真、半物理仿真和全物理仿真的方法、特点、作用及其基本设备。
关键词：数学仿真丰物理仿真全物理仿真太阳模拟器地球模拟器星模拟器仿真计算机气浮台1，前言仿真环境是一种逐步工作的环境.它包括确定仿真目标,建立系统模型, 建立适 于仿真系统实现的仿真模型、仿真模型校验、仿真实验运行,结果分析、系统模型 校验、再反馈修改模型或实验后再运行.。
仿真（Simulation），即使用项目模拟将待定于某一具体层次的不确定性转化为它们对目标的影响，该影响是在项目仿真项目整体的层次上表示的。
该项目仿真利用计算机模型和某一具体层次的风险险估计，一般采用蒙特卡洛法进行仿真。
在卫星控制系统研制过程中, 仿真是一个不可缺少的环节。
从方案设计, 系统验收到卫星在轨道运行时的故障对策, 无不需要应用仿真的手段。
系统仿真在卫星研制过程中的地位如图所示。
仿真的基础是模型。
模型通常可以分成两种类型。
一类是数学模型, 完全用数学语言来描述系统的行为特性, 并用计算机进行仿真。
另一类是物理模型, 用与系统相似或等价的实物来接入回路进行仿真试验。
在卫星控制系统仿真中, 根据所介人模型的不同, 分为数学仿真、半物理仿真和全物理仿真。
2.仿真分类2.1.数学仿真卫星控制系统数学仿真通常与计算机控制系统辅助分析相结合, 完成卫星轨道动力学和刚体、挠性体、多体卫星姿态动力学的时域仿真及控制系统的稳定性分析。
已有专门的软件包完成上述工作, 并可与国际通用的控制设计软件包MATLAB 和有限元分析软件包NASTRAN接口。
卫星数学仿真软件主要包括下列功能·空间环境模型仿真包括地球重力场、磁场、空气动力、太阳辐射压力, 日一月一地摄动等。
4《大气污染控制工程》教案-第四章
第四章 大气扩散浓度估算模式第一节 湍流扩散的基本理论一、湍流概念简介大气的无规则运动称为大气湍流。
风速的脉动（或涨落）和风向的摆动就是湍流作用的结果。
按照湍流形成原因可分为两种湍流：一是由于垂直方向温度分布不均匀引起的热力湍流，其强度主要取决于大气稳定度；二是由于垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度引起的机械湍流，其强度主要取决于风速梯度和地面粗糙度。
实际的湍流是上述两种湍流叠加的结果。
湍流有极强的扩散能力，比分子扩散快105～106倍。
但在风场运动的主风方向上，由于平均风速比脉动风速大的多，所以在主风方向上风的平流输送作用是主要的。
归结起来，风速越大，湍流越强，大气污染物的扩散速度越快，污染物的浓度就越低。
风和湍流是决定污染物在大气中扩散稀释的最直接最本质的因素，其他一切气象因素都是通过风和湍流的作用来影响扩散稀释的。
二、湍流扩散理论简介大气扩散的基本问题，是研究湍流与烟流传播和物质浓度衰减的关系问题。
目前处理这类问题有三种广泛应用的理论：梯度输送理论、湍流统计理论和相似理论。
1.梯度输送理论梯度输送理论是通过与菲克扩散理论的类比而建立起来的。
菲克认为分子扩散的规律与傅立叶提出的固体中的热传导的规律类似，皆可用相同的数学方程式描述。
湍流梯度输送理论进一步假定，由大气湍流引起的某物质的扩散，类似于分子扩散，并可用同样的分子扩散方程描述。
为了求得各种条件下某污染物的时、空分布，必须对分子扩散方程在进行扩散的大气湍流场的边界条件下求解。
然而由于边界条件往往很复杂，不能求出严格的分析解，只能是在持定的条件下求出近似解，再根据实际情况进行修正。
2．湍流统计理论泰勒首先应用统计学方法研究湍流扩散问题，并于1921年提出了著名的泰勒公式。
图4-1是从污染源放心的粒子，在风沿着x方向吹的湍流大气中的扩散情况。
假定大气湍流场是均匀、稳定的。
从原点放出的一个粒子的位置用y表示，则y随时间而变化，但其平均值为零。
如果从原点放出很多粒子，则在x轴上粒子的浓度最高，浓度分布以x轴为对称轴，并符合正态分布。
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•第四章 复杂控制系统
4.2 前馈控制系统
结构与原理
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前馈—反馈（闭环）
环境工程仿真模拟第四章复杂控制系 统
•第四章 复杂控制系统
4.2 前馈控制系统
仿真与分析
•蒸汽 •物料
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•物料
•蒸汽
环境工程仿真模拟第四章复杂控制系 统
•第四章 复杂控制系统
4.2 前馈控制系统
4.2 前馈控制系统
结构与原理
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环境工程仿真模拟第四章复杂控制系 统
•第四章 复杂控制系统
4.2 前馈控制系统
结构与原理
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环境工程仿真模拟第四章复杂控制系 统
•第四章 复杂控制系统
4.2 前馈控制系统
结构与原理
前馈： （开环）
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环境工程仿真模拟第四章复杂控制系 统
理）：
•主被控变量T1（去反 应器温度）
•副被控变量T2（热水 仓温度）
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•进厌氧反应器的 废水温度串级控制
环境工程仿真模拟第四章复杂控制系 统
•第四章 复杂控制系统
4.1 串级控制系统
应用实例 纯滞后时间较大的过程（物料浸取 过程）：
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•浸取过程网前箱温度串级控制 环境工程仿真模拟第四章复杂控制系 统
•第四章 复杂控制系统
4.1 串级控制系统
结构与原理
•进料负荷 扰动时？
•加热炉出口温度
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环境工程仿真模拟第四章复杂控制系 统
•第四章 复杂控制系统
4.1 串级控制系统
结构与原理
•进料负荷 扰动时？ •燃料气压 力扰动时？
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•被控变量——加 热炉出口温度
环境工程仿真模拟第四章复杂控制系 统
4.5 分程控制系统
工业废液PH值分程控制
根据负反馈的要求，选择控制
器的正反作用方式：
小加碱阀V1开大，PH上升，对
象Kp1为正，阀V2同上；
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控制器选反作用；
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•第四章 复杂控制系统
4.5 分程控制系统
工业废液PH值分程控制 确定分程控制类型： PH高，控制器测量值大，反作 用控制器输出小，应关小阀V1；
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环境工程仿真模拟第四章复杂控制系 统
•第四章 复杂控制系统
4.3 比值控制系统
结构与原理 控制两个物料比值的控制系统； 一个物料流量（从动量）跟随 另一各物料流量（主动量）变 化。
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•第四章 复杂控制系统
4.3 比值控制系统
环境工程仿真模拟第四章复杂控制系 统
•第四章 复杂控制系统
4.4 均匀控制系统
特点 3）控制目标：流量平稳或缓慢 变化；在最大干扰下，液位仍在 工艺操作允许范围内波动； 4）参数整定原则：P大，I大。
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•第四章 复杂控制系统
4.5 分程控制系统
•第四章 复杂控制系统
4.1 串级控制系统
特点 4）能迅速克服进入副回路干扰 的影响，在设计串级控制系统 时，应使主要扰动进入副回路， 使尽量多的扰动进入副回路。
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环境工程仿真模拟第四章复杂控制系 统
•第四章 复杂控制系统
4.1 串级控制系统
应用实例
时间常数较大的过程（污水厌氧处
适用情况 1）扰动变量可测不可控； 2）扰动变化频繁，幅度变化大； 3）扰动变量对被控变量影响大。
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环境工程仿真模拟第四章复杂控制系 统
•第四章 复杂控制系统
4.2 前馈控制系统
比较
被测变量
反馈控制 被控变量
前馈控制 扰动量
控制器输入
偏差
被测的扰动量
控制规律的实现
可精确控制
有时只能近似
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环境工程仿真模拟第四章复杂控制系 统
•第四章 复杂控制系统
4.1 串级控制系统
结构与原理 由两个或两个以上的控制器串
联连接组成，一个控制器的输 出作为另一个控制器的设定值。
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•第四章 复杂控制系统
4.1 串级控制系统
结构与原理
•被控变量——加 热炉出口温度
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•燃料气压 力扰动时？
环境工程仿真模拟第四章复杂控制系 统
结构与原理
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开环比值控制系统
环境工程仿真模拟第四章复杂控制系 统
•第四章 复杂控制系统
4.3 比值控制系统
结构与原理
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单闭环比值控制系统
环境工程仿真模拟第四章复杂控制系 统
•第四章 复杂控制系统
4.3 比值控制系统
结构与原理
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双闭环比值控制系统 （变比值控制系统）
环境工程仿真模拟第四 章复杂控制系统
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2020/11/23
环境工程仿真模拟第四章复杂控制系 统
•第四章 复杂控制系统
单回路控制系统
简单控制系统，最基本、最广
泛 复杂控制系统
串级、比值、前馈、均匀、分
程、选择控制等
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环境工程仿真模拟第四章复杂控制系 统
•第四章 复杂控制系统
统
•第四章 复杂控制系统
4.2 前馈控制系统
应用实例——温度控制（连续消 毒塔温度）
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•主被控变量（消毒塔出口 温度） •前馈（蒸汽压力）
•连续消毒塔温度 前馈－反馈控制系 统示意图
环境工程仿真模拟第四章复杂控制系 统
•第四章 复杂控制系统
4.2 前馈控制系统
原油污水处理装置污水浓度前 馈—串级反馈控制
结构与原理 一个控制器的输出同时送往两 个或两个以上的执行器，各执 行器的工作范围不同。
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•第四章 复杂控制系统
4.5 分程控制系统
分程控制的目的 （1）不同工况需要不同的控制 手段； （2）扩大控制阀的可调范围。
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•国产控制阀的可调比R=30；
•第四章 复杂控制系统
应4.用1 串实级例控制系统
扰动幅度大且变化大的过程（石
灰石-石膏湿法脱硫）：
•主被控变量D（浆液密 度）
•副被控变量W（给料机 速率）
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•石灰石浆液密度串
级控制系统 环境工程仿真模拟第四章复杂控制系
统
•第四章 复杂控制系统
4.1 串级控制系统
应用实例
参数互相关联的过程（精馏塔温
•第四章 复杂控制系统
4.1 串级控制系统
结构与原理
•主控制器
•副控制器
•副被控变 •主被控变
量
量
•主控制回 路
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•副控制回 路
•副被控对 •主被控对
象
象
环境工程仿真模拟第四章复杂控制系
统
•第四章 复杂控制系统
4.1 串级控制系统
仿真与分析
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环境工程仿真模拟第四章复杂控制系 统
•第四章 复杂控制系统
4.4 均匀控制系统
控制效果比较 单纯的液位控制 单纯的流量控制 均匀控制
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环境工程仿真模拟第四章复杂控制系 统
•第四章 复杂控制系统
4.4 均匀控制系统
特点 1）用一个控制器使两个被控变 量都得到控制； 2）通过控制器参数合理整定实 现均匀的目的；
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•小阀C小MAX=4，则C小MIN=4/30=0.133， •大阀C大MAX=100，则C大MIN=100/30=3.33； •两阀合用，CMIN=0.133，CMAX=104，因此，可环境调工比程仿R真’=模1拟0第4/四0.章1复33杂=控7制80系。
统
•第四章 复杂控制系统
4.5 分程控制系统
度）：
•主被控变量T1（塔中温 度）
•副被控变量T2（塔顶温 度）
•塔顶温度和塔中温 度的串级控制
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环境工程仿真模拟第四章复杂控制系 统
•第四章 复杂控制系统
4.1 串级控制系统
主、副控制器的选择 主控制器：PI或PID； 副控制器：P或PI。 主控制器要采用PI，才能保证 系统无余差。
断副控制器的正反作用；
2）将副回路看作1：1环节，根
据主回路负反馈原则，判断主
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控制器的正反作用。
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•第四章 复杂控制系统
4.1 串级控制系统
主、副控制器正反作用的选择
1）根据副回路负反馈原则，判
断副控制器的正反作用；
2）将副回路看作1：1环节，根
•第四章 复杂控制系统
4.4 均匀控制系统
单回路控制 控制器选用较大比例度，较大 的积分时间，使液位和流量均 缓慢无振荡变化。
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•第四章 复杂控制系统
4.4 均匀控制系统
串级均匀控制 主控：较大比例度，较大的积 分时间。
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溶解氧DO浓度和鼓风机风量串 级控制
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•第四章 复杂控制系统
4.2 前馈控制系统
结构与原理 反馈：只有出现偏差时才进行 调节； 前馈：在偏差还未出现之前把 扰动的影响消除。