液位和流量之差作为设定值
均匀控制系统液位和流量变化过程
3）比值控制系统 控制两个变量的比值，通常为两个流量
单闭环比值控制系统：只有一个控制回路：随动系统和比值系统
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
输入量是按预定规律随时间变化的函数，要求被控量迅速 准确地加以复现。 自动生产流水线； 时间控制的滤池冲洗过程：
（9）简单控制系统 单输入单输出SISO控制系统 温度变化：
流量变化、入口温度、 蒸气温度、蒸气压力
对控制器： 单输入温度信号； 单输出控制阀开度
温度控制系统
（10）复杂控制系统
1）串级控制系统
反馈控制系统实例
（2）开环控制系统－按给定值控制：受控对象是被控量，但 控制装置仅接受给定值，信号只有倾向作用，无反向联系。
开环控制系统方块图
（2）开环控制系统－按干扰补偿（前馈控制）：直接根据扰 动进行工作，扰动是控制的依据，没有被控量的反馈，不构成 闭合环路，属开环控制，优点是能针对扰动迅速改变被控量。
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
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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。
图形符号：测量点、连接线、仪表符号
就地仪表盘面安装 仪表就地安装
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。 如：LDRC－0103
简单控制系统、复杂控制系统、智能控制系统等
（1）闭环控制（反馈控制）系统
据被控量与给定值的偏差进行控制，最终达到消除或减少偏差， 反馈控制系统的优点是能缩小或消除偏差，无论偏差的根源何在， 他们都可以工作，具有普遍的适应性。缺点是比较被动。
反馈控制系统方块图
给水处理系统中的滤后加氯系统，对余氯量控制要求高，通常 采用反馈控制或复合环路控制。
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
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。
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
（7）随动控制系统 输入量是预先未知的随时间任意变化的函数，要求被控量 以尽可能小的误差跟随给定量的变化，又称跟踪系统。
研究被控量跟随的快速性和准确性。 如：自来水厂加药量控制数学模型：苏州胥江水厂加药数学模型
Y=Qy
（8）程序控制系统
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。
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
常用4-20mA，负载小于600欧
DO：2-3mg/L 风压：65 kPa 沉淀出水: 10 NTU …......
设定值x：设定工艺参数的预期值，或期望值
效数学工具。
通常只限于考虑： ①系统是否稳定； ②系统是否产生自激振荡及其振幅和频率的测算方法； ③如何限制自激振荡的幅值以至消除它。
（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；
反馈控制系统实例
曝气池DO控制：DO调节曝气阀，阀门开度影响总管压力，总 管压力调节鼓风机导叶片：
旁通消音器
旁通阀 过滤器 进风消音器 鼓风机 空气总管 调节阀
生化处理系统 曝气扩散装置
进口导叶片调节
出口导叶片调节 压力 DO
鼓风机控制系统
高速单级鼓风机曝气系统的组成
呼吸速率反馈控制：直接控制曝气流量； 呼吸速率串级反馈控制：改变DO控制的设定值。
5 自动控制系统分类
信息传递特点： 闭环控制、开环控制、复合环路控制 按系统性能： 线性系统与非线性系统，定常系统与时变系统、确定性系统与不确定 性系统 输入量的形式：
恒值控制系统、随动控制系统、程序控制系统
元件类型： 机械系统、电气系统、液压系统、气动系统等
系统功能：
温度控制系统、压力控制系统、位置控制系统等 简单复杂程度：
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
线性系统的状态变量(或输出变量)与输入变量间的因果关系可用一组线性
微分方程或差分方程来描述，这种方程称为系统的数学模型，状态变量和 输出变量对于所有可能的输入变量和初始状态都满足叠加原理的系统。
作为叠加性质的直接结果，线性系统的一个重要性质是系统的响应可以
分解为两个部分：状态响应和输入响应，前者指由非零初始状态所引起的 响应；后者则指由输入引起的响应。两者可分别计算。这一性质为线性系
水工业自动化面临的挑战：
我国各行业自动化水平比发达国家晚20-30年，
水工业自动化比其它行业还要落后10年；
引进的昂贵仪表和先进技术不知如何发挥作用?
水工业的综合自动化的核心是什么？ 我们需要建立怎样的自动控制系统？
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： 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：
1960’s
现代控制 理论 （来自数 学家）
航空、航天、军事
工业发展 军事发展 简单－复杂－多变 量 深度广度扩展 广泛的商用
1970’s
1970’s以后
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
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 剩余污泥 A2/O 反应池 鼓风机房 UV 消毒 排放
(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。
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
统的分析和研究带来很大方便。
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。
了解扰动特性 消除扰动效应
前馈控制系统 方块图
给水处理系统中的预加氯系统，对余氯量要求不高，通常采用 前馈控制。
前馈控制系统实例
（3）复合环路控制系统 反馈控制系统中加入扰动前馈控制。
复合环路控制系统方块图
复合环路控制系统中典型的应用：
复合环路控制系统实例
（4）线性控制系统（linear control systems）
控制器相串联，一个控制器的输出作为另一控制器的设定值
串级控制系统
1）串级控制系统
串级控制系统框图
串级控制系统框图
2）均匀控制系统 兼顾两个控制变量的系统，如液位和流量，流量和温度等
单液位或单流量控制系统
单液位或单流量控制时液位流量变化
2）均匀控制系统
积分液位控制
液位对流量串级控制 均匀控制三种方案
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。
磁场（萌芽）
传统机械原理 微分方程解析 频域法（频响法） 根轨迹法 复杂微分方程解 析 极小值理论 动态规划 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