仪表控制PPT.docx
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仪表控制PPT
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第一章自动控制基础知识
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
1.1自动控制的概念和构成
1.1.1什么是自动控制？
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。
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）十二世纪航海交通磁场（萌芽）指南针、指南车
1756年工业革命、工业应用传统机械原理蒸汽机
1930’s系统稳定性微分方程解析基地式大尺寸仪表
经典控制理论
（来自工程界）1940’s需要的领域在拓宽频域法、根轨迹法小型化仪表
1950’s工业发展需要复杂控制系统复杂微分方程解析单元组合仪表
现代控制理论
（来自数学家）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
1970’s工业发展、军事发展、简单-复杂-多变量智能控制理论最优化控制微处理器、单片机、PLC、DCS
1970’s以后深度广度拓展广泛的商用智能控制理论、检测、控制管理相结合高精度仪表、高度集成芯片
自动控制系统方框图
为了表示控制系统的组成，以及各组成部分信号传递的关系，常用方框图表示
方框图特点：
系统容易组成和识别；连线表示信息流，不表示具体实物和介质流；形象直观，容易体现系统因果关系。
自动控制系统方框图
自动控制系统方框图
自动控制系统的组成
（1）测量元件：
检测被控量的大小
（2）整定元件：
设定被控变量的值
（3）比较元件：
得到给定值与被控量之间的误差
（4）放大元件：
误差信号放大，驱动执行机构
（5）执行元件：
执行控制指令，影响被控对象
（6）校正元件：
改善系统的动、静态性能
（7）能量元件：
提供控制系统需要的能量
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
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
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：
⑴直接感受被测参数变化的装置：
①膜电极反应②电磁感应③光感量变化④超声波感应接受⑤电动势⑥位移⑵将感应信号变为标准信号的元件或装置
测量值z：
变送器的输出值；①电流信号：
4-20mA,0-10m②气压信号：
20-100kPa③电压信号：
0-5V,0-10V,-5-+5V
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
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
1.1.3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：
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。
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。
（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
（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。
（3）复合环路控制系统
反馈控制系统中加入扰动前馈控制。
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
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
智能控制系统
智能控制系统有多种分类：
如：
模糊逻辑控制、模糊预测控制、神经网络控制、专家
控制系统、自学习功能控制系统等
微分方程表述控制环节，复杂且求解麻烦，常用拉氏变换来
简化数学过程。
拉氏变换：
微分积分函数转化为代数幂函数；
将微分方程转化为代数方程。
拉氏变换：
拉氏反变换：
1.3自动控制系统的过渡过程及品质指标
1.3.1典型输入信号
系统本身的结构和参数是相对固定的，响应与输入信号及干扰有关；
初始状态和干扰复杂多变；
典型化处理：
零初始状态、典型输入信号
1.3.2自动控制系统的静态和动态
静态：
输入恒定，不改变设定值也没有干扰，控制系统暂不动作，被控参数呈一条直线。
静态过程是暂时的、相对的、有条件的。
动态：
干扰不断产生，静态随时被打破，系统各环节都处于动作状态，不断克服干扰。
研究控制系统，就是要研究系统的动态过程。
1.3.3自动控制系统的过渡过程
（1）单调过程（自衡非振荡过程）
自衡：
过程能自发地趋向稳态值的性质
自衡非振荡：
阶跃变化下，被控变量不经振荡，逐步向新的稳态值靠拢。
（2）非周期发散过程（无自衡非振荡过程）
阶跃变化下，被控变量一直上升或下降，直到极限值。
实际工程中难以控制
（3）衰减振荡过程（有自衡振荡过程）
阶跃变化下，被控变量上下振荡，最后能趋于新的稳态值。
这类过程较为常见。
（4）等幅振荡过程（临界状态）
被控变量在给定值附近来回波动，最后不能回到给定值，也不发散。
（5）发散振荡过程
被控变量来回波动，振幅逐渐增大，偏移给定值越来越大。
1.4.5控制方式的选择
控制方式选择影响因素：
对象特性，负荷变化情况，控制质量要求，经济性，投运方便等因素决定。
选择原则：
1）控制通道时间常数小，负荷变化不大，工艺要求不高，可选用比例控制方式，否则应选用比例积分控制方式；
2）容量滞后大时，采用微分控制方式；
3）通道时间常数小而负荷变化较大时，可采用反微分作用；
4）对象滞后小或噪声严重时，应避免微分作用；
5）通道时间长，负荷变化大时，选择复杂控制方式；
6）一阶滞后模型根据滞后时间与时间常数比值选择适当控制方式。
第二章自动化仪表与设备
给排水自动化仪表与设备
给排水常用仪表与设备:
1）参数检测仪表：
各种水质参数，过程参数，量的参数等
2）过程控制仪表：
各种控制器，包括单元组合仪表
3）执行设备：
计量泵、水泵、调节阀、变频器等
4）机电设备器件：
继电器、接触器等
2.1检测技术基础
检测就是为了定性了解和定量掌握被测对象所包含信息所采取的一系列技术措施。
检测技术：
信息的获取、转换、显示、处理
2.1.1仪表设置目的
提高污水处理系统的稳定性、可靠性与处理效率
水处理工程的节能降耗
改善操作环境，减轻劳动强度
提高出水品质
2.1.2检测信号的获取
测量性能与测量误差
传感器和变送器的作用是把工艺过程的参数，检测出来转换成标准信号送往显示仪表和控制器，把变量的值显示或纪录下来。
对检测仪表的基本要求：
可靠、正确、迅速地反应被测变量
所处环境条件下正常长期工作；
误差不超过规定的界限；
动态响应是否比较迅速。
在所处环境条件下能否正常长期工作？
仪表的材料、检测方法等不断在改进：
腐蚀性、含颗粒介质使用隔膜等非接触性方法，如酸、碱、絮
凝剂等流量测量采用防腐内衬，氯气隔膜压力测量；
高温测温材料：
Pt电极，Rh电极等；
DO仪的金属膜电极的使用；防爆型仪表等
仪表性能是否满足要求？
测量误差
由仪表读得的测量值与被测量真值之间存在的差距。
绝对误差：
测量值与被测变量真值之间的差额：
?
?
?
xi?
?
xt
?
?
?
x?
?
x0
相对误差：
绝对误差与标准值之比
测量误差组成：
仪表本身误差：
应知道仪表的精确程度，以估计测量值的误差
仪表的精度不仅与绝对误差有关，还与仪表的测量范围有关，工业上常用相对百分误差表示
量程选择：
温度：
正常使用温度为量程的50~70%，最高测量值不超过90％，接头规格1/2”NPT
压力：
正常操作压力为仪表量程的1/3~2/3,压力波动较大时1/3~1/2.用表头时100mm，接头规格1/2”NPT
流量：
正常流量为仪表量程50-70%，最大不超过90%，最小不超过10%
变送器：
两线制或四线制，输出4-20mA,或叠加4-20mA，220VAC或24VDC供电，负载阻抗不低于600欧姆。
环境条件引起的误差：
孔板的安装误差，流速及流体性质变化，电源电压变化，环境温度等。
确定的可设法补偿，随机的无法消除
测量中的动态误差：
仪表响应跟不上被测参数变化，差别就表现为动态误差。
反应时间的长短有不同的表示方法，一般为稳态值的95%
变差
测量范围正反行程测量时被测值正行和反行所得两条曲线的最大偏差
灵敏度与分辨力
指针仪表：
灵敏度：
被测参数变化引起线位移或角位移的变化，
灵敏限：
使指针动作的被测参数最小变化量。
数字仪表：
有效位最末一位代表被测参数的变化量（分辨力）
2.2典型水质检测仪表
2.2.1pH值检测仪表
a.测量原理
氢离子活度的负对数
b.复合pH电极
复合电极将指示电极和参比电极组装在一起，便于安装、标定和使用。
复合电极响应：
c.pH测量仪表
要求：
高输入阻抗，低输入电流，高稳定性，低漂移；具调节特性，零点调节，灵敏度调节，温度补偿调节和等电位点调节；显示，信号隔离和信号输出。
d.pH仪表的改进
2.2.2电导率检测仪表
a.基本概念
电导率反映了水和溶液的导电性质，用以了解水被杂质污染的程度和溶液中所含离子的含量，是水质监测特别是高纯工业给水监测的常规项目之一。
电导为电阻的倒数
b.电导测量原理
平衡电桥式、电阻分压式、电流测量式、电磁诱导式
在线测量仪表：
（1）氧电极法
溶氧电极应用极谱式原理,以黄金（Au）或铂金（Pt）作阴极，Ag/AgCl作阳极，电解液为0.1M氯化钾（KCl），聚四氟乙烯作为渗透膜。
测量时，在阳极和阴极间加上0.5~0.8V的极化电压，氧通过渗透膜在阴极消耗，同时
在阳极提供等量的电子，此时电极间的电流与氧分压成正比，检测此电流并经运算变换成氧浓度。
同时热敏电阻检测溶液的温度，并对氧浓度进行温度补偿
（2）电导测定法
用非导电的金属铊或其它化合物（氧化氮气生成硝酸根离子）与水中溶解的氧反应生成能导电的离子Tl+
反应式如下:
2Tl+0.5O2+H2O=2Tl++2OH-
通过测定水样的电导率增量换算溶解氧浓度
（3）测量仪表
a.氧电极基本类型
电极电位法测量特定离子活度
测定氧电极包含由一种电解质连接的阴极和阳极。
电极反应产生一个与氧分压或氧浓度成正比的电流
溶液的粘度和流速对测量影响较大
b.溶解氧测量仪表
普通膜电极；金属膜电极；荧光溶氧仪；激光溶氧仪
荧光溶氧仪
利用电子从高能极转换为低能极时，产生荧光原理，选择能够确定荧光频率的材料，当氧出现时，这种材料根据氧浓度变化反射不同强度的荧光。
a.浊度的定义与控制意义
对水中所含不溶性杂质的光学度量指标
b.测量方法和基本原理
目前的浊度在线测量都采用光电光度法原理测量，光线通过悬浊液体时，光学分界面上会产生反射、折射、漫反射、漫折射等复杂现象。
c.浊度仪分类
根据量程可分为：
（1）超低量程浊度仪（FT660）：
采用激光作为光源，杂散光小，量程是0.000001NTU-1NTU，主要用于工业用水及高标准水厂的出厂监测
（2）低量程浊度仪（1720D）：
量程0-100NTU，是应用最为广泛的在线浊度仪
（3）中量程浊度仪（TxPro-2）：
量程0-200NTU、0-2000NTU，主要用于原水监测
（4）高量程浊度仪（SS6）：
量程0-9999NTU，采用表面散射原理测量，多用于夏季以江河为水源的原水监测
d.浊度仪的基本构造
（1）透射光测定法：
光线平行透过液槽，受到衰减后到达受光的光电管，实验室常用而在线不常用。
（2）散射光测定法：
光束投射到试样水中，通过测定散射光强度而知浊度。
线性好，灵敏度高，色度影响小，一般使用90度散射光式
（3）透射光和散射光比较测定法：
交替或同时测定透射光和散射光强度，求出两者之比值来表示浊度的方法。
随着浊度的增加，散射光强度成比例提高，透射光强度将反比例缩小其比值会有较大的变化率可提高检测灵敏度。
（4）表面散射光测定法：
使试样水溢流，溢流面上测定散射光强度求浊度。
优点：
无测定窗污染；线性好；色度影响小；测定范围广；可用散射板校正维护量低。
缺点：
表面易结膜，聚集杂质。
双氧水氧化法：
双氧水加入到水样中，在UV催化消解下，双氧水产生活泼的OH基，快速氧化水中有机物，计算消耗的药剂量和溶氧变化，便可推算有机物含量
生化培养测定BOD注意事项：
一般采用稀释法：
降低有机物浓度，保证充足的溶解氧
稀释液：
蒸馏水、无机营养盐、确当的pH
工业废水往往需要接种和驯化
抑制硝化耗氧时，可加入硝化抑制剂，如亚甲基蓝
2）检压法
水样置于有CO2吸收剂的密闭的培养瓶中，用电磁搅拌器进行搅拌，微生物降解消耗溶解氧，产生的CO2被吸收剂吸收，导致系统压力下降，从压力计读出水样的BOD值。
实际使用中以标准葡萄糖-谷氨酸溶液的BOD值和相应的压差作关系曲线，然后以此曲线校准仪器刻度。
3）检压库仑法
装在培养瓶中的水样用电磁搅拌器进行搅拌，微生物降解消耗溶解氧，培养瓶内空间中的氧溶解进入水样，生成的二氧化碳从水中逸出被置于瓶内的吸附剂吸收，使瓶内的氧分压和总气压下降，电极式压力计检出下降量，并转换成电信号，自动控制电解产生氧气供给培养瓶，待瓶内气压回升至原压力时，继电器断开，电解电极停止工作，一直使培养瓶内空间始终保持恒压状态。
根据法拉第定律，由恒电流电解所消耗的电量便可计算耗氧量。
仪器能自动显示测定结果，记录生化需氧量曲线。
4）微生物电极法
原理：
微生物技术与电化学检测技术相结合
组成：
溶解氧电极与固定化微生物组成
测量：
基流（稳态电流）：
恒温，DO一定，不含BOD物质时，微生物电极输出稳态电流；
测量时：
含有BOD物质时，微生物的氧化作用，使进入溶解氧电极的氧分子减少，电极输出电流降低，降低值与BOD浓度呈线性关系，从而测量BOD浓度。
2.2.7.2BOD测定仪
（1）微生物膜电极BOD测定仪
组成：
由进样系统、测量池、恒温水浴、恒电压源、温控器、气泵、信号系统等组成测量：
（2）检压库仑法BOD测定仪
为维持压力平衡，电解消耗的电量折算成产生的氧量，从而得到水样的BOD值
2.2.8总有机碳（TOC）检测仪表
以碳的含量表示水中有机物总量的综合指标
水样900~950℃高温燃烧氧化，红外吸收分析测定气体CO2含量
单通道：
水样预先酸化，氮气驱除无机碳后再注入仪器测定
双通道：
仪器含有高温炉（900℃）和低温炉（150℃），等样水量分别注入高温炉和低温炉，高温炉中有机碳和无机碳全部转化为CO2，低温炉含有磷酸浸渍的玻璃棉，在150℃将无机碳分解为CO2，分别进入红外气体检测（TC）和（IC）二者差为总有机碳（TOC）。
2.2.9总需氧量（TOD）检测仪表
水样中有机物和还原性无机物高温燃烧生成稳定的氧化物时的需氧量，通过测定载气中氧气的消耗量来测定有机物浓度，无机还原物质通过空白试验去除。
碳水化合物理论TOD/TOC=2.67,比值偏高：
氮硫等有机物浓度高；比值偏低：
水样中含有其它氧化剂。
2.2.10呼吸仪检测原理及测量方法
呼吸仪用于测量活性污泥的呼吸速率，呼吸速率是指单位时间单位体积微生物消耗溶解氧的量。
通过呼吸速率测定可以看出微生物的生长速率、衰亡速率、硝化速率、水解速率等。
测量原理：
通过测量溶解氧浓度或氧分压的变化，得到好氧条件下微生物降解底物的呼吸速率（OUR），异氧菌降解有机物，自养菌硝化氨氮都会消耗溶解氧。
呼吸测定仪种类
（1）Merit20呼吸测定仪：
试样瓶密封，内装氢氧化钠吸收产生的CO2，瓶中气压下降，有一电解单元产生氧补充消耗，计量电解单元的电量，可计算污泥耗氧量。
（2）脱氧型呼吸测定仪
使密闭反应器在测定前充氧接近饱和状态，然后测定微生物作用过程中的溶解氧浓度下降。
（3）RODTOX呼吸测量仪：
比利时Gent大学研究开发，在测定前维持反应器中溶解氧浓度不变，瞬间加入反应底物，记录溶解氧浓度的变化。
（4）RA－1000呼吸测量仪
荷兰Wageningen农业大学开发，仪器让污泥周期性进出呼吸室，通过溶解氧探头测量进出呼吸室的溶解氧的变化，再根据呼吸室活性污泥的停留时间计算出OUR。
2.2.11余氯在线检测仪表
余氯是保证水质卫生指标的重要参数，加氯消毒的基本控制参数。
a.测量原理
比色法和电极法：
比色法（邻联甲苯胺DPD），0-5mg/L，与标准方法一致，无需校准，维护量小，可以测量余氯和总氯，只须每个月更换一次试剂，不受pH影响，反应时间较慢；测量总氯时需要加入碘化钾。
电极法，测量范围比较宽：
0-60mg/L，更适用于污水消毒，需要校准,受pH影响,维护量较大,反应时间较快,部分产品不能测量总氯。
一般比色法和电极法的使用条件：
1.在出厂水及管网水质监测中，使用比色法测量的余氯仪，维护量低
2.在加氯间使用电极法的余氯仪，以保证及时的控制
3.pH变化大时用比色法的仪器
4.源水氨氮较高时用比色法测量总余氯
2.2.15生物传感器简介
生物传感器是一类特殊的化学传感器。
是由固定化生物物质与适当的化学信号换能器件组成的生物电化学分析系统。
是利用生物感应元件的专一性与一个能够产生和待测物浓度成比例的信号传导器结合起来的分析装置。
最早利用生物传感器是酶电极，酶电极的寿命一般都比较短，提纯的酶价格也比较昂贵，目前研究酶电极的衍生物：
微生物电极、细胞器电极、动植物组织电极以及免疫电极等新型生物传感器，使生物传感器的类型大大增多。
存在问题：
（1）感测转换是生物转换器的关键问题，也是一个技术难点。
现如今如何在生物传感元件－酶的氧化还原中心与电极换能器之间建立电子传递仍是一个问题，目前的电聚合物法会导致酶活性的下降，碳糊电极对建立电子传递是一个解决办法，但有待进一步的研究。
（2）生物响应的稳定性也是一个问题。
几乎每个报道的生物传感器在使用中电信号都会逐渐下降，其变异系数达5－15%，利用消失波的生物传感器甚至高达25－40％。
因此，生物传感器的精度和测量准确度有待提高。
（3）便携式微型生物传感器的有待研究。
（4）如何提高生物传感器的使用寿命，选择活性更强、选择性更高的生物传感器元件也将是一个研究方向。
2.3.1水质自动监测系统监测站选点
中心站与子站构成
对于工矿企业：
通常设在污废排放口
对于流域或区域：
划分监测范围和监测断面
分流动站和固定站，固定站一般设置：
（1）大型集中给水系统上游一定距离处，监测河水水质；
（2）工业废水排出口的下游；
（3）江河入海口，支流入口
（4）跨行政边界水体
（5）重要水资源水域或重点水源保护区
2.3.2自动站水样
采集
瞬时采样：
在规定时
间地点取瞬时样；
周期采样：
定时或定
流量采样；
连续采样：
连续采样
测量
2.3.3监测项目
综合：
水温、浊度、电导率、DO、COD、TOD、TOC，流量；（pH、SS、COD、流量）
单项：
氟离子、氯离子、氢氰根、氨氮、铬、酚；
连续采样：
连续采样测量
取样管不宜太长，双管备用
2.3.4数据传输处理
数据自动采集、传输、打印、记录、报警
数据传输方法：
有线：
光缆、电话线
无线：
申请特有频率、GSM、GPRS
2.4工作参数在线检测仪表
2.4.1流量检测仪表
2.4.1.1流量计种类
节流流量计，容积式流量计，面积流量计，叶轮流量计，电磁流量计，超声波流量计，量热式流量计、毕托管、层流流量计，动压流量计，堰槽流量计，质量流量计，涡街流量计、多普勒流量计、标记法测量流量等
2.4.1.2差压式流量计
测量原理：
根据伯努利方程和流体连续性方程为理论依据，通过测量压差来测量流量。
伯努利（Bernoulli）方程：
理想不可压缩流体的基本方程
节流式流量计使用长久，经验丰富，应用广泛，但应注意：
（1）被测流体工作状态的变动：
如温度、压力、重度；
（2）节流装置安装不正确：
方向、沉积；
（3）孔板边缘磨损；
（4）导压管安装不正确：
堵塞、渗漏；
（5）差压计安装使用不正确
2.4.1.3浮子流量计
测量原理：
利用恒压降、变节流面积的测量方法。
特别适合小流量、小管径流体的测量根据伯努利方程和流体连续性方程为理论依据，通过测量压差来测量流量。
转子流量计的流量计算公式：
2.4.1.4超声波流量计
测量原理有：
超声波传播时差法和多普勒法
A：
时差法测量原理
B：
多普勒测量原理：
由于流体中粒子的漫反射使超声波发射频率和接受频率存在频率差（多普勒频率）fd：
超声波流量计应用条件：
不妨碍流动，无压力损失，与液体不接触，安装方便，各种流体各种管材适合（水泥管不适），大流量测量优点明显。
速度差法用于干净液体，气泡和悬浮物影响大，一般水平安装；多普勒适用于含杂质较多的污水污泥测量；安装要求直管段前10后5D。
2.4.1.6电磁流量计
利用电磁感应定律，测量管道中导电性液体流量，应用广泛
电磁流量计的特点：
管道内无运动部件，维护方便，压力损失小；
可测各种腐蚀性介质（防腐内衬），测量范围大；
介质需导电，不能测量气体和油类流体；
满管流，流速有一定要求，安装直段要求：
前5后3D。
2.4.1
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