自动控制技术及应用

中国石油大学胜利学院自动控制技术及应用

姓名：赵文山

学号：201208036129

专业班级：2012级机械设计制造及其自动化一班

2013年11月10日

自动控制技术及应用

摘要：本文简要的介绍了自动控制技术，着重论述了自动控制系统及PID控制原理，并对自动控制技术在给水排水方面的应用进行简单的分析。

关键词——自动控制、控制原理、自动控制技术

引言：经济建设的腾飞，要靠科学技术的进步，要在短时间内把我国建设成为社会主义强国，就必须在生产、科研、管理诸方面尽快实现自动化。所谓自动化，就是用机器、仪表、仪器、电子计算机或其他自动化装置，代替人的大脑和手去参与各种活动。因为手动控制不如自动控制准确、可靠、快速，而且还不易消除主管误差。所以，自动控制技术得到了广泛应用。而在给水排水方面，自动控制的作用也是不小的，渐渐的取代人工控制，使得水厂和污水厂的工作更加便捷、有效。

一、自动控制技术

自动控制（automatic control）是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。自动控制是相对人工控制概念而言的。

自动控制技术的研究有利于将人类从复杂、危险、繁琐的劳动环境中解放出来并大大提高控制效率。自动控制是工程科学的一个分支。它涉及利用反馈原理的对动态系统的自动影响，以使得输出值接近我们想要的值。从方法的角度看，它以数学的系统理论为基础。我们今天称作自动控制的是二十世纪中叶产生的控制论的一个分支。而这基础的结论是由诺伯特·维纳，鲁道夫·卡尔曼提出的。

在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控

制装置或控制器），使机器，设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控制量）自动地按照预定的规律运行。自动化技术的深入发展，促进了单元技术的不断综合，以CIMS为代表的未来工厂自动化技术，正不断显示出其巨大的效益，以美国科学院根据对美国在CIMS方面较领先的五大公司的长期调查分析，认为采用先进自动化技术，其效益会有很明显的提高。

二、自动控制系统

为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控制对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机的总体，这就是自动控制系统。一个由自动控制系统是比较复杂的，但是无论多么复杂，从宏观上看，是由两部分构成的：一部分是起调节作用的全套仪表、自动装置，成为自动控制装置，通常包括测量元件、变送器、调节器和执行调节机构即自动调节阀等；另一部分是控制装置所要控制的生产设备，称为被控对象。

其中，在自动控制系统中，需要控制工艺参数的生产设备叫被控对象，简称对象。如化工生产中的各种塔类、反应器、热交换器等，都是常见的被控对象。对象不一定就是生产设备的整个装置，一个设备也不一定就只有一个控制系统。

而第一部分中，测量元件用以感受工艺参数变动情况，如果测量元件输出的信号与控制仪表所要求的同意信号不同时，则要增加一个测量信号的转换装置，这种装置叫做变送器。而调节器把测量元件和变送器送来的信号与工艺上需要保持的参数规定值相比较，得出偏差，根据这个偏差的大小，按设计好的运算规律进行运算后，输出相应的控制信号（气压、电流等），使执行调节机构动作。

执行调节机构有电动、气动、液动三类，它接收调节器发出的控制命令，移动调节机构，产生调节作用，使系统重新平衡。给定机构（定值器）将被控参数的给定值转换成统一信号的装置，以便使给定值送入调节器和测量信号进行比较。

除此之外，一个控制系统还有其他一些辅助装置，如电源及其稳压装置，气源及其过滤器、减压阀、显示仪表等。在自动控制系统中，被控对

象中需要控制的那个参数叫被控参数。被控参数要求保持的那个规定值，成为给定值。凡影响被控参数偏离给定值的各种因素，统称为干扰。

最基本的一种就是基于反馈控制原理的反馈控制系统。在反馈控制系统中，控制装置对被控装置施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量和控制量之间的偏差从而实现对被控量进行控制的任务，这就是反馈控制的原理。

三、PID控制原理

在自动控制系统中，被控对象的各种参数普遍应用PID原理来进行设置。对于PID控制来讲，自从提出以后就一直是研究的热点，因此PID控制也是比较通用的一种控制方法，具有很好的稳定性和较高的可靠性。

PID控制，又称PID调节，PID控制器问世至今已经有70多年的历史了，它以其结构简单；稳定性好；工作可靠、调节方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其他技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。PID控制，实际中也有PI和PD 控制。

比例控制是一种比较简单的控制方法，其控制器的输出和输入误差信号成一定比例关系。而在只有比例控制时系统输出存在稳态控制。比例控制反应较快，但对某些系统来说，有可能存在稳态误差，通过调整系数k，可以减少系统的稳态误差。积分控制是控制器的输出和输入误差信号的积分成正比关系。其主要用来消除静差，提高系统的误差行，积分作用的强弱取决于积分时间常数，时间越长，积分作用越弱。微分控制是控制器的输出和输入误差信号的微分成正比关系。在系统中引入一个有效的早期修改正信号，对产生的突然变化起作用，来减小这种变化，改善系统的稳定性。

在模拟控制系统中，PID控制是最常用的控制规律。在连续控制系统中，用输出量y(t)和给定量r(t)之间的误差时间函数的比例、积分、微分线性组合构成控制量u(t)。目前，PID控制技术已较为成熟，它不需要建立数

学模型，容易被人们熟悉和掌握，控制效果也较好，在连续控制系统中的应用已经十分广阔。就以下的给水排水中的控制系统来讲，PID控制也是优先选择的控制原理。

四、给水排水中的自控

随着我国经济发展的不断加速,无论工业用水，还是居民用水量越来越大，进而污水的排放量日益增大,其中污水对水体的污染日趋严重,国家政府不断加大治理污水的力度,提高水体的再利用价值。为了满足人们生活工作的用水需求，给水排水方面的工作量是相当艰巨的，于是各种大型的自来水厂和污水处理厂纷纷建成,而且在规模加大的同时，对自动化要求越来越高远程控制、数字化、智能化的控制方式提高了给水排水系统的可靠性,保证了各种用水的效果。

在正常供水方面：变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，充分利用变频器内置的各种功能对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义。

变频恒压供水控制系统我就介绍一下新型变频调速供水设备。由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑、稳定。同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便,在满足工艺要求的情况下应优先采用。在其工作过程中，1台泵供水不足时，该泵倒为工频运行，变频柜启动第2 台泵，若流量还不够，第2台泵倒为工频运行，变频柜再启动第3台泵。若用水量减少，按启泵顺序依次停止工频泵，直到最后1台泵变频恒压达到一定时才可以停止工作。

对于污水处理方面：污水的处理流程主要有粗格栅、进水泵房、细格栅、沉砂池、反应池、二沉池、过滤池等过程，同时还有一些消毒、污泥处理等步骤，其在整个污水处理流程中，为了更有效地进行，基本上应根据不同的工作步骤采用相应的自控系统来管理。

在格栅中，污染物的堵塞将会使格栅前后的水位增加，这就可以采用

双探头超声波液位计来测量该水位，并与设定正常范围比较，来适当采取相应的开停机来处理。在污水曝气过程中，系统控制的运行参数是曝气池混合液的溶解氧DO值，控制变量是鼓入曝气池内的空气量Q，对于池中对设定值的偏差，系统调节各个进风管上的电动蝶阀开度，保证曝气的正常运行。

五、结束语

通过学习自动控制技术这门课程，使我对自动控制有了初步的了解，查找了一些相关资料，但由于个人能力有限，对其认识也只是较浅的。因此在本文中，首先也只是简略的介绍一些自动控制技术及其系统的相关知识，而且对于其应用也是粗略介绍一番。总之，在分析的过程中，感受到自动控制对于我国经济的发展有着不可估量的地位。科技的进步，对自动化的改进等，都有助于经济的发展。

参考文献：

[1]李学琪、贾峰《自动控制基础与调节仪表》北京：中国计量出版社.2000

[2]陈少波《带PID功能的变频器在恒压供水系统中的应用》汕头大学机电系.2000

[3]刘兆妍、岳树盛《PID控制研究与应用》河北理工学院学报.2002(05)

[4]黄俊年、王立《浅析PID控制原理及应用》 2010

[5]刘琨《污水处理厂自动控制应用及系统建设》水工业市场.2008