水利水电自动化.docx

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1、水利水电自动化传感器技术（传感器、变送器）、计算机技术（计算机硬件、I/O 接口技术）、通信技术、自动控制技术（控制方法、自动控制原理、执行器）。自动控制： 在没有人直接干预的情况下， 通过控制装置使被控对象或过程自动按照预定的规律运行，使之具有一定的状态和性能。微型计算机控制技术上海交通大学谢剑英国防工业出版社水利工程管理自动化，刘柏青， 2002，武汉大学出版社中国工控网计算机控制系统何克忠清华大学出版社第一章： 绪论（计算机控制系统概述）1.1 计算机控制的概念引进计算机来代替控制器，组成计算机控制系统显著特点：数字化量，要A/D 、 D/A 转换给定值被控参数控制器执行机构被控对象/变

2、送单元测量元件控制系统的一般形式闭环控制系统；开环控制系统（无反馈）计算机控制系统执行控制程序的过程：（ 1） 实时数据采集（ 2） 实时计算（ 3） 实时控制（ 4） 信息管理：网络技术和控制策略的发展，信息共享和管理也介入到控制系统中，甚至测、控、管同网，便于信息交流。目前，通常称为监控管理系统。“在线”、“离线”、实时控制”的概念。1.2 计算机控制系统的组成a. 硬件采样设备/接口工业多路转换/接口人机接口对开关量输入接口总1通信接口线象开关量输出接口b.软件系统软件：操作系统应用软件：软件开发三种方式（1）自行编写I/O 驱动程序，实现对I/O 的初始化，读、写等操作。（2）利用驱动

3、子程序DLLOLE、 DDE 、 OPC（3）采用组态软件：c. 控制系统的网络结构1.3 典型应用1.3.1 数据采集和监视系统（水文测报）现/计算场串口机1.3.2 直接数字控制系统（ DDC ）（最普遍，单机、集中控制系统）工检测输入通道接口业现场执行器输出通道接口无需中间环节（调节器）完全取代模拟调节器，实现多回路的PID 调节。只要改变软件就可以有效地实现复杂的控制算法。1.3.3 监督控制系统（ SCC， supervisory computer control）在 DDC 中，对生产过程产生直接影响的被控参数给定值是预先设定的，并且直接存入计算机的内存，这个给定的不能根据过程条件

4、和生产工艺信息的变化及时修改； DCC 无法使生产过程处于最优工况两种结构形式工调节模设定值工调节设定值拟计计业测量调业测量算算对节对器机机象象（a）(b)计算机2国内使用较多的是上下位机结合的方式1.3.4 分布式控制系统（ DCS）（ distributed control system）（集散型控制系统）控制理念：分散控制、集中管理控制结构：网络化1.3.5 泵站自动化3第二章传感器、执行器及其工作特性 1、传感器的基本概念在工程科学与技术领域，可以认为：传感器是人体“五官”的工程模拟物。可把传感器狭义地定义为能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。通常传感器由敏感元件和转换元件组成共中

5、敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分； 转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。 由于传感器的输出信号一般都很微弱，因此需要有信号调理与转换电路对其进行放大、 运算调制等、 随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用传感器的信号调理与转换电路可能安装在传感铝的壳体内或与敏感元件一起集成在同一芯片上。此外，信号调理转换电路以及传感器工作必须有辅助的电源，因此，信号调理转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。传感器构成框图如图所示。被测量转换元件敏感元件信号调理转换电路辅助电源图传感器构成框图无论何种传感器，作为测量与自动控制系统的首

6、要环节，通常都必须具有快速、准确可靠而又经济的实现信息转换的基本要求，即：）足够的容量传感器的工作范围或量程足够大；具有一定过载能力。）灵敏度高，精度适当即要求其输出信号与被测输入信号成确定关系(通常为线性 )，且比值要大；传感器的静态响应与动态响应的准确度能满足要求。）响应速度快，工作稳定、可靠性好。）适用性和适应性强体积小，重量轻，动作能量小， 对被测对象的状态影响小；内部噪声小而又不易受外界干扰的影响；其输出力求采用通用或标准形式，以便与系统对接。）使用经济成本低，寿命长，且便于使用，维修和校准。当然， 能完全满足上述性能要求的传感器是很少有的。应根据应用的目的、使用环境被测对象状况、精

7、度要求和信息处理等具体条件作全面综合考虑。1、传感器的静态特性(1) 线性度(2) 回差 (滞后 )(3) 重复性(4) 灵敏度灵敏度是传感器输出量增量与被测输入量增量之比。(5) 分辨力(6) 阈值(7) 稳定性(8) 漂移(9) 静态误差（精度）这是评价传感器静态性能的综合性指标2、传感器的动态特性动态特性是反映传感器对随时间变化的输入量的响应特性。4(1) 瞬态响应特性时间常数：一阶传感器时间常数越小，响应速度越快。延迟时间：传感器输出达到稳态值的50所需时间。上升时间：传感器输出达到稳态值的90所需时间。超调量：传感器输出超过稳态值的最大值。(2) 频率响应特性传感器对正弦输入信号的响

8、应特性，称为频率响应特性。频带。传感器增益保持在一定值内的频率范围为传感器频带或通频带，对应有上、下截止频率。时间常数。用时间常数来表征一阶传感器的动态特性。越小，频带越宽。固有频率n 二阶传感器的固有频率n 表征了其动态特性。 2、水位、扬程的检测一、浮子式二、超声波式三、其它第三节位置检测用于现场物理位置的检测，反映设备运行状况。例如：闸门位置，主泵叶片角度等。1、 位置检测行程开关：机械式、磁电式、光电式2、 位移检测线位移：光栅尺、磁电式角位移：旋转编码器（相对量、绝对量）（参考：线位移传感器）第四节电量检测电功率、电度、电压、电流、功率电量智能变送器（数字信号，RS485 接口）第五

9、节流量检测1、 管道流量2、 明渠流量测量堰：三角形、矩形槽：巴歇尔，长喉槽时差式超声波明渠流量计5第六节大气、水、土壤部分参数检测1、湿敏传感器：氧化锂湿敏电阻、半导体陶瓷湿敏电阻土壤湿度：张力2、气敏传感器：检测气体成分或气体湿度3、水质COD 指标：在线连续测量成本很高三参数：五参数第七节水利工程中常见的执行器自动控制系统的终端执行部件，直接决定控制品质。机构上分成：执行机构（推动部分）调节机构（调节部分）按执行机构使用的能源种类：气动电动液动324P-561P+7891、 电动阀：闸门（调节阀）碟阀先导式电磁阀结构原理电磁阀：直动式1平衡孔2活动铁芯3固定铁芯先导式4线圈5阀盖6复位弹

10、簧7排出孔8上腔9主阀塞6固定铁心复位弹簧100线圈活Q/Qmax动阀盖相铁对中流心量阀塞电磁阀结构阀门工作流量特性与使用条件有关2、液压启闭机3、卷扬式启闭机4、螺杆式起闭机5、叶片角度调节机构：机械式液压式叶片角度拉杆行程相对应3142100l/L相对开度阀门理想流量特性（差压不变）1直线2等百分比3快开4抛物线7第三章：过程通道和数据采集系统2.1 概述计算机输入 / 出通道生产过程信息传递和变换装置过程通道的组成和功用模拟量、数字量、输入/输出标准电压、电流：1-5V ， 0-20mA(4-20mA)采样、量化和编码2.2 模拟量输入通道模拟量输入通道的一般组成：过检信号处理多采样-

11、保持计算机路/接口程放大器/总线信号处理转参换数测信号处理器控制信号调理板/卡MUX: 机械式、电子式选择多路转换器主要考虑：通路数、单端、差动、寻址方式、最大切换速率、串扰可编程放大器 - 可通过程序调节放大倍数，增强通用性采样与保持：A/D 转换器完成一次完整的转换过程所需的时间称为转换时间（为保证转换精度）在转换时间内要求输入值不变：控制信号采样 -保持器的基本组成电路2.3 D/A 与 A/D 转换技术电阻网络实现D/A15V 对应数字量A/D 芯片常用的转换方法有：计数 比较式；双斜率积分式（抗干扰能力强）；逐次逼近式（精度高，转换速度快）。8输入模拟电压模拟比较器电压第一次检测基准

12、电压/ 转换数.字.量.输出（逐次逼近寄存器）时序及控制逻辑转换命令状态线第四次检测第三次检测第二次检测逐次逼近式A/D 转换原理图A/D D/A转换器的主要技术指标（1）分辨率：对输入信号（模拟）变化反应的灵敏度表示可以对满量程的1128的增量作出反映2568 位10 位12 位16 位0.40.0240.0015 （2）量程转换电压的范围5V 10V5V10V（ 3）精度常用数字量的位数作为度量绝对精度的单位（ 1/2） LSB 对于满量程 10V，绝对精度为 4.88mV分辨率对应输入精 度对应输出（4） 转换时间逐次逼近式A/D 转换时间1.0200 sD/A 主要技术指标：（ 1）

13、分辨率（ 2） 输出电平5 10V 0 20mA2.4 数字量输入输出TTL 电平2.5 数据采集系统任务： -生产现场的工艺参数采集后以数字量的形式进行存贮、处理、传送、显示或打印。数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的速度和精度。（ 1） 计算机工控机各种板卡PCIISAPC/104远程板卡：通过通讯端口（串口通讯）A/D( 模拟量 )D/A9开关量（数字量）继电器输出板几种典型板卡说明书阅读（下载）研华： advantechPCL-818HG高增益数据采集卡（多功能）PCL-722144 路数字量输入/输出卡PCLD-85516 通道功率继电器输出板ADAM 4520RS232-RS42

14、2/485 转换器ADAM40178 通道模拟量信号输入模块ADAM405316 通道数字量输入模块ADAM4060继电器输出模块：2路FORMA ； 2 路 FORM CADAM4021模拟量输出模块（1路）组态王软件练习题：用高级语言编程采集PCL-818HG任一路模拟信号2.6 过程通道的抗干扰措施2.6.1 干扰的来源和干扰的分类干扰形成三要素：干扰源自然干扰：宇宙、大气放电、大气热辐射、静电放电电器设备干扰：电路开关、脉冲振荡、整流、电路缺陷耦合通道传导：经导线直接耦合到电路中-热电偶共阻扰：两个电路拥有公共阻扰时电场：电场电压形成互感：磁场电流形成被干扰的电路：按干扰的作用方式不同

15、常态干扰：叠加在被测信号上的干扰噪声共态干扰： A/D 转换器两个输入端上共有的干扰电压共态干扰示意：存在共模干扰的场合，必须采用双端不对地输入方式2.6.2 常态干扰的抑制根据干扰信号的特征和来源，采取（ 1） 带通滤波器（ 2） 尖峰干扰用双斜率积分式A/D 转换器10（ 3） 电磁感应 电磁屏蔽，提高信噪比（提前放大，大信号传输）（ 4） 消除干扰原因 良好的接地系统，数字滤波技术2.6.3 共模干扰的抑制（ 1）利用双端输入的运放器作为A/D 的前置放大器（ 2）利用变压器或光电耦合把模拟负载和数字信息源隔离，即将模拟地与数字地断开隔离电源光电耦合器数字输入电路利用光电耦合开关特性电

16、压- 频率转换线性光电耦合器放大器/利用线性光电耦合器的线性耦合，直接模拟信号进行抗共模传送。2.6.4 其它抗干扰措施（1）动力电源与控制系统电源隔离（2）采用公共接地点一点接地（3）软件抗干扰技术：看门狗Watchdog复位计算机（程序飞或死循环）11第四章自动控制技术3.1自动控制理论的内容时域分析法线性控制理论频率特性法根轨迹法相平面法经典控制理论描述函数法非线性控制理论李雅普诺夫直接法波波夫法采样控制理论Z变换法最优控制理论现代控制理论状态空间分析法系统识别最佳估计专家系统智能控制理论模糊控制学习控制（神经网络）3.2 自动控制系统的分类和基本要求开环控制系统按信号传递路径分类闭环控

17、制系统（有反馈）恒值控制系统（自动镇定系统）：输出量以一定精度接近给定值给定值一般不变或变化缓慢（如压力、 温度等）按给定量的变化规律分类随动系统（自动跟踪系统）：输出量以一定精度跟随给定量变化给定量不确定如火炮、雷达程序控制系统：被控制量按照预先给定的规律或程序变化数控机床巡航导弹（ 地形 匹配 ）还有很多分类方法：集中/分布 式的控制系统等基本要求： 3 个稳定性：干扰最终会回到平衡状态3个 动态特性：动态过程时间短，过程平稳，振荡幅度小稳态特性：系统误差值反映了系统控制的精确程度三个要求互相制约的。用典型测试信号来考核：阶跃输入函数，脉冲输入函数，正弦函数，斜坡函数，抛物线（加速度）输入

18、函数。定量分析，必需建立数学模型（针对各种物理系统及元件）12传递函数的概念：输入/输出的关系。3.3 程序控制和数值控制计算机开环数字程序控制最常见的方式：顺序控制、数值控制顺序控制按预先规定的工艺要求，按照各个输入信号的条件，使生产过程的各个执行机构自动地按预先规定的顺序动作（离心泵启动过程）（花草喷溉）数值控制按预先的运动轨迹算出“动点” 的位置，控制机械装置作出相对运动，以获得预定的加工轨迹（数控机床，加工中心，绘图仪，机器人等领域）（轴流泵叶片调节，闸门开度）3.3.1 顺序控制器按生产过程要求预先确定程序，在输入信号作用下顺序进行顺序控制器两种功能按各工序要求，控制动作，保证过程正

19、常进行简单价格低继电器控制装置：传统的寿命短，可靠性差 控制功能改变困难无触点，体积小，可靠性高半导体逻辑元件控制装置：寿命长，无噪声，通用性差，故障排除困难ROM， EPROM存储式顺序控制装置（可编程序控制器PLC ）RAM ，预先存贮程序可编程序控制器（PLC ）特点：（1）可靠性高，抗干扰能力强MTBF（2）控制程序可变，具有良好的可变性1.编程简单，“梯形图编程方式”2.功能完善，扩充方便，组合灵活3.缩短设计和施工时间3.3.2 开环数值控制基本原理：插补计算常用“逐点比较法插补原理”步进电机的控制3.4 数字 PID 控制算法按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器称为PID 调

20、节器。连续系统中应用最为广泛。为什么用？13控制对象的精确数学模型难以建立采用 PID 根据经验进行在线整定（调试）3.4.1 准连续 PID 调节器（1）模拟 PID 调节器K pK i/s对象K ds图 3.4.1 模拟 PID 控制PID 是一种线性调节器控制偏差 ewy可构成（a）比例调节器基准（比如 e=0 时的闸门开度）ukeu0比例系数K 大可能导致系统不稳定（b）比例积分调节器u K e10t edt u0TiTi积分时间：积分可消除静差压力变化 、流量 等。 Ti 选小温度等滞后较大，Ti 选大（c）比例积分微分调节器uKe10t edtdeu0TdTidtTd 为微分时间微

21、分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡， 使系统趋于稳定， 它加快了系统的动作速度，减小了调整时间，改善系统的动态性能。模拟 PID 调节器电动、气动、液压等多种类型，用硬件来实现PID 调节规律。（2） 数字 PID 控制算法计算机控制是采样控制，前面式中的积分和微分不能直接准确计算，只能用数值计算的方法逼近。ui K eiTiTdeiei 1u0TiejTi0位置式 PID 控制算法（如闸门开度）T 是采样周期如果 T 足够小，这种逼近可相当准确“准连续控制”14uiuiui 1K ei ei 1T eiTd ei2ei 1ei 2TiT增量式 PID 控制算法（驱动步进电机）PID增量算

22、法步进电机对 象（ a）增量式PID位置算法对象（ b）位置式增量式 PID 算法的优点：1.没有累积误差2.手动自动时无冲击切换，出故障时保持原位。3.4.2对标准 PID 算法的改进（1）“饱和”作用的抑制控制变量受执行元件机械和物理性能的约束而限制在有限小范围内uminuumaxu umax计算结果超出上述范围，将得不到预期效果饱和效应PID 位置算法的积分饱和作用及其抑制：遇限削弱积分法积分分离法有效偏差法明显超调PID 位置算法的积分饱和现象:（a）理想情况的控制（ b）有限制时产生的积分饱和15PID 增量算法的饱和作用及其抑制优点：不出现积分累积效应可能出现比例及微分饱和现象：采

23、用“积累补偿法”纠正（3）干扰的抑制PID 控制算法的输入量是偏差e，进入正常调节后，e 值不会太大。相比而言，干扰值对调节有较大的影响。硬件和软件两方面采取措施。一般随机干扰，采用不同的滤波方法e 1ei2e01ii 1改进差分算法（因差分项对噪声敏感）3.4.3 PID 调节器参数选择根据工程问题的具体要求来考虑要求被控过程是稳定的，对给定量的变化能迅速和光滑地跟踪，超调量小，抗干扰。PID 设计：理论方法准确建立数学模型实验方法(1) 凑试法确定 PID 调节参数a.比例系数 K 增大：响应快，静差下降；产生超调振荡，稳定性变坏。b.积分时间 T i 增大：超调，稳定性，静差消除慢。无自

24、平衡的对象，不宜采用（飞轮为有自平衡系统）c.微分时间 T d 增大：响应，超调，稳定性，但对干扰敏感。T/minT /min被调量特点Kid流量时间常数小并有噪声， K 较小， Ti 较短，不用微分12.50.1 1温度多容系统，有较大滞后，常用微分1.6 53 100.53压力多容系统，滞后不大，不用微分1.4 3.50.4 3液位允许有静差时，不必用积分，不用微分1.255（ 2）实验经验法凑试法需要进行较多的模拟或现场试验。利用已有经验，再做一些实验经验公式凑试（ 3）采样周期的选择理论上越小越好香农采样定理：T（ max 为采样信号的上限角频率）max可近似复原为模拟信号，而不丢失任

25、何信息。被调量采样周期 T/S流量1压力5液位10温度203.5 数字控制器的直接设计方法上一节立足于连续系统PID 调节器设计，并在计算机上数字模拟实现。16这种方法称为模拟化设计方法，只能实现较简单的控制算法当采样周期大且控制要求高时， 被控对象的特性出发， 直接根据采样系统理论来设计数字控制器直接数字设计涉及采样系统的z 变换，采样系统稳定性等概念。认为 z 传递函数G（ z）是已知的 ,要求设计D（ z）(D(z)G(z)3.6模型预测控制算法最优控制、极点配置等基于状态空间描述的现代控制理论航空、航天有不少成功的应用，在工业过程控制领域不能充分发挥。原因：（ 1）要有精确数学模型（传

26、递函数） ，代价太高（ 2）工业过程不确定性大：基于理想模型的最优控制，不改进难以兼顾控制的鲁棒性（ 3）现场微型计算机运算能力不够，负荷太重八十年代以来， 开始具体应用（适用于渐近稳定的线性对象， 对于非自衡的对象， 可选用 PID 使之稳定，再使用）（1）动态矩阵控制（基于对象阶跃响应的预测控制算法）（2）模型算法控制：又称模型预测启发控制（ MPHC ）属于多变量 优化控制算法模型预测控制算法基本特征（1）预测模型：预测功能洪水模型，预排措施（2）滚动优化在线反复进行（3）反馈校正补充一节3.7微型计算机控制系统设计3.7.1 微型计算机控制系统设计的基本要求和特点（ 1）系统操作性能好

27、使用方便和维修容易（ 2）通用性好，便于扩充还要留有一定的余量（ 3）可靠性高手动，自动两套：采用双机系统：备份、主从、双工采用分布式控制系统：一台故障，只影响局部3.7.2 设计的一般步骤17（1）确定控制任务（2）选择微处理器（工控机、PLC 、 PC-Based PLC）主要针对中高层应用，低层嵌入式控制系统不涉及。（ 3）控制算法（ 4）系统总体方案设计（ 5）硬 /软件具体设计第五章分布式计算机控制系统概论5.1 概念计算机技术计算机控制技术自动化技术过程控制自动化流程工业（化工，石油，电力） DCSCIMS工业自动化制造工业自动化离散型制造过程（汽车，飞机，机床） PLC自动化测量

28、系统混合型制造业（间隙过程工业）（冶金，食品，纺织）DCS PLC其实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。5.2 DCS 的设计思想及特点（1）自主性各工作站通过网络接口链接起来， 各工作站独立自主地完成合理分配给自己规定任务，如：数据采集、处理、计算、监视、操作、控制等。控制功能分散，负荷分散，从而危险分散，提高了系统的可靠性。（ 2）协调性各工作站通过通信网络传送各种信息协调地工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。（ 3）友好性DCS 软件是面向工业控制人员，工艺技术人员和生产操作人员设计的，使用界面就要与之相适应。（ 4）适应性、灵活性和

29、可扩充性（ 5）在线性（ 6）可靠性生命力所在系统结构采用双重容错设计硬件采用双重化* 冗余与容错设计容错设计则是从全系统出发以另一个角度考虑问题，其出发点是承认各单元发生故障的可能，进而设法保证即使某单元发生故障， 系统仍能完全正常地工作， 也就是说给系统增了容忍故障的能力。冗余和容错是一种高级的可靠性设计技术，通常由多个部分组成，其中主要包括：(1)故障检测技术。为了保证系统在出现故障时及时将冗余部分投入工作，必需有高精度的在线故障检测措施，实现故障发现、故障定位和故障报警。18(2)切换技术。精确及时地发现故障后，还必需及时地将控制切换到冗余部分切换时必须保证安全、无扰。(3)修复技术。

30、由式 (9.21) 可见，为保证容错系统具有高可靠度，必须尽力减小系统的平均故障修复时间 MTTR ，要做到这一点，在设计上应努力提高单元的可修复性，同时还应提高维护人员的水平，建立具有快速反应能力的维修机构。程序分段与模块化设计“电磁兼容性”设计：抗干扰能力与系统内外的干扰相适应在线快速排除故障的设计：自动隔离、自动分析、自动恢复、热机插拨技术、报警功能。在可靠性工程方面， DCS 具有集中型系统所无法比拟的优势，这主要体现在以下几个方面：(1)单元简单的原则。在集中型系统中，全系统是一个难以分割的大单元，而在可靠性理论中，单元越复杂，可靠性越低。 DCS 则将全系统分为自律性极强的多个独立

31、单元，每个单元都比较简单，可靠性大为提高。(2)危险分散的原则。集中型系统是一个耦合系统，其中任何一部分的微小故障都有可能导致整个系统失效。两 DCS 是由多个独立工作的单元组成的柜耦合系统，即使某一部分发生故障，也不致影响整个系统。另外，结构上的分散也就意味着控制的分散、供电的分散、负荷的分散及干扰的分散，因此从根本上分散了影响可靠性的外部因素，从而保证系统能够达到很高的可靠性。(3)易于容错的原则。在集中型系统中如果进行冗余容错必须对全系统进行冗余，这是很复杂而又很不经济的，在 DCS 中，由于各单元的相对独立和相对简化，使得冗余容错比较容易实现，同时还便于在冗余时突出重点，减少不必要的冗

32、余，从而使系统更为经济实用。5.3 分布式控制系统的体系结构1975 年 Honeywell 公司世界上第一套分布式控制系统TDC2000（ 1）体系结构集中式计算机控制系统，两大应用指标就是中央计算机的处理速度和自身的可靠性。所有车间设备都连到计算机上，连线多：计算机出问题，意味着所有功能失效。现在计算机非常便宜， 可以用小型计算机来替代中央计算机的局部工作。对其周围的装置进中央计算机变送器执行器车间设备行过程监测和控制， 这些小型机称为第一级计算机， 而中央计算机只处理中心自动化问题和管理方面的问题，产生了二级自动化控制系统的结构。中央计算机前端计算机前端计算机前端计算机甲设备乙设备丙设备车间设备19图：二级自动化控