给排水工程仪表与控制(第1章)

第章-给排水工程仪表与控制(1)
给排水工程是建筑物中具有重要作用的一个分支，为了保障其正常运行，必须要有合适的仪表与控制系统进行监测与调控。

本章将从给排水工程仪表、给排水工程控制系统、以及控制系统的运行进行讨论。

一、给排水工程仪表
1.流量计
流量计是用来测量水流速和流量的仪器。

在给水管道中，通常采用涡街流量计、超声波流量计等技术手段进行测量。

2.压力表
压力表是用来测量管道内压力的仪器。

主要用于监测和调节管道内的水压，供水管道内的压力通常控制在2.5~4.0kg/厘米²。

3.液位计
液位计是用来测量储水池、水箱等水位高度的仪器。

在基建工程中，液位计使用广泛，其通过计算水箱中的水位高度来保障水位的平衡。

二、给排水工程控制系统
给排水工程控制系统是保障给水清洁、卫生、畅通的一个重要设备，它主要由控制器、执行器、传感器、监控系统四个部分组成。

其中控制器负责处理传感器测得的信息并通过执行器来完成具体控制任务。

三、控制系统的运行
控制系统的运行需要有精准的控制算法与严密的程序设计。

其通过监
测和调节管道内的水流量、压力及水位变化，从而达到自动化的控制
效果。

在使用控制系统前，应对相关人员进行培训，确保其了解仪器与控制
技术的基本原理。

同时，运行过程中应注意仪器的保养养护，定期进
行检测与维修，以确保其正常运行。

总之，给排水工程仪表与控制是基础设施建设计划中至关重要的环节。

优秀的仪表与控制系统可以有效保障基础建设中给排水的清洁与畅通。

给排水仪表与控制课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解给排水系统中仪表与控制设备的基本原理和功能。

2. 学生能掌握给排水系统中常见仪表的操作方法和控制流程。

3. 学生能了解给排水系统中自动控制系统的设计原则及其在实际工程中的应用。

技能目标：1. 学生具备分析给排水系统中问题并进行仪表选型及控制策略设计的能力。

2. 学生能够运用相关软件或工具对给排水自动控制系统进行模拟和调试。

3. 学生能够通过小组合作，完成一个简单的给排水自动控制系统的设计与实施。

情感态度价值观目标：1. 学生能够认识到给排水仪表与控制在环境保护和资源利用中的重要性，培养环保意识和社会责任感。

2. 学生在学习过程中，能够积极探究、主动思考，形成对工程技术的兴趣和认识。

3. 学生通过团队协作，培养沟通、交流和团队协作能力，增强集体荣誉感。

课程性质：本课程为实践性较强的专业课，通过理论讲解与实际操作相结合，使学生掌握给排水仪表与控制的相关知识。

学生特点：高二年级学生，具有一定的物理、数学基础，对工程实践有较高的兴趣，具备一定的自主学习能力。

教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，强调知识的应用性和实际操作能力。

在教学过程中，注重启发式教学，引导学生主动探究和思考，培养其解决实际问题的能力。

通过课程学习，使学生在知识、技能和情感态度价值观方面取得具体的学习成果。

二、教学内容1. 给排水系统概述：介绍给排水系统的基本组成、功能及其在现代社会中的应用。

- 教材章节：第一章 给排水工程概述2. 给排水系统中仪表与控制设备原理：讲解压力表、流量计、液位计等仪表的工作原理及控制系统组成。

- 教材章节：第二章 给排水系统仪表与控制设备3. 给排水自动控制策略：分析给排水系统中常见的自动控制策略，如PID控制、PLC编程等。

- 教材章节：第三章 给排水自动控制系统4. 给排水仪表选型与安装：介绍仪表选型依据、安装要求及在给排水系统中的应用。

给排⽔⼯程仪表与控制复习（全⾯）课后思考题答案：给⽔排⽔⼯程仪表复习第⼀章1.⾃动控制概念：在⼈不直接参与的情况下，利⽤外加的设备或装置使整个⽣产过程或⼯作机械（被控对象）⾃动地按预定规律运⾏，或使其某个参数（被控量）按预定要求变化。

⾃动控制系统⼯作原理：当被控量偏离给定要求值时，测量元件测得被测量或经物理量变换后由⽐较元件将其给定值⽐较得出偏差，根据偏差⼤⼩，经放⼤、调节、执⾏等元件后产⽣控制作⽤，控制作⽤使被控量回复到或趋近于要求值，从⽽使偏差消除或减⼩。

⾃动控制系统主要特点：从信号传送来看，输出量经测量后回送到输⼊端，回送的信号使信号回路闭合，构成闭环，即为负反馈。

从控制作⽤的产⽣看，由偏差产⽣的控制作⽤使系统沿减少或消除偏差的⽅向运动。

——偏差控制采⽤⾃动控制系统的⽬的：（1）解放劳动⼒，变⾰⽣产⼒，提⾼⽣产效率；（2）提⾼精度和质量。

1．⾃动控制系统有哪些基本组成部分?答：⼀个⾃动控制系统主要由以下基本部件构成：(1)控制对象；(2)传感器；变送(3) 控制器；(4)执⾏装置。

⼀个⾃动控制系统只要由以下基本元件构成：①整定⽂件：也称给定⽂件，给出了被控量应取的值②测量元件：检测被控量的⼤⼩③⽐较⽂件：⽤来得到给定值与被控量之间的误差④放⼤元件：⽤来将误差信号放⼤，⽤以驱动执⾏机构⑤执⾏元件：⽤来执⾏控制命令，推动被控对象⑥校正元件：⽤来改善系统的动静性能⑦能源元件：⽤来提供控制系统所需的能量。

2．⾃动控制系统的分类？答：按系统的结构特点：前馈控制系统(开环)、反馈控制系统(闭环)、复合控制系统。

按给定值的不同形式：定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。

闭环控制特点开环控制特点3. 传递函数的概念？什么是阶跃函数答：传递函数：⼀个环节或⼀个⾃动控制系统中，输出拉式变换和输⼊拉式变换之⽐。

4．⽅块图和传递函数有什么作⽤？答：⽅块图和传递函数是⾃动化理论的重要基础。

通过⽅块图可以直接看出各环节的联系，及环节对信号的传递过程；⽽传递函数可以⽤来描述环节或⾃动控制系统的特性，将输⼊----输出关系⼀⽬了然表⽰出来。

1. 过程控制系统中，需要控制的工艺设备(塔、容器、贮糟等)、机器称为被控对象。

(√ )2. 扰动量是作用于生产过程对象并引起被控变量变化的随机因素。

(×)答案：扰动量是除控制变量外作用于生产过程对象并引起被控变量变化的随机因素。

3. 由调节器输出至被调参数间的所有环节称为干扰通道。

(×)答案：由调节器输出至被调参数间的所有环节称为调节通道。

4. 过程控制系统的偏差是指设定值与测量值之差。

(√ )5. 由控制阀控制，能使被控变量恢复到设定值的物料量或者能量即为控制变量。

(√ )6. 按控制系统的输出信号是否反馈到系统的输入端可分为开环系统和闭环系统。

(√ )7. 在闭环控制系统中，按照设定值的情况不同，可分为定值控制系统、前馈控制系统、程序控制系统。

(×)答案：在闭环控制系统中，按照设定值的情况不同，可分为定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。

8. 在一个定值控制系统中，被控变量不随时间变化的平衡状态，也即被控变量变化率等于零的状态，称为系统的动态。

(×)答案：在一个定值控制系统中，被控变量不随时间变化的平衡状态，也即被控变量变化率等于零的状态，称为系统的静态，静态是一种相对静止状态。

9. 对一个系统总是希翼能够做到余差小，最大偏差小，调节时间短，回复快。

(√ )10. 时间常数越小，被控变量的变化越慢，达到新的稳态值所需的时间也越长。

(×)答案：时间常数越大，被控变量的变化越慢，达到新的稳态值所需的时间也越长。

11. 时间常数指当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达到新稳态值的63.2 %所需要的时间。

(√)12. 对干扰通道时间常数越小越好，这样干扰的影响和缓，控制就容易。

(×)答案：时间常数越大越好，这样干扰的影响和缓，控制就容易。

13. 放大倍数K 取决于稳态下的数值，是反映静态特性的参数。

(√ )14. 对于控制通道来说希翼τ 越大越好，而对扰动通道来说希翼τ 适度小点好。

《给排水工程仪表与控制》第二版思考题与习题答案制共模干扰；（5）计算机系统的稳压电源具有过压、欠压和过流保护能力；前置机掉电，数据能持续保存24h，系统掉电数据存贮时间<10min；（6）软件设计按工艺条件划分模块，并有数据纠错、虑错和改错技术。

第四章1混凝控制的目的与意义是什么？目的：是水中的混浊物质聚结形成具有一定力度及表面特性的絮凝体，为沉淀或过滤去除创造良好的条件。

意义：在保证效果的前提下，节约混凝剂消耗，是降低净水成本的重要措施，经济意义十分重大。

2混凝控制技术有哪些类型？经典目测法烧杯试验法模拟滤池法数学模型法胶体电荷控制法3数学模型混凝控制技术的特点是什么？数学模型是如何建立的？数学模型法是以若干原水水质，水量参数为变量，建立其与投药量之间的相关函数，即数学模型，计算机系统自动采集参数数据，并按此模型自动控制投药。

数学模型的建立包括两方面的内容：一，模型参数的选取，这往往要综合多年的生产经验、混凝试验、数学统计检验以及参数的可测性等因素确定；二，模型中各项系数的确定，这可以根据多年的运行资料，有统计分析确定，也可以对长期烧杯实验的结果进行统计分析确定，然后再生产上加以修正。

4流动电流混凝控制技术的特点是什么？其基本组成是什么？特点：单因子控制小滞后系统中间参数控制基本组成：检测，控制，执行三大部分5流动电流的基本原理和检测原理是什么？流动电流参数有哪些基本特性？基本原理：指在外力作用下，液体相对于固体表面流动而产生的电场的现象。

检测原理：1966年，GERDES发明了活塞式“流动电流检测器”，可以用于检测水样中胶体粒子的荷电特性。

检测器由检测水样的传感器和检测信号的放大处理器两部分构成。

传感器主要由圆形检测室、活塞和环形电极组成，活塞和检测室内壁之间的缝隙构成一个环形毛细空间。

当活塞在电机驱动下作往复运动时，水样中的微粒附着在“环形毛细管”壁上形成一个微粒“膜”，水流的运动带动微粒“膜”扩散层中反离子运动，从而在“环形毛细管”的表面产生交变电流，此电流由检测室两端的环形电极收集并经放大处理后输出。

课程名称：给排水工程仪表与控制/ Water supply and drainage engineering instrument and control 学分：2学时：32（实验：8 ）适用专业：给排水建议修读学期：7开课单位：电气与信息工程学院测控与仪表系课程负责人：先修课程：电工学考核方式与成绩评定标准：百分制，笔试（闭卷）成绩：70%,平时（实验、作业、出勤等）成绩：30% 教材与主要参考书目：1 .给排水工程仪表与控制，崔福义，建筑工业出版社，2006, 62 .化工自动化及仪表，张光新等,化学工'也出版社，2016, 4 3.化工仪表及自动化，厉玉鸣等，化学工业出版社，2011, 11 4.仪表与自动化，何道清，化学工业出版社内容概述：主要介绍工业生产过程中自动控制系统方面的知识，并分别介绍了构成自动控制系统的各个基本环节（包括被控对象、测量元件及变送器、显示仪表、自动控制仪表、执行器等）。

在简单、复杂控制系统的基础上，还介绍了计算机控制系统，最后结合生产过程介绍了典型单元操作的控制方案。

通过课程基本内容的学习，培养学生初步掌握自动控制系统的分析和设计方法；通过介绍各种控制方案的原理和应用，培养学生的工程应用能力；在课堂教学过程中，穿插介绍常见的工业控制案例，培养学生理论联系实际能力；配合本课程开设的相关实验，培养学生的实践动手能力。

英文：Mainly introduces the knowledge of industrial production process automatic control system, and introduces the automaticcontrol system of the basic link （including the controlled object, the measuring element and transmitter, displayinstruments, automatic control instruments, actuators, etc.）. Based on simple and complex control system, alsointroduces the computer control system, finally combining with the production process control scheme of a typical unitoperation is introduced. By learning, the student can master the automatic control system analysis and design methods.Through the introduction of the principle and application in kinds of control cases, the engineering application ability ofstudent should be promoted. The normal industrial control cases are interspersed in teaching, so the linking theory withpractice ability of student should be promoted. Matching the experiments in this course, the manipulative ability of thestudent should be promoted.课程名称：给排水工程仪表与控制/ Water supply and drainage engineering instrument and control学分：2学时：32(实验：8)适用专业：给排水开课单位：电气与信息工程学院测控与仪表系课程负责人：先修课程：电工学一、课程性质、目的与任务课程性质：本课程是给排水等专业的专业选修课。

课后思考题答案：给水排水工程仪表复习第一章1.自动控制概念：在人不直接参与的情况下，利用外加的设备或装置使整个生产过程或工作机械（被控对象）自动地按预定规律运行，或使其某个参数（被控量）按预定要求变化。

自动控制系统工作原理：当被控量偏离给定要求值时，测量元件测得被测量或经物理量变换后由比较元件将其给定值比较得出偏差，根据偏差大小，经放大、调节、执行等元件后产生控制作用，控制作用使被控量回复到或趋近于要求值，从而使偏差消除或减小。

自动控制系统主要特点：从信号传送来看，输出量经测量后回送到输入端，回送的信号使信号回路闭合，构成闭环，即为负反馈。

从控制作用的产生看，由偏差产生的控制作用使系统沿减少或消除偏差的方向运动。

——偏差控制采用自动控制系统的目的：（1）解放劳动力，变革生产力，提高生产效率；（2）提高精度和质量。

1．自动控制系统有哪些基本组成部分?答：一个自动控制系统主要由以下基本部件构成：(1)控制对象；(2)传感器；变送(3) 控制器；(4)执行装置。

一个自动控制系统只要由以下基本元件构成：①整定文件：也称给定文件，给出了被控量应取的值②测量元件：检测被控量的大小③比较文件：用来得到给定值与被控量之间的误差④放大元件：用来将误差信号放大，用以驱动执行机构⑤执行元件：用来执行控制命令，推动被控对象⑥校正元件：用来改善系统的动静性能⑦能源元件：用来提供控制系统所需的能量。

2．自动控制系统的分类？答：按系统的结构特点：前馈控制系统(开环)、反馈控制系统(闭环)、复合控制系统。

按给定值的不同形式：定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。

闭环控制特点开环控制特点3. 传递函数的概念？什么是阶跃函数答：传递函数：一个环节或一个自动控制系统中，输出拉式变换和输入拉式变换之比。

4．方块图和传递函数有什么作用？答：方块图和传递函数是自动化理论的重要基础。

通过方块图可以直接看出各环节的联系，及环节对信号的传递过程；而传递函数可以用来描述环节或自动控制系统的特性，将输入----输出关系一目了然表示出来。

第一章1.1.2自动控制系统的构成（了解）1.整定文件：也称给定文件，给出了被控量应取的值2.测量元件：检测被控量的大小传感器3.比较元件：用来得到给定值与被控量之间的误差4.放大元件：将误差信号放大，用以驱动执行机构5.执行元件：用来执行控制命令，推动被控对象。

6.校正元件：用来改善系统的动、静态性能。

7.能源元件：用来提供控制系统所需的能量1.1.3自动控制系统的分类(了解)分为开环控制系统和闭环控制系统，以及同时具有开环结构和闭环结构的复合控制系统1.闭环控制：原理是，需要控制的是受控对象的被控量，而测量的则是被控量和给定值，并计算两者的偏差，该偏差信号经放大后送到执行元件，去操纵受控对象，使被控量按预定的规律变化，力图消除偏差。

也称为偏差调节。

反馈：把取出的输出量回送到输入端，并与指令信号比较产生偏差的过程称为反馈反馈控制就是采用负反馈并利用偏差进行控制的过程，是自动控制系统中最基本的控制方式。

闭环控制的三大特点：信号按箭头方向传递是封闭的（闭环）、负反馈和按偏差控制。

优点：控制精度高，抗干扰能力强缺点：使用的元件多，线路复杂，系统的分析和设计都比较麻烦。

2.开环控制：分为按给定值控制或者按干扰补偿与闭环控制的基本区别在于有无负反馈作用。

这种控制方式简单，但精度较低抗干扰能力差。

但结构简单、成本低、在精度要求不高时有一定的使用价值。

3.复合控制把按偏差控制和按干扰控制结合起来，对主要扰动采用适当的补偿，实现按干扰控制；同时在组成反馈系统实现按偏差控制，以消除其他偏差。

1.3.3自动控制系统的过渡过程自动控制系统在动态过程中被控量是不断变化的，这种随时间而变化的过程称为自动控制系统的过渡过程。

1单调过程：被控变量在给定值的某一侧做缓慢变化。

最后能回到给定值。

2非周期发散过程：被控变量在给定值的某一侧，逐渐偏离给定值，而且随时间t的变化，偏差越来越大，永远回不到给定值。

3衰减振荡过程：被控变量在给定值附近上下波动，但振幅逐渐减小，最终能回到给定值4等幅振荡过程：被控变量在给定值附件上下波动且振幅不变，最终也不能回到给定值5发散振荡过程：被控变量在给定值附近来回波动，而且振幅逐渐增大，偏离给定值越来越远1,3是稳定的过渡过程，系统受到干扰时，平衡被破坏当经过控制器的工作，被控变量能逐渐恢复到给定值或达到新的平衡状态。

发展趋势1、微电子、仪器仪表、电气设备、自动化技术的进行2、给水排水工程由土木工程型向设备型转化，给水排水匸程的仪表化，设备化，自动化迅速发展3、各种先进的白动，白动控制技术、设备、仪表已在给水排水T程的各个工艺环节以至全系统上应用。

第一章1、自动控制系统的基木目的：解放劳动力提高效率：应用H动控制技术可以解脱繁重的、单调的、低效的人类劳动，以提高生产效率和提高生活水平；提高精度和质量：对现代生产中很复杂的或极精密的工作，川人力不能胜任时，应川自动控制技术就可以保证高质量地完成任务。

2、自动控制：在人不直接参加情况下，利用外加的设备或装置使整个生产过程或工作机械口动地按预定规律运行，或使其某个参数按预定要求变化。

自动控制系统基本构成：整定文件：或给定文件，给出被控量应取的值。

测量元件：检测被控量的大小，如流量计等。

比较元件：用来得到给定值与被控屋Z间的误差。

放人元件：用来放人误差信号，驳动执行机构。

执行元件：用來执行控制命令，推动被控対象。

电机是典型的执行文件校正元件：用来改善系统的动、静态性能。

能源元件：用来提供控制系统所需的能竝。

第二章1、常用仪表M设备可分为以下几类：过程参数检测仪表：包括各种水质参数在线检测仪表，如浊度、pH值等，工作参数的检测，如压力。

过程控制仪表：如电动、气动单元组合仪表。

调节控制的执行设备：水泵、电磁阀、调节阀等。

2、测量仪表性能指标:（1）精确度：即精度，表示仪表测量结果的可靠程度，精度等级数值越小，仪表测量精确度越高。

粕度一定，减小量程可减小测量误差。

（2）变差：外界条件不变的情况下使用同一仪表对某一变虽进行正反行程测屋时对应于同一测量值所得的读书间的差异，使用中不能超出仪表允许谋差。

（3）线性度：检测仪表的输入输出信号之间存在线性対应关系，并将仪表的刻度制成线性。

线性度衡量实际特性偏离线性程度的指标（4）灵敏度和分辨率：灵敏度指仪表仪表输出京华量与引起此变化量之比，反映仪表对■被测量变化的灵敏程度3、pH计的清洗方法机械刷洗、超声波清洗、水喷射清洗、化学溶液喷射清洗、复合清洗4、pHik应用的注意事项：（1）电极清洗方式：要选用于所测液体的介质条件环境；（2）安装配管应合理：以保证介质的流通性能；⑶信号干扰问题：电势mv级，易受干扰，在泵示安装时最好距电机一定距离；（4）保持输入端插口的清洁：不用时将应路线接入；（5）玻璃电极的玻璃球泡切忌与硬物相接触；（6）预热:短时间测量5min,长时间测量20min以上；（7）U'汞电极内部的氯化钾溶液保持在2/3左右；（8）测量时必须注意控制溶液的温度的变化。

《给排水工程仪表与控制》
课程代码：0801890 开课学院：土木建筑工程学院
开课学期：6 授课对象：给排水科学与工程本科生
学分：1.5 课程负责人：王弘宇
课程简介：
本课程是给排水科学与工程专业的主要专业课之一。

其目的是使学生了解与城市水工程有关的仪器仪表和自动化的基本知识，以及自动化技术在城市水工程中的各种应用，并具有进一步研究城市水工程自动化技术的能力。

内容包括自动控制的基础知识；城市水工程常用自动化仪器仪表的基本工作原理，电路结构和控制技术；水泵及管道系统的控制调节方法和调节器电路的基本工作原理；给水处理系统和污水处理系统的自动控制技术等。

为了学生能够较好理解课程的教学内容，本课程采用以多媒体课堂授课为主，结合课堂讨论、书面作业、实践教学多种教学形式。

本课程于第6学期开课。

课程考核：课外作业，闭卷考试。

教材：《给水排水工程仪表与控制》，崔福义主编，中国建筑工业出版社，2002
参考书目：施汉昌，柯细勇，刘辉，《污水处理在线监测仪器原理与应用》，化学工业出版社，2008。