水工程仪表与控制复习资料.docx
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水工程仪表与控制复习资料
第一章
1、自动控制定义、系统作用、系统构成
定义：
在人不直接参与的情况下，利用外加的设备火装置（称自动控制装置）使整个生产过程或工作机械（称作对象）自动地按预定规律运行，或使其某个参数（被控量）按预定的要求变化
系统作用：
使得在没有人直接参与的情况下通过该系统照样可以实现同样的控制目的。
系统构成：
①整定文件（给出了被控量应取的值）
②测量元件（监测被控量的大小）
③比较元件（用来得到给定与被控量之间的差误）
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（执行控制命令，推动被控对象）
⑥校正元件（改善系统控制的动静态性能）
⑦能源元件（提供控制系统所需能量）
2、自动控制系统基本概念
由被控对象和自动控制装置按一定方式连接起来的、完成一定自动控制任务的有效组合体。
3、开、闭环控制系统的区别，应用范围
区别：
闭环控制系统用负反馈并利用偏差进行控制，开环控制信号只能由给定值单向传递到被控量，信号只有倾向，无反向联系；前者与后者相比，抗干扰能力强，控制精度高。
应用范围：
总体上闭环的应用范围比开环的更广泛点。
闭环控制适用于控制精度要求高，抗干扰能力强，元件多，线路复杂，系统分析和设计比较麻烦的系统；开环控制适用于控制精度低，抗干扰能力差的系统，成本低。
4、传感器性能对控制系统性能的影响
①传感器是决定系统重要的性能重要部件，它的每项指标都直接影响测量结果的好坏和整个控制系统过程的准确性；
②以精确的传感器做基础，可以组成各种不同用途的自动控制系统，提高控制系统的适用范围。
★★5、自动控制系统的分类及每一种类型的特点
注：
括号里的内容是为了出于选择题填空的考虑，简答题时可不写。
①按按数学模型分
线性：
具有叠加性和齐次性，可用线性微分方程描述（课件版）
非线性：
不适用叠加原理，用非线性方程描述（课件版）
连续：
数控系统能够对两个或两个以上的坐标轴同事进行严格连续控制，控制准确。
（XX版）
离散：
控制功能分散，管理集中。
（XX版）
②按给定值分（课件版）
定值控制系统：
输入量是恒定的常值，其主要任务是使输出量在各种扰动作用下都能保持在恒定希望值附近，（如恒温、水位、恒压控制系统）
随动系统：
也叫伺候系统，跟踪系统，其输入量是事先不知道的任意时间函数，主要任务是使输出量迅速而准确地跟随输入量的变化而变化；（如飞机和舰船分操舵系统，雷达自动跟踪系统）
程序控制系统：
其输入量按照给定的程序变化，主要任务是使输出量按预先给定的程序指令而动作（典型的为数控车床，机器人控制系统，水处理工艺中滤池的反冲洗过程控制）
③按系统结构分（课件版）
负反馈系统：
系统的输出控制输入，调整过度行为
前馈控制系统：
前馈通路由对输入信号或扰动作用的补偿装置组成，不能单独使用。
复合控制系统：
系统由两个及两个以上的简单控制系统组合起来可控制一个或同时控制多个参数，能显著减小扰动对系统的影响，有利于提高控制精度（如前馈--反馈控制系统）。
1．2
★★1、传递函数的定义、数学基础、在经典控制理论中的重要地位。
1）定义：
线性定常系统在输出初始条件均匀为零的条件下，输出拉氏变换与输入拉氏变换之比。
2）数学基础：
①拉氏变换，即将微分积分函数转化为代数幂函数形式，将微分方程转化代数方程，包括线性定理、移位定理、延迟定理、终值定理、初值定理、微分定理和积分定理；②反拉式变换
3）在经典控制理论中的重要地位：
经典控制理论的研究对象是单输入、单输出的自动控制系统，特别是线性定常系统，所以传递函数是经典控制理论的基础。
★★2、系统结构未知时，如何用实验方法获取系统传递函数。
当系统或环节的物理过程不清，不知其传递函数时，可以输入一特定信号X（s），通过对输出的观察记录得到Y（s），再通过G（s）=Y（s）/X（s），就可求出该环节或系统的传递函数。
这就是利用实验方法求取系统或环节传递函数的过程。
★★3、为何要了解典型环节特性？
各典型环节的特性、实例。
1）原因：
因为一个实际的系统模型可以用若干个典型环节组合而成，了解典型环节的特性，将有助于复杂系统的分析和设计。
2）各典型系统环节的特性及实例
①比例环节：
表达式为G（s）=K（k为增益，比例系数，放大系数），其特点是输入输出量成比例，无失真和时间延迟；主要实例有电子放大器、齿轮、电阻（电位器）、感应式变送器
②积分环节：
表达式为G（s）=K/Tis,其特点为输出量与输入量的积分成正比例。
当输入消失，输出具有记忆功能；主要实例有电动机转角速度与角度间的传递函数，模拟计算机中的积分器。
③振荡环节：
表达式为G（s）=1/（T2s2+2ζTs+1），T为时间常数，ζ为阻尼系数；其特点为环节有两个独立的储能元件，并可进行能量交换其输出出现振荡；实例为RLC电路的输出与输入电压间的传递函数。
④微分环节：
主要表达式包括理想微分（G（s）=KS）、一阶微分（G（s）=τs）和二阶微分（G（s）=τ2S2+2ζτS+1）；特点是输出量正比输入量变化的速度，能预示输入信号的变化趋势；主要实例有测速发电机输出电压与输入角度间的传递函数；
⑤延迟环节：
表达式为G（s）=e-τs，其特点为输出量能准确复现输入量，但是延迟一段纯滞时间；主要实例为管道压力、流量等物理量的控制。
1．3
1、典型输入信号
典型输入信号包括：
1）阶跃函数（指令的突然转换，电源的突然接通，负荷的突变）；2）速度函数（斜坡函数）；3）加速度函数（抛物线函数）；4）脉冲函数
引入原因：
在分析和设计系统时，为了比较系统性能的优劣，对于外作用信号和初始状态做典型化处理。
规定了一些具有特殊形式的试验信号作为系统的输入信号，这些典型的输入信号反映系统的大部分实际情况，尽可能简单，便于分析处理，并且是对系统工作最不利的信号。
2、过渡过程的定义，对过渡过程的要求，过渡过程的性能指标。
1）定义：
自动控制系统在动态过程中被控量随时间不断变化的，使系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程（或者说是自动控制系统的控制作用不断克服干扰影响的全过程。
）
2）过渡过程要求：
①总的来说是希望实际调节过程尽可能接近与理想的调节过程
②工程上有快、准、稳三方面的要求：
A快速性：
系统在稳定的前提下，响应的快速性是指系统消除实际输出量与稳态输出量之间误差的快慢程度。
B准确性：
指在系统达到稳定状态后，系统实际输出量与给定的希望输出量之间的误差大小，它又称为稳态精度。
C稳定性：
对恒值系统要求当系统受到扰动后经过一定时间的调整能够回到原来的期望值；对随动系统，被控量始终跟踪参据量的变化。
3）过渡过程的性能指标
①指标：
超调量、过渡时间、稳态误差（余差）、衰减比、最大偏差、振荡周期等。
②指标间的相互关系：
对一个调节系统总是希望能够做到余差小，最大偏差小，调节时间短，回复快。
但上述几个指标往往是互相矛盾的。
一般讲，抑制最大偏差，就要产生较强的波动；要求余差小，相应的调节过程就要长些。
因此，这些指标在不同的系统中其重要性也不相同，应根据具体情况，分清主次，保证重要的指标。
1．4
1、常用控制器的特点（答案结合课本与XX）
控制器控制方式
优点
缺点
双位控制
双位控制
有最大最小两个输出值，周期长些比较有利；
结构简单、成本较低、易于实现、应用普遍
动作频繁，部件容易损坏
多位控制
控制效果比双位好，位数增加，控制效果提高
位数高同时使控制器复杂程度增大
比例控制
输出与输入成比例，，反应快，控制及时，没有时间延迟，参数整定方便
产生余差
比例积分控制
无差控制，以比例控制为主，积分控制为辅，比例积分作用的参数相配合
积分控制缓慢，会使系统的稳定性变慢
比例积分微分控制
控制质量高、无余差
参数整定麻烦
2、控制方式的选择
当广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化不大，工艺要求不高时，选用比例控制方式；当广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化较大，工艺要求无余差时，选用比例积分控制方式。
当广义对象控制通道时间常数较大或容量滞后大时，采用微分作用
当广义通道时间常数较小，负荷变化很大时，选用微分作用和积分作用都容易引起振荡。
如果时间常数很小时，采用反微分作用来降低系统的反应速度提高控制质量
当广义对象滞后很小或噪声严重时，应避免引入微分作用，否则会导致系统不稳定
⑤当广义对象控制通道时间常数很大（或存在较大的纯滞后），负荷变化很大时，单回路控制系统往往已不能满足要求，应设计其他控制方案，根据具体情况选用前馈、串级、采样等复杂控制系统。
⑥当对象数学模型可用G0（s）=Ke-τs/（Ts+1）近似时，则可根据纯滞后时间τ与时间常数T的比值τ/T来选择控制方式，即
当τ/T<0.2时，选用比例或比例积分控制方式；
当0.2<τ/T<1时选用比例积分或比例积分微分方式规律
当τ/T>1时采用单回路控制系统，往往不能满足要求，应选用其他控制方案。
3、调节作用的实现方法
模拟式：
如气动调节器、电动调节器都属于模拟调节器，其气压、电流、电压信号随时间连续变化；
数字式调节器：
DCS，单回路（半数字）；FCS（全数字）
1．6
1、计算机控制系统的常用形式，各自的特点。
1）操作指示控制系统：
（优）结构简单、控制灵活、安全可靠
（缺）要由人工操作，速度受到人为限制，不能同时多个回路。
该系统常用在计算机控制系统设计与调试阶段，进行数据检测，处理及试验新的数学模型，调试新的控制程序等。
2）直接数字控制系统——DDC：
（优）计算能力强，可有效实现复杂控制，改善控制质量，提高效益；控制回路较多时，采用DDC系统常规控制器控制系统更经济合算。
3）监督控制系统----SCC
（优）不仅可以进行给定值控制，还可以进行顺序控制、最优控制以及自适应控制等，比DDC系统更接4）集散控制系统----DCS
（优）可靠性高，速度快，结构灵活，易扩展，设计开发简单，维护简便。
5）现场总线控制系统----FCS
采用双绞线、光缆或无线电方式传输数字信号，减少大量导线，调高可靠性和抗干扰能力；
采用统一的国际标准，不同厂家产品相互兼容，整个系统具有开放性、便于操作，维护和扩展；
③控制功能下放在现场仪表中，控制室内装置主要完成数据处理、监督控制、优化控制、协调控制和管理自动化等功能
④硬件相对简化，初期系统投资相对较低，同时，现场总线可提供来自现场仪表的设备管理数据作为维护的参考，将非正常停工损失降为最低；
⑤采用功能块方式组态，现场总线已有大量可满足过程控制的功能模块，如输入、输出、PID调节等
⑥采用完全分散的数据库概念，只使用一个数据库，任何间现场总线接口的人机界面都课室显示有关仪表与控制回路的信息。
1、
2．1
1、常见过程控制系统的基本组成部分。
检测装置的重要性。
（1）检测仪表功能及组成：
检测：
利用适当的物理转换手段和信号形式的转换并以数量方式达成对被测物理量的确切认识。
检测仪表功能：
确定被测参数的量值。
（2）检测仪表的重要性：
检测装置是控制系统的重要组成部分。
如果系统中的控制器是理想的，无静差的，则系统的静态误差唯一地取决于检测装置的精度等级。
2、检测装置的单元形式为变送单元仪表，其两个基本组成部分。
（传感器、变送器）
组成：
a传感器（含敏感元件）：
检测仪表中的首要部件，它直接与被测对象发生联系（但不一定直接接触），感受被测参数的变化并发出与之相适应的信号（压力变化、电阻变化等）。
b、变送器：
能输出标准信号的传感器
3、敏感元件定义、独立性。
仪表基本概念：
敏感元件（又称“一次仪表”）：
“独立”于被测系统之外，直接与工艺介质相接触，并以参数方式对被测物理量做出“敏感”响应的物理实体。
这里“独立”是指被测物理量不应因敏感元件的设置而受到影响。
4、传感器定义，其输出信号的形式。
传感器：
是将敏感元件参数响应变量转换成便于应用和传递的信号装置。
因此其是由敏感元件和相应线路所组成的物理系统。
输出信号的形式：
（1）模拟式：
传感器输出为模拟电压量
（2）数字式：
传感器输出为数字量
5、变送器定义
变送器：
是输出信号符合标准化要求的传感器。
6、转换器定义
转换器：
（又称转换单元）是将不同物理形式的传感器输出信号进行相互转换的单元。
7、仪表信号传输标准：
电压制、电流制各自适用范围；两线制；活零点★★
仪表信号传输标准1（电压制适用范围）
电压制信号传输标准：
电压传输：
信号源内内阻小（零），负载电阻大，因而对外界扰动敏感，且受传输导线电阻的影响大。
故不适合于信号的远距离传输。
信号传输标准－2（电流制适用范围）
电流制信号传输标准：
电流传输：
信号源内阻大（无限大），负载纪念碑上，因而对外界扰动不敏感，且不受传输导线电阻的影响。
故非常适合于信号的远距离传输。
信号传输标准－3
国际电工委员会（IEC）于1973年4月通过信号传输的国际标准：
现场传输信号：
直流4~20mA；控制室内仪表间的联络信号：
直流1~5V。
适用范围：
DDZ-III型（80年代，受用集成电路），数字仪表，DCS系统等。
信号传输标准－4
ＤＤＺ－Ｉ型（60年代，放大元件为电子管、磁放大器）、DDZ-II型（70，采用晶体管放大元件）仪表采用的信号传输标准为：
0~10mA DC，或0~5VDC。
两种标准的比较：
这种以20mA表示信号的满度值，而以此满度值的20%即4mA表示零信号的安排，称为“活零点”。
信号传输标准－5
“活零点”的优点：
有利于识别断电，断线等故障，且为实现两线制提供了可能性。
所谓“两线制”变送器就是将供电的电源线与信号的输出线合并起来，一共只用两根导线，使用两线制变送器不仅节省电缆，布线方便，且大大有利于安全防爆，因为减少一根通往危险现场的导线，就减少了一个窜进危险火花的门户。
信号传输标准－7
另外，采用直流信号传输的优点：
传输过程中易于和交流感应干扰相区别，且不存在相移问题，可不受传输线中电感，电容和负载性质的限制。
其它信号传输标准：
RS485数字信号传输，Smart传输技术、现场总线技术等等。
8、仪表的基本技术指标
（1）静态基本参数
1）零位（点）
当输入量为零即x=0时，传感器系统输出量y不为零的数值。
如：
变送器是输出标准信号的传感器，输出直流电流值4ma为零位值。
零位值应从测量结果中设法消除。
2）量程
又称满度值，表征测量系统能够承受最大输入量的能力，其数值是测量系统示值范围上下限之差的模。
当输入量在量程范围以内时，系统正常工作并保证预定的性能。
如：
对于输出标准化的变送器，它有如下的严格的规范值：
零位值=4ma
上限值=20ma
量程=20ma-4ma=16ma
3）灵敏度
灵敏度表示测量仪表对被测参数变化的敏感程度，常以仪表输出。
例如指示装置的直线位移或角位移与引起此位移的被测参数变化量之比表示，即：
灵敏度=△a/△x
4）分辨率
它表征测量系统有效辨别输入量最小变化量的能力。
最小分度值的1/2~1/5。
具有数字显示器的测量系统，其分辨率是当最小有效数字增加一个字时相应示值的变化量，也即一个分度值。
（2）仪表静态性能指标
1）精确度
相对（于满量程的）百分比误差：
定义为测量范围中最大的绝对误差与该仪表的测量范围之比，单位为%。
￡=（△max/Xmax-Xmin）×100%
去掉上式中相对百分误差的%，称为仪表的精确度，他被划分成若干等级，如0.1级（0.1R）、0.2级、0.5级、1.0级、1.5级、2.5级等。
2）迟滞
传感器在相同的工作条件下，输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象成为迟滞。
迟滞误差：
传感器在全量程范围内最大迟滞差值ΔHmax与满量程输出值Yfs之比成为迟滞误差,用γH表示,即γH=ΔHmax/Yfs*100%
ΔHmax：
对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。
Yfs:
满程量输出量
迟滞主要是由于传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的缺陷所造成的，例如弹性敏感元件弹性滞后，运动部件摩擦，传动机构的间隙，紧固件松动等
它表征系统在全量程范围范围内，输入量由小到大（正行程）或由大到小（反行程）两个静态特征不一致的程度。
迟滞误差又称为会差或变差
3）变差（重复性）：
在外界条件不变的情况下，使用同一仪表对被测参数进行反复测量（正行程和反行程）时，所产生的最大差值与量程范围之比称为变差，表示系统输入量按同一方向作全量程、连续多次变动时，静态特征不一致的程度。
4）线性度（非线性误差）
线性度：
测试系统的输出与输入系统能否像理想系统那样保持正常值比例关系（线性关系）的一种度量。
线性度决定了传感器输出信号与输入信号在测量范围内成正比的程度。
（3）动态性能指标
再输入量随时间变化时，由于仪表内部的惯性和滞后，还存在动态误差。
常用指标包括：
稳定时间（相对于调节时间）、极限频率（最大允许输入信号的频率）等。
检测仪表的带宽要足够大（相对被控对象或过程），否则会对闭环调节性能造成不良影响。
◆需要指出：
每一个仪表都规定有其正常的使用条件。
在正常使用条件下产生的最大百分误差属于基本误差；而仪表不在规定的正常使用条件下工作，例如因周围温度、电源电压等偏高或偏低而引起的额外误差，称为附加误差，而前面讲述的指标都是指在规定的工作条件下取得的。
2.4
1、流量的三个基本定义。
（体积、质量、总量流量）
流量的基本概念：
单位时间内流过管道横截面的流体数量，称为瞬时流量。
当流体的数量以体积表示时，称“体积流量”记作qv
当流体的数量以质量表示时，称“质量流量”记作qm
在某一段时间内流过管道横截面流体总和称为总（流）量或累计流量，记为
通常指用来测量瞬时流量的仪表叫流量计，而用来记总量的仪表称为总（计）量表。
2、流量仪表的分类（按测量方法和结构分）
1）差压式流量计差压式流量计是根据安装于管道中流量检测产生的差压、已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来推算流量的仪表。
差压式流量计的使用量居流量仪表的首位，近年来，由于各种新型流量计的问世，它的使用量百分数逐渐下降，但目前仍是最重要的一类流量计。
2）浮子流量计浮子流量计，又称转子流量计，是变面积式流量计的一种。
在一根由下向上扩大的垂直锥管中，圆形横截面的浮子的重力是由液体动力承受的，从而使浮子可以在锥管内自由地上升和下降。
浮子的位置指示着流量的大小。
浮子流量计按锥管材料分为玻璃管和金属管两大类，按远传型式分为电远传和气远传两种。
浮子流量计是仅次于差压式流量计应用范围最宽广的一类流量计。
分别在小、微流量方向有举足轻重的作用。
浮子流量计优缺点a.使用于小管径和低流速。
常用仪表口径40-50mm以下，最小口径做到1.5-4mm。
b.大部分浮子流量计没有上游直管段要求，或者说对上游直管段要求不高。
c.有较宽的流量范围度，一般为10：
1，最低为5：
1，最高为25：
1。
流量检测元件的输出接近于线性。
压力损失较低。
d.玻璃管浮子流量计结构简单，价格低廉。
只要在现场指示流量者使用方便，缺点是有玻璃管易碎的风险，尤其是无导向结构浮子用于气体。
e.金属管浮子流量计无锥管破裂的风险。
与玻璃管浮子流量计相比，使用温度和压力范围宽。
f.大部分结构浮子流量计只能用于自下向上垂直流的管道安装。
g.应用局限于中小管径，普通全流型浮子流量计不能用于大管径，玻璃管浮子流量计最大口径100mm，金属管浮子流量计为150mm。
h.使用流体和出厂标定流体不同时，要作流量示值修正。
液体用浮子流量计通常以水标定，气体用空气标定。
3）容积式流量计容积式流量计，又称定排量流量计，简称PD流量计，在流量仪表中是精度最高的一类。
它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，根据测量室逐次重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总量，是一种总量表。
PD流量计一般不具有时间基准，为得到瞬时流量值需要另外附加测量时间的装置。
容积式流量计按其测量元件分类,可分为椭圆齿轮流量计、刮板流量计、螺杆式（双转子）流量计、旋转活塞流量计、往复活塞流量计、圆盘流量计、液封转筒式流量计、湿式气量计及膜式气量计（家用燃气表）等。
容积式流量计与差压式流量计、浮子流量计并列为三类使用量最大的流量计,常应用于昂贵介质（油品、天然气等）的总量测量。
◆[差压式流量计、浮子流量计、容积式流量计、涡轮流量计、电磁流量计、涡街流量计、超声流量计、热式流量计]
3、差压式流量计的基本工作原理、主要特点、选用原则。
差压式流量计（DPF）：
是应用最广泛的流量计,近年来,由于各种新型流量计的问世,它的使用量百分数逐渐下降,但目前仍是最重要的一类流量计。
◆基本原理:
差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压,已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来计算流量的仪表。
充满管道的流体，当它流经管道内的节流件时，如图9.1.3所示，流束将在节流件处形成局部收缩，因而流速增加，静压力降低，于是在节流件前后便产生了压差。
流体流量愈大，产生的压差愈大，这样可依据压差来衡量流量的大小。
◆组成
由一次装置（检测件）和二次装置（差压转换和流量显示仪表）组成。
按检测件型式对DPF分类为:
孔板流量计，文丘里管流量计及均速管流量计等。
二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计,差压变送器及流量显示仪表。
它已发展为三化（系列化、通用化及标准化）程度很高的、种类规格庞杂的一大类仪表,既可测量流量,也可测量其它参数（如压力、物位、密度等）。
DPF按检测件作用原理可分为:
节流装置、水力阻力式、离心式、动压头式、动压头增益式及射流式几大类。
其中以节流式和动压头增益式应用最为广泛。
节流装置按其标准化程度分为标准型和非标准型二大类。
所谓标准节流装置是指只要按照标准文件设计、制造、安装和使用，无须经实流校准即可确定其流量值并估算其测量误差。
非标准节流装置是成熟程度较差，尚未列入标准文件的检测件。
◆节流式DPF的优点：
应用最普遍的节流件标准孔板结构易于复制，简单，牢固，性能稳定可靠，使用期限长，价格低廉。
节流式差压式流量计应用范围极广泛，至今尚无任何一类流量计可与之相比。
全部单相流体，包括液、气、蒸汽皆可测量，部分混相流，如气固、气液、液固等亦可应用，一般生产过程的管径、工作状态（压力，温度）皆有产品。
检测件与差压显示仪表可分开不同生产厂生产，便于专业化形成规模经济生产，它们的结合非常灵活方便。
检测件，特别是标准型的，是全世界通用的，并得到国际标准组织的认可。
标准型节流式DPF无需实流校准，即可投用，在流量计中亦是惟一的
目前在各种类型中以节流式和动压头式应用最多。
◆节流式DPF主要存在以下缺点：
1）测量的重复性、精确度在流量计中属于中等水平，由于众多因素的影响错综复杂，
精确度难以提高。
2）范围度窄，由于仪表信号（差压）与流量为平方关系，一般范围度仅3:
1-4:
1。
3）现场安装条件要求较高，如需较长的直管段（指孔板，喷嘴），一般难以满足。
4）检测件与差压显示仪表之间引压管线为薄弱环节，易产生泄漏、堵塞、冻结及信号
失真等故障。
5）压损大（指孔板，喷嘴）。
◆差压流量计的选用原则：
选用考虑因素的五个方面为仪表性能、流体特性、安装条件、
环境条件和经济因素
1仪表性能方面
（1）精确度、重复性、线性度、流
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