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第一章1 11、 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： 整定文件（给出了被控量应取的值） 测量元件 (监测被控量的大小） 比较元件（用来得到给定与被控量之间的差误） 放大元件（用来将误差信号放大，用以驱动执行机构） 执行元件 （执行控制命令，推动被控对象） 校正元件 （改善系统控制的动静态性能） 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 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； 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。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。 （百度版）离散：控制功能分散，管理集中。（百度版）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）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 21、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：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；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 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 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。 振荡环节：表达式为G(s)=1/(T2s2+2Ts+1)，T为时间常数，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。 微分环节：主要表达式包括理想微分（G(s)=KS）、一阶微分(G(s)=s)和二阶微分(G(s)=2S2+2S+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； 延迟环节：表达式为G(s)=e-s，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 31、 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：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 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。 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 41、 常用控制器的特点 （答案结合课本与百度）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。当对象数学模型可用G0(s)=Ke-s/(Ts+1)近似时，则可根据纯滞后时间与时间常数T的比值 /T来选择控制方式，即当/T0.2时， 选用比例或比例积分控制方式；当0.2/T1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 61、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；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；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 11、 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c、显示器：人与仪表的联系环节 d、传输通道：联系仪表各个环节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420mA；控制室内仪表间的联络信号：直流15V。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：010mADC，或05V DC。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=20 ma量程=20ma-4ma=16ma3） 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/x4） 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1/21/5。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 Hmax与满量程输出值Yfs之比成为迟滞误差,用H表示,即H=Hmax/Yfs*100%Hmax：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。2.41、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。u 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、流量范围和范围度 压力损失2流体特性方面流体物性参数的确定，流体物性参数包括密度、粘度、等熵指数、湿度等，(2)流体的腐蚀、磨蚀、结垢、脏污等3安装条件4环境条件5经济因素3、 电磁流量计的基本工作原理、主要特点、选用原则。（1）工作原理：电磁流量计根据法拉第电磁感应原理，在与测量管轴线和磁力线相垂直的管壁上安装了一对检测电极，当导电液体沿测量管轴线运动时，导电液体切割磁力线产生感应电势，此感应电势由两个检测电极检出，数值大小与流量成比例，其值为： 式中：E=KBVD E-感应电势； K-与磁场分布及轴向长度有关的系数。 B-磁感应强度； V-导电液体平均流速； D-电极间距；（测量管内直径）（2）电磁流量计（EMF）优点: (a)测量通道是段光滑直管,不会阻塞,适用于测量含固体颗粒的液固二相流体,如纸浆、泥浆、污水等; (b) 电磁流量计不产生因检测流量所形成的压力损失，仪表的阻力仅是同一长度管道的沿程阻力，节能效果显著，对于要求低阻力损失的大管径供水管道最为适合。(c)所测得体积流量实际上不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化的明显影响; (d) 与其他大部分流量仪表相比，前置直管段要求较低（e）电磁流量计测量范围度大，通常为20：150：1，可选流量范围宽。满度值液体流速可在0.510m/s内选定。有些型号仪表可在现场根据需要扩大和缩小流量不必取下作离线实流标定。（f）电磁流量计的口径范围比其他品种流量仪表宽，从几毫米到3m。(g) 可测正反双向流量，也可测脉动流量，只要脉动频率低于激磁频率很多。（h）仪表输出本质上是线性的。（j）易于选择与流体接触件的材料品种，可应用于腐蚀性流体。(3)电磁流量计（EMF）缺点：a电磁流量计不能测量电导率很低的液体，如石油制品和有机溶剂等。b不能测量气体、蒸汽和含有较多较大气泡的液体。 c通用型电磁流量计由于衬里材料和电气绝缘材料限制，不能用于较高温度的液体；有些型号仪表用于过低于室温的液体，因测量管外凝露而破坏绝缘。(4)电磁流量计的选用原则：大口径电磁流量计较多使用于给排水工程，中小口径常使用于固液双相等难测流体或高请求场所，而小口径和巨大口径常使用于医药工业、食品工业、生物工程等有卫生请求的场所。EMF选用应考虑以下几点：1精度等级和功效2流速、满度流量、领域度和口径3液体电导率4液体中含有混入物5附着和沉淀6与流体接触零部件资料的选择(5)电磁流量计安装注意事项：转换器安装与连接电缆一体型 EMF 无单独安装转换器；分离型转换器安装在传感器附近或仪表室转换器和传感器间距离受制于被测介质电导率和信号电缆型号，即电缆的分布电容、导线截面和屏蔽层数等。要用制造厂随仪表所附（或规定型号）的信号电缆。电导率较低液体和传输距离较长时，也有规定用三层屏蔽电缆为了避免干扰信号，信号电缆必须单独穿在接地保护钢管内，不能把信号电缆和电源线安装在同一钢管内。 5、超声流量计的基本工作原理、主要特点、选用原则。(1)超声波流量计（简称USF）是通过检测流体流动对超声束(或超声脉冲)的作用，以测量体积流量的仪表。这里主要讨论用于测量封闭管道液体流量的USF封闭管道用USF按测量原理分类有：传播时间法、多普勒效应法、波束偏移法、相关法、噪声法等。(2)工作原理：声波在流体中传播，顺流方向声波传播速度会增大，逆流方向则减小，同一传播距离就有不同的传播时间。利用传播速度之差与被测流体流速之关系求取流速，称之传播时间法。按测量具体参数不同，分为时差法、相位差法和频差法。(3)优点1USF可作非接触测量，可作移动性（即非定点固定安装）测量，适用于管网流动状况评估测定2USF为无流动阻挠测量，无额外压力损失。3流量计的仪表系数是可从实际测量管道及声道等几何尺寸计算求得的，既可采用4干法标定，除带测量管段式外一般不需作实流校验。5USF适用于大型圆形管道和矩形管道，且原理上不受管径限制，其造价基本上与管径无关。6多普勒USF可测量固相含量较多或含有气泡的液体。7USF可测量非导电性液体，在无阻挠流量测量方面是对电磁流量计的一种补充。8因易于实行与测试方法（如流速计的速度-面积法，示踪法等）相结合，可解决一些特殊测量问题，如速度分布严重畸变测量，非圆截面管道测量等。9某些传播时间法USF附有测量声波传播时间的功能，即可测量液体声速以判断所测液体类别。（4）缺点传播时间法USF只能用于清洁液体和气体，不能测量悬浮颗粒和气泡超过某一范围的液体；反之多普勒法USF只能用于测量含有一定异相的液体。外夹装换能器的USF不能用于衬里或结垢太厚的管道，以及不能用于衬里（或锈层）与内管壁剥离（若夹层夹有气体会严重衰减超声信号）或锈蚀严重（改变超声传播路径）的管道。多普勒法USF多数情况下测量精度不高。国内生产现有品种不能用于管径小于DN25mm的管道。251、调节器的基本类型A、按所用能源形式分（1）气动仪器信号传输速度为音速，不怕电磁干扰，防爆（2）液动仪表（很少见）体积大，动作慢，功率大（3）电动仪表信号传输速度为光速，怕电磁干扰。（4）混合仪表B、按结构分（1）基地式仪表在被控制对象附近，多种功能部件（传感器，执行器都装在一起，结构紧凑）设计成一个整体。例如B系列，KF系列。（2）单元组合式仪表积木式，各单元仪表为一个“积木”，这种仪表通用的DDZ-H、DDZ-S，被调参数性质（种类）取决于所配的配送器（3）组装式仪表柜装仪表 TF-900、MZ-III（4）分散控制系统（DCS）分散控制，管理集中INF1-90、HIACS-3000、MAX-1000（5）现场总线控制系统（FCS）现场仪表挂接在现场总线上，通过现场总线，通过现场总线与控制室（上位机）相联系C、其他分类方式按仪表安装形式，可以分为现场仪表、盘装仪表和架装仪表根据仪表有否引入微处理机（器），可分为智能仪表与非智能仪表2.61、执行设备的组成、分类通常由执行机构、调节机构和附件3部分组成。附件包括放大器、阀门定位器、位置发信器和速度发信器等，可根据不同要求选用。执行器有时不用附件，仅由调节机构和附件2部分组成。如气动薄膜调节阀就不带阀门定位器。分类：各种水泵（离心泵、往复式计量泵）、各种阀门（调节阀、电磁阀）,按工作能源不同分为电动、气动、液动、电器复合和电液复合式；按控制功能不同分为位置控制式、速度控制式和电动控制式；按输入信号不同分为模拟式和数字式。2、离心泵的调节方式 离心泵在水利、化工等行业应用十分广泛，对其工况点的选择和能耗的分析也日益受到重视。所谓工况点，是指水泵装置在某瞬时的实际出水量、扬程、轴功率、效率以及吸上真空高度等，它表示了水泵的工作能力。通常，离心泵的流量、压头可能会与管路系统不一致，或由于生产任务、工艺要求发生变化，需要对泵的流量进行调节，其实质是改变离心泵的工况点。除了工程设计阶段离心泵选型的正确与否以外，离心泵实际使用中工况点的选择也将直接影响到用户的能耗和成本费用。因此，如何合理地改变离心泵的工况点就显得尤为重要。离心泵的工作原理是把电动机高速旋转的机械能转化为被提升液体的动能和势能，是一个能量传递和转化的过程。根据这一特点可知，离心泵的工况点是建立在水泵和管道系统能量供求关系的平衡上的，只要两者之一的情况发生变化，其工况点就会转移。工况点的改变由两方面引起：一管道系统特性曲线改变，如阀门节流；二水泵本身的特性曲线改变，如变频调速、切削叶轮、水泵串联或并联。下面就这几种方式进行分析和比较：阀门节流改变离心泵流量最简单的方法就是调节泵出口阀门的开度，而水泵转速保持不变(一般为额定转速)，其实质是改变管路特性曲线的位置来改变泵的工况点。如图1所示，水泵特性曲线QH与管路特性曲线Qh的交点A为阀门全开时水泵的极限工况点。关小阀门时，管道局部阻力增加，水泵工况点向左移至B点，相应流量减少。阀门全关时，相当于阻力无限大，流量为零，此时管路特性曲线与纵坐标重合。以关小阀门来控制流量时，水泵本身的供水能力不变，扬程特性不变，管阻特性将随阀门开度的改变而改变。这种方法操作简便、流量连续，可以在某一最大流量与零之间随意调节，且无需额外投资，适用场合很广。但节流调节是以消耗离心泵的多余能量来维持一定的供给量，离心泵的效率也将随之下降，经济上不太合理。变频调速工况点偏离高效区是水泵需要调速的基本条件。当水泵的转速改变时，阀门开度保持不变(通常为最大开度)，管路系统特性不变，而供水能力和扬程特性随之改变。如图2所示，A为水泵平衡工况点(也称工作点)，对应效率a。欲减小流量，可将转速降低，此时工况点为B，对应效率b，水泵仍处于高效区内。如果采用阀门节流的方法来调节，则工况点为C，对应效率为c，泵的效率下降。由此可见，在所需流量小于额定流量的情况下，变频调速时的扬程比阀门节流小，所以变频调速所需的供水功率也比阀门节流小，图2中的阴影部分表示的就是变频调速所节约的供水功率很显然，与阀门节流相比，变频调速的节能效果很突出，离心泵的工作效率更高。另外，采用变频调速后，不仅有利于降低离心泵发生汽蚀的可能性，而且还可以通过对升速/降速时间的预置来延长开机/停机过程，使动态转矩大为减小，从而在很大程度上消除了极具破坏性的水锤效应，大大延长了水泵和管道系统的寿命。事实上，变频调速也有局限性，除了投资较大、维护成本较高外，当水泵变速过大时会造成效率下降，超出泵比例定律范围，不可能无限制调速。切削叶轮当转速一定时，泵的压头、流量均和叶轮直径有关。对同一型号的泵，可采用切削法改变泵的特性曲线。设离心泵原叶轮直径为D、流量为Q、扬程为H、功率为P，切削后的叶轮直径为D、流量为Q、扬程为H、功率为P，则其相互关系为：上述三式统称为泵的切削定律。切削定律是建立在大量感性试验资料基础上的，它认为如果叶轮的切削量控制在一定限度内(此切削限量与水泵的比转数有关)，则切削前后水泵相应的效率可视为不变。切削叶轮是改变水泵性能的一种简便易行的办法，即所谓变径调节，它在一定程度上解决了水泵类型、规格的有限性与供水对象要求的多样性之间的矛盾，扩大了水泵的使用范围。当然，切削叶轮属不可逆过程，用户必须经过精确计算并衡量经济合理性后方可实施。水泵串联和并联水泵串联是指一台泵的出口向另一台泵的入口输送流体。以最简单的两台相同型号、相同性能的离心泵串联为例：串联性能曲线相当于单泵性能曲线的扬程在流量相同的情况下迭加起来，串联工作点A的流量和扬程都比单泵工作点B的大，但均达不到单泵时的2倍，这是因为泵串联后一方面扬程的增加大于管路阻力的增加，致使富余的扬程促使流量增加，另一方面流量的增加又使阻力增加，抑制了总扬程的升高。水泵串联运行时，必须注意后一台泵是否能够承受升压。启动前每台泵的出口阀都要关闭，然后顺序开启泵和阀门向外供水。水泵并联是指两台或两台以上的泵向同一压力管路输送流体，其目的是在压头相同时增加流量。仍然以最简单的两台相同型号、相同性能的离心泵并联为例：如图4所示，并联性能曲线相当于单泵性能曲线的流量在扬程相等的情况下迭加起来，并联工作点A的流量和扬程均比单泵工作点B的大，但考虑管阻因素，同样达不到单泵时的2倍。如果纯粹以增加流量为目的，那么究竟采用并联还是串联应当取决于管路特性曲线的平坦程度，管路特性曲线越平坦，并联后的流量就越接近于单泵运行时的2倍，从而比串联时的流量更大，更有利于运作。结论阀门节流虽然会造成能量的损失和浪费，但在一些简单场合仍不失为一种快速易行的流量调节方式；变频调速因其节能效果好、自动化程度高而越来越受到用户的青睐；切削叶轮一般多用于清水泵，由于改变了泵的结构，通用性较差；水泵串联和并联只适用于单台泵不能满足输送任务的情况，而且串联或并联的台数过多反而不经济。在实际应用时应从多方面考虑，在各种流量调节方法之中综合出最佳方案，确保离心泵的高效运行。3、调节阀的基本组成与作用（1）执行机构：把控制信号转换为阀杆转角度或位移。（2）电动执行器：伺服放大器，伺服电机，减速器（3）气动执行器：薄膜式、气缸式（4）液动执行器：输出力大（5）调节阀阀体：根据阀杆动作改变流通面积，从而改变介质流量大小。（6）阀门定位器：根据控制信号使阀门开度精确定位。阀门定位器应用场合：（1）提高控制系统精度（2）系统需要改变调节阀流量特征（3）组成分位控制系4、调节阀理想流量特性 流量特性指介质流过阀门的相对流量与相对开度之间的关系。流量特性完全取决于阀芯的形状。调节阀的理想流量特性，也称固有流量特性，是假定阀前、阀后压差不变，介质流过阀门的相对流量与相对位移（阀门的相对开度）间的关系，数学表达式如下式中相对流量，调节阀在某一开度时流量Q与全开流量Qmax之比； 相对位移，调节阀在某一开度时阀芯位移l与全开位移L之比。生产厂出厂给出的为理想流量特性。理想流量特性类型：直线流量特性、对数流量特性、抛物线流量特性、快开流量特性。（1）直线特性是指调节阀的相对流量与相对开度成直线关系，即单位行程变化引起的流量变化是常数。R为调节阀的可调范围。特点：直线特性的阀门在小开度工作时，流量相对变化太大，调节作用太强，易产生超调，引起振荡；而在大开度工作时，流量相对变化小，调节太弱，不够及时。（2）对数特性是指单位行程变化引起相对流量变化与该点的相对流量成正比，即调节阀的放大系数是变化的，它随相对流量的增加而增大。对数特性的放大系数K随开度增加而增加，因此有利于系统调节。在小开度时，流量小，流量的变化也小，调节阀放大系数小，调节平稳缓和；在大开度时，流量大，流量的变化也大，调节阀放大系数大，调节灵敏有效。流量小时，流量变化小，流量大时，则流量变化大，也就是在不同开度上，具有相同的调节精度。对数特性始终在直线特性的下方，因此在同一行程时，其流量比直线特性小。（3）快开流量特性。在小开度时流量就比较大，随着开度的增大流量很快就达到最大，此后再增加开度，流量变化很小，故称快开特性。主要运用于位式控制。（4）抛物线流量特性是指单位相对位移的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量值的平方根成正比关系大体具有直线和对数特性的中间特性。311、管道系统水泵调节的重要性。 （1）给水排水管道工程在给水排水工程中的地位和作用很重要，所需投资也很大，一般约占给水排水工程总投资的50%80%。（2）水泵是给水排水管道系统中的主要设备。（3）泵站的运行费用在整个给水排水系统中占首位。（4）因此，合理地调节水泵、管道系统工况，在满足生活和生产需要的前提下，保证系统安全经济地正常运行，是非常重要和有意义的。2、水泵及管路控制系统的分类。 （对水泵的开停双位控制、对水泵工作点的调节控制）（1）对水泵的开停双位控制：按照工艺参数要求，改变水泵的开停状态。如果有多台水泵，则改变水泵开启台数。（2）对水泵工作点的调节控制：1）改变管路阻力特性改变管路阻力特性最常用的方法是阀门调节。该方法将部分能量消耗于阀门的阻力上，使水泵效率下降，电耗增加。虽然是简单的调节方法，但不经济。2）改变泵流量扬程特性改变水泵转速，使泵的流量扬程特性曲线升高或降低，从而使泵的工况点稳定在高效区，使泵的流量扬程随之改变，这就是变频调速的工作原理。管路控制系统的分类：城市给水系统、建筑给水系统、建筑排水系统、城市排水系统。3.21、能看懂简单的控制线路图，说明其控制过程。 331、 水泵调速的重要性 节能：水泵运行电耗费用占给水系统运行电耗费用的70%，而电耗是给水系统运行费用的主要组成部分。因此，在满足供水要求的前提下，合理的调节水泵的运行状态，将有效的较低能耗。 性能：合理的调节水泵的运行状态，将确保管网水压不会偏高或者偏低，提高供水质量。2、 离心泵的调节方法（1）变速调节。改变水泵转速，使泵的流量扬程特性曲线升高或降低，从而使泵的工况点稳定在高效区，使泵的流量扬程随之改变。变速调节改变水泵的特性曲线。（2）阀门调节。该方法将部分能量消耗于阀门的阻力上，使水泵效率下降，电耗增加。虽然是简单的调节方法，但不经济。阀门调节改变管线特性曲线。3、 水泵调节的类型、压力控制点的选择方案 类型：恒压调速、恒流调速 恒压调速这属于二泵站的情况。水泵向城市管网供水，要求保证用户的自由水压不低于某个规定值。常规的调节方法是分级供水，将二泵站的工作制度定为二级或三级，在每一级内根据用水情况选用不同规格、不同台数的水泵。这种控制方式的结果是，在某一级运行范围内，随着用水的波动，导致水泵工况点仍有较大幅度的变化，就有可能：（1）水泵长期工作在低效率点；（2）再用水较多时用户水压难以保证，或在用水较少时水压过高造成浪费。恒压调速调节系统中，压力控制点的选择十分重要，在工程上可以考虑以下的方案：1） 当整个管网由一个水源供水时，可以考虑由管网中典型点的压力来控制送水泵机组的开停或者调速。2） 预测供水曲线，以其流量平均值为基础控制送水泵机组的运行，再以管网典型点的压力做反馈控制。该方式可以避免因需水量的变化而使送水泵频繁启动。3） 小城镇给水可以按高水位水池水位来控制送水泵机组的开停。4） 当城市由多水源供水时，应根据管网平差，通过微机运算获得最优运行方案，分别控制各个水厂送水泵的运行。 恒流调速这是一泵站的情况。一泵站往往按恒定取水水位设计，以水源最低水位为设计依据。一泵站水泵也会长时期运行在多耗能、低效率的工况下。为了避免这种水源水位变化产生的能量浪费，也有必要进行水泵工况调节，这是以水量恒定为目的的水泵调速。水源水位变化幅度越大，这种调节就越为必要。恒流调节可以有效地节约能耗，可达25%。恒流调速压力控制点的选择：（1） 压力控制点选在水泵出口处：出口处恒压与出口处变压出口处恒压：出口处压力一般按最大流量最不利点考虑，用水降低时，水泵特性曲线变频下移，最不利点水压会上升，用户水压有波动。用户水量越小，水头浪费越严重。此方式管理方便，但技术经济不十分理想。出口处变压：保证用户水压不变，水泵出口处压力沿管路特性曲线变化。（2） 压力控制点选在用户最不利点：用户压力始终恒定，没有能量浪费，最大限度节能，控制准确，但压力控制点较远，公程和管理上较麻烦。4、 水泵调速的方法1）电机转速不变，通过附加装置改变水泵的转速，如液力耦合器调速、电磁离合器、变速箱调速等。2、直接改变电机的转速，如串级调速、变频调速等。泵站较多采用第二种。5、 变频调速技术具体特点。原理：通过改变水泵工作电源频率的方式改变水泵的转速。（1）具有很高的调节精度；（2）可以实现水泵的“软启动”。水泵从低频电源开始运转，即由低速下逐渐升速，直至达到预定工况，而不是按照常规一启动就迅速达到额定转速。优点：对电网的干扰小，无冲击电流，也适合于在几台水泵之间进行频繁的切换操作。341、恒压给水控制技术的分类。 双位控制系统、定值控制给水系统2、变频恒压给水技术技术特点。 A高效节能：设备能自动检测系统瞬时水压，据此调节供水量，节约供水能耗。设备电机在交流变频调速器的控制下软启动，无大启动电流，机组运行经济合理。B恒压供水：无论系统用水量有任何变化，均能使供水管网的服务压力恒定，大大提高了供水品质。C安全卫生D自动运行、管理简便E延长设备寿命、保护电网稳定: 采用微机控制技术，对多台泵组可实现循环启动工作，损耗均衡。特别是软启动，大大延迟设备的电气、机械寿命。F占地少、投资回收期短G功能齐全。由于以微机作中央处理机，可以设置各种附加功能。3、多泵并联变频恒压变量供水的工作模式 1）变频泵固定方式2）变频循环软启动工作方式为保证供水可靠性，不主张采用自动轮换和变频循环软启动的工作模式工作原理：变频调速技术在给水泵站上应用，成功的解决了能耗和污染的两大难题。变频调速给水的供水压力可调，可以方便的满足各种供水压力的需要。在设计阶段可以降低对供水压力计算准确度的要求，因为随时可以方便的改变供水压力。变频恒压供水系统的构成变频恒压供水控制系统通过测到的管网压力，经变频器的内置PID调节器运算后，调节输出频率，实现管网的恒压供水。变频器的频率超限信号（一般可作为管网压力极限信号）可适时通知PLC进行变频泵逻辑切换。为防止水锤现象的产生，泵的启停将联动其出口阀门。多泵并联恒压变频供水系统1、 多泵并联恒压供水，只要其中一台泵是变频泵，其余全是工频泵，可以实现恒压变量供水。2、 在变频恒压变量供水当中，变频泵的流量是变化的，当变频泵是各并联泵中最大，即可保证恒压供水。3、 多泵并联恒压供水，在设计上可做到在恒压条件下各工频泵的效率不变（因工况不变），并使之处于高效率区工作，变频泵的流量是变化的，其工作效率岁流量而变化。因为采用多泵并联恒压供水，变频泵的功率降低，从而可以降低多泵并联变频恒压供水系统的能耗，改善节能状况。4、恒压给水系统压力控制点的设置位置，两种设置位置的性能对比。 （1）将控制点设在最不利点处，直接按最不利点水压进行工况调节；（2）将控制点设于泵站出口，按该点的水压进行工况调节，间接地保证最不利点的水压稳定，现今气压给水和变频调速给水系统就是如此。第二种设置管理方便，但技术经济性能不十分理想。事实上，水泵出口的恒压即意味着用户最不利点处是变压，这影响了其先进性能的充分发挥。将压力控制点设在最不利点更合理，技术经济性能更佳，而且技术上不难实现。5、气压给水系统的控制问题。气压给水系统由水泵、气压罐、压力检测与控制装置等组成，依气压罐的压力变化、按规定的压力上下限决定水泵的开停，属于双位控制系统。（1）控制点的位置选择：a）将控制点设在最不利点处，直接按最不利点水压进行工况调节；b）将控制点设于泵站出口，按该点的水压进行工况调节，间接地保证最不利点的水压稳定（2）水泵的高效工作区域：将压力控制点设于最不利点，水泵的工况点变动范围较小，无疑将更易于实现水泵在高效区运转。补充内容：1、检测仪表的选择。检测仪表的选择，主要应根据以下内容进行：（1）检测的目的：根据检测目的选择仪表的类别、型号；（2）检测的环境条件：结合检测对象所处的环境条件，选择与之相适应的仪表设备；（3）检测精度、重显性与响应性：应满足上述指标要求，但并不是说指标越高越好；（4）维护管理性：仪表型号尽可能统一、具有互换性；（5）应考虑检测对象的某些特殊性；（6）信号特征：根据信号的传输距离、干扰大小等因素确定采用的信号标准（7）检测范
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