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反馈分为正反馈和负反馈两种。
正反馈是指经反馈后可以加强闭环系统输入效 应,亦即使偏差e增加。
负反馈是指经反馈后可以减弱闭环系统输入效应,亦即使偏差e减小。
显然只有负反馈才能随时对被控量的给定值和测量值进行比较,使偏差e不断减小进而保持被控量的稳定在给定值或给定值附近。
6.简述反馈控制系统的动态过程?
从受到扰动开始到达到新的平衡状态的过程就是动态过程,也称为过渡过程。
系统经常会受到扰动,系统的平衡状态因而会经常遭到破坏。
在实际运行中,调节阀开度的变化量往往会过头,使被控量在向给定值恢复过程中,出现反向偏差,即被控量会围绕给定值上下波动,以后在调节器控制作用下,波动越来越小,最终被控量会稳定在新稳态值,系统达到一个新的平衡。
7.什么是最大动态偏差emax?
动态偏差是指在调节过程中被调参数偏离给定值的幅度,其最大值称为最大动态偏差,用emax表示。
如图2。
图2改变外部扰动的自动控制系统动态过程曲线 8.衰减率?
的定义是什么?
?
值多大为宜?
所谓“衰减率”就是指每经过一个周期以后,波动幅度衰减的百分数,以?
A?
B表示,计算公式是,如图2:
?
A9.过渡过程时间ts的定义是什么?
实用上是如何规定的?
过渡过程时间ts意指系统从受到扰动开始到被控量重新趋于稳定建立新的平衡状态为止所经历的时间。
从数学上来讲,过渡过程时间应该是无穷大。
在实用中,是这样定义过渡过程时间的:
在大于某一时刻后,被控量的波动范围就始终在最终稳态值的2%之内,这一时刻就是过渡过程时间。
10.静态偏差的定义是什么?
静态偏差也称稳态偏差ε,是指在扰动和调节的共同作用下,调节过程结束后,被调参数的新稳态值与给定值之间的偏差,也称为静差。
显然,稳态偏差 越小,系统的静态精度越高。
11.何谓上升时间tr和峰值时间tp?
其物理意义是什么?
图3改变给定值的控制系统动态过程曲线 答:
对于改变给定值的控制系统,上升时间表示从原来给定值上升到新给定值所花时间,用Tr来表示;
峰值时间是指从原来状态上升到最大动态偏差值时所花时间,用Tp表示,如图3所示。
12.超调量的定义是什么?
它的大小说明什么?
在改变给定值的控制系统,“超调量”就是指在衰减振荡中,第一个波峰值ymax减去新稳态值y(?
)与新稳态值y(?
)之比的百分数,以?
p表示:
?
p?
ymax?
y(?
)y(?
)?
100%,如图 3。
13.衰减过程的振荡次数N一般要求几次?
衰减过程的振荡次数N一般要求2~3次。
14.控制系统常采用的典型输入信号有哪几种?
主要有阶跃信号、速度信号、加速度信号及脉冲信号等。
其中阶跃信号对系统影响最大,所以一般用阶跃信号来评价控制系统的性能。
15.评定定值控制系统动态过程品质有哪些指标?
调节器控制作用强弱对这些指标有何影响?
(l)最大动态偏差emax,这是动态精度指标,调节作用强,emax↓,动态精度高;
(2)衰减率?
,这是稳定性指标,调节作用强,?
↓,稳定性降低;
(3)振荡次数N。
这也是稳定性指标,调节作用强,N↑,稳定性降低;
(4)过渡过程时间ts:
这是系统反应快慢的指标,调节作用太强或太弱都会使ts↑。
(5)静态偏差?
,这是静态精度指标,调节作用强,?
↑,静态精度高。
16.评定改变给定值的控制系统动态过程品质有哪些指标?
(1)超调量?
P,这是稳定性指标,调节作用强,?
P↑,稳定性降低。
(2)上升时间tr,这是系统反应快慢的指标,调节作用强,系统反应快,tr↓;
(3)峰值时间tp,这也是系统反应快慢的指标,调节作用强,系统反应快,tr↓;
(4)振荡次数N。
这是稳定性指标,调节作用强,N↑,稳定性降低;
(5)过渡过程时间ts。
这是系统反应快慢的指标,调节作用太强或太弱,都会使ts↑;
(6)静态偏差?
17.有一单容控制对象,被控量是h,试分别写出它受到一个Δu的阶跃扰动瞬间,输出量Y及输出量变化速度的表达式,并说明这两个表达式的物理意义,画出飞升曲线。
(l)输出量:
h(t)?
K?
(1?
e?
tT) 意义:
于t=0时,h=0,这说明,在对单容控制对象施加扰动瞬间,不管扰动量有多大,初始时刻,输出都没有变化,这表明了控制对象具有惯性的特点;
扰动瞬间变化速度:
dhdtt?
0?
T意义:
这是被控量上升速度最大的时刻,因为在阶跃响应的飞升曲线上,过t=0时刻作曲线切线的斜率最大。
图3单容控制对象飞升曲线 18.写出各种调节规律优缺点、参数调整及适用场合。
各种调节器的优缺点、参数调整及适用场合如下表。
名称 双位式 优缺点 优:
结构简单缺:
精度差 参数调整上下限值调整通过改变销钉位置来进行 适应场合 控制质量要求不高的场合,如蒸汽压力控制,液位控制等。
精度要求不高的场合,如液位、压力控制。
实际中不单独使用。
对精度要求高的场合使用。
应用最广,多数系统可使用。
实际中不单独使用。
液位系统不适用 对惯性大,延迟时间长的系统适应 适用于对象容量滞后和惯性较大、不允许有静差的系统。
比例 优:
结构简单,调节快,比例带PB,PB↑,比缺:
精度差存在静态偏差例作用减小优:
精度高,无差调节缺:
振荡性强 优:
精度高,无差调节;
积分时间TI,TI↑,积分作用减弱 比例带PB,积分时间TI。
于积分作用,PB要比纯比例调节值高20% 微分时间TD,TD↑,微分作用增强 比例带PB,微分时间TD。
PB可以比纯比例调节值低20%比例带PB,积分时间TI,微分时间TD。
积分 比例积分调节迅速,无滞后 缺:
最大动态偏差较大 微分 优:
能超前调节缺:
对静差无作用优:
能超前调节调节迅速缺:
存在静差 优:
能超前调节,调节迅速,精度高,性能完美缺:
系统复杂,成本高,比例微分 比例积分微分 19.写出各种P、PI、PID调节器特性、影响参数及阶跃响应。
比例P:
P(t)?
KP?
e(t)?
1?
e(t)PB 影响参数:
比例带PB,PB↑,比例作用减小 阶跃响应:
比例积分PI:
KP(e?
1Ti?
edt)?
e1tdt)?
e(1?
)Ti?
PBTi 影响参数:
比例带PB,PB↑,比例作用减小;
积分时间Ti,Ti↑,积分作用减弱 阶跃响应:
比例积分微分PID:
P?
11de111dee?
dt?
(e?
TddtPBTi?
Tddt 影响参数:
积分时间Ti,Ti↑,积分作用减弱;
微分时间TD,TD↑,微分作用增强 阶跃响应:
20.在双位系统中,用压力继电器检测压力信号,若压力下限调在,幅差旋纽调在3档,则压力上限值为多少?
x?
PH?
PL?
(?
)10 x?
3,PL?
则,PH?
21.有一温度控制系统,量程是30~100℃,对应的气压信号是 ~,在一次 比例带测试中,当t=50℃时调节器输出为MPa,当t=42℃时调节器输出为,问比例带带是多大?
放大倍数K是多大?
放大倍数:
?
/?
C ?
e50?
42比例带:
e/?
emax(50?
42)/(100?
30)PB?
P/?
Pmax(?
)/(?
%?
C/MPa 二船用自动控制仪表 二、问答题:
1.电动仪表和气动仪表的统一信号范围是什么?
其中气动标准信号为~,电动标准信号为0~或4~。
2.组成气动仪表的基本元部件包括哪些?
答:
弹性元件、节流元件、气体容室功率放大器。
从图中可以看出,弹性组件的整个工作过程可分为下述三个阶段:
消除间隙阶段:
当输入信号pD等于大气压力时,金属膜片与阀杆之 间存在一个间隙Sb。
当输入信号开始增大时,金属膜片的位移使Sb逐渐减小。
当pD增加到po时Sb为0,如图中直线段I,该阶段又称为消除间隙阶段。
相持阶段:
当pDpo继续增大时,于金属膜片承受的推力pDF不足以克服弹簧片3的预紧力及气源对球阀的作用力,金属膜片2与阀杆均无位移,即图中水平段Ⅱ,这一阶段称为相持阶段。
放大阶段:
当信号压力pD升至pa后,阀杆开始有位移,放大器有输出压力,此时位移量?
S与输入信号压力的变化量?
pD成比例地变化,其比例系数取决于有效面积F和弹性组件的刚度,其值可近似地看作常数。
如图中直线段Ⅲ,此阶段是放大器的工作段。
11.什么是仪表的基本误差、附加误差、绝对误差、相对误差?
什么是仪表的精度?
它们之间有什么区别和联系?
基本误差:
是指仪表的最大绝对误差与仪表测量范围之比的百分数。
基本误差的产生主要是于仪表结构中的间隙、摩擦、刻度不均或分度不准等原因所造成的,即为仪表本身缺陷所造成的误差。
它是衡量仪表好坏的一个重要指标。
附加误差:
是仪表在使用中,于外界条件的影响,如环境温度、湿度、振动等所引起的误差。
一般在仪表设计中预先都采取了一些补偿措施来减小附加误差,但不可能彻底消除。
在仪表的说明书中,规定了使用方法和使用条件,以免带来过大的附加误差。
绝对误差△:
是指仪表的指示值与被测参数的真值之差的绝对值,又称为指示误差,若仪表表示的被测参数值为A,而被测参数的真值是A。
则绝对误差可表示为:
△=A-A。
相对误差?
:
是指仪表的绝对误差所占该仪表指示值的百分数 ?
100% A仪表的精度?
0是指仪表在规定条件下允许的最大绝对误差?
max占仪表的最大测量范围(量程)A’的百分数,即:
?
max?
’?
100% A 仪表的相对误差和精度都是仪表精确度的指标,一般情况下,仪表的相对误差小,仪表的精度高,但要求出相对误差必须先求绝对误差,而绝对误差是在某一个指示值下,其真值与指示值之间的差值,真值是很难得到的,而精度是最大指示误差与全量程比值的百分数,应用很广泛,常取掉百分号的数值就作为该仪表的精度。
从上式可看出若已知仪表的量程和精度则可以确定该仪表的基本误差。
型气动色带指示仪有什么功能?
其零点和量程如何调整?
QXZ型色带指示仪功能有:
用遮光板使其明暗分界面来显示锅炉水位的实际值,能对锅炉水位的上、下限水位发报警信号。
凋零。
当锅炉水位达到允许下限水位时,指示仪应指示0,若不能为0,通过调整调零弹簧,改变挡板初始开度,使指针指在0上。
调量程。
随着锅炉水位的上升,指针指示的读数增大,当水位达到允许上限水位时,指针应指在100%上。
若不指100%,则可通过上下移动测量波纹管对虽程进行粗调,通过微调螺钉,改变传动带作用支点对量程进行微调。
13.在QXZ型气动色带提示仪中,阻尼阀与反馈气室组成什么环节?
作用是什么?
在显示锅炉水位中,阻尼阀开度大小的依据是什么?
阻尼阀与反馈气室组成一阶惯性环节,对测量信号的变化起阻尼延时作用,以防止指示仪指针振荡,在显示锅炉水位中,调整阻尼阀的开度,使惯性环节的时间常数T接近于船舶的摇摆周期。
14.气动变送器是哪两部分组成的?
各起什么作用?
气动变送器是测量部分和气动转换部分组成的。
测量部分是把测量信号成比例地转变成轴向推力;
气动转换部分是把测量信号成比例的转变成~的气压信号,作为仪表的输出。
15.在气动单杠杆差压变送器中。
测量膜盒是怎样组成的?
它的作用是什么?
为什么有的测量膜盒大,有的测量膜盒小?
把两组金属膜片用滚焊的办法焊接在基座和硬芯上,膜片之间抽成真空,然后充注硅油,充满硅油的作用是传递轴向力及对金属膜片的移动起阻尼作用,硬芯上加装密封圈,防止在单向受力的情况下,把膜片压坏,测量膜盒的作用是把正、负压室所承受的压差信号。
△p转换成轴向推力,F是膜盒的有效面积,测量膜盒大小反映了其有效面积的大小,测量膜盒越大,即F大,则测量的压差信号△p数量级越小,如微差压变送器;
测量膜盒越小,即F小,则侧量的压差信号△p数量级越大,如高差压变送器。
16.简述单杠杆差压变送器的工作原理?
当变送器处于平衡状态时,测量力矩与反馈力矩相等,可用下式表示为:
M测=M反 即:
F测?
l2?
p出?
F膜?
l1?
p F膜?
l1p出?
K单?
p F测?
l2式中:
K单—单杠杆差压变送器的放大系数。
可见,差压变送 器的输出P出与测量信号△P之间是一一对应关系。
17.简述对气动单杠杆差压变送器调零和调量程的必要性及过程?
所谓差压变送器的调零是指,当输入的测量信号△P=0时,变送器的输出应该为。
如果不等于。
调零时,使正、负压室均通大气或彼此相通为此,使输入△P=0,然后通过调整调零弹簧8,改变挡板与喷嘴之间的初始开度,直到△P=0,P出=为止。
这就是调零的操作步骤。
所谓调量程是指,当测量信号达到所要测量的最大值时,变送器的输出应该为P出=。
如果不等于,则需要通过上下移动反馈波纹管来调量程。
于输出压力最大值为,所以K单越小,△P就要越大,也就是测量值的变化范围越大,即说量程增大了。
一般来说在单杠杆差压变送器已经造好后,测量膜盒和反馈波纹管的面积以及测量膜盒距支点的长度都是固定不变的。
所以在K单的表达式中,只有l2的大小是可调的,即松开锁紧螺母11和缩紧螺钉2后可沿主杠杆上下移动反馈波纹管10。
上移波纹管10,l2增大,K单减小,可增大量程。
下移波纹管10,l2减小,K单增大,则量程将减小。
需要注意的是零点和量程的调整是不可能一步到位的,需数次调整,即先调零位,零位调准后再调量程,然后再调零位,如此反复。
有经验者往往也要经2~3次调整才可把零点和量程调准。
此外零点和量程调好后,一定不要忘记把波纹管的锁紧螺母扭紧。
18.什么叫迁移?
为何检测锅炉水位采用负迁移?
而零点迁移则是把测量起始点零迁移到某一数值(正值或负值)。
当测量起始点零变为某一正值,称为正迁移;
反之,当测量起始点零变为某一负值,称为负迁移。
如果把参考水位管接正压室,测量水位管接负压室,这时差压变送器输入的压差信号△P为正值,差压变送器是能正常工作的。
但随着锅炉测量水位的上升,△P却减小,变送器输出信号也随之减小。
这样,变送器的输出与锅炉测量水位的变化方向正好相反,显示仪表指示锅炉的水位方向必然相反。
这完全不符合人们的习惯,很容易给管理人员造成错觉。
为了有效解决这个问题,我们可把参考水位管接到差压变送器的负压室上,把测量水位管接到正压室。
现在变送器的输出就可与锅炉测量水位的变化方向一致,即随着测量水位的升高,变送器正压室的压力不断增加。
同时进行负迁移。
19.在M58型气动调节器中,比例、积分、微分作用是如何实现的?
如何调整比例带PB、积分时间Ti、和微分时间Td?
在M58型PID调节器中,比例作用是通过浮动环绕比例带调整杆偏转的角度与给定值和测量值之间的偏差值成比例实现的,改变比例带调整杆的位置可整定比例带,顺时针转动比例带调整杆PB减小,逆时针转动PB增大;
积分作用是通过节流盲室输出接正反馈波纹管4,进行正反馈实现的,调整节流盲室的节流阀开度,可整定积分时间Ti,微分作用是通过比例惯性环节的输出接在负反馈波纹管11进行负反馈实现的,调整微分阀的开度可整定微分时间Td。
20.在M58型气动调节器中,其正、反作用是如何切换的?
为什么?
M58型调节器正、反作用切换是通过切换板来实现的,在浮动环上作用4个波纹管,其中波纹管4,11分别接正反馈信号、负反馈信号,当把切换板转至A位时,测量信号接波纹管12,给定信号接波纹管5,这时,调节器是反作用式的。
因随测量信号的增大,浮动环将绕比例带调整杆顺时针转动,挡板离开喷嘴,其输出压力将低,当把切换板转一个90°
,即A位转至B位,此时,测量信号接波纹管5,给定信号接波纹管12,当测量信号增大时,浮动环绕比例带调整杆逆时针转动,挡板靠近喷嘴,使输出压力信号增大。
21.何谓气开式、气关式气动执行器?
与气动执行部分及调节阀的作用方式有什么关系?
气开式执行器:
调节阀的开度变化与执行器输入压力信号同方向变化;
输入信号增加,输出开度增加;
输入信号减小,输出开度减小。
气关式执行器:
调节阀的开度变化与执行器输入压力信号反方向变化;
输入信号增加,输出开度减小;
输入信号减小,输出开度增加。
气动执行器的类型与气动执行部分及调节阀的作用方式的关系如下:
气动执行部分类型正作用式+正作用式+反作用式-反作用式- 调节阀类型正作用式+反作用式-正作用式-反作用式-气动薄膜调节阀类型 气关式气开式气开式气关式图形ABCD 三机舱自动控制系统 二.简答题:
1.简述气缸冷却水温度控制系统的类型、功能以及特点?
柴油机在运行时,气缸套和缸盖必须用淡水冷却,冷却水的出口温度通常在45-75℃之间。
气缸冷却水温度控制系统通常可分为直接作用式和间接作用式两大类:
直接作用式是指冷却水温度控制系统不用外加能源,而是将装在冷却水管路 中的温包或感温盒内充足低沸点液体,利用其压力随温度成比例变化的特性直接推动三通调节阀来改变经冷却器水的流量和旁通水流量,以控制冷却水温度在给定值附近。
直接作用式调节器结构简单,但是只能实现比例控制,存在静差,所以其精度低,误差大,主要用于小型主机和副机。
在对冷却水温度精度要求较高的情况下,如对于中大型主机,使用直接作用式调节器是不适宜的,一般采用间接作用式控制系统。
间接作用式是指冷却水温度控制系统需要在外加能源的作用下进行调节,目前常用的气动和电动控制系统属于间接作用式。
该作用方式根据需要可实现比例微分、比例积分等作用规律,调节精度高,误差小。
目前主要有MR-Ⅱ型电动冷却水温度控制系统和单片机式的中央冷却水控制系统,下文将详细介绍其功能和控制原理。
微机控制的柴油机冷却水温度控制系统也已经广泛应用于主机上,可以实现强大的智能化控制功能,并在此基础上逐步引入变频调速、模糊控制等先进技术。
2.简述气缸冷却的方法?
柴油机冷却水温度控制的方法是把气缸冷却水分成两部分:
一部分通过淡水冷却,经海水冷却使温度降低;
另一部分不通过淡水冷却器,即通过旁通的方法直接与通过冷却的淡水混合,然后进入柴油机气缸的冷却空间。
若冷却水温度偏高,通过三通阀减少旁通的淡水量,增多通过冷却器的淡水量。
如下图。
3.在采用WALTON恒温阀组成的气缸冷却水温度控制系统中,若发现冷却水温度不可控地升高,将采取什么措施?
如何判断故障出在哪个部位?
若发现冷却水温度不可控地升高,要用扳手扳动WALTON恒温阀端盖上的给定指针,通过传动轴转动滑板,使其全关旁通管口,全开经冷却器管口,过几分钟后再观察冷却水温度是否下降,若下降,说明故障是出在WALTON恒温阀本身,
如感温盒石蜡混合液严重漏泄等,若温度仍不能下降,则WALTON恒温阀没有故障,故障是出在冷却系统的管路中。
4.在MR—II型电动冷却水温度控制系统中,都采取了哪些保护措施,各起什么作用?
如何调整冷却水温度的给定值?
(1)在电机M通电回路中加装一个限位开关,当电机带动平板阀转到接近极限位置时,限位开关断开,切断电机电源,防止平板阀卡在极限恢置,以免电机反向起动电流太大,且起动动作迟缓;
(2)装有电机热保护继电器,防止电机因短路.过载使电流过大而被烧坏;
(3)在“减少输出继电器”和“增加输出继电器”的通电回路中各串联一个对方的常闭触头,互相连锁,防止两个继电器同时通电。
在系统投人工作前,要把面板上的开关2按下,即MRB板上的SW2合于上面.温度表即可显示冷却水温度给定值,若该值不合适.可转动面板上旋钮1,即MRB板上的电传器W1,可改变冷却水温度给定值,直到温度表指针指示值合适为止,再把面板上的按钮2拔水,以显示冷却水温度的测量值。
5.简述MR—II型电动冷却水温度控制系统的控制过程。
T802测出的温度信号一方面送至指示仪表,指示当前冷却水进口温度的实际值;
另一方面经分压器把冷却水进口温度实际值按比例转换成电压信号。
这个测量信号与占电位器整定的给定值相比较得到一个偏差信号e。
偏差信号经比例微分作用输出控制信号送至脉冲宽度调制器。
脉冲宽度调制器把连续变化的控制信号调制成脉冲信号。
若测量温度高于给定值,脉冲宽度调制器输出的脉冲信号使“减少输出继电器”断续通电,接触器SW1也断续通电,其触点SW1a断续闭合使三相交流伺服电机M向正向断续转动。
再经减速装置带动两个互成90度的平板阀,一个控制旁通水量,另一个控制淡水经过冷却器的水量。
当电机M正转时,关小旁通阀,开大经冷却器的淡水阀使冷却水温度降低。
若测量温度低于给定值时,脉冲宽度调制器输出的脉冲信号使“增加输出继电器”断续通电,接触器SW2断续通电,其触点SW2a断续闭合,电机M反向断续转动,开大旁通阀,关小经冷却器的淡水阀使冷却水温度提高。
当冷却水温度测量值等于或接近于给定值时,调节器无输出,“减小”和“增加”继电器均断电,接触器SW1和SW2均断开,电机M停转,三通调节阀的开度保持不变。
6.在NAKAKITA型燃油粘度控制系统中,为使系统投入工作或切除系统工作应做哪些准备工作?
(1)合上控制电源主开关,接通控制系统电源;
(2)把温度“上升一下降”速率设定开关没定在某速度挡,如”1”挡;
(3)把柴油一重油转换开关转至重油H位。
这时,控制系统将自动投人工作,要切除系统的工作.只要把“柴油一重油”转换开关转至柴油D值即可,这时重油程序降温到中间温度.系统自动用重油而切换到用柴油,然后柴油继续程序降温到下限温度,再拉开控制电源的开关,系统工作将被切除
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