轮机自动化 第一章 第一节 自动控制基础知识248

3000KW及以上大管轮、轮机长、轮机自动化光盘题

轮机自动化 第一章 第一节 自动控制基础知识248(共计3节)

考点1 反馈控制系统的作用是把各种运行设备的参数如温度、压力、液位、黏度等控制在所希望的最佳值上。尽管机舱中众多设备参数的种类不同，其控制系统的结构形式也不相同，但是组成这些控制系统的基本单元及其工作过程大致是相同的。 1.系统的组成及基本概念 （1）控制对象

控制对象是指所要控制的机器、设备或装置。把所要控制的运行参数叫做被控制量。 （2）测量单元

测量单元的作用是，检测被控量的实际值，并把它转换成标准的统一信号，该信号叫被控量的测量值。在气动控制系统中，对应被控量的满量程，其统一的标准气压信号是0.02～0.1 MPa；在电动控制系统中，对应被控量的满量程。其统一的标准电流信号是0～10 mA或4～20 mA，现用4～20 mA居多。 （3）调节单元

调节单元是指具有各种调节作用规律的调节器把运行参数所希望控制的最佳值叫给定值，用r表示；被控量的测量值用z表示。把被控量的测量值离开给定值的数量叫偏差值，用e表示。显然e＝r－z。 e＞0，说明测量值低于给定值，叫正偏差； e＜0，说明测量值大于给定值，叫负偏差； e＝0，说明测量值等于给定值，为无偏差。

调节器首先接收测量单元送来的被控量的测量信号，并与被控量的给定值相比较得到偏差信号，再根据偏差信号的大小和方向（正偏差还是负偏差）。依据某种调节作用规律输出一个控制信号。对被控量施加控制作用，直到偏差等于零或接近零为止。 （4）执行机构

执行机构的输入量是调节单元输出的控制信号，执行机构的输出量是调节阀的开度。调节单元输出的控制信号经执行机构直接改变调节阀的开度，从而可改变流入控制对象物质或能量流量，使之能符合控制对象负荷的要求，被控量会逐渐回到给定值或给定值附近，系统将会达到一个新的平衡。在气动控制系统中，执行机构一般是气动薄膜调节阀或气动活塞式调节阀；在电动控制系统中，一般采用可逆转伺服电机或三相交流伺服电机。

由此可见，对一个完整的控制系统来说，以上四个单元在组成中是缺一不可的。通常一般都还设有显示单元，用来指示被控量的给定值和测量值。同时，对气动控制系统来说，应设有气源装置和定值器；对电动控制系统尚需设稳压电源等辅助装置。 2．反馈控制系统传递方框图

为了分析反馈控制系统工作过程方便起见，可把组成反馈控制系统的四个基本单元分别用一个小方框来表示，并用带箭头的信号线来表示各单位之间的信号传递关系。这样就构成了如图1-1-1所示的反馈控制系统传递方框图。通过传递方框图，要明确以下几个概念。

图1-1-1 反馈控制系统传递方框图

（1)环节

在传递方框图中，代表实际单元的每个小方框称为一个环节。作为一个环节必须满足两个条件：其一是，必定有输入量和输出量，并用带箭头的信号线来表示。其中箭头指向该环节的信号线为输入量，箭头离开该环节的信号线为输出量，在信号线上可标明输入和输出量的名称，也可以不写。其二是，任何环节输出量的变化均取决于输入量的变化及该环节的特性；而输出量的变化不会直接影响输入量，这就是信号

传递的单向性。 （2）扰动

要把控制对象看做一个环节，它的输出量是被控量。引起被控量变化的一切因素统称为扰动或扰动量。显然，扰动量是控制对象的输入量。扰动量可分为两类：一类是轮机人员无法控制的扰动，称为外部扰动；另一类是轮机人员可以控制的扰动，称为基本扰动。在图1-1-1中，有两个信号线的箭头指向控制对象，它们分别是基本扰动（执行机构的输出，即调节阀的开度）和外部扰动（用d表示的信号线，即控制对象负荷的变化）。

从控制对象这一环节可以看出，输入信号（包括基本扰动和外部扰动）的改变，会引起输出量（水位、水温等）的改变，而输出量的变化，不会直接影响调节阀的开度和控制对象负荷的改变，这就是信号传递的单向性。

对于基本扰动来说，改变调节阀的开度，会改变流入控制对象物质或能量流量，所谓物质流量是指，调节阀开度改变后，流入控制对象的物质（水、空气等）流量直接影响被控量的变化。 （3）闭环系统

在反馈控制系统传递方框图中，前一环节的输出就是后一环节的输入。这样，控制系统就形成一个封闭控制回路，称为闭环系统，反馈控制系统必定是闭环系统。如果在某处把网路断并，比如在图1-1-1中的A处断开，这时系统就由闭环系统变为开环系统。开环系统不再是反馈控制系统，也就不能对被控量进行自动控制。运行参数自动控制系统，必定是闭环系统。 （4）反馈

在控制系统传递方框图中，符号“⊕”是比较环节（它不是一个独立环节，而是调节器中的一个组成部分，为清楚起见，单独画出）。它随时对被控量的给定值r（旁标“＋”号）与被控量的测量值z（旁标“－”号）相比较，得到偏差值e。e就是调节器的输入量，调节器的输出量经执行机构改变调节阀的开度，即改变流入控制对象的物质或能量流量，目的是控制备控量，而被控量的变化经测量单元又反送到调节器的输入端，这个过程叫反馈。只有反馈才能随时对被控量的给定值和测量值进行比较，只要存在偏差，调节器就会指挥调节阀改变开度，直到测量值回到给定值使偏差e＝0为止。这时调节器输出不再改变，调节阀的开度正好适应负荷的要求，控制系统达到一个新的平衡状态。可见对运行参数的自动控制必须要有反馈过程，这就是把运行参数的自动控制系统称为反馈控制系统的原因。

在反馈中，有正反馈和负反馈之分。正反馈是指经反馈能加强闭环系统输入效应，即使偏差e增大。负反馈是指经反馈能减弱闭环系统输入效应，即使偏差e减小。显然，按偏差控制运行参数的控制系统，必定是负反馈控制系统。但是，在自动化仪表中，特别是在调节器中。为实现某种作用规律和功能，常采用复杂的正、负反馈回路。

考点2 反馈控制系统按其用途、形式和特点有多种分类方法，通常有以下几种分类： 1.按所用能源分类

反馈控制系统分为气动控制系统和电动控制系统。在气动控制系统中，用压缩空气作为能源，气源压力是0.14 MPa，各种气动仪表输入和输出信号为标准的气压信号0.02～0.1 MPa。在电动控制系统中，用电能作为能源，各种电动仪表的输入和输出信号是标准的电流信号0～10 mA或4～20 mA。 2.按仪表的结构形式分类

按仪表结构形式可分为单元组合仪表和基地式仪表。若组成控制系统的各个单位都分别制成一台独立的仪表，各仪表之间用标准的统一信号联系起来，叫单元组合仪表。若把测量单元、调节单元和显示单元组装成一台仪表。在这台仪表中，虽然仍有测量、显示和调节等功能，但在结构上，它们已是不可分割的整体，因而它们之间也不用标准信号加以联系，这种仪表叫基地式仪表。 3.按给定值的变化规律分类

按给定值变化规律控制系统可分为定值控制系统、程序控制系统和随动控制系统。在定值控制系统中，给定值是不变的。当系统受到扰动后，被控量的测量值会离开给定值出现偏差，控制系统的作用是逐渐消除偏差，使被控量最终回到原来的给定值上或给定值附近。

在程序控制和随动控制系统中，给定值是变化的。控制系统的作用是，使被控量始终跟踪给定值，随

给定值而变化。两者的区别在于，程序控制系统给定值的变化是按人们事先安排好的规律进行变化的，一般给定值是一个时间的函数，

考点3 反馈控制系统的动态过程：

控制系统之所以会出现动态过程，是因为对系统施加了输入（扰动）信号。其扰动形式是随机的，很难用一个数学表达式来精确地描述它，但可以归纳为四种扰动形式，这就是：阶跃形式、线性形式、脉冲形式、正弦形式。其中阶跃扰动是最严重的扰动，控制系统能把阶跃扰动控制住，对其他扰动形式也就容易控制了。因此，在这里我们只取阶跃的输入形式来研究控制系统的动态过程。所谓阶跃扰动是取扰动的突变形式，即在t＝0时刻（在施加扰动瞬间），扰动量突变一个值，以后这个值保持不变。如果这个突变值是一个单位，就称为单位阶跃扰动。阶跃扰动是基本符合实际的扰动形式。

为评定控制系统动态过程品质，要在阶跃扰动（输入）下，画出系统输出量（被控量）随时间的变化曲线。为说明问题方便起见，我们总是把控制系统的初始平衡状态定为坐标的零点。

控制系统接受的扰动有两种情况，一种是外部扰动不变，改变给定值。这时在调节器控制作用下，被控量将绕新的给定值振荡，最终稳定在新的给定值或给定值附近；另一种情况是给定值不变，改变外部扰动（定值控制），在调节器控制作用下，被控量将绕原给定值振荡且最终稳定下来。 由于调节器控制作用的强弱不同以及仪表调校不当或参数不匹配，会使控制系统的动态过程出现各种形式。 图1-1-3和图1-1-4分别画出了给定值不变而改变外部扰动和外部扰动不变而改变给定值的动态过程曲线。图中曲线1是等幅振荡，曲线2是发散振荡。控制系统这两种动态过程，被控量是不能稳定在新稳态值上的，称为不稳定系统。一个控制系统绝对不允许是一个不稳定系统。 造成不稳定的动态过程的原因，除仪表调校或参数匹配不当之处，主要是调节器控制作用太强。 曲线3表示控制系统的动态过程最稳定，被控量没有波动地逐渐达到新稳态值。 但是，它的动态精度和稳态精度都很低，且被控量达到新稳态值所需时间很长，这是不可取的，造成这种现象的主要原因是调节器控制作用太弱。符合求的动态过程是衰减振荡，如曲线4所示。当然不是所有衰减振荡都符合要求，为保证动态过程有一个良好的品质，可用一些指标来衡量它，在改变外部扰动和改变给定值两种情况下，其评定动态过程品质指标有些相同，有些不同。

图1-1-3 改变外部扰动控制系统的动态过程

图1-1-4 改变给定值控制系统的动态过程

对于定值控制系统来说，评定动态过程品质指标包括最大动态偏差emax、衰减率φ、过渡过程时间tS、振荡次数N及静态偏差ε等，如图1-1-3曲线4所示。

最大动态偏差emax，是指在衰减振荡中第一个波峰的峰值，它是动态精度指标。emax大，说明动态精度低，要求emax小些好。但不是越小越好，因为emax大小与调节器比例作用强弱有关，比例作用越强，emax越小。比例作用太强，虽然emax很小，但动态过程的振荡会加剧。

衰减率φ，是指在衰减振荡中，第一个波峰值A＝emax，减去第二个同相波峰值B除以第一个波峰值A，即

A?B??A  式中：φ是衡量系统稳定性指标，要求φ＝0.75～0.9。当φ＝0.75时，A是B的4倍，称为衰减比4∶1。

φ不能小于0.75，否则系统动态过程的振荡倾向增加，降低了系统稳定性，过渡过程时间也因振荡不息而加长。特别是当φ＝0时，其动态过程是等幅振荡，系统变成不稳定系统，这是不允许的。φ也不能太大，否则emax会增大，过渡过程时间tS也会拖得很长，当φ＝1时，其动态过程没有振荡，成为非周期过程。这时emax很大，tS拖得很长，这是不可取的。

过渡过程时间tS，是指从控制系统受到扰动开始到被控量重新稳定下来所需的时间。理论上讲，这个时间是无穷大，这是没有意义的。因此，我们这样来定义过渡过程时间tS：当t≥tS时，满足

y(t)?y(?)≤ ?

式中：y（t）是系统受到扰动后，在时间为t时的被控量值；y（∞）是被控量的最终稳态值；Δ是选定的任意小的值，一般取Δ＝0.02，或Δ＝0.05。上式的物理意义是，当t ≥tS的所有时间内，被控量y（t）的波动值︱y（t）－y（∞︱均小于或等于最终稳态y（∞）的2％或5％，tS就是过渡过程时间。

振荡次数N，是指在衰减振荡中，被控量的振荡次数。一般要求被控量振荡2～3次就应稳定下来。 静态偏差ε，是指动态过程结束后，被控量新稳态值与给定值之间的差值。ε越小说明控制系统的静态精度越高。 在实际控制系统中，由于所使用不同作用规律调节器，其存在静态偏差的情况也不相同。有的控制系统受到扰动后，在调节器控制作用下，被控量最终不能稳定在给定值上，只能稳定在给定值附近，存在一个数值较小的静态偏差，这是有差调节。有的控制系统受到扰动后，在调节器的控制作用下，被控量能最终稳定在给定值上，ε＝0，这是无差调节。 在外部扰动不变而改变给定值的控制系统中，评定动态过程品质的一些指标，如过渡过程时间tS振荡次

y(?)数N，静态偏差ε等与定值控制系统是一样的。 只是评定稳定性指标不用衰减率，而是用超调量σp。 同时增加了反映控制系统响应速度的两个指标：上升时间、峰值时间，如图1-1-4曲线4所示。

上升时间tr，是指在衰减振荡中，被控量从初始平衡状态第一次达到新稳态值y（∞）所需时间。 峰值时间tp，是指在衰减振荡中，被控量从初始平衡状态达到第一个波峰峰值所需要的时间tp。tr和tp都是反映动态过程进行快慢的指标。tr、tp越小，说明系统惯性越小，动态过程进行得越快。

超调量σp，是指在衰减振荡中，第一个波峰值ymax减去新稳态值y（∞）与新稳态值之比的百分数，即

ymax?y(?)?p??100%y(?)

超调量是评定控制系统稳定性的指标。超调量越小，控制系统动态过程波动越小，稳定性越好。但若σp太小，甚至σp＝0时，被控量无波动地逐渐靠近给值，成为非周期过程，系统稳定性虽然最好，但tS拖得太长，这是不可取的。 若σp太大，控制系统动态过程的振荡明显加剧，使系统稳定性变差。 由于振荡不息，tS也必定拖得很长。 在实际过程中，要求σp＜30%。

C1制系统在额定负荷下稳定运行期间，其调节阀开度为（ ）。 A．全开 B．全关

C．全开的一半 D．不定

B2油黏度自动控制系统中，测黏计是属于（ ）。 A．调节单元 B．测量单元 C．控制对象 D．执行机构

C3器输出只按给定值变化的系统是（ ）。 A．定值控制系统 B．随动控制系统 C．开环系统 D．程序控制系统

D4油机气缸冷却水温度控制系统中,其执行机构是（ ）。 A．淡水泵 B．海水泵 C．淡水冷却器 D．三通调节阀

B5控制系统的特点是（ ）。

①反馈控制系统具有负反馈；②反馈控制系统是一个控制偏差的系统；③信号在各个单元之间的传递是单向性的；④各单元的输出信号影响输入信号；⑤调节器输出的信号是由偏差信号决定的；⑥信号的传递在系统中形成一个闭合回路。 A．①②③⑤

D84. 在反馈控制系统中，若执行机构发生故障而卡死在某一位置，这时被控量将（ ）。

A．保持不变 B．达到最大值 C．达到最小值 D．不能自动控制

B85. 在反馈控制系统中，执行机构的输入是（ ）。

A．被控参数的实际信号 B．调节器的输出信号 C．被控参数的偏差信号 D．被控参数的给定信号

A86. 一个环节的输入量变化取决于（ ）。

A．上一环节的输出 B．反馈量 C．环节特性 D．A+C

A87. 气动控制系统中，仪表之间的统一标准气压信号是（ ）。

A．0.02～0.1MPa B．0.2～1.0MPa C．0.02～0.14MPa D．0.2～1.4MPa

C88. 在柴油机冷却水温度控制系统中，其控制对象是（ ）。

A．淡水泵 B．柴油机 C．淡水冷却器 D．三通调节阀

A89. 在燃油黏度控制系统中，其控制对象是（ ）。

A．燃油加热器 B．蒸汽调节阀 C．燃油泵 D．柴油机

A90. 闭环系统的方框图中，输入量为偏差，输出为控制信号，则该环节是（A．调节单元 B．测量单元 C．执行机构 D．控制对象

A91在以下系统中，不属于反馈控制系统的是（ ）。

A．主机遥控换向逻辑回路 B．燃油黏度自动控制系统

C．主机冷却水温度自动控制系统

。

）D．船舶自动舵控制系统

B92. 船上压力变送器的作用是（ ）。

A．把电信号变为气压信号输出

B．把压力信号变为标准的气压信号或电流信号输出 C．将气压信号变为电信号输出 D．将气信号转变为空气流量输出

B93. 在反馈控制系统中，为了达到消除静态偏差的目的，必须选用（ ）。

A．正反馈 B．负反馈

C．在偏差大时用正反馈 D．在偏差值小时用负反馈

B94. 控制系统传递方框图如图1-1-2所示，其中G1是（ ）。

图1-1-2

A．测量单元 B．调节单元 C．执行机构 D．控制对象

C95. 在柴油机转速控制系统中，其控制对象是（ ）。

A．电子调速器 B．磁脉冲传感器 C．柴油机

D．电/液伺服器

D96. 在运行参数的自动控制系统中，控制对象的输入量包括（ ）。

A．负荷的变化量 B．被控量的变化量 C．给定值的变化量 D．A＋C

C97. 在运行参数的自动控制系统中，控制对象的输出量是（ ）。

A．给定值的变化量 B．负荷的改变 C．被控量的变化量 D．调节阀开度的变化量

D98. 控制系统传递方框图如图1-1-2所示，若H单元有故障无信号输出，这时被控量将（ ）。

图1-1-2

A．保持不变 B．达到最大值 C．已达到最小值 D．不能控制

B99. 控制系统传递方框图如图1-1-2所示，其中正确的说法是（ ）。

图1-1-2

A．H是控制对象 B．I是指示单元 C．G2是调节器 D．G3是执行机构

C100. 控制系统传递方框图如图1-1-2所示，其中若信号线从B点断开，则该系统为（ 图1-1-2

A．开环系统

B．测量单元不能输出测量信号 C．显示仪表不能显示测量值

。

）

D．调节阀开度不能改变

D101. 控制系统传递方框图如图1-1-2所示，其中外部扰动是（ ）。

图1-1-2

A．r B．z C．e D．d

A102. 控制系统传递方框图如图1-1-2所示，其中基本扰动是（ ）。

图1-1-2

A．给定值r B．测量值z C．扰动量d D．偏差值e

C103. 控制系统传递方框图如图1-1-2所示，其中若信号线从C点断开，则该系统是（ 图1-1-2

。

）

A．正反馈控制系统 B．负反馈控制系统 C．开环控制系统 D．闭环控制系统

D104. 控制系统传递方框图如图1-1-2所示，其中若信号线从A点断开，则该系统是（ ）。

图1-1-2

A．正反馈控制系统 B．遥测系统 C．遥控系统

D．负反馈控制系统

B105. 控制系统传递方框图如图1-1-2所示，若e＞0，则（ ）。

图1-1-2

A．z＞r，为正偏差 B．z＜r，为正偏差 C．z＞r，为负偏差 D．z＜r，为负偏差

B106. 控制系统传递方框图如图1-1-2所示，其中I是（ ）。

C．快速性 D．A＋C

C233. 控制系统的衰减率等于0.8时的过渡过程是（ ）。

A．等幅振荡过程 B．非周期过程 C．衰减振荡过程 D．发散振荡过程

C234. 衡量自动控制系统快速性的指标是（ ）。

A．衰减率

B．最大动态偏差 C．过渡过程时间 D．超调量

D235. 反馈控制系统处于临界状态的衰减率为（ ）。

A．1 B．4 C．2 D．0

C236. 在定值控制系统中，符合动态过程品质要求的衰减率φ应是（ ）。

A．φB．φC．φD．φ

＝0

＝0.5～0.7 ＝0.75～0.9 ＝1

B237. 在定值控制系统中，若动态过程第一个波峰值为A，第二个波峰值为B，最终稳态值为ε，则衰减率等

于（ ）。 A．（A－ε）/A B．（A－B）/A C．（B－ε）/B D．（A－B）－ε/A

D238. 在PID温度控制系统中，若系统衰减率偏小，错误的认识是（ ）。

A．积分时间整定值太小 B．微分时间整定值太大 C．比例带整定值太小 D．比例带整定值太大

D239. 在定值控制系统中，随着衰减率的减小，系统的最大动态偏差emax和静态偏差ε的变化是（ ）。

A．emax↑，ε↓ B．emax↑，ε↑ C．emax↓，ε↑

D．emax↓，ε↓

B240. 一般认为，能使输出信号波动（ ）次即趋于稳定的比例带可近似地看作衰减率为0.75时的比例带。 A．1 B．2 C．3 D．4

D241在改变给定值的控制系统中，系统给定值阶跃改变后，系统动态过程的第一个波峰值很大，这说明（ ）。 A．控制对象惯性太小 B．控制对象放大系数太大 C．系统稳定性好

D．调节器控制作用太强

D242反馈控制系统受到阶跃扰动后，被控量振荡4～5次稳定下来，这说明（ ）。

A．控制对象K↑，T↓ B．控制对象K↓，T↑ C．调节器控制作用较弱 D．调节器控制作用偏强

D243在定值控制和改变给定值的控制系统中，符合动态过程品质要求的衰减比和超量分别应为（A．1∶4，σp≥1 B．1∶2，σp＞0 C．4∶1，σp＜1

D．4∶1，0＜σp＜30%

D244. 在定值控制系统中，符合动态过程品质要求的衰减比应该是（ ）。

A．1∶2 B．2∶1 C．3∶1 D．4∶1

D245. 评价定值控制系统动态过程品质的参数不包括（ ）。

A．过渡过程时间 B．静态偏差 C．衰减率 D．超调量

D246. 超调量和过渡过程时间分别是控制系统的（ ）。

A．静态指标和快速性指标 B．快速性指标和准确性

C．准确性指标和快速性指标 D．稳定性指标和快速性

。

）D247. 在反馈控制系统中，超调量和衰减率分别用于描述定值控制系统和改变给定值的控制系统的（ ）。

A．动态特性和静态特性 B．静态特性和动态特性 C．静态特性和静态特性 D．动态特性和动态特性

D248. 有一稳定的PI控制系统，当给定值增加一个单位阶跃值时，其被控量在整个过渡过程中出现的最大

偏差为（ ）。 A．1 B．0 C．ε D．emax

B1.评价不同控制系统调节过程的好坏，通常是在相同的（ ）信号作用下，比较它们的被调量变化过程。 A．正弦输入 B．阶跃输入 C．速度输入 D．加速输入

B2. 定值控制系统中，阶跃相应曲线如图1-1-6所示，则其衰减率应是（ ）。

图1-1-6

A．1.2 B．0.75 C．0.6 D．0.5

C3. 在改变给定值的反馈控制系统中，评价动态品质的指标包括（ ）。

①超调量σp；②衰减率φ；③放大倍数k；④过渡过程时间tS；⑤震荡次数N；⑥静态偏差ε。 A．①③④⑥ B．②④⑤⑥ C．①④⑤⑥ D．②③④⑤

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