轮机自动化题库

第一章自动控制基础知识二、问答题：1.如图1，这是自动控制系统的原理框图，试指出各个环节的名称（即ABCD四个环节），并说明各个环节的输入和输出的信号名称。图1控制系统原理框图答：A：调节器B：执行机构C：控制对象D：测量环节r（t）:给定值b（t）:测量值e（t）:偏差p（t）:调节器输出，调节指令q（t）:调节动作f（t）:外界扰动信号y（t）:被控量2.画出自动控制系统的方框图，并简述各个组成单元的特点。1）控制对象：被控制的机器、设备或装置。要控制的运行参数称为被控量。2）测量单元：测量被控量，并转换为标准信号，作为反馈信号送到调节器。组成：传感器和变送器3）调节单元：根据偏差按一定规律输出控制量，送至执行机构。它有两个输入，即给定值输入和测量值输入。4）执行机构：接受调节单元送来的控制信号，改变物质或能量流量，作用于被控对象。3.扰动的定义是什么？基本扰动和外部扰动有何区别？答：引起被控量变化的一切因素称为扰动。显然，扰动量是控制对象的输入量。扰动量可以分为两类：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。在图中，有两个信号线指向控制对象，它们分别是基本扰动（执行机构的输出）和外部扰动。基本扰动和外部扰动区别在于是否可以控制。4.何为反馈？正负馈和负反馈有何区别？答：被调量的变化经测量单元反送到控制系统的输入端，这个过程称之为反馈。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。5.简述反馈控制系统的动态过程？答：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（给定值或给定值附近），系统达到一个新的平衡。6.静态偏差的定义是什么？答：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。7.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。8.控制系统常采用的典型输入信号有哪几种？答：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。9.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?答：(l)最大动态偏差maxe，这是动态精度指标，调节作用强，maxe↓，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。10.评定改变给定值的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?答：(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，这是静态精度指标，调节作用强，↑，静态精度高。12.写出各种调节规律优缺点、参数调整及适用场合。答：各种调节器的优缺点、参数调整及适用场合如下表。名称优缺点参数调整适应场合双位式优：结构简单缺：精度差上下限值调整通过改变销钉位置来进行控制质量要求不高的场合，如蒸汽压力控制，液位控制等。比例（P）优：结构简单，调节快，缺：精度差存在静态偏差比例带PB，PB↑，比例作用减小精度要求不高的场合，如液位、压力控制。积分（I）优：精度高，无差调节缺：振荡性强积分时间TI，TI↑，积分作用减弱实际中不单独使用。比例积分（PI）优：精度高，无差调节；调节迅速，无滞后缺：最大动态偏差较大比例带PB，积分时间TI。由于积分作用，PB要比纯比例调节值高20％对精度要求高的场合使用。应用最广，多数系统可使用。微分（D）优：能超前调节缺：对静差无作用微分时间TD，TD↑，微分作用增强实际中不单独使用。液位系统不适用比例微分（PD）优：能超前调节调节迅速缺：存在静差比例带PB，微分时间TD。PB可以比纯比例调对惯性大，延迟时间长的系统适应节值低20％比例积分微分（PID）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，比例带PB，积分时间TI，微分时间TD。适用于对象容量滞后和惯性较大、不允许有静差的系统。14PB对动态过程品质的影响：PB小，比例作用强，系统的稳定性差，但最大动态偏差变小，静态偏差变小；PB大，比例作用弱，系统的稳定性好，但最大动态偏差变大，静态偏差变大。当PB过大或过小时，过渡过程时间都会加长15比例作用主导，及时响应偏差积分作用辅助，消除静态偏差衡量PI作用的参数：比例系数K和积分时间TiTi小，积分输出大，积分作用强；Ti大，积分输出小，积分作用弱；16微分时间Td衡量微分作用强弱Td大，微分消失慢，微分作用强；Td小，微分消失快，微分作用弱。1718.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0.45MPa，幅差旋纽调在3档，则压力上限值为多少？（幅差范围0.07~0.25MPa）答：10)07.025.0(07.0xPPPLH3,0.45LxPMPa则，0.574HPMPa19.有一温度控制系统，量程是30～100℃，对应的气压信号是0.02～0.1MPa，在一次比例带测试中，当t=50℃时调节器输出为0.098MPa，当t=42℃时调节器输出为0.088MPa,问比例带带是多大?放大倍数K是多大?答：放大倍数：0.0980.0880.00125/5042PKMPaCe比例带：maxmax/(5042)/(10030)/(0.0980.088)/(0.100.02)91.4%/eePBPPCMPa1何谓环节？它有什么特点？答：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，每个环节必定有输入量和输出量，并用带箭头的信号线表示。特点：任何环节输出量的变化均取决于输入量的变化及该环节自身的特性，而输出量的变化不会直接影响输入量，即信号传递具有单向性。2反馈控制系统图中的r,b,e代表什么信号？答：调节器有两个输入量，分别为给定值r和测量值b。给定值r(t)是运行参数所希望控制的最佳值，测量值b(t)则是测量单元测得的运行参数的实际值。被控量的测量值与给定值的差值称为偏差，用e(t)表示，e(t)=r(t)－b(t)。3什么是最大动态偏差emax?答：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maxe表示。4衰减率的定义是什么？值多大为宜？答：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表示，计算公式是，如图2：ABA5过渡过程时间ts的定义是什么？实用上是如何规定的？答：过渡过程时间（亦称调节时间）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％（或5％）之内，这一时刻就是过渡过程时间。6超调量的定义是什么？它的大小说明什么？答：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maxy减去新稳态值)(y与新稳态值)(y之比的百分数，以p表示：%100)()(maxyyyp，如图3。7衰减过程的振荡次数N一般要求几次？答：衰减过程的振荡次数N一般要求2～3次。19.写出各种P、PI、PID调节器特性、影响参数及阶跃响应。答：比例P：1()()()PPtKetetPB影响参数：比例带PB，PB↑，比例作用减小阶跃响应：比例积分PI：11()()(1)PPiiietpKeedtKedteTTPBT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：11111()()PididdedePKeedteedtTTdtPBTTdt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；微分时间TD，TD↑，微分作用增强阶跃响应：第二章船用自动控制仪表二、问答题：1．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（气容)、喷嘴挡板机构和气动功率放大器。2．弹性元件有哪几种，各起什么作用?答:弹性元件包括弹性支承元件和弹性敏感元件。弹性支承元件如柱簧，片簧等，用于增加弹性敏感元件的刚度、确定弹性敏感元件的初始位置及用于仪表调零等。弹性敏感元件包括波纹管、弹簧管、金属膜片、橡胶膜片等，其作用是把所受的轴向力转变成位移信号。3．节流元件分哪两大类?各有几种形式?答:节流元件分为固定气阻和可调气阻两大类。固气气阻(恒节流孔)有毛细管式和小孔式;可调气阻(变节流孔)有圆锥一圆锥式，圆柱一圆锥式，圆球一圆锥式。4．什么叫气容?定容气室和弹性气室有什么不同?为什么?答:气容用来表示气体容室贮存空气最的能力，即气体容室内每升高单位压力所需增加的空气贮存量，用C表示气容，则dmcdp定容气容C是常数，因为气室容积不变，故每升高单位压力其空气的增加量不变。弹性气室气容不是常数，因压力不同气室内波纹管伸长程度不同，故其容积是改变的，其气容不同，储存空气量的能力也不同。5.气动仪表的基本组成环节有哪些？画出原理图答：三个基本环节（放大、反馈、比较）构成。其中，放大环节起信号放大作用，要求它具有较高的灵敏性和足够大的功率输出；反馈环节起信号的运算作用，通常是把仪表的输出信号P出通过反馈回路，送回到仪表的输入端与输入信号进行综合，比较环节起信号比较作用，使输入信号与反馈信号在此比较，其输出信号等于各信号的代数和。图3-1-7气动仪表的组成原理6.气动仪表的比较环节起何作用？按什么原理工作？比较环节对两个或两个以上信号进行综合和比较，在比较环节上输入信号和反馈信号所起的作用，是按线性叠加的关系进行综合。根据平衡原理的不同，可分为如下三种：位移平衡原理、力平衡原理、力矩平衡原理7.什么是耗气型气动功率放大器的起步压力？试分析输出压力与输入压力之间的变化关系。见教材P138．喷嘴挡板机构有哪几部分组成?试画出其静特性曲线，并标明其工作段。答:喷嘴挡板机构是由恒节流孔、背压室、喷嘴、挡板等四部分组成，其工作的静特性曲线如图所示。横坐标是挡板开度，单位是微米，纵坐标为背压室压力，单位为MPa，a-b两点之间即为它的工作段，该工作段斜率很大，可近似看做是一条直线。9.喷嘴挡板机构后面为什么要串联一个气动功率放大器?耗气型气动功率放大器有什么特点?答:由于喷嘴挡板机构中恒节流孔孔径很小。尽管背压室压力可以在0.02-0.1MPa之间变化，但因空气量太少，不能直接动作执行机构，同时信号传递较远的距离其压力信号也会衰减，故在喷嘴挡板机构后面必须