轮机自动化题库副本

1、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

2、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

3、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，

4、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，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

5、、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，这是动态精度指标，调节作用强，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

6、：(1)超调量,这是稳定性指标，调节作用强, ，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

7、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

8、：存在静差比例带PB，微分时间TD。PB可以比纯比例调节值低20对惯性大，延迟时间长的系统适应比例积分微分（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。14 PB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

9、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0.070.25MPa）答：则，19. 有一温度控制系统，量程是30100，对应的气压信号是0.020.1MPa，在一次比例带测试中，当t=50时调节器输出为0.098 MPa，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： 比例带：1何谓环节？它有什么特点？答：在传递方框图中，

10、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，用表示

11、。4衰减率j的定义是什么？j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： 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，第一个波峰值减去新稳态值与新

12、稳态值之比的百分数，以表示：，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23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： 影响参数：比例带PB，PB，比例作用减小阶跃响应：比例积分PI： 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： 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

13、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

14、位压力所需增加的空气贮存量，用C表示气容，则定容气容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

15、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

16、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串联一气动功率放大器，对喷嘴挡板机构的输出进行气体流量放大，或压力和流量放大，即功率放大。耗气型气动功率放大器，对喷嘴挡板机构的输出不仅能进行气体流量放大，还能进行压力放大，在工作期间一部分工作气体要从放大气小孔排放大气，故称耗气型气动功率放大器。10.在气动仪表中，节流盲室常置于什么环节中?

17、它起什么作用?答:在气动仪表中，常把节流盲室置于正反馈回路中。用它可得到积分作用，通过调整节流盲室的可调气阻，来整定积分时间。11.在气动仪表中，比例惯性环节是怎样实现的?它常置于仪表的什么环节中?起什么作用?答:在气动仪表中，比例惯性环节是由弹性气室再并联一个节流阀组成的，它常置于仪表的负反馈回路中，可实现实际微分作用，通过调整比例惯性环节的节流阀可整定微分时间Td。12.什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?答：基本误差：是指仪表的最大绝对误差与仪表测量范围（量程）之比的百分数。基本误差的产生主要是由于仪表结构中的间隙、摩擦、刻度不

18、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，由于外界条件的影响，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仪表的精度是指仪表在规定条件下允许的最大绝对误差占仪表的最大测

19、量范围(量程)的百分数，即: 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。131415.气动变送器是由哪两部分组成的?各起什么作用?答:气动变送器是由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0.020.1MPa的气压信号

20、，作为仪表的输出。16.简述单杠杆差压变送器的工作原理？答：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： 式中：K 单单杠杆差压变送器的放大系数（比例系数）。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?答：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0.02MPa。如果不等于 0.02MPa 。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=0.02MPa为止。这就是

21、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=0.1MPa 。如果不等于0.1MPa,则需要通过上下移动反馈波纹管来调量程。由于输出压力最大值为0.1MPa，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

22、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 23 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？答：而零点迁移则是把测量起始点由零迁移到某一数值(正值或负值)。当测量起始点由零变为某一正值，称为正迁移；反之，当测量起始点由零变为某一负值，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

23、，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。1920比例作用调节：关小Rp （气阻增大），正反馈减弱，综合负反馈增强，比例作用减弱，PB增大积分作用调节：关小Ri（气阻增大），惯性环节的惯性增大，Ti增大，积分作用减弱21结构与工作原理：按位移平衡原理工作 假定燃油黏度增

24、大，差压变送器输出一个与之成比例的增大的气压信号，并经控制板送人弹簧管，弹簧管张开，GH杆经FG杆推动向上移动。以E轴，HEN杆和HED杆均逆时针转动，它一方面使MN杆右移，使黑色测量指针绕轴Q向指示黏度增大的方向转动；另一方面，由于D点右移，使AC杆绕C轴逆时针转动。BO杆右移，OO杆以O为支点顺时针转动，挡板离开喷嘴，喷嘴背压下降，经气动功率放大器使调节器输出压力降低 （这是反作用式调节器)。 这一降低的压力信号分四路。一路是送入气关式调节阀，开大蒸汽调节阀使燃油黏度降下来。二路是与微分气室中的波纹管相通，波纹管收缩，波纹管外面的气室压力略有降低，则比例波纹管的压力略有降低。OO杆略有下移

25、，使挡板稍微靠近一点喷嘴。这一负反馈很弱，不足以抵制挡板继续离开喷嘴，调节器的输出会大大降低，调节阀开度很大，这就是调节器的微分输出，三路是调节器的输出经微分阀与微分气室相通，微分气室压力经微分阀不断向压力降低的P出放气，其压力不断降低，比例波纹管的压力不断降低，OO杆不断下移，负反馈作用不断加强，挡板不断靠近喷嘴，调节器的输出信号不断增大。四路是积分波纹管的压力不断经积分阀放气而降低，OO杆上移，使挡板又逐渐离开一点喷嘴，这一附加的正反馈使调节器输出压力有所降低22.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？答：气开式执行器：调节阀的开度变化与执行器输入压力信

26、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。1.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?答: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

27、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。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：2.气动功率放大器的分类及阶段。气动仪表中所用的功率放大器主要有两种，一种是不泄气型功率放大器，即在稳态工作时，排气阀关闭，泄气量很少，故称为不泄气型功率放大器；另一种是泄气型功率放大器，即在任何情况下工作时，永远有部分气体从排气孔排泄出去，耗气量较大，故称为泄气型（耗气型）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:（1）消除间隙阶段：当输入信号等于大气压力时，金属膜

28、片与阀杆之间存在一个间隙。当输入信号开始增大时，金属膜片的位移使逐渐减小。当增加到时为0，如图中直线段 I,该阶段又称为消除间隙阶段。（2）相持阶段：当由继续增大时，由于金属膜片承受的推力不足以克服弹簧片 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，这一阶段称为相持阶段。（3）放大阶段（工作段）：当信号压力升至后，阀杆开始有位移，放大器有输出压力，此时位移量与输入信号压力的变化量成比例地变化，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，此阶段是放大器的工作段。第三章 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

29、的类型、功能以及特点？答：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4575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（如电动

30、和气动）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-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？答：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?答：若发现冷却水温度不可控地升高，要用扳手扳动