第一章 自动控制基础

第一节 自动控制基础知识248

考点1：反馈控制系统的组成95

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。

B1. 不可作为气动或电动控制系统标准信号的有（ ）。 A．0.02～0.1MPa B．0.02～0.1Pa C．0～10mA D．4～20mA

D2. 一个环节的输出量变化取决于（ ）。 A．输入量的变化 B．反馈量 C．环节特性 D．A+C

C3. 在定值控制系统中为确保其精度，常采用（ ）。 A．开环控制系统

B．闭环正反馈控制系统 C．闭环负反馈控制系统 D．手动控制系统

D4. 反馈控制系统中，若测量单元发生故障而无信号输出，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

B5. 在反馈控制系统中，调节单元根据（ ）的大小和方向，输出一个控制信号。 A．给定值 B．偏差 C．测量值 D．扰动量

B6. 按偏差控制运行参数的控制系统是一个（ ）系统。 A．正反馈 B．负反馈 C．逻辑控制 D．随动控制

B7. 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

B8. 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

B9. 反馈控制系统中，为使控制对象正常运行而要加以控制的工况参数是（A．给定值 B．被控量 C．扰动量 D．反馈量

A10. 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

C11. 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

A12. 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

A13. 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

A14. 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

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