1、第四章 船舶机仓自动控制实例第一节主机冷却水温度控制系统225考点1 由需要外加能源的气动或电动仪表构成的自动控制系统都是间接作用式的控制系统。图4-1-1给出了用TQWQ型气动温度三通调节阀组成的气动温度自动控制系统原理图，这个系统还采用了按力矩平衡原理工作的比例调节器。测量单元、调节器和显示仪表都装在-个壳体内，是属于基地式仪表。图4-1-1 用TQWQ型气动三通调节阀组成的冷却水温度控制系统1- 温包；2- 毛细管；3- 测量波纹管；4- 主杠杆；5- 反馈波纹管；6- 定值弹簧；7-放大器；8- 喷嘴；9- 挡板；l0- 气缸；11- 活塞；12- 弹簧；13- 转阀；14- 三通阀；
2、 系统的测量单元是温包1，它是由不锈钢材料制成的，里面充注膨胀系数较大。沸点较低的易挥发性的液体。利用温包内介质压力随温度而变化的性质，来反映冷却水温度的实际值。温包内压力的变化经紫铜管接入测量波纹管3。比例调节器是由主杠杆4，及作用于主杠杆4上的测量波纹管3、反馈波纹管5、定值弹簧6、喷嘴8、挡板9及气动功率放大器7等部分组成。由小气缸10、活塞11、三通阀14组成执行机构。 当系统处于平衡状态时，作用于主杠杆4上的测量力（温包输出的压力信号与测量波纹管有效面积的乘积)对支点18产生的测量力矩，与作用主杠杆4上反馈波纹管5的反馈力对支点18产生的反馈力矩及定值弹簧6的张力对支点18所产生的力
3、矩相平衡，主杠杆4稳定不动，挡板与喷嘴之间的开度不变，气动功率放大器7输出一个不变的稳定气压信号，三通调节阀中的转阀13的位置固定不变。这样通冷却器管口和旁通管口的开度不变，冷却水温度稳定在给定值上。 当系统受到扰动（如柴油机负荷突然增大)，冷却水出口管路的水温会升高（温包是插在冷却水出口管路中)，温包l内的介质汽化加强，通过毛细软管2使测量波纹管3内的压力升高，主杠杆4将绕支点18逆时针方向转动。固定在杠杆左端的喷嘴8将离开挡板9，其背压降低，于是气动功率放大器输出压力信号减小 （测量信号增大，输出信号减小的调节器叫反作用式调节器)。小气缸10中的活塞11在弹簧作用下向上移动，拉动转阀13逆
4、时针方向转动，开大通冷却器的管口，关小旁通管口，即经冷却器的冷却水流量增大，旁通水量减少，使冷却水温度降低，并逐渐向给定值方向恢复。与此同时，调节器的输出直接送人反馈波纹管5，使其压力降低，波纹管收缩，将使主杠杆4绕支点18顺时针方向转动，这就限制了挡板离开喷嘴，这一动作与测量信号的动作方向相反，故称为负反馈。当放大器输出压力减小到使反馈力矩与测量力矩相等 （由于挡板开度变化量极小，故定值弹簧的弹性力矩可忽略不计 ）时，整个系统就会处于一个新的平衡状态。考点2 1TQWQ型气动温度三通调节阀的给定值，是通过调整定值弹簧的预紧力来实现的。例如要提高给定值，可增大定值弹簧预紧力，使挡板能靠近一点喷
5、嘴；反之，要降低给定值，可扭松定值弹簧预紧力。 2调整TQWQ型气动温度三通调节阀比例作用强弱是通过左右移动反馈波纹管，改变负反馈强度来实现的。松开反馈波纹管的锁紧螺母，沿主杠杆左移波纹管，负反馈作用强，比例作用弱，即比例带PB大。反之，右移反馈波纹管，比例作用强，比例带PB小。 3系统运行过程中，若发现冷却水温度不可控制地升高时，故障的最大可能性是测量波纹管或其压力传输管路发生漏泄，若发现冷却水温度不可控制地降低时，故障的最大可能性是喷嘴挡板机构或放大器的恒节流孔堵塞。若冷却水温度不可控制地随柴油机负荷的变化而变化，故障的原因常使活塞卡牢在气缸中。考点3 1MR-型电动气缸冷却水温度自动控制
6、系统的组成 MR-型电动冷却水温度控制系统，采用基地式电动仪表，能实现比例微分控制作用，该系统的组成和工作过程如图4-1-2所示。它是由1.电动调节器、2.接触器箱、3限位开关、4.过载保护继电器、5.三相交流伺服电机、6.三通调节阀等部分组成，并且还需要外加电源。 MR-型电动调节器是基地式仪表，它把测量、显示、调节各单元及相应的开关元件组装在一个控制箱内，并安装在机舱的机控室内。它的测量单元是热敏电阻T802；插在气缸冷却水进口管路中，其电阻值与冷却水温度的变化呈线性关系，经分压器分配，就把冷却水温度的变化，成比例地转换成电压信号。这个表示冷却水温度测量值的电压信号，与由电位器调定的代表冷
7、却水温度给定值的电压信号相比较，得到偏差值。这个偏差值经比例微分作用输出一个连续变化的控制信号送到脉冲宽度调制器，脉冲宽度调制器把PD输出的连续变化的控制信号调制成脉冲信号。若冷却水温度高于给定值，脉冲信号使“减少输出接触器”断续通电，组合开关SW1断续闭合。若冷却水温度低于给定值，其脉冲信号使“增加输出接触器”断续通电，组合开关SW2断续闭合。 执行机构是一个三相交流伺服电机M，在它的轴上经减速传动装置带动两个互成90度的平板阀。一个阀控制旁通淡水量；另一个阀控制淡水经过冷却器的流量。当SW1断续闭合时，伺服电机M将断续地正向（从操作手轮侧向电机方向看为逆时针）转动，关小旁通阀，开大经冷却器
8、的淡水阀，使冷却水温度降低。当SW2断续闭合时，伺服电机M将断续反向（顺时针）转动，使冷却水温度升高。这样，可保证冷却水温度稳定在给定值或给定值附近。当冷却水温度测量值等于或接近给定值时，调节器无输出，“减少”和“增加”输出接触器均断电。SW1和SW2组合开关均断开，电机M停转。三通调节阀的开度不变。图 4-1-2 MR-型电动冷却水温度控制原理图 在“减少输出接触器” SW1和“增加输出接触器” SW2的电路中串联了一个限位开关和一个过载保护继电器控制的开关Sr3。若某些故障使伺服电机M电流过大时，过载保护继电器动作，使开关Sr3断开。接触器SW1和SW2断电，其相应的组合开关断开，切断电机
9、M电源，保护电机不会因过热而烧坏。限位开关在一般情况下，其触头是合于A，当电机M带动三通调节阀中的平板阀转到接近极限位置时，触头A断开，使接触器SW1和SW2断电，切断电机M电源，防止平板阀卡紧在极端位置，使电机M回行时动作不灵敏，或因起动电流过大而引起过热。在接触器SW1和SW2的通电回路中，分别串联了SW1和SW2的常闭触头Sr2和Sr1，其作用是互相连锁，防止接触器SW1和SW2同时通电。 2工作原理 图4-1-3中的MRB板是输入电路和指示电路板。 （1）输入电路 输入电路的作用是，将气缸冷却水温度的测量值与给定值相比较，输出一个偏差值。它是由测温元件T802型热敏电阻、给定值调整电位
10、器W1和运算放大器TU 1等元件组成。T802型热敏电阻插在柴油机冷却水进口管路中，它的两端经外部接线端2和3接在MRB板上的12端和6端，假定假定R3R1、R2和T802，则A点电位Ua为热敏电阻具有负的温度系数，即温度升高时其电阻值减小。在20时，它的电阻值是802，显然，当冷却水温度升高时，由于T802阻值减小使A点电位Ua降低。当冷却水温度从0变化到100时，对应的Ua值将从3.5 V变化到1.48 V。Ua经电阻R3送至运算放大器TU 1的反相端。UB相当于冷却水温度处在给定值时所对应的电位信号。它是经R4、R5和电位器W1分压得到的。并经R6和R8分压送至TU 1的同相端。调整电位
11、器W1，可调整UB值，即可调整冷却水温度的给定值，C1和C2是滤波电容，滤掉两个输入端的交流干扰信号。显然，TU 1是一个差动输入运算放大器。假定选取R7/R3 =R8/R6，其输出端U15电位为式中，（UB Ua）就是冷却水温度的偏差值。当冷却水温度高于给定值时UB Ua，U15为正极性电位值；当冷却水温度低于给定值时，UB Ua，U15是负极性电位值。可见，TU 1的输出U15表示了冷却水温度的偏差值的大小和方向，并送至比例微分控制电路MRV板。在TU 1的反馈回路中，并联了一个电容C6，它相当于在TU 1的比例运算环节中串联一个惯性环节，其作用是防止电路振荡，提高电路的稳定性。一般C6值
12、较小，否则TU 1的输出对冷却水温度的变化就不灵敏了。 （2）指示电路 指示电路的作用是显示冷却水温度的测量值和给定值。它是由运算放大器TU 2、晶体管T1、反馈电阻和电位器、电流表 （温度表)G等元件组成。电流表G的满量程是01 mA，它所对应的温度是0100。表头G的刻度已改为温度刻度。 对温度表 （电流表）G可进行调零和调量程。W2是调零电位器。在表头G调零前要把Ua调准，即冷却水温度为0时，Ua =3.5 V。调量程是通过调整电位器W3来实现的。在TU 2同相端加一个1.48 V电位信号（相当于冷却水温度为100)，观察温度表G的读数是否是100。 （3）比例微分控制电路 比例微分控制
13、电路如图4-1-3中MRV板所示。它是由微分运算放大器TU 1、比例运算放大器TU 2、综合运算放大器TU 3等部分组成。由输入电路送来的偏差信号U15经阻容滤波得到UB，UB就表示为冷却水温度的偏差值，并分别送TU 1和TU 2的反相端。其反馈回路的电容C3和C4与MRB板的电容C6作用相同，不再分析。 对微分运算放大器TU 1来说，UB经输入电容C2和电阻R2接在TU 1的反相端，其反馈回路是TU 1的输出U6经电位器W2和电阻R8分压再经反馈电阻R5接在TU 1的反相端。根据运算放大器反相输入时，输入电流与反馈电流数值相等方向相反的原理，若把电阻R2短接 （令R2 =0），则 这是一个理
14、想微分环节，Td=R5 （1W2/R8）C2若在输入回路中，加进电阻R2，相当于在上述的理想微分环节中，串联一个惯性环节。这样TU 1运算放大器就构成了一个实际微分电路，该电路输出电位的极性U6与输入电位UB相反。 TU 2是比例运算放大器，其输出与输入的关系为UBR4 U6( R6 W1)；U6 TU 3是综合运算放大器，实际上它是一个加法器。微分运算放大器TU 1的输出U6与比例运算放大器TU 2的输出U6均接在TU 3的反相端。TU 3的输出U5是与U6与U6之和成比例。在电路中，若使R5R2,则U5为式中， ( 其中，令R9 R10 )是比例微分控制作用的比例放大倍数。调整W1可整定比
15、例带。是比例微分控制作用的微分时间，调整W2可整定微分时间。 TU 3输出U5电位的极性与该电路板输入电位UB的极性是相同的。冷却水温度等于给定值时，UB=0，TU 3输出U5=0；冷却水温度高于给定值，UB为正极性电位，U5也为正极性；若冷却水温度低于给定值，则UB、U5电位均为负极性。考点4 脉冲宽度调制器如图4-1-3中MRD板所示。脉冲宽度调制器的作用是把MRV板送来的连续变化的控制信号，调制成脉冲信号，使“减少输出接触器”或“增加输出接触器”断续通电。从而可让伺服电机M按顺时针方向或逆时针方向断续转动，改变旁通阀的开度，把冷却水温度控制在给定值附近。 脉冲宽度调制器是由运算放大器TU
16、1和TU2、二极管D1D8、晶体管T1和T2、控制充放电的电容C1、电阻R1、R5和电位器W1及其他电阻元件组成的。TU1和TU2的同相输入端分别接16 V和16 V电源经R2、R3、R4及电位器W2分压得到的电位，并调整电位器W2，使TU1同相输入端电位U3为正，TU2同相输入端电位U4为负，并使这两个电位的绝对值较小且相等。这两个绝对值较小的电位值是冷却水温度控制的不灵敏区。 电容的放电回路是由电阻电容组成的惯性环节实现的。调整电位器W1可改变惯性环节的时间常数。调大W1电阻值，其时间常数T大，电容放电慢；反之，调小W1电阻值，时间常数T小，电容C1放电快。即调整电位器W1可调整脉冲宽度，
17、W1电阻值大，T大，电容放电慢，电机M转动时间长，我们就说其脉冲宽度宽，否则，把W1电阻值调小，电机M转动时间短，就说脉冲宽度窄。TU1的反相输入端电位U2、同相输入端电位U3和输出端电位UF1的变化曲线及伺服电机动作时序如图4-1-7所示。图4-1-7 TU1输入端电位U2、U3和输出端电位UF1的变化曲线及伺服电机动作时序图考点5 继电器和开关电路如图4-1-3中的MRK板所示。合上MRP电路板上的电源主开关SW1，220 V交流电一端经保险丝F2，接线端16送至“减少输出接触器”和“增加输出接触器”，另一端经保险丝F1接在“手动一自动”选择开关SW2上。在自动控制时，把SW2搬到右边，经
18、接线端15和8分别接中间继电器Re1和Re2的常开触头，并控制“减少输出接触器”和“增加输出接触器”的通断电。指示灯L1和L2指示电机M的转动方向，其中阻容电路的作用是，电机在同一方向断续转动时，L1或L2保持常亮，而不会因脉冲宽度调制器输出的脉冲信号而闪亮。 当自动控制系统出现故障时，可改为手动操作。这时，要把MRP板上的“手动一自动”选择开关SW2搬到左边，使接线端15和8与电源断开。接线端11与电源接通。这时，中间继电器Re1和Re1不起作用，可手操MRK板上开关SW1，通过闭合右面或左面的触点，控制“减少输出接触器”或“增加输出接触器”的通断电，从而可控制电机M按逆时针或顺时针方向转动
19、。考点6 1管理要点 （1）控制系统投入工作的操作 MR-型调节器正面面板布置如图4-1-12所示。图4 -1-12 MR-型调节器正面面板布置图 先把开关13扳到右面位置，接通主电源，电源指示灯14亮。若不亮，可拔出保险丝10和11，更换烧坏的保险丝。电源正常后，按下按钮2，转动旋钮1，使温度表A指示在给定值上。再把按钮拔出，让温度表A指示冷却水温度的测量值，把开关12扳到左面位置，手操开关9将冷却水温度调节到给定值附近。然后把开关12扳到右面的自动位置，从而可实现无扰动切换，自动控制系统就可投入工作。 （2）参数调整 控制系统安装以后，调节器的比例带PB、微分时间Td和脉冲宽度调整旋钮不要
20、轻易转动。确实发现动态过程不理想 （观察温度表指针向给定值方向恢复很快，或指针波动较大)，可适当调整比例带、微分时间或脉冲宽度，但每次调整量要小。每调整一次都要认真观察温度表指针变化情况，直到调好为止。 2常见故障的分析和排除 在自动控制系统工作的过程中。如果温度指示的测量值与给定值之间有较大的偏差值，而指示灯7和8都不亮，说明电机M没有转动。这时，必须把开关12立即扳到左面的手动位置，然后手操开关9，如果此时电机M可按逆时针和顺时针方向转动，说明控制系统出故障，可分别抽出RMB板、MRV板和MRD板，人为地输入一个信号，观察其输出端U15、U5、U9和U10是否变化。哪块板输出不变化，故障就
21、出在那块板上。换一块备件板，控制系统就能恢复正常工作，若手操开关9时，电机M仍不转动，说明自动控制系统没有故障，故障是出在执行机构中，如电机M烧毁或卡死；过载保护继电器动作，切断电机M的电源等。如果手操开关9电机M能在一个方向转动，而不能在另一个方向转动，可能的原因是“减少输出接触器”或“增加输出接触器”的线圈断路，或者它们的触头磨损、烧蚀而不能闭合，要及时检查修复。 自动控制系统在工作过程中，还会出现其他一些故障现象，如温度表指针左右振荡不息；温度表指针指在0以下而实际水温在不断升高；温度表指针指在100以上而实际水温度在不断降低，等等。这些故障现象的原因请读者自行分析。B1. 在MR型电动
22、冷却水温度控制系统中，若水温高于给定值，但未超过不灵敏区，则MRD板上的晶体管T1和T2的状态是（ ）。AT1和T2都导通BT1和T2都截止CT1导通，T2截止DT1截止，T2导通D2. TQWQ型冷却水温度控制系统运行中，不注意把测温毛细管碰断，则系统会出现（ ）。水温不可控的下降；水温不可控的上升；放大器输出很大；放大器输出很小；旁通通道全关；冷却水通道全关。ABCDD3. 在MR型电动冷却水温度控制系统中，当柴油机负荷降低时，其冷却水出口温度会（ ）。A保持给定值不变B绕给定值振荡C增高D降低C4. 在MR型电动冷却水温度控制系统中，若柴油机负荷突然增大的短时间内，MRB板上Ua的变化及
23、接受传感器输入的运放大器TU1的输出极性为（ ）。A增大，正极性B增大，负极性C减小，正极性D减小，负极性D5. 在MR型电动冷却水温度控制系统的输入电路MRB板中，运算放大器TU1的功能是（ ）。A电压比较器B电压跟随器C反相输入比例运算器D差动输入比例运算放大器B6. 在MR型电动冷却水温度控制系统中，稳态时，使MRB板上的UB减小，则开始时，设定水温ts和MRB板的输出U15变化为（ ）。Ats，U15为正极性Bts，U15为负极性Cts，U15为正极性Dts，U15为负极性A7. 在MR型电动冷却水温度控制系统中，若冷却水实际温度升高时，MRB板上的Ua和UB的变化为A降低，不变B降低
24、，升高C升高，不变D升高，降低C8. 在MR型电动冷却水温度控制系统中，当冷却水温度为0和100时，MRB电路板上的A点电位分别为（ ）。A0V，1.0VB1.48V，3.5VC3.5V，1.48VD2V，6VB9. 在MR型电动冷却水温度控制系统中，比例微分控制电路的输入量是（ ），其输出信号送至（ ）。A给定值，执行电机MB偏差值，脉冲宽度调制器C测量值，“增加”、“减少”输出接触器D偏差值，执行电机MC10. 在MR型电动冷却水温度控制系统中，热保护继电器的作用是（ ）。A防止三通调节阀卡在极限位置B防止“增加”和“减少”输出接触器同时通电C防止电机M过载烧坏D防止冷却水温度超过上限值C
25、11. 在MR型电动冷却水温度控制系统中，限位开关的作用是（ ）。A防止电机连续转动B防止电机因短路等故障烧坏C防止三通调节阀卡在极限位置而电机超载D防止“增加”和“减少”输出接触器同时通电A12. 当冷却水温度升高且超过了给定值时，MRII型调节器输入电路的输出U15和比例微分控制电路的输出U5的极性是（ ）。AU150，U50BU150，U50CU150，U50DU150，U50B13. MR型电动冷却水温度控制系统的指示电路如图4-1-4所示，TU2的功能是（ ）。图4-1-4A反相输入比例运算器B同相输入比例运算器C电压跟随器D电压比较器C14. 在稳态情况下调大MR型主机冷却水温度控
26、制器的设定电压，给定温度ts和偏差检测运算放大器输出电压U15的变化情况为（ ）。Ats，U15为正值Bts，U15为负值Cts，U15为正值Dts，U15为负值C15. 在MR型电动冷却水温度控制系统的指示电路中，当冷却水温度升高时，MRB板上TU2的输出（ ），晶体管T1集电板的电流将（ ）。A增大，增大B增大，减小C减小，增大D减小，减小A16. MR型电动冷却水温度控制系统中，代表实际水温的Ua和代表偏差的U15随实际水温的降低会出现（ ）。AUa上升，U15下降BUa上升，U15上升CUa下降，U15上升DUa下降，U15下降C17. 在MR型电动冷却水温度控制系统中，在稳定状态运行
27、情况下，若减小给定值输入电压UB值，则冷却水温度给定值ts和MRB板的输出U15的变化情况是（ ）。Ats下降，U15为负极性Bts下降，U15为正极性Cts上升，U15为负极性Dts上升，U15为正极性A18. 在MR-型电动冷却水温度控制系统中，控制对象输入和输出分别为（ ）。A三通调节阀的输出，柴油机进口水温B柴油机出口水温，柴油机进口水温C柴油机进口水量，柴油机出口水量D淡水冷却器进口水温，淡水冷却器出口水温B19. MR型电动冷却水温度控制系统的输出执行装置保护环节不包括（ ）。A三通阀限位开关B电源保险丝C正反转接触器连锁D电机过载保护C20. 在MR型电动冷却水温度控制系统中，其
28、调节器是采用（ ）。A比例调节器BPICPD调节器DPID调节器B21. 在MR型电动冷却水温度控制系统中，限位开关的目的是（ ）。A使执行电机能断续转动B当调节阀转到极限位置时能切断执行电机电源C作为执行电机热保护D防止增加、减少两个接触器同时通电B22. 在MR型电动冷却水温度控制系统中，其测温元件是（ ）。A温包B热敏电阻C金属丝电阻D热电偶B23. 在MR型电动冷却水温度控制系统中，当测量水温与给定水温偏差较大且测量水温向偏差增大方向变化较快时，执行电机将（ ）。A间断工作B不间断工作C工作时间增长，间歇时间缩短D工作时间变短，间歇时间增长D24. 在MR型电动冷却水温度控制系统中，当
29、冷却水温度高于给定值时，其输入电路的输出电压U15的极性和PD控制电路的输出电压U5的极性分别是（ ）。A负、正B正、负C负、负D正、正D25. 在MR型电动冷却水温度控制系统中，若水温高于给定值，并超过不灵敏区，则MRD板上的晶体管T1和T2的状态是（ ）。A都导通B都截止CT1截止，T2导通DT1导通，T2截止C26. 在TQWQ型气动温度三通调节阀控制系统中，若喷嘴挡板机构中的恒节流孔堵塞，则会产生的现象为（ ）。测量力矩大于反馈力矩；全关旁通管口，全开经冷却器管口；小控制活塞被压在最下面位置；小控制活塞被弹簧推至最上面位置；挡板远离喷嘴；实际冷却水温度不可控地降低。ABCDA27. T
30、QWQ型气动温度三通调节阀中的调节器作用规律是属于（ ）。A比例作用BPI作用CPD作用DPID作用B28. 在MR型主机冷却水温度控制系统中，温度偏差U15与电机停转脉冲宽度Toff和运转脉冲宽度Ton的关系是（设偏差U15为正偏差）（ ）。AU15，Toff，TonBU15，Toff，TonCU15，Toff，TonDU15，Toff，TonC29. MR型电动冷却水温度控制系统的调节器板MRV如图4-1-5所示，其中的TU1是属于（ ）。图4-1-5A比例环节B理想微分环节C实际微分环节D比例惯性环节A30. 在MR型电动冷却水温度控制系统中，在突然增大给定值的瞬间MRV板上的TU1、TU2和TU3输出电压的极性分别为（ ）。A正极性，正极性，负极性B负极性，负极性，正极性C正极性，负极性，正极性D负极性，正极性，负极性C31. 在MR型电动冷却水温度控制系统中，MRD板上的晶体管T1和T2工作状态是（ ）。A反相器B信号放大器C开关状态D隔离器A32. 在MR型电动冷却水温度控制系统中，若水温低于给定值，偏差较大，且偏差变化有些快，则（ ）。A增加输出接触器连续通电B增加输出接触器
