《轮机自动化》要点.docx

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《轮机自动化》要点

《轮机自动化》

要点

第一章要点

一、反馈控制系统基本概念

（一）控制系统组成

1、控制对象2、测量单元

3、调节单元4、执行机构

注意：

比较环节不是基本单元。

（二）传递方框图

1、环节

输出量的变化取决于输入量的变化和环节特性。

信号传递的单向性：

输出量的变化不会直接影响输入量。

2、扰动

外部扰动：

不可控制的扰动，如负荷的变化、电源的波动等。

基本扰动：

人为可以控制的扰动，如给定值的变化、调节器参数的调节等。

3、反馈

含义：

将输出全部或部分地回送到输入端以影响输入效应。

负反馈削弱输入效应的反馈。

只有采用负反馈，才能形成偏差。

运行参数的自动控制系统必定是负反馈控制系统，亦称为偏差控制系统。

正反馈加强输入效应的反馈。

为了实现某种复杂的控制规律和作用，自动化仪表（如调节器）往往采用局部正反馈。

4、闭环和开环

开环控制的两种情形：

（1）按给定值进行控制；

（2）按扰动进行控制。

（三）系统类型（按给定值分类）

1、定值控制系统

给定值恒定不变，系统的主要任务是克服外部扰动的影响。

2、程序控制系统

给定值按确定的规律随时间变化，即给定值是确定的时间函数。

系统的主要任务是跟随给定值的变化而变化。

3、随动控制系统

给定值随时间变化且无法预知变化规律，即给定值是某个参数的函数且参数的变化是任意的。

（四）动态过程的品质指标

1、稳定性

（1）衰减率Ψ

Ψ<0，为发散振荡过程；Ψ=0，为等幅振荡过程；

0<Ψ<1，为衰减振荡过程；Ψ=1，为非周期过程。

Ψ越大，稳定性越好。

若Ψ=1，则稳定性最好，但动态偏差较大、调节时间偏长。

理想动态过程的Ψ=0.75～0.9（亦即最佳衰减比为4：

1～10：

1）。

（2）超调量σp

σp越小，稳定性越好，反之亦然。

一般要求σp小于30%。

（3）振荡次数N

N一般以2～3次为宜。

2、准确性

（1）最大动态偏差emax；

（2）静差ε

3、快速性

（1）动态过程时间ts；

（2）上升时间tr；（3）峰值时间tp

定值控制系统常用的品质指标：

Ψ、N、emax、ε、ts。

改变给定值系统常用的品质指标：

σp、N、ε、ts、tr、tp。

二、控制对象的特性

（一）单容对象

1、动态方程

初始时刻（t=0时），被控量的变化量为零，被控量的变化速度最大。

2、特征参数

（1）放大系数K

K是静态参数，反映对象对于扰动的敏感程度。

K越小，受扰动作用后，被控量的最终稳态值的变化量越小，即受扰动的影响越小，故K小一些好。

（2）时间常数T

T是动态参数，反映对象惯性的大小。

T越大，惯性越大，变化越慢，飞升曲线越平坦；T越小，惯性越小，变化越快，飞升曲线越陡。

T的求法及物理意义：

①切线法

若被控量始终保持初始（最大）速度变化，则经过一个T时间，就可以达到新稳态值。

②0.632法

控制对象受到扰动后，被控量变化到新稳态值的63.2%所需要的时间即为T。

工程上，一般取4T的时间作为动态过程的时间。

（3）纯迟延（传输迟延）τ。

τ。

是动态参数，意指从扰动开始到物质或能量流量达到控制对象所需时间。

（二）多容对象

动态过程：

阶跃响应曲线呈“S”形，两头慢、中间快；

被控量的初始变化量和初始变化速度均为零。

容积迟延τc：

物质或能量达到控制对象起始到被控量开始变化所需时间。

注意：

单容对象不存在容积迟延，只可能有纯迟延。

多容对象必有容积迟延，

可能还有纯迟延，故τ=τ。

+τc。

τ。

和τc都是有害的，故越小越好。

（三）自平衡能力

1、自平衡率

ρ=1/K，ρ越大，自平衡能力越强。

2、不具备自平衡能力的对象

（1）出口带离心泵的水柜

（2）以水位为被控量的锅炉

注意：

不具备自平衡能力的对象是一个积分环节。

对有自平衡能力的控制对象也需要组成一个控制系统对其进行控制，使被控量

不要有太大的波动。

三、控制规律

（一）双位控制规律

特点：

调节器输出只有两种对立的状态，使调节阀全开或全闭；

被控量只能控制在上、下限之间。

应用：

适用于时间常数T大、迟延τ小且控制精度要求不高的控制对象。

实例：

YT-1226型压力开关

工作原理力矩平衡

ΔP=0.07+（0.25－0.07）·X/10

使用步骤：

（1）调给定弹簧调节给定值（即下限PX）；

（2）调幅差旋钮调节幅差ΔP，确定上限Pz；

（3）现场调试。

（二）比例控制规律（P规律）

1、规律及特点

P=k·e

输出和输入偏差成正比。

特点：

（1）调节动作及时；

（2）不能消除静差。

不能消除静差的原因调节器的输出和偏差间存在硬性的一一对应关系。

2、比例带PB（比例度δ）及对动态过程的影响

比例带的意义：

调节器指挥调节阀开度变化全行程（从全闭到全开或从全开到全闭）时被控量的变化量占量程的百分数。

PB越小，比例作用越强，反之越弱。

PB大小对动态过程的影响：

PB↓→K↑→比例作用↑→被控量的振荡加剧、稳定性变差（Ψ↓，σp↑，N↑），最大动态偏差emax↓、静差ε↓→动态过程时间ts↑（PB过大或过小，都会使ts↑）。

3、PB的选择

PB∝

τ。

即当控制对象的K大时，PB应取得大些；对象的T大（惯性大）时，PB应取得小些；控制对象的迟延τ大时，PB应取得大些。

（三）比例积分控制规律（PI规律）

1、积分规律及特点

输出和偏差随时间的积累成正比，即取决于偏差大小和偏差所持续的时间。

或说，输出的变化速度与偏差成正比。

特点：

（1）能消除静差；

（2）属于滞后调节，容易引起振荡甚至不稳定。

注意：

积分作用不能单独使用。

2、PI规律

积分时间Ti的求取：

阶跃输入后，调节器积分部分输出与比例部分输出相等时所需时间（或说：

调节器的输出达到两倍的比例部分输出时所需时间）。

Ti大小对动态过程的影响：

将Ti调小，积分作用变强，被控量的振荡加剧、稳定性变差（Ψ减小，σp变大，N增大），动态过程时间ts延长。

加入积分作用后，应将比例带PB调大，以保证系统的稳定性。

3、Ti的选择

Ti∝T

（四）比例微分控制规律（PD规律）

1、微分规律及特点

输出和偏差的变化速度成正比。

特点：

（1）属于超前调节，适当的微分作用可以减少振荡提高稳定性；

（2）对变化缓慢或不变化的偏差无调节作用（对静差无直接影响）。

注意：

微分作用不能单独使用。

2、比例微分控制规律

3、微分时间Td大小对动态过程的影响

将Td适当调大，微分作用适当变强，被控量的振荡减弱、稳定性变好（Ψ变大，σp变小，N减少），最大动态偏差emax变小，动态过程时间ts缩短。

加入微分作用后，比例带PB可适当减小，这样，既能减少最大动态偏差，保证系统的稳定性，又能减少静差。

4、Td的选择

Td∝T•τ

（五）比例积分微分控制规律（PID规律）

注意：

（1）加阶跃输入信号后，输出首先起作用的是微分和比例作用，然后是积分作

用；

（2）以比例作用为主，积分、微分作用为辅；

（3）Ti宁大勿小，Ti=（4～5）Td。

（4）液位系统不能采用PID调节器。

第二章要点

一、微型计算机

（一）微机的组成及基本工作过程

微处理器（CPU）：

将运算器和控制器集中在一块芯片上。

微型计算机主机：

微处理器CPU、存贮器。

微型计算机：

微处理器CPU、存贮器、I/O接口及外部设备。

微型计算机系统：

微机配上外围设备并连同软件构成的系统。

三总线（8位机）：

数据总线为8位双向总线，地址总线为16位单向总线（可寻址单元为64K，1K=210=1024），控制总线为单向总线。

1、微处理器CPU

内部结构主要包括：

1）运算器

（1）算术逻辑单元ALU：

完成各种算术和逻辑运算。

（2）累加器A：

存放一个操作数和ALU的运算结果。

（3）标志寄存器F：

表示运算结果的特征，影响程序走向。

Z=1，全零；S=1，负数；C=1（CY=1），最高位有进位；

P=1，偶数；AC=1，D3向D4位有进位（辅助进位）。

（4）通用寄存器：

用来存放中间运算结果、数据或地址。

每个寄存器可存一个字节，也可成对使用。

2）控制器

①程序计数器PC16位的自动加1计数器。

用来给出现行指令的地址，取出一个指

令字节后自动加1。

可以反映程序的进程。

②地址寄存器AR16位寄存器。

用来寄存地址码。

③数据寄存器DR8位。

暂存由存贮单元取出的内容或CPU要存入存贮单元的内容。

④指令寄存器IR8位。

存放指令操作码并送指令译码器译码。

⑤指令译码器ID8位。

对指令操作码进行译码。

⑥可编程序逻辑阵列PLA产生用于完成指令所规定的操作所需的操作控制信号。

根据ID译出的256种状态，指挥CPU部件完成规定的操作。

⑦时序部件产生用于完成指令所规定的操作所需的时序控制信号。

2、微机执行简单程序的主要过程

微机从首地址开始执行程序。

程序计数器PC提供第一条指令的地址并寄存在地址寄存器中，通过地址总线送至存贮器，经存贮器中的地址译码器译码后，找到要寻址的单元。

然后在控制器作用下，将指令从存贮器中取出，经数据总线送至指令寄存器，经过指令译码器译码和可编程序逻辑阵列的定时控制，再执行相应的操作。

当一条指令执行完后，就进入下一条指令的取指阶段，如此反复进行，直至程序结束。

（二）存贮器

类型：

高速缓冲存储器Cashe、内部存储器和外部存储器。

1、高速缓冲存储器Cashe

组成：

双极型静态RAM（SRAM）。

特点：

存取时间极短。

容量一般较小且不由用户扩展。

用途：

设置在CPU和内存之间，用来临时存放指令和数据，借以提高CPU的处理速度。

2、内部存储器

1）RAM

特点：

可随机读出或写入，断电后存贮信息丢失。

类型：

动态RAM（需不断刷新，即每2ms左右重新充电一次）；

静态RAM（只要不断电，可长期存贮信息）。

用途：

存放各种现场数据、中间结果以及用于与外设交换信息和作堆栈使用。

组成：

存储体；

外围接口电路——地址译码器、I/O电路、片选端、读/写控制电路、三态门等。

2）ROM

特点：

只可读出不可写入，断电后存贮信息保留。

用途：

存放固定的程序（如监控程序）、常数、表格以及常用的子程序。

类型：

固定掩模型ROM不可改写；

可编程只读存贮器PROM只允许编程一次；

可擦除可编程只读存贮器EPROM可多次改写，用紫外线照射擦除存贮信息；

电改写的只读存贮器EEPROM用电来擦除存贮信息；

闪存FlashROM可以快速用电擦除存贮信息，并可按字节重

新编程，编程速度快。

主要用来构成存储卡。

（三）输入输出接口

作用：

①速度匹配；②地址译码和设备选择；

③电平和功率匹配；④A/D和D/A转换；

⑤信息串并行传送的转换；⑥为CPU提供外部设备状态。

1、并行接口

1）74LS373八D锁存器

片脚1（

）＝0、片脚11（CLOCK）＝1时，芯片为直通门。

2）74LS245双向三态缓冲器

在片脚19（

）＝“0”的前提下，若片脚1（DIR）＝“0”，则数据从右向左传送；若片脚1（DIR）＝“1”，则数据从左向右传送。

3）可编程通用并行接口8255

（1）功能

拥有PA、PB、PC三个八位并行输出口（24根I/O线），可通过编程的方法设置和改变接口的工作方式和输入输出关系。

（2）地址

8255芯片具有4个地址，用A1A0来选址。

A1A0

功能

00

访问端口A。

01

访问端口B。

10

访问端口C。

11

向控制命令寄存器写命令字。

（3）工作方式

①方式0简单输入输出，适用于无条件地传送稳定的开关量数据的场合。

PA、PB、PC三个口都具有方式0。

②方式1选通输入输出，适用于传送序列数据。

方式1需要的控制信号：

用于输入的是

、IBF和INTR。

用于输出的是

、

和INTR。

CPU是否响应和执行中断，是通过软件对PC口相应位的置位或复位来实现的。

PA和PB可以工作在方式1下。

此时，PC2～PC0作为B口的控制线，PC3～PC5作为A口的控制线。

③方式2选通双向输入输出

方式2需要的控制信号：

、IBF、

、

和INTR。

只有PA才能工作在方式2下，此时，PC7～PC3作为A口的控制线。

注意：

PB、PC三个口都具有方式0，PA可有三种方式，PB只有方式0和方式1，PC在

方式1或方式2时作为PA、PB的控制口。

（4）控制命令字

作用：

确定芯片各口的输入输出及工作方式。

典型方式控制字：

80H（简单输出方式），9BH（简单输入方式）。

2、A/D和D/A转换器

（1）A/D转换器

作用：

将模拟量转换成数字量

组成：

比较器、逐次比较寄存器、控制逻辑电路、D/A转换器。

（2）D/A转换器

作用：

将数字量转换成模拟量。

组成：

电子模拟开关、电阻网络、比例运算放大器。

二、可编程控制器（PLC）

可编程序控制器是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机。

（一）可编程控制器的特点

1、软硬件功能强

PLC具备的功能：

如时序、计算器、主控继电器、移位寄存器及中间寄存器等，能够方便地实现延时、锁存、比较、跳转和强制I/O等。

PLC不仅可进行逻辑运算、算术运算、数据转换以及顺序控制，还可实现模拟运算、显示、监控、打印及报表生成等，并具有完善的输入输出系统。

2、使用维护方便

输入接口可以与各种开关、按钮、传感器等连接；

输出接口可以直接驱动的负载：

电磁阀、接触器、继电器、指示灯、小型电动机、电动机起动器等。

3、运行稳定可靠

（二）可编程控制器的功能

1、开关量的开环控制

最基本的控制功能。

包括：

时序、组合、延时、计数、计时等。

2、模拟量的闭环控制

3、数字量的智能控制

4、数据采集与监控

5、联网、通信及集散控制

可实现PLC与PLC、PLC与上位计算机之间的联网和通信，由上位计算机来实现对PLC的管理和编程。

PLC也能与智能仪表、智能执行装置（如变频器等）进行联网和通信。

（三）可编程控制器的基本结构和工作原理

1、可编程控制器的基本结构

主要组成：

CPU、存储器、I/O接口、通信接口和电源等。

1）CPU

PLC的微处理器：

通用微处理器、单片机、位片式微处理器。

CPU模块：

微处理器+存储器

2）存储器

PLC的存储器：

系统程序存储器、用户程序存储器。

系统程序相当于个人计算机的操作系统，由生产厂家设计并固化在ROM中，用户不能读取。

用户程序由用户设计，它使PLC完成用户要求的特定功能。

①RAM可以用编程装置读出RAM中的内容，也可以将用户程序写入RAM。

断电后，可用锂电池保存RAM中的用户程序和某些数据。

锂电池可用2～5年。

要经常注意电池故障灯状况，一旦灯亮，就应在一周之内更换电池。

对于断电更换电池的PLC，往往要求在数十秒内完成。

为防止意外，要求船上始终要存有电池的备件。

②EPROM和EEPROM用来固化系统程序和用户程序。

3）I／O接口

除了传递信号外，还有电平转换、光电隔离和滤波作用。

4）电源

PLC使用220V交流电源或24V直流电源。

5）编程装置

编程装置用来生成用户程序，并对其进行编辑、检查和修改。

使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、控制流程图，并可以实现不同编程语言的相互转换。

编程器的工作方式：

①编程工作方式输入新的控制程序，或对已有的程序进行编辑。

②监控工作方式对运行中的PLC的工作状态进行监视和跟踪。

2、可编程控制器的工作原理

PLC采用循环扫描工作方式。

PLC经历5个工作阶段：

自诊断；与编程器或计算机的通信；现场输入信号的采集；执行用户程序；输出刷新。

第1阶段：

自诊断。

检查内部I／O、存储器、CPU等，将监控定时器复位，发现异常停机显示出错。

第2阶段：

与编程器或计算机通信。

检查是否有编程器或计算机等的通信请求，若有则进行相应处理。

第3阶段：

读入现场信号。

PLC对全部输入通道进行采样，并将采样结果储存在内存的输入信息状态区。

第4阶段：

执行用户程序。

CPU将指令逐条调出并执行，以对输入和原输出的状态进行运算处理，再将运算结果送到输出信号状态缓冲区。

第5阶段；输出结果（输出刷新）。

当所有的指令执行完毕时，集中把输出信号状态缓冲区中的内容送至输出通道的对应端口上，经输出模块隔离和功率放大后驱动外部设备。

PLC的扫描周期主要与用户程序的长短和扫描速度有关。

3、可编程控制器的编程语言

编程语言包括：

梯形图LAD、语句表STL、控制系统流程图CSF和高级语言等，以梯形图最为常用。

梯形图中使用的基本符号:

连线、母线、线圈、触点、指令框和标号等。

梯形图中触点的来源:

PLC内部输入继电器、输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器和状态元件等的触点。

梯形图中线圈的来源:

PLC内部输出继电器、辅助继电器、定时器和计数器等的线圈。

注意：

梯形图中的继电器、定时器、计数器等不是物理器件，而是存储器中的一个存储位；

梯形图按从左到右、自上而下的顺序排列。

每一逻辑行起始于左母线，然后是触点

的串、并联接，最后是线圈与右母线相联；

触点可以任意串并联，线圈只能并联而不能串联；

同一触点的使用次数不受限制，而同一线圈一般不能重复使用；

触点应画在水平分支上，而不应画在垂直线上。

（四）PLC的常用模块

特点：

采用积木式结构，由基板和功能模块组成。

总线多为基板形式，并采用紧凑的无槽位限制的模块化结构。

组成：

电源模块、CPU模块、I/O模块、通信模块和等。

1、电源模块

与其它模块之间通过电缆（而不是背部总线）连接。

2、CPU模块

微处理器+存储器

3、I／O模块

（1）DI模块

将现场开关量信号转换成PLC内部信号电平。

有直流输入和交流输入方式。

（2）DO模块

类型：

直流输出、交流输出和交直流输出；

继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出，一般采用继电器输出。

（3）AI模块

一般共用一个A/D转换器；

AI模块的循环时间：

某一通道从开始转换模拟量输入值起到再次开始转换的时间。

（4）AO模块

模块的循环时间：

所有活动的输出通道的转换时间总和。

输出检测：

对电流输出进行断线检测，对电压输出进行短路检测。

4、智能I/O模块

可以实现闭环控制和专门功能；模块带有CPU。

5、通信模块

第三章要点

一、自动化仪表的品质指标

1、绝对误差

定义：

Δ＝A－A0

2、相对误差

含义：

绝对误差占仪表指示值的百分数。

定义：

δ＝

作用：

可反映仪表的测量准确度。

3、基本误差

含义：

最大指示误差占最大测量范围（量程）的百分数。

定义：

作用：

基本误差是仪表本身缺陷（如间隙、摩擦、刻度不均或分度不准等）所造成的误差。

其大小可反映仪表的准确度。

4、精度

定义：

与基本误差相同，只是用去掉百分号的级表示，如0.1级、0.2级、0.35级、0.5级、1.0级、1.5级、2.0级、2.5级。

0.1级、0.2级、0.35级可用作标准仪表。

5、附加误差

仪表在使用过程中由于外界条件的影响而造成的误差。

6、灵敏度

含义：

仪表对输入信号开始有反应的灵敏程度，即S＝

。

小量程仪表的灵敏度比大量程仪表的灵敏度高。

7、仪表的稳定性

含义：

仪表在相同的外界条件下，对同一个测量点多次测量结果的稳定程度。

8、不灵敏区、灵敏限、变差

灵敏限：

使仪表输出有一微小变化时所需输入量的最小变化值。

一般为1/2不灵敏区。

变差：

多次输入同一真值时，仪表指示值间的最大误差，即仪表在同一测量点，正反行程指示值之差。

说明：

不灵敏区是以输入量的变化来表示仪表结构的不完善程度，而变差则是以输出量的指示变化来表示不完善程度。

二、气动仪表的主要元部件

1、弹性元件

类型：

1）弹性支承元件；2）弹性敏感元件

弹性敏感元件作用：

将压力或轴向推力转换为位移信号。

安装波纹管时采用预压缩的目的：

增加线性使用范围。

采用多圈弹簧管的目的：

获得较大变形。

金属膜片做成波纹状且与平面成一角度的目的：

增加线性变形范围。

2、节流元件

作用：

对气体流动起阻碍作用，产生气压降、改变气体流量。

类型：

1）恒节流孔—毛细管式、小孔式

2）变节流孔—圆锥-圆锥形；圆柱-圆锥形；圆球-圆锥形

参数：

气阻

3、气容

作用：

对气体压力起惯性作用。

类型：

1）定容气室；2）弹性气室。

参数：

气容

4、喷嘴挡板机构

作用：

把挡板微小的位移转换成相应的气压信号输出。

工作原理：

h

喷嘴挡板机构的静特性呈现“两头慢，中间快”的变化趋势；

喷嘴挡板机构实际上起到变气阻的作用，是一个近似的比例环节。

最常见的故障：

恒节流孔堵塞。

5、耗气型气动功率放大器

作用：

流量和压力放大。

工作原理：

输入大于起步压力，输出和输入呈线性关系；

气动功率放大器是一个比例环节。

起步压力：

输出压力为0.02MPa时的输入压力。

影响起步压力的因素：

金属膜片的刚度，弹簧片的预紧力。

影响放大倍数的因素：

金属膜片的有效面积、弹性组件的刚度及放大器结构因素等。

三、气动仪表的组成原理

1、放大环节

常采用二级气动功率放大器。

2、反馈环节

如果放大倍数足够大，整台仪表的特性只取决于反馈环节的特性。

（1）节流分压器（节流通室）

作用：

节流分压器是一个比例环节，用来实现比例作用。

（2）节流盲室

作用：

节流盲室是一个惯性环节，在气动调节器中通过正反馈，实现积分作用。

积分阀开大，积分作用增强，积分时间变短。

（3）比例惯性环节

作用：

在调节器中通过负反馈，实现比例微分作用。

微分阀开大，微分作用减弱，微分时间变短。

3、比较环节

按位移平衡、力平衡和力矩平衡三种平衡原理工作。

四、气动差压变送器

1、工作原理

按力矩平衡原理工作，P出=K单ΔP（K单=F膜l1/F波l2）。

测量膜盒内充注硅油的目的：

传递压力；起阻尼作用防止振荡。

单向过载保护密封圈和硅油作用：

防止膜片在单向受力情况下被压坏。

2、调整

1）零点调整调零弹簧。

若使挡板离开喷嘴，则零点变大，反之零点变小。

2）量程上移反馈波纹管，量程变大，反之减小。

先调零点，再调量程，反复进行直至两者都正确。

零点迁移原理：

迁移后，起点和终点均改变，但量程不变（斜率不变）。

还可提高仪表的精度和灵敏度。

用差压变送器测量锅炉水位：

测量管接正压室，参考管接负压室，同时进行负迁移。

3、典型故障

有输入无输出------------气源漏气，恒节流孔堵塞，输出管路漏气，迁移量没调好；

无输入但有输出---------喷嘴堵塞，反馈波纹管漏气，膜盒上的弹簧拉片变形；

零点漂移------------------喷嘴档板沾污，顶针螺丝松动，输出管路漏气，测量膜盒漏油；

输出压力波动------------输出管路或反馈气路漏气，喷嘴档板沾污。

五、QXZ型色带指示仪

1、工作原理

按力矩平衡原理工作。

当输入压力为0.06MPa时，色带指示应在50%处。

结构特点：

无功率放大器。

阻尼阀的作用：

消除振荡现象，并与反馈气室组成节流盲室起积分作用。

阻尼阀开度过大，会使指针产生振荡；阻尼阀开度