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1、船舶电气与自动化（船舶自动化）,第五章 反馈控制系统的基础知识,第一节 反馈控制系统的基本概念 一、反馈控制系统的组成反馈控制系统对机器设备或生产过程参数的控制过程实际上是直接模拟人的手动操作过程。例1、辅锅炉水位自动控制系统例2、主机冷却水温度自动控制系统,主机冷却水温度自动控制系统示意图,在自动控制过程中，由于不需要人来干预控制过程，因此必须采用相应的自动化仪表来代替人的功能器官。比如可用温度传感器和变送器来代替人的眼睛，随时测量冷却水的实际温度并把该值送给调节器。调节器代替人的大脑，并对冷却水实际温度进行分析和计算，然后输出控制信号给执机构。执行机构代替人的双手，改变三通调节阀的开度。不
2、论是手动控制，还是自动控制，反馈的作用都是存在的。我们把包含反馈作用的控制过程称为反馈控制过程。组成一个反馈控制系统，必须有四个最基本的环节，即控制对象、测量单元、调节单元和执行机构。,（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量。在锅炉水位自动控制系统中，锅炉是控制 对象，水位是被控量。在柴油机冷却水温度自动控制系统中，淡 水冷却器是控制对象，冷却水温度是被控量。在柴油机转速自动控制系统中，柴油机是控制对象，转速是被控量。,（2）测量单元 测量单元的作用：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，其统
3、一的标准气压信号是0.020.1MPa；在电动控制系统中，其统一的标准电流信号是010 mA或420mA。在温度自动控制系统中，测量单元采用温度传感器和温度变送器；在压力自动控制系统中，测量单元采用压力传感器和压力变送器；在锅炉水位自动控制系统中，测量单元采用水位发讯器（参考水位罐）和差压变送器。,（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。把被控量的测量值偏离给定值的数量叫偏差值，用 e 表示,显然，e=r-z。若e 0，则说明测量值低于设定值，为正偏差；若e 0，则说明测量值大于设定值，为负偏差；
4、若e 0，则说明测量值等于设定值，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。在实际应用中，调节器一般有位式调节器、比例调节器、比例积分调节器、比例微分调节器和比例积分微分调节器等五种，根据控制对象特性的不同及对被控量控制精度的要求，控制系统可选用不同调节作用规律的调节器。,（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，调节单元输出的控制信号一般都要经过执行机构才能作用到控制对象上，从而改变流入控
5、制对象的物质或能量，使之能适应控制对象的负荷变化。在气动控制系统中，执行机构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，一般采用伺服电机。,以上四个基本单元在组成反馈控制系统中是缺一不可的。但对于一个完整的反馈控制系统，一般还设有显示单元，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。,二、自动控制系统传递方框图,控制单元,执行机构,被控对象,测量单元,图5-2 反馈控制系统传递方框图,R(t)设定值 z(t)测量值 e(t)偏差值 y(t)被控量 q(t)执行量 p(t)控制量 d(t)外部扰动值,A,（
6、1）环节 在控制系统传递方框图中，代表实际单元的每个小方框称为一个环节。每个环节都有输入量和输出量，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。任何环节输出量的变化均取决于输入量的变化以及该环节的特性，而输出量的变化不会直接影响输入量，这叫信号传递的单向性。,（2）扰动控制对象作为反馈控制系统的组成环节，其输出量是被控量，而引起被控量变化的因素统称为扰动。扰动可分为两类：外部扰动、基本扰动。基本扰动是指来自控制系统内部控制通道（调节通道）的扰动。基本扰动通过调节通道影响被控量。例如，在水位控制系统中，给水调节阀开度的改变将引起水位的变化；在冷却
7、水温度控制系统中，三通调节阀开度的改变将引起水温的变化，等等。,外部扰动是指来自系统外部环境的扰动，外部扰动通过扰动通道影响被控量。例如，以锅炉为控制对象的水位控制系统，水位是被控量，锅炉负荷（外部用汽量）的变化将引起水位的变化；在柴油机气缸冷却水温度控制系统中，水温是被控量，柴油机负荷的变化、海水温度的变化、淡水冷却器中水管结垢的多少等都会引起冷却水温度的变化。这种扰动是由于设备负荷或外界环境的扰动变化而导致控制对象内部的能量平衡遭到破坏而引起的。,（3）系统的输入与输出 前面提到的输入和输出的概念都是针对环节而言的；若从系统的角度来看，作为一个整体，系统具有两个输入，即设定值和外部扰动，以
8、及一个输出，即被控量。,（4）反馈 调节器的输出经执行机构改变控制强度，即改变流入控制对象的物质或能量的流量，引起被控量的变化（即系统输出变化），而系统输出的变化经测量单元又送回到系统的输入端，这个过程叫反馈。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。,（5）前向通道与反馈通道 在控制系统传递方框图中，从系统的输入端沿信号线方向到达系统输出端的通道称为前向通道；而相反方向的通道则称为反馈通道。,（6）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，系统的输出又经反馈通道送回到系统的输入端。这样，控制系
9、统就形成了一个封闭的控制回路，称为闭环系统，反馈控制系统必定是闭环系统。开环系统不再是反馈控制系统，无法根据偏差来实现设备或生产过程的参数自动控制。,三、反馈控制系统的工作过程反馈控制系统按给定值的变化规律分类方法：1、定值控制系统 系统的给定值是恒定不变的，为某个确定值，则该系统称为定值控制系统。例如锅炉水位与蒸汽压力控制系统，柴油机气缸冷却水温度控制系统，燃油粘度控制系统，发电机的原动机转速控制系统等都属于定值控制系统。,2、程序控制系统 系统的给定值是变化的，而且是按人们事先安排好的规律进行变化，则该系统称为程序控制系统。例如船舶主机遥控系统中的转速控制，其给定值就是按车钟设定转速的预定
10、发送速率规律而变化的。,3、随动控制系统 系统的给定值是任意变化的，且变化规律是事先无法确定的系统，则该系统称为随动控制系统。例如自动舵的随动操舵系统，其舵角给定值完全取决于当时的航行情况。,反馈控制系统的工作过程：设系统处在平衡状态（即系统稳定运行）时突然受到一个外部扰动，被控量将离开初始稳定值发生变化，测量单元将把被控量的实际值送至调节器，在调节器内部，被控量的给定值与测量值进行比较，得到偏差值e，调节器依据某种调节作用规律输出一个控制信号，通过执行机构改变流入控制对象的物质或能量流量，被控量朝着偏差减少的方向变化，这一信号又通过测量单元送至调节器，重复上述过程，最终使被控量又回到给定值或
11、给定值附近，系统达到一个新的平衡状态。,四、评定控制系统动态过程品质的指标 反馈控制系统的扰动形式是随机的，很难用一个数学表达式来精确地描述，但可以归纳为四种扰动形式：阶跃形式、线性形式、脉冲形式、正弦形式。,阶跃扰动,ST,t,r(t),0,R,t,r(t),0,Rt,t,r(t),0,1/2Rt2,线性扰动,加速度扰动,t,r(t),0,正弦扰动,脉冲扰动,ST,r(t),0,1/h,h,h0时，称为理想的单位脉冲函数，记作(t)。,r(t),0,r(t),t,t,h0,为了便于分析和研究反馈控制系统的性能，通常以阶跃信号作为系统的给定值或扰动，因为阶跃信号是反馈控制系统一种最常见的输入信
12、号，而且不论是作为给定值或者扰动量，对系统是最严重的冲击，最容易引起系统发生不平衡状态,根据控制系统接受的扰动途径，可以分为两种情况：一种情况是外部扰动不变，改变给定值（如随动控制）；另一种情况是给定值不变（定值控制），改变外部扰动。由于控制器控制规律或系统参数的不同，控制系统的动态过程将表现为不同的形式。,在阶跃信号输入时，被控量变化的动态过程有以下四种：（1）发散振荡过程（2）等幅振荡过程（3）单调过程（非周期过程）（4）衰减振荡过程,发散振荡,等幅振荡,衰减振荡,单调过程,（1）稳定性指标 衰减率和振荡次数N衰减率，是指在衰减振荡中，第一个波峰值y1减去第二个同相波峰值y3除以第一个波峰
13、值y1，即：0 发散振荡过程，0 1 衰减振荡过程=0 等幅振荡过程，=1非周期过程 一般希望=0.750.9,（1）稳定性指标 与衰减率相对应的是另一种衡量指标是衰减比。所谓衰减比是第一个波峰值y1和第二个同相波峰值y3的比值，即y1/y3。衰减率是衡量系统稳定性指标，要求=0.750.9。当=0.75时，y1是y3的4倍，此时衰减比4:1。振荡次数N，是指在衰减振荡中，被控量的振荡次数。一般要求被控量振荡23次就应该稳定下来。,（2）精确性指标 最大动态偏差 emax:是指在衰减振荡中第一个波峰的峰值，它是动态精度指标。Emax大，说明动态精度低，要求小些为好，但不是越小越好，因为太小，有
14、可能使动态过程的振荡加剧。静态偏差:动态过程结束后,被控量新稳态值与给定值之间的差值。越小说明控制系统的静态精度越高。有差调节 无差调节 超调量p：是指在衰减振荡，第一个波峰值y1减去新稳态值y（）与新稳态值y（）之比的百分数，即：超调量是评定控制系统动态精度的指标。在实际系统的过渡过程中，一般要求p 30%。,（3）快速性指标 过渡过程时间 ts:当t t s的所有时间内，被控量y（t）的波动值y（t）y（）均小于或等于最终稳态y（）的2或5。上升时间tr:指在衰减振荡中，被控量从初始平衡状态第一次达到新稳态值y（）所需时间。峰值时间tp:是指在衰减振荡中，被控量从初始平衡状态达到第一个波峰
15、峰值所需要的时间。,本PPT为可编辑版本，您看到以下内容请删除后使用，谢谢您的理解,【解析】【解答】（1）氯化钠是由钠离子和氯离子构成的；金刚石是由碳原子构成的；干冰是由二氧化碳分子构成的；（2）质子数为11的是钠元素，钠元素原子的最外层电子数1，在化学反应中容易失去一个电子形成阳离子；（3）化学变化是生成新分子的变化，其实质是分子分解成原子，原子重新组合形成新的分子，故该反应中没有变的是碳原子和氧原子。故答案为：氯化钠；失去；D。【分析】物质有微粒构成，构成物质的微粒有原子、分子、离子是那种，金属、稀有气体由原子构成；常见气体由分子构成；碱和盐由离子构成。在化学变化中，原子种类、质量、数目保
16、持不变。26.用微粒的观点解释下列现象：（1）今年我国要求“公共场所全面禁烟”非吸烟者往往因别人吸烟而造成被动吸烟。（2）夏天钢轨间的缝隙变小。【答案】（1）分子是在不断的运动的.（2）夏天温度高，铁原子间的间隔变小.【考点】物质的微粒性【解析】【解答】（1）吸烟生成烟雾，烟雾分子因为运动，扩散到空气中，使非吸烟者被动吸入烟雾分子，造成被动吸烟；（2）钢轨由铁原子构成.每两根钢轨间都有一定的间隙，夏天由于气温高，使得钢轨中铁原子的间隔变大，表现为钢轨的体积膨胀，则钢轨间的间隙变小.故答案为：（1）分子是在不断运动的；（2）夏天高温，铁原子间的间隔变小.【分析】微粒观点的主要内容：物质是由分子（
17、或原子构成），分子间有间隔，分子处于永停息的运动状态中.（1）烟雾分子属气体分子，在空气中扩散较快，使非吸烟者被动吸烟；（2）铁原子间有一定的间隔，温度升高，则铁原子间间隔变大，反之则变小，夏天高温状态下，铁原子间间隔变大，使得钢轨体积膨胀，则钢轨间的缝隙变小.,【考点】物质的微粒性【解析】【解答】（1）铁属于金属单质，是由铁原子直接构成；氯化钠是由钠离子和氯离子构成的；二氧化碳是由二氧化碳分子构成的（2）当质子数=核外电子数，为原子，a=2+8=10，该粒子是原子原子序数=质子数=10当a=8时，质子数=8，核外电子数=10，质子数核外电子数，为阴离子。故答案为：原子；离子；分子；10；10
18、；阴离子。【分析】物质有微粒构成，构成物质的微粒有原子、分子、离子是那种，金属、稀有气体由原子构成；常见气体由分子构成；碱和盐由离子构成。当核电荷数等于核外电子数，表示原子，小于时表示阴离子，大于时表示阳离子。25.初中化学学习中，我们初步认识了物质的微观结构。（3）升高温度分子运动速度就加快，只要能说明温度高了运动速度快了的例子都可以，例如阳光下或者温度高衣服干得快，温度高水蒸发的快，糖在热水里比在冷水里溶解的快等；（4）由于注射器装入的药品少，现象明显，又是封闭状态，所以可以控制体积节省药品、可以减少气体挥发造成的污染等故答案为：（1）固体；（2）分子的质量大小或者相对分子质量大小（合理即
19、给分）；（3）阳光下或者温度高衣服干得快，温度高水蒸发的快，糖在热水里比在冷水里溶解的快等；（4）可以控制体积节省药品、可以减少气体挥发造成的污染等【分析】（1）根据实验现象判断氯化铵的状态；（2）根据它们的相对分子质量的区别考虑；（3）根据温度与运动速度的关系考虑；（4）根据注射器的特点考虑,【解析】【解答】A、向一定质量的盐酸和氯化钙的混合溶液中逐滴加入碳酸钠溶液至过量的过程中，生成氯化钠的质量不断增大，当碳酸钠与盐酸和氯化钙完全反应时，氯化钠的质量不再增大，A符合题意；B、向稀硫酸中加水，溶液的pH逐渐增大至接近于7，B不符合题意；C、向一定质量的稀硫酸中逐滴加入氢氧化钡溶液至过量的过程
20、中，氢氧化钡不断和硫酸反应生成硫酸钡沉淀和水，溶质的质量减小，质量分数也减小，当氢氧化钡和稀硫酸完全反应时，继续滴加氢氧化钡溶液时，质量分数应该由小变大，C不符合题意；D、加热高锰酸钾时，当温度达到一定程度时，高锰酸钾开始分解生成锰酸钾、二氧化锰和氧气，随着反应的进行，剩余固体的质量不断减少，当高锰酸钾完全反应时，剩余固体的质量不再变化，D符合题意。【解析】【解答】A、可燃物的在着火点是一定的，不会降低，故说法错误，可选；B、爆炸是物质在有限的空间内，发生急剧燃烧，短时间内聚集大量的热，使周围的气体的体积膨胀造成的可见爆炸需要氧气的参与，可使燃烧处于暂时缺氧状态，达到灭火的目的故说法正确，不可
21、选；【解析】【解答】燃烧需要同时满足三个条件：一是要有可燃物，二是可燃物要与氧气接触，三是温度要达到可燃物的着火点；以上三个条件都能满足时，可燃物才能发生燃烧。灭火的原理就是破坏燃烧的条件。根据描述，自动灭火陶瓷砖会喷出氦气和二氧化碳，故灭火的原理是隔绝氧气。,【解析】【解答】解：A、从题目中表格知，H2体积分数为10%70%的H2和空气混合气体，点燃时会发生爆炸，故A正确；B、收集的H2能安静燃烧，说明H2的纯度大于等于80%，故B项错误；C、用向下排空气法收集H2，保持试管倒置移近火焰，如果没有听到任何声音，表示收集的H2纯度大于等于80%，故C项错误；D、氢气和空气的混合气体点燃不一定发
22、生爆炸，只有在爆炸极限范围内才会发生爆炸，故D项错误故选A【分析】可燃物质（可燃气体、蒸气和粉尘）与空气（或氧气）在一定的浓度范围内均匀混合，遇着火源可能会发生爆炸，这个浓度范围称为爆炸极限可燃性混合物能够发生爆炸的最低浓度和最高浓度，分别称为爆炸下限和爆炸上限，在低于爆炸下限时不爆炸也不着火，在高于爆炸上限同样不燃不爆因此可燃性气体在点燃前需要先检验气体的纯度，以防发生爆炸【解析】【解答】A、通过实验可以知道烧杯中的白磷没有燃烧，说明烧杯中的白磷虽然温度达到着火点，但没有与氧气接触，所以不能燃烧，从而可以判断烧杯中的热水不仅仅是只起到加热的作用，故A说法正确；B、铜片上白磷燃烧是温度达到了着
23、火点且与氧气接触，满足燃烧的条件，故B说法正确；C、铜片上的红磷没有燃烧是温度过低没有达到其着火点，没有满足燃烧的条件，故C说法正确；D、烧杯中的白磷通入空气（氧气）就会燃烧，出现“水火相容”的奇观，故D说法错误故选D,24.能源、环境、安全已成为人们日益关注的问题（1）三大化石燃料包括煤、_、天然气等；它们都是_（填“可再生”或“不可再生”）能源（2）控制反应的条件可使燃料充分燃烧燃煤发电时，将煤块粉碎成煤粉的目的是_（3）天然气主要成分为甲烷，写出甲烷充分燃烧的化学方程式_ 下列有关天然气（或甲烷）的说法正确的是_（填字母）A沼气中的主要成分是甲烷B甲烷气体不会产生温室效应C用天然气代替煤
24、作燃料，有利于减少酸雨形成 You and your friends are leaving a concert on a Friday night.When you get outside,your ears are ringing.You have to shout to be heard.36 So no harm doneright?Not quite.Temporary buzzing may be easy to ignore,but repeated exposure to loud noise will eventually cause serious-and irrevers
25、ible(无法治愈的)-hearing loss.A new study conducted by researchers at Brigham and Womens Hospital in Boston shows that one in five people between the ages of 12 and 19 are experiencing slight hearing loss,and one in 20 have mild hearing loss.37 But the good news is that there plenty of ways you can prote
26、ct your ears from further damage and still listen to the music you love:Ask around.Put your earbuds in or your headphones on,and then ask a friend next to you whether or not he or she can hear what youre listening to.38 Turn it down.Buy noise-canceling headphones.A pair of earbuds or headphones that fits comfortably will limit outside noise so that you can hear your music better at lower volumes.,
