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.docx

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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；

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21．TQWQ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31．MR-Ⅱ型电动气缸冷却水温度自动控制系统的组成

MR-Ⅱ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-Ⅱ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却水温度给定值的电压信号相比较，得到偏差值ε。

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4-1-2MR-Ⅱ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Ⅲ和一个过载保护继电器Ⅳ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M电源，保护电机不会因过热而烧坏。

限位开关Ⅲ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ε。

它是由测温元件T802型热敏电阻、给定值调整电位器W1和运算放大器TU1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R3>>R1、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802Ω，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3.5V变化到1.48V。

Ua经电阻R3送至运算放大器TU1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TU1的同相端。

调整电位器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，TU1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，TU1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TU1的反馈回路中，并联了一个电容C6，它相当于在TU1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值较小，否则TU1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TU2、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0～1mA，它所对应的温度是0～100℃。

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=3.5V。

调量程是通过调整电位器W3来实现的。

在TU2同相端加一个1.48V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

比例微分控制电路如图4-1-3中MRV板所示。

它是由微分运算放大器TU1、比例运算放大器TU2、综合运算放大器TU3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TU1和TU2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TU1来说，UB经输入电容C2和电阻R2接在TU1的反相端，其反馈回路是TU1的输出U6′经电位器W2和电阻R8分压再经反馈电阻R5接在TU1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

这是一个理想微分环节，Td′=R5（1＋W2/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TU1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。

TU2是比例运算放大器，其输出与输入的关系为

UB／R4＝－U6〞／（R6＋W1）；U6〞＝－

TU3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TU1的输出U6′与比例运算放大器TU2的输出U′6均接在TU3的反相端。

TU3的输出U5是与U′6与U6″之和成比例。

在电路中，若使R5>>R2,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。

TU3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，TU3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TU1和TU2、二极管D1～D8、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＋16V和－16V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，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