【机械行业标准(JB)】 工业过程控制系统用时间比例控制器 性能评定方法

ICS17.020
中华人民共和国机械行业标准
JB/T 8221—1999
工业过程控制系统用时间比例
控制器性能评定方法
Methods of evaluating the performanceof time proportioning controllers for usein industrial -- process control systems1999-0806发布
国家机械工业局
2000-01-01实施
JB/T 8221—199
试验条件
试验的一般规定
与控制性能有关的试验
6影响量试验
7其它试验·
8性能评定试验报告
附录A（标准的附录）
附录B（标准的附录）
附录C（标推的附录）
附录D（标准的附录）
附录E（提示的附录）
时间比例控制器的作用
设定点误差（不小于1±1.0%「时）的时间比值允差时间比例控制器电源畸变和电干扰的试验示意图时间比例控制器试验线路
时间比例控制器性能评定方法测试数据汇总表.9
JB/T8221--1999
本标准是对JB/T8221—95《工业过程控制系统用时间比例控制器性能评定方法》的修订本标准与 JB/T8221--95在主要技术内容上没有差异，仅对原标准作了编辑性修改。本标准自实施之日起，代替JB/T8221-95。本标准附录A,附录 B,附录 C和附录 D都是标准的附录,附录 E是提示的附录。本标准由全国工业过程测量和控制标准化技术委员会提出并归口。本标准主要起草单位：上海工业自动化仪表研究所。本标准主要起草人：陈诗恩、杨伯松。范围
中华人民共和国机械行业标准
工业过程控制系统用时间比例
控制器性能评定方法
Methods of evaluating the performanceof tine proportioning controllers for usein industrial -- process control systemsJB/T 8221—1999
代替 JB/T 3221-95
本标准规定的性能评定方法适用于工业过程控制系统用时间比例控制器以及具有时间比例作用的附加装置（以下简称控制器）。控制器可与下列传感器、变送器配合使用或接受下列输人信号：a）热电偶或摇射感温器；
热电阻；
标准化模拟直流电信号或其它模拟直流电信号：c）
d）其它产生电阻变化的传感器。控制器的设定值具有模拟和数字设定两种方式，可有下列设定信号：a）标准化直流电信号或其它直流电信号；b）电阻信号；
机械信号(力、位置)等。
控制器可带有模拟和或)数字显示的被控变量指示器，且有下列指示方式：a）全量程指示；
b）偏差指示；
c）无指示。
本标准仅适用于一般工作条件下使用的控制器。特殊工作条件下使用的控制器所额外要求的试验不属于本标准范围。
本标准旨在为控制器性能评定规定统一的试验方法。2定义
本标准采用下列定义。
2.1时间比例作用time proportioning action输出信号是由周期脉冲所组成，其输出的时间平均值与偏差信号以比例关系来改变周期脉冲持续时间的作用。
2.2时间比值time ratio
在时间比例作用中，一个周期脉冲的持续时间与持续、间歇时间之和的比值，即占空系数的倒数。2.3时间比例控制器time proportioning controller具有时间比例作用的控制器。
时间比例控制器的作用如附录A(标准的附录)图A1所示。国家机械工业局1999-08-06批准2000-01-01实施
JB/T 8221-1999
时间比例控制器的时间比值P(0≤P≤1)与被控变量X其关系式为：当X≤X时，
当X≥X时，
当 X= Xo时，
当当X0.5<0<1。
controlled variable
2.4被控变量
被控系统的输出变量。直接被控变量即是控制器输人信号的被测变量。2.5 设定点 set point
在主控系统中，用来设定被控变量的预期值的信号。2.6偏差信号emor signal
被控变量与参比信号的偏差值
2.7设定标度（指示）误差set point scaleerror由参比输入元件造成的参比变量与参比信号间的差值。控制器的设定标度(指示)误差用输人量程的正、负百分数表示。2.8设定点偏差set point deviation输出信号的周期脉冲其时间比值β为0.5时的偏差信号。控制器的设定点偏差用输人量程的正、负百分数表示。2.9设定点误差set point error输出信号的周期脉冲其时间比值β为0.5时的被控变量与参比变量的偏差值。控制器的设定点误差用输人量程的正、负百分数表示。2.10周期cycle
在时间比例作用中，任一个周期脉冲的持续时间与间歇时间之和。2.11零周期zero cycle
在时间比例作用中，当一个周期脉冲中的持续时间与间歇时间相等时，所测得的持续时间与间歇时间之和。即是理想的时间比例控制器偏差信号为零时的周期。2.12 等周期 constant cycle
在时间比例作用中，不同的时间比值时，其周期脉冲的持续时间与间歇时间之和为常数的周期。即任一周期与零周期是相等的。
2. 13 零周期可调范围zero cycle adjustable range在时间比例作用中,零周期的可调范围。若零周期不可调,则称之固定零周期。2.14 比例带 proportional band在时间比例作用中，产生输出全范围变化所需的输入变化。又称比例范围。比例带常用输人量程的百分数表示。2. 15 上边带 upper part of proportional band在时间比例作用中，从持续时间零值刚转变为有间歇、持续时间的周期脉冲输出起，直至与间歇时间相等时所需的输入变化。
上边带常用输入量程的百分数表示。2. 16 下边带 lower part of proportional band在时间比例作用中，从间歇时间零值刚转变为有间歌、持续时间的周期脉冲输出起，直至与持续时间相等时所需的输人变化。
下边带常用输人量程的百分数表示。2.17 时间比值的实际上限值actual upper value of time ratio、在时间比例作用中，从间歇时间零值刚转变为有间歇、持续时间的周期脉冲输出时测得的时间比2
时间比值的理论上限值应等于1
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2.18时间比值的实际下限值actual lowervalueof time ratio在时间比例作用中，从持续时间零值刚转变为有间歇、持续时间的周期脉冲输出时测得的时间比值。
时间比值的理论下限值应等于0：2. 19 比例作用系数 proportional action coefficient在时间比例作用中，相应输出量程的输出变量变化与相应输人量程的输人变量变化之比。又称比例增益。
输入与输出变量间呈线性关系的，其比例作用系数为常数。2.20 非线性系数 non - linear coefficient在时间比例作用中，输出变量作全范圜变化时的比例增益（又称平均比例增益，其值为比例带的适数）和时间比值（0）为0.5时的比例增益（即在图A1输出特性曲线上，该点所作切线的斜率）之差值与乎均比例增益之比。
2.21比例带可调范围
proportional band adjustable range在时间比例作用中，比例带的可调整范围。若比例带不可调，则称之固定比例带。2.22 手动再调 manual reset
在时间比例作用中，用改变手动信号使时间比值变化，以利于消除或减小静差的调整。又称手动积分。
2.23预调时间
rate time
在具有微分性能的反馈型时间比例作用中，当输人偏差阶跃信号时，预调时间应视为由稳态时比例作用输出的时间平均值达到输出变量在第一个周期脉冲的持续时间内微分作用所提供的附加调节作用量所需的时间。
3试验条件
3.1环境条件bzxZ.net
3.1.1参比大气条件
控制器的参比性能应在下述大气条件下进行试验：温度：20℃±2℃；
相对湿度：60%~70%；
大气压力：86kPa～106kPac
热带、亚热带或其它特殊用途的控制器，其参比大气条件按有关标准规定。3.1.2一般试验的大气条件
无需在参比大气条件下进行的试验，推荐采用下述大气条件：温度：15℃~35℃；
相对湿度：45%~75%；
大气压力：86kPa～106kPa。
每项试验期间，允许的温度变化为1℃/10min。3.1.3其它环境条件
除上述大气条件外，试验尚应在下述环境条件下进行：磁场：除地磁场外，其它外界磁场对控制器性能的影响小至可忽略不计；机械振动：机械振动对控制器性能的影响小至可忽略不计。3.2动力条件
3.2.1公称值
按有关标准或制造厂的规定。
3.2.2公差
电压：±1%；
频率：±1%；
谐波失真：小于5%（交流电源）；纹波：小于0.2%（直流电源）。4试验的一般规定
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4.1控制器应按制造厂的使用说明书，特别是有关预调的说明，投入运行。4.2除安装位置影响试验外，试验时控制器应处于有关标准或制造广规定的参比工作位置。4.3在每项试验过程中不得调整控制器设定值的下限值和量程；带有模拟或数字显示被测值的控制器，在进行试验前允许调整机械零位或电零位，在每项试验过程中，不得调整机械零位或电零位。4.4供测试用的测量系统的误差限，应小于或等于被试控制器规定误差限的1/4，并应在试验报告中注明。
4.5具有多位设定的多通道或复合调节作用的控制器，应对每位的设定值按顺序试验。不在试验的各位设定，应位于不影响被试位读数的位置上。4.6具有手动再调的时间比例控制器，除非条文中另有规定，应将手动再调信号处于切除作用的位置。4.7具有比例带和（或）零周期可调的时间比例控制器，除非条文中另有规定，应将比例带设定在最大值位置，零周期设定在最小值位置。4.8控制器在接通电源后，应按制造厂规定的时间进行预热，使控制器内部温度稳定。如制造广未作规定，应允许预热30minl。
4.9除非条文中另有规定，试验时输人信号的寄生感应或波动对测量应无明显影响。输人信号的变化速度应足够缓慢，保证有一定的响应时间和在任何试验点上不产生过冲。，4.10除非条文中另有规定，影响量试验只有所涉及的工作条件在规定范围内变化，其它工作条件均应在参比工作条件下保持恒定。影响量对控制器的性能影响应在有关标准或制造广规定的正常工作条件极限值上确定
由于条件限制不可能保持在参比条件下的影响量试验，可在推荐的一般试验的大气条件下或控制器允许的正常工作条件下保持恒定而不影响某影响量对控制器性能影响的评定。4.11除非条文中另有规定,试验结果一般应按输人量程的百分数计。4.12有关标准或制造厂规定的技术指标，应列在试验报告的有关栏中，以便对照。5 与控制性能有关的试验
5.1总则
5.1.1与控制性能有关的试验均应在参比工作条件下进行，且被试控制器和试验设备均应先在参比工作条件下使之稳定。所有可能影响试验结果的工作条件均应随时进行观察，并作出记录。5.1.2试验点(设定值)应该包括10%,50%和90%设定量程附近在内的至少三个点。5.1.3试验时，输入信号必须按初始输人信号的同一方向逼近试验点。5.1.4在试验之前，应使被试控制器的被控变量在上、下行程上作三个循环的全范围移动。5.1.5控制器的输出负载阻抗：对输出直流恒流信号的控制器，应取制造厂规定的最大值；对输出直流恒压信号的控制器，应取制造厂规定的最小值；对输出无恒流或无恒压的直流电信号的控制器，应取制造厂规定的公称值，其公差为±1%；对输出有触点或无触点的开关（接通或断开）信号的控制器，除非条文4
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中离有规定，试验时-一般可不带外负载，任应规定可承载负载容量，5.2设定点（W）
5.2.1设定点误差（、）
按照试验程序，设定点误差是由时间比值β为0.5±［10的允差值见附录B（标准的附录）时测得的输人信号实际电量值和与设定点标度示值相当的电量值之间的差值来确定。8 = %: × 100%
Au-Ａ1
式中：W。与设定点标度示值相当的电量值,mV,mA或Q;X。时间比值?为0.5AQ时测得的输人信号实际电量值，mV，mA或Q：A.一一与设定范围终点标度示值相当的电量值，mV,mA或Q;A—与设定范围始点标度示值相当的电量值，mV,mA或Q。对可任意调整和直接测量的设定点信号也可进行设定标度（指示）误差和设定点偏差分别考核。()
按照试验程序，设定标度（指示）误差（8）是由直接测得的设定点信号实际电量值和与设定点标度示值相当的电量值之间的差值来确定。式中：
W-W×100%
W——一设定点标度示值上测得的设定点信号实际电量值，mV,mA或Q;W。,4u,dj同式(1)。
按照试验程序，设定点偏差（0）是由时间比值。为0.54o时测得的输人信号实际电量值与直接测得的设定点信号实际电量值之间的差值来确定。_ X.-Wi× 100%
式中：
W,—同式(2);
一同式（1。
5.2.1.1不同比例带时的设定点误差·(3)
具有比例带可调的时间比例控制器，应在50%设定量程附近的试验点上，检查不同比例带时的设定点误差。
试验时，若零周期可调整，应将零周期处于最小值位置。然后在比例带调整范围的最大、最小值上重复上述试验。
5.2.1.2不同零周期时的设定点误差具有零周期可调的时间比例控制器，应在50%设定量程附近的试验点上，检查不同零周期时的设定点误差。
试验时，若比例带可调整，应将比例带处于最大值位置。然后在零周期调整范围的最大、最小值上重复上述试验，
5.2.2比例带较大或零周期较小时的设定点误差当比例带较大或零周期较小使测试设定点误差所需的值允差难以保证时，则可采用下述试验方法：
按照试验程序，设定点误差是由与输人设定标度示值相当的输人信号测得的实际时间比值1和时间比值（为0.5)之间的差值，同减小（或增加）输人信号测得的实际时间比值（12-0！≤0.1)与时间比值1之间的差值之比值再乘以时间比值由变化至P所需的输人信号变化来确定。-oi-po. Ix.-x-l
× 100%
pr-eA-At
式中：1——与输人设定标度示值相当的电量值信号测得的实际时间比值；0.5时的时间比值；
p—输入X2电量值信号时测得的实际时间比值；(4)
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输入的电量值信号，mV，mA或Q;Xx一与输人设定标度示值相当的电量值信号（其值为W），mV，m1或：Au.A. -同式(1)。
5.2.3比例带与控制器允许的设定点误差数值相接近时的设定点误差当比例带较小（如X，<3%）.而允许的设定点误差较大（如1.1>2%）时，设定点误差可采用下述简易的试验方法：
按照试验程序，设定点误差是由与输人设定标度示值相当的输人信号测得的实际时间比值0：和时间比值%为0.5之间的差值，乘以实测的比例带来确定。g,-Xp(p1- po)
式中：
X—控制器测得的实际比例带，%；Pt,-—--同式(4)。
5.3比例带（X)
按照试验程序，将输人信号置于时间比值。为零的值上，若控制器输出的周期脉冲不是等周期，则需在此值上将输人信号保持一段时间（一般取大于5倍的零周期时间），然后减小输人信号，测得开始有瘾环的周期脉冲输出（时间比值的实际下限值β1）时的输入信号实际值；接着将输人信号置于时间比值。为1的值上，保持上述同样的时间后，增大输人信号，测得开始有循环的周期脉冲输出（时间比值的实际上限值ou）时的输人信号实际值。比例带是由这两个输入信号实际值的差值来确定。X-X.
× 100%
-Aμ-AL
武中：
.一时间比值的实际下限值o.时测得的输人信号实际电量值，mV，mA或Q;Xb一-时间比值的实际上限值Pu时测得的输人信号实际电量值，mV，mA或Q；Au, A:-同式(1)。
5.3.1具有手动再调时的比例带
具有手动再调的时间比例控制器，其比例带的试验可仅在50%设定量程附近的试验点上进行。5.3.2比例带可调范围及其标度误差 (6)
具有比例带可调的时间比例控制器，应在50%设定量程附近的试验点上，检查比例带可调范围及其比例带标度误差。
试验时，若零周期可调整，将零周期处于最小值位置。然后将比例带的可调范围分别置于最大、最小值位置上，按上述比例带测试的方法分别测得最大比例带和最小比例带，即为比例带可调范圈。比例带标度误差（）是由分别测得的实际最大比例带、最小比例带之值与分别规定的最大比例带、最小比例带标度示值的差值来确定。_ Xpl- Xm × 100%
式中：Xp1—测得的实际最大比例带，%；Ip mau
规定的最大比例带标度示值，%。O
Xp2- X min × 100%
X pain
Xp——测得的实际最小比例带，%；式中：
一规定的最小比例带标度示值，%。注：若制造厂另有规定，可在制造厂规定的比例带可调位置上，进行比例带标度误差的测定。5.4零周期（T。）
本试验可与设定点误差同时进行，零周期是由时间比值。为0.5±4o时测得的周期脉冲持续时间与间歇时间之和来确定。
To = T + The
式中：T—周期脉冲的持续时间,s:·(9)
T,—周期脉冲的间歇时间.s
5.4.1具有手动再调时的零周期
JB/T8221—1999
具有手动再调的时间比例控制器，其零周期的试验仍按试验程序与设定点误差同时进行。5.4.2零周期可调范围及其标度误差具有零周期可调的时间比例控制器，应在50%设定量程附近的试验点上，检查周期可调范围及其零周期标度误差。
试验时，若比例带可调整，将比例带处于最大值位置。然后将零周期的可调范围分别置于最大、最小值位置上，按上述零周期测试的方法分别测得最大零周期和最小零周期，即为零周期可调范間，零周期标度误差（1.）是由分别测得的实际最大零周期、最小零周期之值与分别规定的最大零周期、最小零周期标度示值的差值来确定。 Tol- Tom旺 × 100%
式中：To.—-测得的实际最大零周期,s;Toma———规定的最大零周期标度示值，s。Orm=
式中： To2—测得的实际最小零周期,s;T omtr
Tm- Tomin × 100%
To mip
Tomm———规定的最小零周期标度示值，s。注：若制造厂标准另有规定，则可在制造广规定的零周期可调位置上，进行零周期标度误差的测定。5.5上、下边带不对称性（8）)
具有上、下边带对称性要求的时间比例控制器，则应测量上、下边带不对称性。(10)
·(11)
本试验可与设定点误差、比例带两项试验同时进行。上、下边带不对称性是由上边带与下边带之差值来确定。
IXpl-Xol
×100%
Xp+Xpa
式中：。一当间歇时间从零值刚转变为有间歇、持续时间的周期脉冲输出起，直至与持续时间相等的周期脉冲输出止，所需的输人信号变化，%；Y%一一当持续时间从零值刚转变为有间歇、持续时间的周期脉冲输出起，直至与间歇时间相等的周期脉冲输出止，所需的输人信号变化，%。注：上边带与下边带之和即为比例带。若比例带可调，则应测量和计算比例带处于最大和最小值位置上的上、下边带不对称性。5.6非线性系统（）
具有专门设计的非线性特性的时间比例控制器，则应测量非线性系统（）及其误差（）。本试验可与设定点误差、比例带两项试验同时进行。试验时，先将实测的比例带X。换算成比例带内的平均比例增益（K），接着将在实际测得的设定点（e为0.5±4o）位置上，减小（或增加）输人信号（此信号的变化应尽量小，以致于信号改变后造成的与实测的设定点时间比值之变化小于0.05）后测得的时间比值换算成时间比值β为0.5附近的比例增益（K。）非线性系数是由平均比例增益和β为0.5时的比例增益之差值与平均比例增益之比来确定。K
式中：X——同式(5)。
Ko- 1otl-
式中：
X输人电量值信号，mV,mA或Q；
4o输入X，电量值信号后，测得的时间比值β与原实测的设定点位置的时间比值之差值；7
1, Au.A 同式(1)。
式中：K一-同式(13);
Ko——同式(14)。
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若比例带可调，则应测量和计算比例带处于最大和最小位置上的非线性系数。非线性系数误差是由测量的实际非线性系数与理论设计参数的非线性系数之差值来确定。8m = ×100%
式中：—测得的实际非线性系数；。理论设计参数的非线性系数。5.7预调时间（T.）
具有微分性能的反馈型时间比例（PD）控制器，应在50%设定量程附近的试验点上，测定控制器的预调时间。并关控制器的预调时间一般不是常数。试验时，将输入信号置于时间比值为零的值上，若控制器输出的周期脉冲不是等周期，则需在此值上将输人信号保持一段时间（一般取大于5倍的零周期时间），然后施加一个使时间比值成为0.5附近的阶跃输人信号，测得第一个周期脉冲的持续时间和比例作用部分的实际时间比值；再按上还试验方法，改变施加阶跃输入信号的大小，使时间比值成为0.2，0.8分别测得第一个周期脉冲的不同持续时间和比例作用部分的不同时间比值。预调时间是由第一个周期脉冲的持续时间内微分作用所提供的附加调节作用量与比例作用部分引起的时间比值来确定。1-0
式中：t一施加阶跃输人信号后，测得的第一个周期脉冲的持续时间，s;β————相应测得的比例作用部分的时间比值。5.7.1不同比例带时的预调时间
具有比例带可调的时间比例控制器，应检查不同比例带时的预调时间。(17)
试验时，若零周期可调整，将零周期处于最小值位置。然后在比例带调整范围的最大、最小值上重复上述试验。
5.7.2不同零周期时的预调时间
具有零周期可调的时间比例控制器，应检查不同零周期时的预调时间。试验时，若比例带可调整，将比例带处于最大值位置。然后在零周期调整范围的最大、最小值上重复上述试验。
5.8手动再调
具有手动再调的时间比例控制器，应在50%设定量程附近的试验点上检查手动再调范图。5.8.1任意调整和直接测量的设定点本试验可与设定标度（指示）误差试验同时进行。试验时，输人一个与直接测得的设定点信号相同的固定信号，然后调整手动再调信号的大小，检查时间比值β的可调范围，应能使时间比值β从0～1之间变化。
5.8.2任意调整和有设定标度示值的设定点试验时，输入一个与设定点标度示值相同（或相当）的固定信号，然后调整手动再调信号的大小，检查时间比值β的可调范围，应能使时间比值从0-1之间变化。具有比例带可调的时间比例控制器，应检查不同比例带时的手动再调范围。试验时，若零周期可调整，将零周期处于最小值位置。然后在比例带调整范围的最大、最小值上按5.8.1或5.8.2重复上述试验。
6影响量试验
6.1总测
JB/T8221--1999
6.1.1除非条文中另有规定，影响量对控制器控制性能的影响试验仅在设定量程的50%附近的试验点上进行。
6.1.2除非条文中另有规定，影响量对控制器控制性能的影响一般应由同行程的三次测量结果的平均值来确定。
6.1.3除非条文中另有规定，影响量对控制器控制性能的影响一般应由设定点误差的变化（或采用设定标度误差的变化和设定点偏差的变化来替代）和比例带的变化来确定。但应充许制造厂或用户提出对零周期变化的要求。
6.1.4在型式试验时，为了缩短试验时间，允许长期漂移、加速寿命试验的影响量试验项目在同一品种规格的其它控制器上进行。
6.2气候影响
6.2.1环境温度
本试验应在温度试验箱中进行，试验温度和试验的顺序如下：+20℃，+40℃，+55℃,+20℃,0℃，-10℃，-25℃,+20℃控制器的正常工作温度范圈所不包括的温度不进行试验。如控制器的正常工作温度范围的最高和（或）最低温度接近上述温度，则用正常工作温度范围的最高和（或）最低温度代替。温度应逐步变化。每一试验温度的允差为±2℃。在每一温度上应保持足够的时间（一般不少于2h），使控制器内部达到热稳定。在每个温度上测量控制器的设定点误差和比例带，并计算相邻温度每变化10℃时所造成的设定点误差和比例带变化。第次温度循环后，应将恢复至参比温度时测得的设定点误差与试验开始处于参比温度时测得的设定点误差相比较，若变化小于规定设定误差限的25%时，则不必进行第二次温度循环。若需进行第二次温度循环时，则应取两次循环中相邻温度每变化10℃时设定点误差和比例带变化的最大值来表示温度影响。
6.2.2湿热
控制器应先放在参比工作条件下不少于24h，测量控制器的设定点误差、比例带、零周期和手动再调。然后将控制器放进湿热试验箱内，试验箱的温度为40℃土2，相对湿度为91%～95%，保持至少48h（或按有关标准规定的值）。在上述周期的最后4h内，接通能源。周期结束后，立即测量控制器的设定点误差和比例带并与参比工作条件下的数值相比较，计算由湿热所造成的设定点误差和比例带变化：将控制器从试验箱中取出，检查控制器是否有飞弧现象、冷凝水的聚集和元部件的损坏。有湿热预处理安全要求的控制器，应按有关标准规定的恢复温度、恢复时间进行恢复后，立即测量其绝缘电阻和绝缘强度的性能。
试验后的控制器应再放在参比工作条件下不少于24h，测量控制器的设定点误差、比例带、零周期和手动再调等控制性能。
6.3机械影响
6.3.1安装位置
试验时，将控制器从制造厂规定的参比工作位置，前、后、左、右各倾斜10或按制造厂规定的最大倾斜度，测量和计算各次倾斜所造成的控制器设定点误差和比例带的变化。6.3.2倾跌
本试验目的在于确定控制器在使用和维修时，由于操作不慎可能产生的碰撞或摇动对控制器控制性能的影响，同时考核控制器的最低牢固性。将控制器按正常工作位置放在一个平滑、坚硬和牢固的混土或钢制乎台上，控制器沿一个底边倾9
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