船舶气动PID控制实验台实训装置

JG京工科业- JGCBK-23 型 船舶气动PID控制实验台实训装置

一 . 产品介绍
1. 海事标准
1.1 《中华人民共和国船员培训管理规则实施办法》标准轮机员培训需满足船用气动 / 电动仪表试验及调试 要求：
①. 自动化仪表试验台 10 台
②. 每个试验台须配备气动式 PID 调节器 1 套，数字式 PID 控制器 1 套、电动差压变送器 1 套、压力开关 1 套。
③. 每个基本班培训规模不超过 40 人 中国船级社 CCS 《钢质海船建造规范》。
满足 IMO 关于海员培训、发证及值班标准国际公约（ STCW78/95 ）规定的要求。
满足中国海事部门《关于 STCW78/95 公约过渡规定的实施办法》。
满足 “ 海船船员适任证书考试、评估和发证规则 ” 及相应的训练评估规范的要
2. 自动化仪表试验台设计要求
2.1 自动化仪表试验台的组成 气源与电源是驱动自动化仪表的主要工作源，自动化仪表试验台不是组成部件的展示台、也不是仪表各自 动作的演示台，而是为仪表和传感器提供标准信号进行试验及校准的教学与培训，实现自动化仪表组成闭 环反馈控制系统的船舶典型调节回路，具有代表性的锅炉水位调节、冷却水温度调节、燃油粘度调节、双 位式调节等
2.2 自动化仪表试验台实现的功能
（ 1 ） . 滤器放残及气压调节，提供标准压力源信号（ 0.14MPa 和 0.02-0.1MPa 等）；
（ 2 ） . 典型控制回路的气动系统图及电动系统图分析与连接；
（ 3 ） .P-E 转换器的气信号 → 电信号校准；
（ 4 ） . 电动差压变送器的调节和性能试验，掌握零点 - 量程 - 正迁移 / 负迁移调节方法及维护管理要点；
（ 5 ） . 压力开关（双位式压力继电器）试验：设定上下限参数和副差进行双位式调节、参数越限报警，模 拟锅炉水位控制、蒸气压力控制、压力水柜液位控制、空压机控制等功能；掌握压力继电器的设定方法及 维护管理要点；
（ 6 ） . 气动式 PID 控制参数调节，针对液位、温度和粘度应用，实现气动 P 、气动 PI 、气动 PD 、气动 PID 的控制规律试验；
（ 7 ） . 数字式 PID 控制参数调节，针对液位、温度和粘度应用，实现电动 P 、电动 PI 、电动 PD 、电动 PID 的控制规律试验；
（ 8 ） . 信号采集板集中采集信号用于编程并送入触摸屏，可接收各种传感器信号；
（ 9 ） . 触摸屏显示 PID 调节回路图及调整曲线：根据 PID 控制器设定值， P 、 I 、 D 参数调节值的不同，直 观显示不同调节特性；显示经信号采集版接收的各种信号。
（ 10 ） . 用于仪表和传感器试验与校准的多源信号发生器：电压信号： 0-30V ， 0-25mV ， 0-100mV ；电流信 号：有源和无源 0-25mA ， 4-20MA ；热电偶： K 、 E 、 J 、 T 、 R 、 B 、 S 、 N ；热电阻： PT100 ；电阻：电阻信号。
（ 11 ）船舶自动化仪表试验台满足三管轮要求基础上，兼顾大管轮培训传感器校准。
（ 12 ）船舶自动化仪表试验台尽可能为大管轮培训传感器校准项目预留空间。 3. 功能单元实施方案
3.1 PID 控制功能单元
3.1.1 闭环 PID 控制参数调整原则
（ 1 ）反馈控制系统的各组成环节首先满足性能匹配：控制器与控制对象相适应，测量单元变送器、执行 机构、显示器的零点 (ZERO) 、起点 (OFFSET) 、量程和行程 (GAIN) 必须进行在线反复开环调试。
（ 2 ）反馈控制系统的理想控制效果，只能调整调节器的参数值，即调节器的比例带 (PB) 、积分时间 (I) 和
微分时间 (D) 。
（ 3 ）调节器更换或维修，或长期运行系统性能变化时，都需进行调节参数重新整定。
（ 4 ）调节器参数整定只能在一定范围内起作用。
（ 5 ）如果各种仪表选型和安装不当，单台仪表没有调校好等，单靠调整调节器的参数值均不能达到控制 系统的动态品质指标要求。
（ 6 ）调节器的参数整定方法：理论计算和工程整定。理论计算涉及到控制系统的模型辨识问题，难度较 大，不适宜在现场进行。在实际中通常采用工程整定的方法。
3.1.2 评价反馈控制系统的品质指标
（ 1 ）稳定性 (steady) 指标 系统受到扰动之后能够恢复到稳定状态的能力。实际控制系统，至少要求是衰减过程或非周期过程，以衰 减振荡为佳。
①. 衰减率 φ ：第一个波峰值减去第二个同相波峰值后除以第一个波峰值， φ=0.75~0.9 。
②. 衰减比 λ ：第一个波峰值与第二个同相波峰值的比值， λ=4:1 。
③. 超调量 δp ：第一个波峰值减去新稳态值的差值与新稳态值之比的百分数， σp<30% 。
④. 振荡次数 N ：被控量的振荡次数。一般要求被控量振荡 2 ～ 3 次稳定下来最佳。
（ 2 ）准确性 (accuracy) 指标
①. 最大动态偏差 emax ：指在衰减振荡中第一个波峰与给定值的差值，它是动态精度指标。 emax 大，说明 动态精度低，要求 emax 小些为好，但不是越小越好，因为 emax 太小，有可能使动态过程的振荡加剧。
②. 静态偏差 ε ：指动态过程结束后，被控量新稳态值与给定值之间的差值。 ε 越小说明控制系统的静态 精度越高，但执行机构动作频繁，增大磨损。
（ 3 ）快速性 (quick-response) 指标
①. 过渡过程时间 ts ：从扰动发生到被控量重新趋于稳定达到新的平衡态所需的时间。 一般取 Δ ＝ 0.02 ，或 Δ ＝ 0.05 。上式的物理意义是，当 t ≥ t s 的时间内，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 ％。
②. 上升时间 tr ：衰减振荡中被控量从初始平衡态第一次达到新稳态值 y(∞) 所需时间。
③. 峰值时间 tp ：衰减振荡中被控量从初始平衡态达到第一个波峰峰值所需时间。
tr 和 tp 都是反映动态过程进行快慢的指标。 tr 和 tp 越小，说明系统惯性越小，动态过程进行得越快。 3.1.3 PID 调节器参数的工程整定方法
（ 1 ）、经验凑试法：加扰动、看曲线、调参数
①. 先用纯比例作用凑试，根据经验选择合适的 PB 值，积分时间选择无穷大，微分时间为零。观察衰减比， 若大于 4 则减小 PB ，若小于 4 则增加 PB 。
②. 再加积分作用凑试， PB 增加 10-20% ，积分时间为衰减周期的一半，观察衰减比和静态精度。
③. 最后加入微分作用进行凑试， PB 减少 20 ％，积分时间缩短一些，微分时间取积分时间的 1/4 ，观察最 大静态偏差和过渡过程时间。
④.PB 过小，振荡周期较短， Ti 过短，振荡周期较长， Td 过长，振荡周期最短。
⑤. 试凑过程中若发现被控量变化缓慢，不能尽快达到稳定值，这是由于 PB 过大或 Ti 过长引起的，但两 者是有区别的： PB 过大，曲线漂浮较大，变化不规则； Ti 过长，曲线带有振荡分量，接近给定值很缓慢。 这样可根据曲线形状来改变 PB 或 Ti 。
⑥.PB 过小， Ti 过短， Td 太长都会导致振荡衰减得慢，甚至不衰减，其区别是 PB 过小，振荡周期较短； Ti 过短，振荡周期较长； Td 太长，振荡周期最短。

⑦. 若整定过程中出现等幅振荡，且通过改变调节器参数而不能消除这一现象时，可能是阀门定位器调校
不准，调节器或变送器的放大器调校不准，调节阀传动部分有间隙（或调节阀尺寸过大）或被控对象受到 等幅波动的干扰等，都会使被控量出现等幅振荡。这时就不能只注意调节器参数的整定，而是要检查与调 校其它仪表和环节
⑧. 根据被控对象特性确定好初始的参数值 PB 、 Ti 和 Td
⑨. 经验凑试法 流量：控制对象时间常数小，比例带应大，积分时间应小，不用微分作用。 温度：控制对象时间常数大，迟延小，常用微分作用。 压力：控制对象时间常数及迟延都较小，不用微分作用。 液位：允许有静差时，不用积分微分作用。
（ 2 ）、 PID 参数整定衰减曲线法
衰减曲线法是以 4 ： 1 衰减比作为整定要求的，先切除调节器的积分和微发作用，用试凑法整定纯比例控 制作用的比例带 PB （比同时试凑二个或三个参数要简单得多），使之符合 4:1 衰减比的要求，记下此时的 比例带 PBS ，和振荡周期 TS 。 如果加进积分和微分作用，可按表中给出的经验公式进行计算。若按这种方式整定的参数在运行过程中， 其动态过程曲线还不够理想，再根据曲线形状，对整定的参数作适当的调整。对有些被控对象，控制过程 进行较快，难以从记录曲线上找出衰减比。只要被控量波动 2 次就能达到稳定状态，可近似认为是 4:1 的 衰减过程，其波动一次时间即为 TS 。
（ 3 ）、临界比例带法
用临界比例带法整定调节器参数，直到达到等幅振荡时，记下此时的比例带 PBK( 称为临界比例带 ) 和波动 周期 TK ，然后按表给出的经验公式求出调节器的参数值：按该表算出的参数值后，要把比例带放在比计算 值稍大一点的值上，把 Ti 和 Td 放在计算值上，进行现场运行观察，如果比例带可以减小，再将 PB 放在 计算值上。
这种方法简单，应用比较广泛。但对 PBK 很小的控制系统不适用，对被控参数不允许震荡的系统也不适用。
（ 4 ）、反应曲线法
若知道被控对象的特性参数，即时间常数 T 、时间迟延 τ 和放大系数 K ，则可按表给出的经验公式计算出 调节器的参数。利用这种方法整定的结果可达到衰减率 φ ＝ 0.75 的要求。只适用于有自平衡能力的被控对 象。
3.1.4 气动 PID 控制器：
1 、气动 PID 控制器选型：采用船用 NAKAKITA PID 控制器（如图实物照片 & 原理）：
2 、气动 PID 控制原理图
3 、气动 PID 控制器培训知识点： 掌握其结构和工作原理，闭环实验中掌握 P （ PB ）、 I 、 D 参数的设定方法。
（ 1 ）比例（ P ）作用规律实验：通过调整控制点的方法，将调节器的初始输出状态设置为 0.06 MPa ，切除 积分和微分作用。观察 P 曲线变化规律。
（ 2 ）比例积分（ PI ）作用规律实验：通过调整控制点的方法，将调节器的初始输出状态设置为 0.02 MPa ， 适当加入积分作用，调整测量值信号，观察 PI 曲线变化规律。
（ 3 ）比例微分（ PD ）作用规律实验：通过调整控制点的方法，将调节器的初始输出状态设置为 0.02 MPa ， 适当加入微分作用，调整测量值信号，观察 PI 曲线变化规律。
（ 4 ）比例积分微分（ PID ）作用规律实验：通过不断调节和优化，观察 PID 曲线，不断优化，调节出最优 PID 设定点。
4 、气动 PID 燃油粘度控制系统
5 、气动 PID 燃油粘度控制器系统原理图
3.1.5 数字 PID 控制器
1 、明确数字 PID 、气动 PID 、模拟 PID 三者区别。
2 、数字 PID 主机燃油温度控制系统
3.2 压力开关（双位式压力继电器）
3.2.1 压力开关选择及知识点
（ 1 ）防护等级的必要性，隔爆型与防护等级。
（ 2 ）是否需要带动作指示。
（ 3 ）接点数量：一接点（一个输出）或两接点（两个输出）。
（ 4 ）借助万用表正确判断接点的好坏。
（ 5 ）压力设定值的设定：推荐设定范围在压力范围的 30%—65% 之间。
（ 6 ）差压范围的设定：可调式或固定式。
（ 7 ）是否有脉动：如果压力有脉动或振动，需用节流阀抑制脉动压力对仪表损伤。
（ 8 ）隔膜：腐蚀性、高黏度或高温度场合需选用带隔膜的压力开关。 3.2.2 外形和参数：
3.3 电动差压变送器
3.3.1 知识点 1 、差压变送器是反馈控制系统的测量单元，电动差压变送器越来越多地应用于船舶机舱，特别是用于测 量锅炉水位。掌握电动差压变送器的调校方法对控制系统的维护管理，保持控制系统的正常运行具有重要 的实际意义。
2 、能够进行正确的电路连接和管路连接。
3 、调整变送器的零点和量程，使得当输入压差在规定的范围内全程变化时，变送器的输出能在 4 ～ 20mA 范围内变化。 4 、气路连接：差压变送器的测量信号由实验台上的两个气压定值器提供，定值器设定的压力分别由相应 的精密压力表和快速接头进行指示和输出。在进行气路连接时，应先使两个压力表的调定压力相等，即压 差为零，然后再通过快速连接气管将高压端接至变送器的正压室（ H ），低压端接至负压室（ L ）。 5 、电路连接：实验中使用的电动差压变送器，其工作电源为直流电，输出信号为 4 ～ 20mADC 。在实际使用 中，变送器的输出往往带有负载，随着输出负载的不同，变送器的电源电压范围为 12 ～ 45VDC 。 6 、零点和量程的调整方法：在变送器的转换电路中设有两个电位器分别用于调整零点和量程。
7 、设量程范围为 0.2 ～ 0.1MPa ，则零点和量程的调整方法的步骤如下：
（ 1 ）调整定值器，并观察两个压力表，使 ∆P=0.2 （下限值），调整调零电位器，直到变送器输出为 4mA ；
（ 2 ）使 ∆P=0.1MPa( 上限值 ) ，调整量程电位器，直到变送器输出为 20mA ；
（ 3 ）重复步骤（ 1 ）和（ 2 ），直到 0.2 ～ 0.1MPa 测量范围对应 4 ～ 20mA 标准输出。
（ 4 ）线性、阻尼调整：除零点和量程调整外，放大器板的焊接面还有一个线性调整电位器和阻尼调整电位器。线性调整电位器已在出厂调到了最佳状态，现场不再调整。
3.3.2 电动差压变送器船舶辅锅炉水位系统
3.4 信号采集主板
信号采集板用途：采集试验信号送入触摸屏，观察 PID 工作曲线，兼顾大管轮传感器及校准设备培训。
3.5 触摸屏及主要功能
3.5.1 PID 闭环系统说明 该软件模拟水池注水过程，假定水池有一个进水阀门和一个排水阀门，进去阀门是可调的，排水阀门排水 量是固定的，并且在软件可以设定（排放量）， PID 算法的目的是通过控制进水阀门的开度来稳定水池的水 量（即水位）。其中水池水位的设定值、实际值、排水阀的排量都是可以手动设置的。下面两条曲线时间 轴（横轴）不同，上面一条时间轴长度为 100s ，目的是为了明显的感受到各种参数的变化。而下面一条曲 线的时间轴是 1000s ，目的是为了观察参数变化的整个过程。
3.5.2 实时显示 PID 控制曲线
3.5.2 PID 参数设定列表
采样周期 : PID 的采样计算周期，固定 0.5s 不可修改 比例带：比例作用调节， PID 比例增益的倒数
积分时间：积分作用调节，积分因子 = 积分时间 / 采样周期，积分时间越长，积分作用越强 微分时间：微分作用调节，微分因子 = 采样周期 / 微分时间，微分时间越短，微分作用越强。 积分抑制：积分饱和抑制值，防止积分过饱和造成的回调慢，系统震荡
过程值定义：
设定值： 水池水位设定值，可修改 实际值： 水池水位实际值，可修改
排放量： 排放量，可修改，每个周期排放的水量（水位下降值） =   0.03 * 排放量 死区设置： PID 死区设置，误差在死区之内， PID 不动作
注意：进水阀进水量系统设定在 0-100 之间， 每个周期的注水量（水位上升值）为 0.02 * 进水量，因此
每次新增的水量（水位的变化）为： 0.02 * 进水量 - 0.03 * 排水量。 PID 因子计算值：
根据 PID 参数设定值自动计算的 PID 三个因子的值 比例因子： 1 / 比例带
积分因子：积分时间 / 采样周期
微分因子：采样周期 / 微分时间， 如果微分时间设定为 0 ，则取消微分功能，微分因子为 0. 可以选择为普通 PID 算法和增量式 PID 算法，增量式 PID 比较普通 PID 最大的区别时增量式 PID 算法本身 自动的抑制了积分过饱和，其最终计算的输出值不会超过最大的工程值，而 传统 PID 算法由于积分饱和 的存在，其计算值可能会远远超过工程最大值。

二 . 设备配置构成清单表：
 

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