船舶電氣與自動控制實訓室-延安職業技術學院
2022-06-03 09:43船舶電氣與自動控制實訓室簡介--延安職業技術學院
船舶電氣與自動控制實訓室，配有最新的模擬鍋爐，主機缸套冷卻水，燃油粘度控制，分油機自動控制實訓平臺；另有電工工藝與電工基礎實訓平臺，氣動及電動差壓變送器實訓平臺。還配有各種常用電工儀表電工工具十余套。輪機工程及船舶電氣專業的學生可以進行船舶電氣和自動可以的各種訓練；滿足STCW公約和中華人民共和國海事局頒布的《海船船員適任評估大綱和規范》對輪機和船舶電氣專業學生電氣及自動控制方面的實操要求。
來源:延安職業技術學院
DBCBK-23 船舶氣動PID控制實驗臺
1. 海事標準
1.1《中華人民共和國船員培訓管理規則實施辦法》標準輪機員培訓需滿足船用氣動/電動儀表試驗及調試 要求：
①.自動化儀表試驗臺 10 臺
②.每個試驗臺須配備氣動式 PID 調節器 1 套，數字式 PID 控制器 1 套、電動差壓變送器 1 套、壓力開關 1 套。
③.每個基本班培訓規模不超過 40 人 中國船級社 CCS《鋼質海船建造規范》。
滿足 IMO 關于海員培訓、發證及值班標準國際公約（STCW78/95）規定的要求。
滿足中國海事部門《關于 STCW78/95 公約過渡規定的實施辦法》。
滿足“海船船員適任證書考試、評估和發證規則”及相應的訓練評估規范的要
2. 自動化儀表試驗臺設計要求
2.1 自動化儀表試驗臺的組成 氣源與電源是驅動自動化儀表的主要工作源，自動化儀表試驗臺不是組成部件的展示臺、也不是儀表各自 動作的演示臺，而是為儀表和傳感器提供標準信號進行試驗及校準的教學與培訓，實現自動化儀表組成閉 環反饋控制系統的船舶典型調節回路，具有代表性的鍋爐水位調節、冷卻水溫度調節、燃油粘度調節、雙 位式調節等，
2.2 自動化儀表試驗臺實現的功能
（1）.濾器放殘及氣壓調節，提供標準壓力源信號（0.14MPa 和 0.02-0.1MPa 等）；
（2）.典型控制回路的氣動系統圖及電動系統圖分析與連接；
（3）.P-E 轉換器的氣信號→電信號校準；
（4）.電動差壓變送器的調節和性能試驗，掌握零點-量程-正遷移/負遷移調節方法及維護管理要點；
（5）.壓力開關（雙位式壓力繼電器）試驗：設定上下限參數和副差進行雙位式調節、參數越限報警，模 擬鍋爐水位控制、蒸氣壓力控制、壓力水柜液位控制、空壓機控制等功能；掌握壓力繼電器的設定方法及 維護管理要點；
（6）.氣動式 PID 控制參數調節，針對液位、溫度和粘度應用，實現氣動 P、氣動 PI、氣動 PD、氣動 PID 的控制規律試驗；
（7）.數字式 PID 控制參數調節，針對液位、溫度和粘度應用，實現電動 P、電動 PI、電動 PD、電動 PID 的控制規律試驗；
（8）.信號采集板集中采集信號用于編程并送入觸摸屏，可接收各種傳感器信號；
（9）.觸摸屏顯示 PID 調節回路圖及調整曲線：根據 PID 控制器設定值，P、I、D 參數調節值的不同，直 觀顯示不同調節特性；顯示經信號采集版接收的各種信號。
（10）.用于儀表和傳感器試驗與校準的多源信號發生器：電壓信號：0-30V，0-25mV，0-100mV；電流信 號：有源和無源 0-25mA，4-20MA；熱電偶：K、E、J、T、R、B、S、N；熱電阻：PT100；電阻：電阻信號。
（11）船舶自動化儀表試驗臺滿足三管輪要求基礎上，兼顧大管輪培訓傳感器校準。
（12）船舶自動化儀表試驗臺盡可能為大管輪培訓傳感器校準項目預留空間。 3. 功能單元實施方案
3.1 PID 控制功能單元
3.1.1 閉環 PID 控制參數調整原則
（1）反饋控制系統的各組成環節首先滿足性能匹配：控制器與控制對象相適應，測量單元變送器、執行 機構、顯示器的零點(ZERO)、起點(OFFSET)、量程和行程(GAIN)必須進行在線反復開環調試。
（2）反饋控制系統的理想控制效果，只能調整調節器的參數值，即調節器的比例帶(PB)、積分時間(I)和
微分時間(D)。
（3）調節器更換或維修，或長期運行系統性能變化時，都需進行調節參數重新整定。
（4）調節器參數整定只能在一定范圍內起作用。
（5）如果各種儀表選型和安裝不當，單臺儀表沒有調校好等，單靠調整調節器的參數值均不能達到控制 系統的動態品質指標要求。
（6）調節器的參數整定方法：理論計算和工程整定。理論計算涉及到控制系統的模型辨識問題，難度較 大，不適宜在現場進行。在實際中通常采用工程整定的方法。
3.1.2 評價反饋控制系統的品質指標
（1）穩定性(steady)指標 系統受到擾動之后能夠恢復到穩定狀態的能力。實際控制系統，至少要求是衰減過程或非周期過程，以衰 減振蕩為佳。
①.衰減率φ：第一個波峰值減去第二個同相波峰值后除以第一個波峰值，φ=0.75~0.9。
②.衰減比λ：第一個波峰值與第二個同相波峰值的比值，λ=4:1。
③.超調量δp：第一個波峰值減去新穩態值的差值與新穩態值之比的百分數，σp<30%。
④.振蕩次數 N：被控量的振蕩次數。一般要求被控量振蕩 2～3 次穩定下來最佳。
（2）準確性(accuracy)指標
①.最大動態偏差 emax：指在衰減振蕩中第一個波峰與給定值的差值，它是動態精度指標。emax 大，說明 動態精度低，要求 emax 小些為好，但不是越小越好，因為 emax 太小，有可能使動態過程的振蕩加劇。
②.靜態偏差ε：指動態過程結束后，被控量新穩態值與給定值之間的差值。ε越小說明控制系統的靜態 精度越高，但執行機構動作頻繁，增大磨損。
（3）快速性(quick-response)指標
①.過渡過程時間 ts：從擾動發生到被控量重新趨于穩定達到新的平衡態所需的時間。 一般取Δ＝0.02，或Δ＝0.05。上式的物理意義是，當 t ≥ t s 的時間內，被控量 y(t)的波動值︱y(t)-y(∞)
︱均小于或等于最終穩態 y(∞)的 2％或 5％。
②.上升時間 tr：衰減振蕩中被控量從初始平衡態第一次達到新穩態值 y(∞)所需時間。
③.峰值時間 tp：衰減振蕩中被控量從初始平衡態達到第一個波峰峰值所需時間。
tr 和 tp 都是反映動態過程進行快慢的指標。tr 和 tp 越小，說明系統慣性越小，動態過程進行得越快。 3.1.3 PID 調節器參數的工程整定方法
（1）、經驗湊試法：加擾動、看曲線、調參數
①.先用純比例作用湊試，根據經驗選擇合適的 PB 值，積分時間選擇無窮大，微分時間為零。觀察衰減比， 若大于 4 則減小 PB，若小于 4 則增加 PB。
②.再加積分作用湊試，PB 增加 10-20%，積分時間為衰減周期的一半，觀察衰減比和靜態精度。
③.最后加入微分作用進行湊試，PB 減少 20％，積分時間縮短一些，微分時間取積分時間的 1/4，觀察最 大靜態偏差和過渡過程時間。
④.PB 過小，振蕩周期較短，Ti 過短，振蕩周期較長，Td 過長，振蕩周期最短。
⑤.試湊過程中若發現被控量變化緩慢，不能盡快達到穩定值，這是由于 PB 過大或 Ti 過長引起的，但兩 者是有區別的：PB 過大，曲線漂浮較大，變化不規則；Ti 過長，曲線帶有振蕩分量，接近給定值很緩慢。 這樣可根據曲線形狀來改變 PB 或 Ti。
⑥.PB 過小，Ti 過短，Td 太長都會導致振蕩衰減得慢，甚至不衰減，其區別是 PB 過小，振蕩周期較短； Ti 過短，振蕩周期較長；Td 太長，振蕩周期最短。
⑦.若整定過程中出現等幅振蕩，且通過改變調節器參數而不能消除這一現象時，可能是閥門定位器調校
不準，調節器或變送器的放大器調校不準，調節閥傳動部分有間隙（或調節閥尺寸過大）或被控對象受到 等幅波動的干擾等，都會使被控量出現等幅振蕩。這時就不能只注意調節器參數的整定，而是要檢查與調 校其它儀表和環節
⑧.根據被控對象特性確定好初始的參數值 PB、Ti 和 Td
⑨.經驗湊試法 流量：控制對象時間常數小，比例帶應大，積分時間應小，不用微分作用。 溫度：控制對象時間常數大，遲延小，常用微分作用。 壓力：控制對象時間常數及遲延都較小，不用微分作用。 液位：允許有靜差時，不用積分微分作用。
（2）、PID 參數整定衰減曲線法
衰減曲線法是以 4：1 衰減比作為整定要求的，先切除調節器的積分和微發作用，用試湊法整定純比例控 制作用的比例帶 PB （比同時試湊二個或三個參數要簡單得多），使之符合 4:1 衰減比的要求，記下此時的 比例帶 PBS，和振蕩周期 TS。 如果加進積分和微分作用，可按表中給出的經驗公式進行計算。若按這種方式整定的參數在運行過程中， 其動態過程曲線還不夠理想，再根據曲線形狀，對整定的參數作適當的調整。對有些被控對象，控制過程 進行較快，難以從記錄曲線上找出衰減比。只要被控量波動 2 次就能達到穩定狀態，可近似認為是 4:1 的 衰減過程，其波動一次時間即為 TS。
（3）、臨界比例帶法
用臨界比例帶法整定調節器參數，直到達到等幅振蕩時，記下此時的比例帶 PBK(稱為臨界比例帶)和波動 周期 TK，然后按表給出的經驗公式求出調節器的參數值：按該表算出的參數值后，要把比例帶放在比計算 值稍大一點的值上，把 Ti 和 Td 放在計算值上，進行現場運行觀察，如果比例帶可以減小，再將 PB 放在 計算值上。
這種方法簡單，應用比較廣泛。但對 PBK 很小的控制系統不適用，對被控參數不允許震蕩的系統也不適用。
（4）、反應曲線法
若知道被控對象的特性參數，即時間常數 T、時間遲延τ和放大系數 K，則可按表給出的經驗公式計算出 調節器的參數。利用這種方法整定的結果可達到衰減率φ＝0.75 的要求。只適用于有自平衡能力的被控對 象。
3.1.4 氣動 PID 控制器：
1、氣動 PID 控制器選型：采用船用 NAKAKITA PID 控制器（如圖實物照片&原理）：
2、氣動 PID 控制原理圖
3、氣動 PID 控制器培訓知識點： 掌握其結構和工作原理，閉環實驗中掌握 P（PB）、I、D 參數的設定方法。
（1）比例（P）作用規律實驗：通過調整控制點的方法，將調節器的初始輸出狀態設置為 0.06 MPa，切除 積分和微分作用。觀察 P 曲線變化規律。
（2）比例積分（PI）作用規律實驗：通過調整控制點的方法，將調節器的初始輸出狀態設置為 0.02 MPa， 適當加入積分作用，調整測量值信號，觀察 PI 曲線變化規律。
（3）比例微分（PD）作用規律實驗：通過調整控制點的方法，將調節器的初始輸出狀態設置為 0.02 MPa， 適當加入微分作用，調整測量值信號，觀察 PI 曲線變化規律。
（4）比例積分微分（PID）作用規律實驗：通過不斷調節和優化，觀察 PID 曲線，不斷優化，調節出最優 PID 設定點。
4、氣動 PID 燃油粘度控制系統
5、氣動 PID 燃油粘度控制器系統原理圖
3.1.5 數字 PID 控制器
1、明確數字 PID、氣動 PID、模擬 PID 三者區別。
2、數字 PID 主機燃油溫度控制系統
3.2 壓力開關（雙位式壓力繼電器）
3.2.1 壓力開關選擇及知識點
（1）防護等級的必要性，隔爆型與防護等級。
（2）是否需要帶動作指示。
（3）接點數量：一接點（一個輸出）或兩接點（兩個輸出）。
（4）借助萬用表正確判斷接點的好壞。
（5）壓力設定值的設定：推薦設定范圍在壓力范圍的 30%—65%之間。
（6）差壓范圍的設定：可調式或固定式。
（7）是否有脈動：如果壓力有脈動或振動，需用節流閥抑制脈動壓力對儀表損傷。
（8）隔膜：腐蝕性、高黏度或高溫度場合需選用帶隔膜的壓力開關。 3.2.2 外形和參數：
3.3 電動差壓變送器
3.3.1 知識點 1、差壓變送器是反饋控制系統的測量單元，電動差壓變送器越來越多地應用于船舶機艙，特別是用于測 量鍋爐水位。掌握電動差壓變送器的調校方法對控制系統的維護管理，保持控制系統的正常運行具有重要 的實際意義。
2、能夠進行正確的電路連接和管路連接。
3、調整變送器的零點和量程，使得當輸入壓差在規定的范圍內全程變化時，變送器的輸出能在 4～20mA 范圍內變化。 4、氣路連接：差壓變送器的測量信號由實驗臺上的兩個氣壓定值器提供，定值器設定的壓力分別由相應 的精密壓力表和快速接頭進行指示和輸出。在進行氣路連接時，應先使兩個壓力表的調定壓力相等，即壓 差為零，然后再通過快速連接氣管將高壓端接至變送器的正壓室（H），低壓端接至負壓室（L）。 5、電路連接：實驗中使用的電動差壓變送器，其工作電源為直流電，輸出信號為 4～20mADC。在實際使用 中，變送器的輸出往往帶有負載，隨著輸出負載的不同，變送器的電源電壓范圍為 12～45VDC。 6、零點和量程的調整方法：在變送器的轉換電路中設有兩個電位器分別用于調整零點和量程。
7、設量程范圍為 0.2～0.1MPa，則零點和量程的調整方法的步驟如下：
（1）調整定值器，并觀察兩個壓力表，使∆P=0.2（下限值），調整調零電位器，直到變送器輸出為 4mA；
（2）使∆P=0.1MPa(上限值)，調整量程電位器，直到變送器輸出為 20mA；
（3）重復步驟（1）和（2），直到 0.2～0.1MPa 測量范圍對應 4～20mA 標準輸出。
（4）線性、阻尼調整：除零點和量程調整外，放大器板的焊接面還有一個線性調整電位器和阻尼調整電位器。線性調整電位器已在出廠調到了最佳狀態，現場不再調整。
3.3.2 電動差壓變送器船舶輔鍋爐水位系統
3.4 信號采集主板
信號采集板用途：采集試驗信號送入觸摸屏，觀察 PID 工作曲線，兼顧大管輪傳感器及校準設備培訓。
3.5 觸摸屏及主要功能
3.5.1 PID 閉環系統說明 該軟件模擬水池注水過程，假定水池有一個進水閥門和一個排水閥門，進去閥門是可調的，排水閥門排水 量是固定的，并且在軟件可以設定（排放量），PID 算法的目的是通過控制進水閥門的開度來穩定水池的水 量（即水位）。其中水池水位的設定值、實際值、排水閥的排量都是可以手動設置的。下面兩條曲線時間 軸（橫軸）不同，上面一條時間軸長度為 100s，目的是為了明顯的感受到各種參數的變化。而下面一條曲 線的時間軸是 1000s，目的是為了觀察參數變化的整個過程。
3.5.2 實時顯示 PID 控制曲線
3.5.2 PID 參數設定列表
采樣周期: PID 的采樣計算周期，固定 0.5s 不可修改 比例帶：比例作用調節，PID 比例增益的倒數
積分時間：積分作用調節，積分因子 = 積分時間 / 采樣周期，積分時間越長，積分作用越強 微分時間：微分作用調節，微分因子 = 采樣周期 / 微分時間，微分時間越短，微分作用越強。 積分抑制：積分飽和抑制值，防止積分過飽和造成的回調慢，系統震蕩
過程值定義：
設定值： 水池水位設定值，可修改 實際值： 水池水位實際值，可修改
排放量： 排放量，可修改，每個周期排放的水量（水位下降值） = 0.03 * 排放量 死區設置： PID 死區設置，誤差在死區之內，PID 不動作
注意：進水閥進水量系統設定在 0-100 之間， 每個周期的注水量（水位上升值）為 0.02 * 進水量，因此
每次新增的水量（水位的變化）為：0.02 * 進水量 - 0.03 * 排水量。 PID 因子計算值：
根據 PID 參數設定值自動計算的 PID 三個因子的值 比例因子： 1 / 比例帶
積分因子：積分時間 / 采樣周期
微分因子：采樣周期 / 微分時間， 如果微分時間設定為 0，則取消微分功能，微分因子為 0. 可以選擇為普通 PID 算法和增量式 PID 算法，增量式 PID 比較普通 PID 最大的區別時增量式 PID 算法本身 自動的抑制了積分過飽和，其最終計算的輸出值不會超過最大的工程值，而 傳統 PID 算法由于積分飽和 的存在，其計算值可能會遠遠超過工程最大值。
二.設備配置構成：
| 序號 | 名稱 | 功能要求 | 數量 | 單位 |
| 1 | 實驗工作臺 | 1400×1400×600mm， | 1 | 臺 |
| 2 | 數字 PID 控制器 | 萬能輸入型，具有變送輸出功能 | 1 | 個 |
| 3 | 電動差壓變送器 | 1000mmH2O,4-20mA，數字顯示 | 1 | 個 |
| 4 | 壓力開關 | 船用 | 1 | 個 |
| 5 | 氣動 PID 控制器 | NAKAKITA 船用品牌，200*170mm | 1 | 個 |
| 6 | 數字壓力開關 | 0-1MPa，4-20mA 輸出 | 2 | 個 |
| 7 | 數字壓力開關 | 0-100KPa，4-20mA 輸出 | 1 | 個 |
| 8 | 壓力表 | 軸向安裝，φ56.5，1MPa | 1 | 個 |
| 9 | 壓力表 | 軸向安裝，φ29,0.2MPa | 2 | 個 |
| 10 | 進氣節流閥 | 流量特性：0-300L/min | 1 | 個 |
| 11 | 排氣節流閥 | 流量特性：0-200L/min | 1 | 個 |
| 12 | 2 位 5 通閥 | 面板安裝撥動選擇 | 1 | 個 |
| 13 | 自鎖快速接頭 | 快速自鎖接頭 | 3 | 個 |
| 14 | 精密調壓閥 | M12 面板安裝,帶支架 | 6 | 個 |
| 15 | LED 數字顯示表 | 數字指示 | 2 | 個 |
| 16 | 風罩 | 8072 | 3 | 個 |
| 17 | 電源 | 5V2.1A,12V.1A,24V2A | 1 | 個 |
|
18 |
多源標準信號發生器 ☆選配 |
獨立的信號測量單元和信號輸入單元、安全 保護插頭接線 。 信 號 輸 入 和 輸 出 ： 0-15V,0-25mV,0-100mV;0-25mA.K,E,J,T,R, B,S,N;PT100。涵蓋船舶常用的 PLC/DCS 現場 儀表、調節閥、變頻器、壓力傳感器、溫度 傳感器、流量計、液位傳感器、轉速傳感器、 火焰探測傳感器、監控報警系統等維護、調 試與校準所需功能，具有常規測試、輸出電 流/電壓、24V 配電輸出等多種功能，具備熱 電偶、熱電阻的輸入和輸出功能，具備可編 程輸出、自動步進功能，分割輸出功能(n/m)： 通過分割輸出，可將電壓、電流、熱電偶信號分割成 n/m 次輸出，輸出值=(主設定值)×(n/m)。 |
1 |
臺 |
|
22 |
觸摸顯示屏 ☆選配 |
顯示氣動PID曲線和傳感器校驗顯示，尺寸： 160*255，24x600 分辨率65K 色真彩顯示串 口指令屏。 |
1 |
個 |
| 23 |
數據采集主板 ☆選配 |
12 通道，將信號接入觸摸屏 | 1 | 套 |
| 24 | 導軌安裝插座 | 5 孔，220V | 1 | 個 |
| 25 | 電源插頭 | 3 孔，10A | 1 | 個 |
| 26 | 指示燈 | 工業品牌 | 3 | 個 |
| 27 | 空氣開關 | 2P10A | 3 | 個 |
| 28 | 選擇開關 | 撥動、雙位 | 1 | 個 |
| 29 | 精密電位計 | 試驗缸套水溫度調節 | 2 | 個 |
| 30 | 燃油粘度控制顯示板 | 顯示氣動 PID 粘度控制流程，360*210mm | 1 | 個 |
| 31 | 缸套水控制顯示板 | 顯示數字 PID 主機缸套水控制流程 | 1 | 個 |
| 32 | 鍋爐水位控制顯示板 |
顯示氣動差壓變送器和電動差壓變送器鍋爐 水位控制管路連接 |
1 | 個 |
| 33 | 氣動 PID 控制機械原理顯示板 | 顯示機械原理 210*180mm | 1 | 個 |
| 34 | 溫度源☆選配 | 深井干體爐形式，面板安裝集成于試驗臺 | 1 | 套 |
| 35 | 溫度 PID 控制儀表 | M96*96 | 1 | 個 |
| 36 | 固態繼電器 | 2000W | 1 | 個 |
| 37 | 溫度傳感器 | 0-400°C | 1 | 個 |