一.產(chǎn)品介紹
船舶自動化儀表綜合實驗臺將依據(jù)中國船級社《鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》的要求，結(jié)合現(xiàn)代船舶自動化的發(fā)展，針對船舶電氣與自動化實訓(xùn)評估的需要進行專門設(shè)計與開發(fā)而成。
1. 海事標準
1.1《中華人民共和國船員培訓(xùn)管理規(guī)則實施辦法》標準輪機員培訓(xùn)需滿足船用氣動/電動儀表試驗及調(diào)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(diào)節(jié)器 1 套，數(shù)字式 PID 控制器 1 套、電動差壓變送器 1 套、壓力開關(guān) 1 套。
③.每個基本班培訓(xùn)規(guī)模不超過 40 人 中國船級社 CCS《鋼質(zhì)海船建造規(guī)范》。
滿足 IMO 關(guān)于海員培訓(xùn)、發(fā)證及值班標準國際公約（STCW78/95）規(guī)定的要求。
滿足中國海事部門《關(guān)于 STCW78/95 公約過渡規(guī)定的實施辦法》。
滿足“海船船員適任證書考試、評估和發(fā)證規(guī)則”及相應(yīng)的訓(xùn)練評估規(guī)范的要
2. 自動化儀表試驗臺設(shè)計要求
2.1 自動化儀表試驗臺的組成 氣源與電源是驅(qū)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(xué)與培訓(xùn)，實現(xiàn)自動化儀表組成閉 環(huán)反饋控制系統(tǒng)的船舶典型調(diào)節(jié)回路，具有代表性的鍋爐水位調(diào)節(jié)、冷卻水溫度調(diào)節(jié)、燃油粘度調(diào)節(jié)、雙 位式調(diào)節(jié)等，
2.2 自動化儀表試驗臺實現(xiàn)的功能
（1）.濾器放殘及氣壓調(diào)節(jié)，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(tǒng)圖及電動系統(tǒng)圖分析與連接；
（3）.P-E 轉(zhuǎn)換器的氣信號→電信號校準；
（4）.電動差壓變送器的調(diào)節(jié)和性能試驗，掌握零點-量程-正遷移/負遷移調(diào)節(jié)方法及維護管理要點；
（5）.壓力開關(guān)（雙位式壓力繼電器）試驗：設(shè)定上下限參數(shù)和副差進行雙位式調(diào)節(jié)、參數(shù)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(shè)定方法及 維護管理要點；
（6）.氣動式 PID 控制參數(shù)調(diào)節(jié)，針對液位、溫度和粘度應(yīng)用，實現(xiàn)氣動 P、氣動 PI、氣動 PD、氣動 PID 的控制規(guī)律試驗；
（7）.數(shù)字式 PID 控制參數(shù)調(diào)節(jié)，針對液位、溫度和粘度應(yīng)用，實現(xiàn)電動 P、電動 PI、電動 PD、電動 PID 的控制規(guī)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(diào)節(jié)回路圖及調(diào)整曲線：根據(jù) PID 控制器設(shè)定值，P、I、D 參數(shù)調(diào)節(jié)值的不同，直 觀顯示不同調(diào)節(jié)特性；顯示經(jīng)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(fā)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(chǔ)上，兼顧大管輪培訓(xùn)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(xùn)傳感器校準項目預(yù)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(huán) PID 控制參數(shù)調(diào)整原則
（1）反饋控制系統(tǒng)的各組成環(huán)節(jié)首先滿足性能匹配：控制器與控制對象相適應(yīng)，測量單元變送器、執(zhí)行 機構(gòu)、顯示器的零點(ZERO)、起點(OFFSET)、量程和行程(GAIN)必須進行在線反復(fù)開環(huán)調(diào)試。
（2）反饋控制系統(tǒng)的理想控制效果，只能調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù)值，即調(diào)節(jié)器的比例帶(PB)、積分時間(I)和
微分時間(D)。
（3）調(diào)節(jié)器更換或維修，或長期運行系統(tǒng)性能變化時，都需進行調(diào)節(jié)參數(shù)重新整定。
（4）調(diào)節(jié)器參數(shù)整定只能在一定范圍內(nèi)起作用。
（5）如果各種儀表選型和安裝不當，單臺儀表沒有調(diào)校好等，單靠調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù)值均不能達到控制 系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)指標要求。
（6）調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法：理論計算和工程整定。理論計算涉及到控制系統(tǒng)的模型辨識問題，難度較 大，不適宜在現(xiàn)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(tǒng)的品質(zhì)指標
（1）穩(wěn)定性(steady)指標 系統(tǒng)受到擾動之后能夠恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的能力。實際控制系統(tǒng)，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(diào)量δp：第一個波峰值減去新穩(wěn)態(tài)值的差值與新穩(wěn)態(tài)值之比的百分數(shù)，σp<30%。
④.振蕩次數(shù) N：被控量的振蕩次數(shù)。一般要求被控量振蕩 2～3 次穩(wěn)定下來最佳。
（2）準確性(accuracy)指標
①.最大動態(tài)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(tài)精度指標。emax 大，說明 動態(tài)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(tài)過程的振蕩加劇。
②.靜態(tài)偏差ε：指動態(tài)過程結(jié)束后，被控量新穩(wěn)態(tài)值與給定值之間的差值。ε越小說明控制系統(tǒng)的靜態(tài) 精度越高，但執(zhí)行機構(gòu)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(fā)生到被控量重新趨于穩(wěn)定達到新的平衡態(tài)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(nèi)，被控量 y(t)的波動值︱y(t)-y(∞)
︱均小于或等于最終穩(wěn)態(tài) 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(tài)第一次達到新穩(wěn)態(tài)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(tài)達到第一個波峰峰值所需時間。
tr 和 tp 都是反映動態(tài)過程進行快慢的指標。tr 和 tp 越小，說明系統(tǒng)慣性越小，動態(tài)過程進行得越快。 3.1.3 PID 調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定方法
（1）、經(jīng)驗湊試法：加擾動、看曲線、調(diào)參數(shù)
①.先用純比例作用湊試，根據(jù)經(jīng)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(tài)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(tài)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(fā)現(xiàn)被控量變化緩慢，不能盡快達到穩(wěn)定值，這是由于 PB 過大或 Ti 過長引起的，但兩 者是有區(qū)別的：PB 過大，曲線漂浮較大，變化不規(guī)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(jù)曲線形狀來改變 PB 或 Ti。
⑥.PB 過小，Ti 過短，Td 太長都會導(dǎo)致振蕩衰減得慢，甚至不衰減，其區(qū)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(xiàn)等幅振蕩，且通過改變調(diào)節(jié)器參數(shù)而不能消除這一現(xiàn)象時，可能是閥門定位器調(diào)校
不準，調(diào)節(jié)器或變送器的放大器調(diào)校不準，調(diào)節(jié)閥傳動部分有間隙（或調(diào)節(jié)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(xiàn)等幅振蕩。這時就不能只注意調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定，而是要檢查與調(diào) 校其它儀表和環(huán)節(jié)
⑧.根據(jù)被控對象特性確定好初始的參數(shù)值 PB、Ti 和 Td
⑨.經(jīng)驗湊試法 流量：控制對象時間常數(shù)小，比例帶應(yīng)大，積分時間應(yīng)小，不用微分作用。 溫度：控制對象時間常數(shù)大，遲延小，常用微分作用。 壓力：控制對象時間常數(shù)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(shù)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(diào)節(jié)器的積分和微發(fā)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(shù)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(jīng)驗公式進行計算。若按這種方式整定的參數(shù)在運行過程中， 其動態(tài)過程曲線還不夠理想，再根據(jù)曲線形狀，對整定的參數(shù)作適當?shù)恼{(diào)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(wěn)定狀態(tài)，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(diào)節(jié)器參數(shù)，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(jīng)驗公式求出調(diào)節(jié)器的參數(shù)值：按該表算出的參數(shù)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(xiàn)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(yīng)用比較廣泛。但對 PBK 很小的控制系統(tǒng)不適用，對被控參數(shù)不允許震蕩的系統(tǒng)也不適用。
（4）、反應(yīng)曲線法
若知道被控對象的特性參數(shù)，即時間常數(shù) T、時間遲延τ和放大系數(shù) K，則可按表給出的經(jīng)驗公式計算出 調(diào)節(jié)器的參數(shù)。利用這種方法整定的結(jié)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(xùn)知識點： 掌握其結(jié)構(gòu)和工作原理，閉環(huán)實驗中掌握 P（PB）、I、D 參數(shù)的設(shè)定方法。
（1）比例（P）作用規(guī)律實驗：通過調(diào)整控制點的方法，將調(diào)節(jié)器的初始輸出狀態(tài)設(shè)置為 0.06 MPa，切除 積分和微分作用。觀察 P 曲線變化規(guī)律。
（2）比例積分（PI）作用規(guī)律實驗：通過調(diào)整控制點的方法，將調(diào)節(jié)器的初始輸出狀態(tài)設(shè)置為 0.02 MPa， 適當加入積分作用，調(diào)整測量值信號，觀察 PI 曲線變化規(guī)律。
（3）比例微分（PD）作用規(guī)律實驗：通過調(diào)整控制點的方法，將調(diào)節(jié)器的初始輸出狀態(tài)設(shè)置為 0.02 MPa， 適當加入微分作用，調(diào)整測量值信號，觀察 PI 曲線變化規(guī)律。
（4）比例積分微分（PID）作用規(guī)律實驗：通過不斷調(diào)節(jié)和優(yōu)化，觀察 PID 曲線，不斷優(yōu)化，調(diào)節(jié)出最優(yōu) PID 設(shè)定點。
4、氣動 PID 燃油粘度控制系統(tǒng)
5、氣動 PID 燃油粘度控制器系統(tǒng)原理圖
3.1.5 數(shù)字 PID 控制器
1、明確數(shù)字 PID、氣動 PID、模擬 PID 三者區(qū)別。
2、數(shù)字 PID 主機燃油溫度控制系統(tǒng)
3.2 壓力開關(guān)（雙位式壓力繼電器）
3.2.1 壓力開關(guān)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(shù)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(shè)定值的設(shè)定：推薦設(shè)定范圍在壓力范圍的 30%—65%之間。
（6）差壓范圍的設(shè)定：可調(diào)式或固定式。
（7）是否有脈動：如果壓力有脈動或振動，需用節(jié)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(guān)。 3.2.2 外形和參數(shù)：
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(tǒng)的測量單元，電動差壓變送器越來越多地應(yīng)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(diào)校方法對控制系統(tǒng)的維護管理，保持控制系統(tǒng)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(diào)整變送器的零點和量程，使得當輸入壓差在規(guī)定的范圍內(nèi)全程變化時，變送器的輸出能在 4～20mA 范圍內(nèi)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(shè)定的壓力分別由相應(yīng) 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(yīng)先使兩個壓力表的調(diào)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(diào)整方法：在變送器的轉(zhuǎn)換電路中設(shè)有兩個電位器分別用于調(diào)整零點和量程。
7、設(shè)量程范圍為 0.2～0.1MPa，則零點和量程的調(diào)整方法的步驟如下：
（1）調(diào)整定值器，并觀察兩個壓力表，使?P=0.2（下限值），調(diào)整調(diào)零電位器，直到變送器輸出為 4mA；
（2）使?P=0.1MPa(上限值)，調(diào)整量程電位器，直到變送器輸出為 20mA；
（3）重復(fù)步驟（1）和（2），直到 0.2～0.1MPa 測量范圍對應(yīng) 4～20mA 標準輸出。
（4）線性、阻尼調(diào)整：除零點和量程調(diào)整外，放大器板的焊接面還有一個線性調(diào)整電位器和阻尼調(diào)整電位器。線性調(diào)整電位器已在出廠調(diào)到了最佳狀態(tài)，現(xiàn)場不再調(diào)整。
3.3.2 電動差壓變送器船舶輔鍋爐水位系統(tǒng)
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(shè)備培訓(xùn)。
3.5 觸摸屏及主要功能
3.5.1 PID 閉環(huán)系統(tǒng)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(diào)的，排水閥門排水 量是固定的，并且在軟件可以設(shè)定（排放量），PID 算法的目的是通過控制進水閥門的開度來穩(wěn)定水池的水 量（即水位）。其中水池水位的設(shè)定值、實際值、排水閥的排量都是可以手動設(shè)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(shù)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(shù)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(shù)設(shè)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(diào)節(jié)，PID 比例增益的倒數(shù)
積分時間：積分作用調(diào)節(jié)，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(diào)節(jié)，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(diào)慢，系統(tǒng)震蕩
過程值定義：
設(shè)定值： 水池水位設(shè)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(qū)設(shè)置： PID 死區(qū)設(shè)置，誤差在死區(qū)之內(nèi)，PID 不動作
注意：進水閥進水量系統(tǒng)設(shè)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(jù) PID 參數(shù)設(shè)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(shè)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(qū)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(tǒng) 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(shè)備配置構(gòu)成：