一.產(chǎn)品介紹
船舶自動化儀表綜合實(shí)驗(yàn)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(shí)訓(xùn)評估的需要進(jìn)行專門設(shè)計(jì)與開發(fā)而成。
1. 海事標(biāo)準(zhǔn)
1.1《中華人民共和國船員培訓(xùn)管理規(guī)則實(shí)施辦法》標(biāo)準(zhǔn)輪機(jī)員培訓(xùn)需滿足船用氣動/電動儀表試驗(yàn)及調(diào)試 要求：
①.自動化儀表試驗(yàn)臺 10 臺
②.每個(gè)試驗(yàn)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(yàn)臺設(shè)計(jì)要求
2.1 自動化儀表試驗(yàn)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(yàn)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(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行試驗(yàn)及校準(zhǔn)的教學(xué)與培訓(xùn)，實(shí)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(yàn)臺實(shí)現(xiàn)的功能
（1）.濾器放殘及氣壓調(diào)節(jié)，提供標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)；
（4）.電動差壓變送器的調(diào)節(jié)和性能試驗(yàn)，掌握零點(diǎn)-量程-正遷移/負(fù)遷移調(diào)節(jié)方法及維護(hù)管理要點(diǎn)；
（5）.壓力開關(guān)（雙位式壓力繼電器）試驗(yàn)：設(shè)定上下限參數(shù)和副差進(jìn)行雙位式調(diào)節(jié)、參數(shù)越限報(bào)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(jī)控制等功能；掌握壓力繼電器的設(shè)定方法及 維護(hù)管理要點(diǎn)；
（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(shí)現(xiàn)氣動 P、氣動 PI、氣動 PD、氣動 PID 的控制規(guī)律試驗(yàn)；
（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(shí)現(xiàn)電動 P、電動 PI、電動 PD、電動 PID 的控制規(guī)律試驗(yàn)；
（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(yàn)與校準(zhǔn)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(yàn)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(zhǔn)。
（12）船舶自動化儀表試驗(yàn)臺盡可能為大管輪培訓(xùn)傳感器校準(zhǔn)項(xiàng)目預(yù)留空間。 3. 功能單元實(shí)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(jī)構(gòu)、顯示器的零點(diǎn)(ZERO)、起點(diǎn)(OFFSET)、量程和行程(GAIN)必須進(jìn)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(shí)間(I)和
微分時(shí)間(D)。
（3）調(diào)節(jié)器更換或維修，或長期運(yùn)行系統(tǒng)性能變化時(shí)，都需進(jìn)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(dāng)，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(dá)到控制 系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)指標(biāo)要求。
（6）調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法：理論計(jì)算和工程整定。理論計(jì)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(jìn)行。在實(shí)際中通常采用工程整定的方法。
3.1.2 評價(jià)反饋控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)
（1）穩(wěn)定性(steady)指標(biāo) 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(shí)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(gè)波峰值減去第二個(gè)同相波峰值后除以第一個(gè)波峰值，φ=0.75~0.9。
②.衰減比λ：第一個(gè)波峰值與第二個(gè)同相波峰值的比值，λ=4:1。
③.超調(diào)量δp：第一個(gè)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?jǐn)?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(zhǔn)確性(accuracy)指標(biāo)
①.最大動態(tài)偏差 emax：指在衰減振蕩中第一個(gè)波峰與給定值的差值，它是動態(tài)精度指標(biāo)。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?yàn)?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(jī)構(gòu)動作頻繁，增大磨損。
（3）快速性(quick-response)指標(biāo)
①.過渡過程時(shí)間 ts：從擾動發(fā)生到被控量重新趨于穩(wěn)定達(dá)到新的平衡態(tài)所需的時(shí)間。 一般取Δ＝0.02，或Δ＝0.05。上式的物理意義是，當(dāng) t ≥ t s 的時(shí)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(shí)間 tr：衰減振蕩中被控量從初始平衡態(tài)第一次達(dá)到新穩(wěn)態(tài)值 y(∞)所需時(shí)間。
③.峰值時(shí)間 tp：衰減振蕩中被控量從初始平衡態(tài)達(dá)到第一個(gè)波峰峰值所需時(shí)間。
tr 和 tp 都是反映動態(tài)過程進(jìn)行快慢的指標(biāo)。tr 和 tp 越小，說明系統(tǒng)慣性越小，動態(tài)過程進(jìn)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(yàn)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(yàn)選擇合適的 PB 值，積分時(shí)間選擇無窮大，微分時(shí)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(shí)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(jìn)行湊試，PB 減少 20％，積分時(shí)間縮短一些，微分時(shí)間取積分時(shí)間的 1/4，觀察最 大靜態(tài)偏差和過渡過程時(shí)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(dá)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(shí)，可能是閥門定位器調(diào)校
不準(zhǔn)，調(diào)節(jié)器或變送器的放大器調(diào)校不準(zhǔn)，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(shí)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(yàn)湊試法 流量：控制對象時(shí)間常數(shù)小，比例帶應(yīng)大，積分時(shí)間應(yīng)小，不用微分作用。 溫度：控制對象時(shí)間常數(shù)大，遲延小，常用微分作用。 壓力：控制對象時(shí)間常數(shù)及遲延都較小，不用微分作用。 液位：允許有靜差時(shí)，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(shí)試湊二個(gè)或三個(gè)參數(shù)要簡單得多），使之符合 4:1 衰減比的要求，記下此時(shí)的 比例帶 PBS，和振蕩周期 TS。 如果加進(jìn)積分和微分作用，可按表中給出的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。若按這種方式整定的參數(shù)在運(yùn)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(dāng)?shù)恼{(diào)整。對有些被控對象，控制過程 進(jìn)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(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，可近似認(rèn)為是 4:1 的 衰減過程，其波動一次時(shí)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(dá)到等幅振蕩時(shí)，記下此時(shí)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(yàn)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(jì)算 值稍大一點(diǎn)的值上，把 Ti 和 Td 放在計(jì)算值上，進(jìn)行現(xiàn)場運(yùn)行觀察，如果比例帶可以減小，再將 PB 放在 計(jì)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(shí)間常數(shù) T、時(shí)間遲延τ和放大系數(shù) K，則可按表給出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)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(dá)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(shí)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(diǎn)： 掌握其結(jié)構(gòu)和工作原理，閉環(huán)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)：通過調(diào)整控制點(diǎn)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(shí)驗(yàn)：通過調(diào)整控制點(diǎn)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(dāng)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(shí)驗(yàn)：通過調(diào)整控制點(diǎn)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(dāng)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(shí)驗(yàn)：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(diǎn)。
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(jī)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(diǎn)
（1）防護(hù)等級的必要性，隔爆型與防護(hù)等級。
（2）是否需要帶動作指示。
（3）接點(diǎn)數(shù)量：一接點(diǎn)（一個(gè)輸出）或兩接點(diǎn)（兩個(gè)輸出）。
（4）借助萬用表正確判斷接點(diǎn)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(diǎn) 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(jī)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(hù)管理，保持控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行具有重要 的實(shí)際意義。
2、能夠進(jìn)行正確的電路連接和管路連接。
3、調(diào)整變送器的零點(diǎn)和量程，使得當(dāng)輸入壓差在規(guī)定的范圍內(nèi)全程變化時(shí)，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(shí)驗(yàn)臺上的兩個(gè)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(jìn)行指示和輸出。在進(jìn)行氣路連接時(shí)，應(yīng)先使兩個(gè)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(fù)壓室（L）。 5、電路連接：實(shí)驗(yàn)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(shí)際使用 中，變送器的輸出往往帶有負(fù)載，隨著輸出負(fù)載的不同，變送器的電源電壓范圍為 12～45VDC。 6、零點(diǎn)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(gè)電位器分別用于調(diào)整零點(diǎn)和量程。
7、設(shè)量程范圍為 0.2～0.1MPa，則零點(diǎn)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)輸出。
（4）線性、阻尼調(diào)整：除零點(diǎn)和量程調(diào)整外，放大器板的焊接面還有一個(gè)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(yàn)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(zhǔn)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(gè)進(jìn)水閥門和一個(gè)排水閥門，進(jìn)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(jìn)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(shí)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(shí)間 軸（橫軸）不同，上面一條時(shí)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(shí)間軸是 1000s，目的是為了觀察參數(shù)變化的整個(gè)過程。
3.5.2 實(shí)時(shí)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(jì)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(shí)間：積分作用調(diào)節(jié)，積分因子 = 積分時(shí)間 / 采樣周期，積分時(shí)間越長，積分作用越強(qiáng) 微分時(shí)間：微分作用調(diào)節(jié)，微分因子 = 采樣周期 / 微分時(shí)間，微分時(shí)間越短，微分作用越強(qiáng)。 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(shí)際值： 水池水位實(shí)際值，可修改
排放量： 排放量，可修改，每個(gè)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(jìn)水閥進(jìn)水量系統(tǒng)設(shè)定在 0-100 之間， 每個(gè)周期的注水量（水位上升值）為 0.02 * 進(jìn)水量，因此
每次新增的水量（水位的變化）為：0.02 * 進(jìn)水量 - 0.03 * 排水量。 PID 因子計(jì)算值：
根據(jù) PID 參數(shù)設(shè)定值自動計(jì)算的 PID 三個(gè)因子的值 比例因子： 1 / 比例帶
積分因子：積分時(shí)間 / 采樣周期
微分因子：采樣周期 / 微分時(shí)間， 如果微分時(shí)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(shí)增量式 PID 算法本身 自動的抑制了積分過飽和，其最終計(jì)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(jì)算值可能會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過工程最大值。
二.設(shè)備配置構(gòu)成：