KNTPGK3 过程控制实训装置实验指导书.docx
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KNTPGK3过程控制实训装置实验指导书
KNT-PGK3过程控制实训装置实验指导书
KNT-PGK3过程控制实训装置
实验指导书
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目 录
使用说明及注意事项 3
第一章实验装置说明 4
第二章系统原理与工艺说明 6
第三章对象特性测试实验 8
第四章上水箱液位特性控制 13
第五章供水流量特性控制 23
第六章供水压力特性控制 27
第七章温度特性控制 31
2
使用说明及注意事项
1、安全注意事项
1)上机实训前必须认真仔细阅读实验指导书。
2)严禁散落长发、衣冠不整操作设备。
3)安装设备时注意不要损坏各种阀件及气动元件。
4)请勿使用损坏的插座或电缆,以免发生触电及火灾。
5)安装时请在清洁平坦的位置,以防发生意外事故。
6)请使用额定电压,以防发生意外事故。
7)必须使用带有接地端子的多功能插座,确认主要插座的接地端子有没有漏电,导电。
8)为了防止机械的差错或故障,请不要在控制器和电磁阀附近放置磁性物品。
9)设备的安装或移动时,请切断电源。
2、使用注意事项
1)长时间不使用设备时请切断电源。
2)在光线直射,灰尘,震动,冲击严重的场所请勿使用。
3)在湿度较大或容易溅到水的场所,以及导电器械,易燃性物品附近请勿使用。
4)请勿用湿手触摸电源插头.防止触电或火灾。
5)用户在任意分解,修理,改造下无法享有正常的保修权利。
6)注意切勿将手以及衣物夹进电机或气缸操作部位。
3
第一章实验装置说明
一、系统方案综述及特点
本系统主要有控制柜、控制对象两大部分组成。
真正模拟了工业现场环境。
它实现了温度、流量、液位、压力4个基本模拟量的单独或配合实验,和触摸屏可选择性监控等功能。
同时也用到数字量方面的基本知识。
这样,学生在这里不仅能学到新的知识,如ifix组态软件、触摸屏的运用等,还能得到前面所学知识的复习和巩固,它是一套综合性的实训设备。
二、系统构成示意图
为了方便学生实验和实训,并根据学校反馈信息,我们将各个部分的安装位置布置如下图:
我们针对系统构成示意图做个简单的说明:
前面说到:
成套过程控制系统分成控制对象和控制柜两大部分。
控制柜内含GE-FANUC标准PAC-3i系统、电源系统、控制面板等,它就相当于实际工业现场的配电室;控制对象内有模拟现场的水塔,还有工业级仪表、各种阀类等显示和执行部件,我们可以把它看成是真正的现场,各个终端实时数据都能在这里采集,方便学生观察于操作。
另外,通过上位机组态,我们可以监控现场情况,这就相当于实际的控制室。
这样,整套设备采用透明有机玻璃挡板,能给学生一个开放的实验环境和工业现场的感觉。
4
技术参数:
项目尺寸电源工作电压 水箱支架变频器水泵比例阀压力变送器过程控制对象温度显示仪表压力指示仪表流量指示仪表流量计液位传感器电磁阀温度传感器加热管材料工具柜PLC数量有机玻璃铝型材1个1个2个1个1个1个1个1个1个1个1个1个Q235钢板1个GEFanuc(学校提供外置技术参数1000×600×1600mmAC220V,50HzDC24V,6A过载或短路保护 西门子南京高华 SMC 备注组件
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第二章系统原理与工艺说明
一、系统原理图
修改前
6
修改后
原理说明:
系统主要有三个水箱、一个泵、以及各个支路上完成不同功能的执行部件和检测元件组成。
当设备不用时,全部的水都在储水箱或者全部放空,用到设备时,先往除储水箱中注水,再泵往两功能水箱注水,超出水位时,水箱通过溢流管回水至储水箱。
当达到要求水位时,通过各个支路之间的配合,完成实验要求。
当做流量实验时:
可设定固定流量值,那系统按照设定流量供水,当需改变系统流量时,只需改变控制终端流量数值,通过控制变频器来增大或者改变系统流量大小。
其他支路配合按照实验要求而定。
现场仪表、触摸屏、监控见面同时显示当前流量值,便于学生对比。
当做压力实验时:
电磁阀1、手动发1可选择闭合,单独测压力这个支路,通过调节支路上的电动执行器,来达到恒定压力的效果。
当压力超过或低于一定值时,系统会相应的调整流量大小来补偿。
当做液位实验时:
可通过电磁阀1、压力支路的开闭或电动执行器2的开
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闭来补充或放走一部分液体,来达到恒定液位的效果。
当做温度实验时:
加温棒将把加温水箱内的水温度加至设定温度,等待温度传感器检测,到达设定温度时,停止加温,温度传感器将进行实时检测,来保证水箱内水温恒定。
做系统实验时:
系统通过压力、流量、液位、温度4个参数之间的配合,做到恒压、恒流量、恒液位、恒温度。
完成实验后:
两功能水箱的水通过手动阀3、4回流至储水箱。
在控制方面:
系统支持HAT协议,输入参数为温度,输出端为比例阀2。
第三章对象特性测试实验
被控对象数学模型的建立通常采用下列二种方法。
一种是分析法,即根据过程的机理,物料或能量平衡关系求得它的数学模型;另一种是用实验的方法确定。
本装置采用实验方法通过被控对象对阶跃信号的响应来确定它的参数及数学模型。
于此法较简单,因而在过程控制中得到了广泛地应用。
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第一节单容自衡水箱液位特性测试实验
一、实验目的
1.掌握单容水箱的阶跃响应测试方法,并记录相应液位的响应曲线;2.根据实验得到的液位阶跃响应曲线,用相应的方法确定被测对象的特征参数K、T和传递函数;
二、实验设备
1.型高级过程控制系统实验装置;2.计算机及相关软件;3.万用电表一只;
三、实验原理
所谓单容指只有一个贮蓄容器。
自衡是指对象在扰动作用下,其平衡位置被破坏后,不需要操作人员或设备等干预,依靠其自身重新恢复平衡的过程。
图2-1所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。
手动阀、电磁阀全开,设上水箱流入量为Q1,改变电动调节阀1的开度可以改变Q1的大小,上水箱的流出量为Q2,改变出水阀的开度可以改变Q2。
液位h的变化反映了Q1与Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。
若将Q1作为被控过程的输入变量,h为其输出变量,则该被控过程的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。
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3-1单容水箱特性测试图
图3-1可知,对象的被控制量为水箱的液位h,控制量是流入水箱中的流量Q1,手动阀V1和V2的开度都为定值,Q2为水箱中流出的流量。
根据物料平衡关系,在平衡状态时
Q10-Q20=0
动态时,则有
Q1-Q2=
dV dt
式中V为水箱的贮水容积。
dVAdh。
dV为水贮存量的变化率,它与h的关系为dt即
dVdh=A
dtdt10
A为水箱的底面积。
把式代入式得
Q1-Q2=A基于Q2=
dh dth,RS为阀V2的液阻,则上式可改写为RShdhQ1-=ARSdtdh+h=KQ1dt即
ARS
或写作
H(s)K= Q1(s)TS1式中T=ARS,它与水箱的底面积A和V2的RS有关;K=RS。
式就是单容水箱的传递函数。
R0若令Q1=S,R0=常数,则式可改为
H=
K/TR0R0KR0×=K-11SSSSTT对上式取拉氏反变换得
h(t)=KR0(1-e-t/T)
当t—>∞时,h=KR0,因而有K=h/R0=输出稳态值/阶跃输入当t=T时,则有
h(T)=KR0(1-e-1)==(∞)
式表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数,如图3-2所示。
图3-2单容水箱的单调上升指数曲线
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当实验求得图3-2所示的阶跃响应曲线后,该曲线上升到稳态值的63%所对应的时间,就是水箱的时间常数T。
该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线,切线与稳态值交点所对应的时间就是时间常数
T,响应曲
线求得K和T后,就能求得单容水箱的传递函数如式所示。
图3-3单容水箱的阶跃响应曲线
如果对象的阶跃响应曲线为图2-3,则在此曲线的拐点D处作一切线,它与时间轴交于B点,与响应稳态值的渐近线交于A点。
图中OB即为对象的滞后时间τ,BC为对象的时间常数T,所得的传递函数为:
KesH(S)=
1Ts四、实验控制系统流程
上水箱液位检测信号LT1为标准的模拟信号,传送到控制器GE的PLC上,现场的4-20mA信号到CPU的传送。
五、实验内容与步骤
本实验选择上水箱作为被测对象。
实验之前先将储水箱中贮足水量,然后将与上水箱的相连的进水阀门全开,将上水箱出水阀门开至适当开度,其余阀门均关闭。
1、接通控制柜电源:
先开总电源,再逐个开分项电源;
2、等待CPU运行正常,即没有红灯亮或闪烁时,查看触摸屏画面,观察当前参数与阀门状态;
3、触摸屏切换到阀控制回路,在手动阀都打开后,顺序打开电磁阀,注意电动阀要关闭;
4、在触摸屏界面上面的画面中点击“手动”,并将设定值和输出值设置为一个合适的值;
5、启动磁力驱动泵,注意变频器设定为定值,磁力驱动泵上电打水,适当
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增加/减少输出量,使上水箱的液位平衡于设定值;
6、点击界面中间的“曲线”键,在界面的右方将显示液位的变化曲线。
7、在触摸屏界面窗口改变给定的变频器数值,使其输出有一个正阶跃增量的变化,使水箱液位上升或下降,经过一定时间的调节后,水箱的液位进入新的平衡状态,其响应曲线如图3-4所示。
图3-4单容箱特性响应曲线
8、观察触摸屏监控界面A水箱液位的阶跃响应曲线。
9、实验曲线所得的结果填入下表。
参数值测量值正阶跃输入负阶跃输入平均值放大系数K 周期T 时间常数τ 液位h 10、实验完毕后,在触摸屏上依次关闭工频磁力泵、电磁阀,顺序不可颠倒;
11、最后关闭电源:
先关分项电源,最后关闭总电源,逐渐减小负荷。
六、实验报告
1.画出单容水箱特性测试实验的结构框图。
2.根据实验测得的数据和曲线,分析并计算出单容水箱液位对象时的参数及传递函数。
3、实验心得体会。
七、思考题
1.在实验进行过程中,为什么不能任意改变出水口阀开度的大小?
2.用响应曲线法确定对象的数学模型时,其精度与那些因素有关?
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第四章上水箱液位特性控制
第一节单回路控制系统的概述
一、单回路控制系统的概述
图4-1为单回路控制系统方框图的一般形式,它是被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成一个单闭环控制系统。
系统的给定量是某一定值,要求系统的被控制量稳定于给定量。
于这种系统结构简单,性能较好,调试方便等优点,故在工业生产中已被广泛应用。
+-图4-1单回路控制系统方框图
二、干扰对系统性能的影响
1、干扰通道的放大系数、时间常数及纯滞后对系统的影响。
干扰通道的放大系数Kf会影响干扰加在系统中的幅值。
若系统是有差系统,则干扰通道的放大系数愈大,系统的静差也就愈大。
如果干扰通道是一惯性环节,令其时间常数为Tf,如果时间常数Tf越大,干扰对被控量的作用就越小。
通常干扰通道中还会有纯滞后环节,它使被调参数的响应时间滞后一个τ值,但不会影响系统的调节质量。
2、干扰进入系统中的不同位置。
复杂的生产过程往往有多个干扰量,它们作用在系统的不同位置,如图3-2
所示。
同一形式、大小相同的扰动作用在系统中不同的位置所产生的静差是
不一样的。
对扰动产生影响的仅是扰动作用点前的那些环节。
图4-2扰动作用于不同位置的控制系统
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三、控制规律的选择
PID
控制规律及其对系统控制质量的影响已在有关课程中介绍,在此将有
关结论再简单归纳一下。
1、比例(P)调节
纯比例调节器是一种最简单的调节器,它对控制作用和扰动作用的响应都很快。
于比例调节只有一个参数,所以整定很方便。
这种调节器的主要缺点是系统有静差存在。
其传递函数为
GC(s)=KP=
式中KP为比例系数,δ为比例带。
2、比例积分(PI)调节
PI调节器就是利用P调节快速抵消干扰的影响,同时利用I调节消除残差,但I调节会降低系统的稳定性,这种调节器在过程控制中是应用最多的一种调节器。
其传递函数为
GC(s)=KP(1+
式中TI为积分时间。
3、比例微分(PD)调节
这种调节器于有微分的超前作用,能增加系统的稳定度,加快系统的调节过程,减小动态误差,但微分抗干扰能力较差,且微分过大,易导致调节阀动作向两端饱和。
因此一般不用于流量和液位控制系统。
PD调节器的传递函数为
GC(s)=KP(1+TDs)=
式中TD为微分时间。
4、比例积分微分(PID)调节器PID
是常规调节器中性能最好的一种调节器。
于它具有各类调节器的优
111)=(1+) (4-2)TIsTsI1 (4-1)1(1+TDs) (4-3)点,因而使系统具有更高的控制质量。
它的传递函数为
GC(s)=KP(1+
111+TDs)=(1++TDs) (4-4)TIsTsI15
图4-3表示了同一对象在相同阶跃扰动下,采用不同控制规律时具有相同衰减率的响应过程。
图4-3各种控制规律对应的响应过程
四、调节器参数的整定方法
调节器参数的整定一般有两种方法:
一种是理论计算法,即根据广义对象的数学模型和性能要求,用根轨迹法或频率特性法来确定调节器的相关参数;另一种方法是工程实验法,通过对典型输入响应曲线所得到的特征量,然后查照经验表,求得调节器的相关参数。
工程实验整定法有以下四种:
经验法
若将控制系统按照液位、流量、温度和压力等参数来分类,则属于同一类别的系统,其对象往往比较接近,所以无论是控制器的形式还是所整定的参数均可相互参考。
表3-1为经验法整定参数的参考数据,在此基础上,对调节器
11的参数作进一步修正。
若需加微分作用,微分时间常数按TD=(~)TI计算。
34表3-1经验法整定参数
系统温度流量压力液位参数δ(%)20~6040~10030~7020~80TI(min)3~10~1~3TD(min)~3
(二)临界比例度法
这种整定方法是在闭环情况下进行的。
设TI=∞,TD=0,使调节器工作在纯比例情况下,将比例度大逐渐变小,使系统的输出响应呈现等幅振荡,如图
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4-4所示。
根据临界比例度δk和振荡周期TS,按表3-2所列的经验算式,求取调节器的参考参数值,这种整定方法是以被控量的动态曲线按4:
1衰减为目标。
图4-4具有周期TS的等幅振荡
表3-2临界比例度法整定调节器参数
调节器参数调节器名称PPIPIDδ2δkδkδkTI(S)TS/TD(S) 临界比例度法的优点是应用简单方便,但此法有一定限制。
首先要生产过程能承受受控变量等幅振荡的波动,其次是受控对象应是二阶以上或具有纯滞后的一阶以上的环节,否则在比例控制下,系统是不会出现等幅振荡的。
在求取等幅振荡曲线时,应特别注意控制阀出现开、关的极端状态。
衰减曲线法
图4-54:
1衰减曲线法图形
在闭环系统中,先把调节器设置为纯比例作用,然后把比例度大逐渐减小,加阶跃扰动观察输出响应的衰减过程,直至出现图4-5所示的4:
1衰减过程为止。
这时的比例度称为4:
1衰减比例度,用δS表示之。
相邻两波峰间的距离称为4:
1衰减周期TS。
根据δS和TS,运用表4-3所示的经验公式,就可计算出调节器预整定的参数值。
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表4-3衰减曲线法计算公式
调节器参数调节器名称PPIPIDδδSδSδSTI(min) TD(min) TS动态特性参数法
所谓动态特性参数法,就是根据系统开环广义过程阶跃响应特性进行近似计算的方法,即根据第二章中对象特性的阶跃响应曲线测试法测得系统的动态特性参数,利用表4-4所示的经验公式,就可计算出对应于衰减率为4:
1时调节器的相关参数。
如果被控对象是一阶惯性环节,或具有很小滞后的一阶惯性环节,若用临界比例度法或阻尼振荡法就有难度,此时应采用动态特性参数法进行整定。
表4-4经验计算公式
调节器参数调节器名称PδTITDK×100%PIK×100%TK×100%τPIDττ
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第二节上水箱液位PID整定实验
一、实验目的
1、了解单容液位定值控制系统的结构与组成。
2、掌握单容液位定值控制系统调节器参数的整定和投运方法。
3、研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。
4、了解P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位控制的作用。
二、实验设备
1.过程控制系统实验装置。
2.计算机及相关软件。
3.万用电表一只。
三、实验原理
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本实验系统结构图和方框图如图4-6所示。
被控量为上水箱的液位高度,实验要求它的液位稳定在给定值。
将超声波传感器检测到的上水箱液位信号作为反馈信号,在与给定量比较后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度,以达到控制上水箱液位的目的。
为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制,系统的调节器应为PI或PID控制。
四、实验控制系统流程
上水箱液位检测信号LT1为标准的模拟信号,传送到控制器GE的PLC上,现场的4-20mA信号到CPU的传送。
五、实验内容与步骤
本实验选择作上水箱为被测对象,实验之前先将储水箱中贮足水量,然后将上水箱的进水阀门全开,将上水箱出水阀门开至适当开度,40%-70%,其余阀门均关闭。
水位控制分为2路基本控制,一路是工频磁力泵加电动调节阀的控制方式,另外一路是变频磁力泵加电磁阀的控制方式。
当然也可以,2
路调节一起使用,基于他们的基本原理都是一样的,我们
就参照2路基本的回路调节进行讲解。
工频泵加电动调节阀控制方式
在触摸屏的操作画面上,切换到手动控制和阀控制。
这时候启动工频磁力泵,在操作画面上左侧的控制区域的输出项中手动设定阀门的开度,等实际的水位值达到设定值以后,投入自动,适当改变调节的参数值,观察曲线变化的情况,查看参数改变对调节回路的影响。
正常情况下,当实际水位小于设定值时,阀门会逐渐开大,直到阀门全开,慢慢的,水位慢慢上升至设定值,阀门会逐渐关小,直到最后,阀门全部关闭。
为了模拟显示工业环境下的用水,可以打开手动阀进行排水,以达到模拟的效果。
这时候随着时间的推移,水位肯定会有下降,阀门的开度会逐渐变大,直到最后,进水和出水的水量一致时,阀门的开度稳定一个范围内。
六、实验步骤:
1、接通控制柜电源:
先开总电源,再逐个开分项电源;
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五、注意事项
在系统正常运行过程中,请不要切换到水位控制和压力控制回路中,因为这三个控制回路使用都是相同的控制对象,从一个控制回路切换到另外一个控制回路,会引起调节的混乱。
如需要切换,请先停下当前的控制回路,切换到手动控制模式,然后将各个设备打开或者关闭。
在变频泵控制模式下,可以通过在控制画面右面的工艺图中点击调节阀的图标,手动设定调节阀阀门的开度,同理,阀门控制的时候可以手动调节变频器的转速。
六、实验报告要求
1.画出单闭环流量定值控制实验的结构框图。
2.用实验方法确定调节器的相关参数,写出整定过程。
3.根据实验数据和曲线,分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。
4.比较不同PI参数对系统的性能产生的影响。
5.分析P、PI、PD、PID四种控制方式对本实验系统的作用。
七、思考题
1.如果采用变频器支路做实验,其响应曲线与电动阀支路的曲线有什么异同?
并分析差异的原因。
2.改变比例度δ和积分时间TI对系统的性能产生什么影响?
3.在本实验中为什么采用PI控制规律,而不用纯P控制规律?
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安全事项
1、在相应阀门未打开的情况下,禁止开泵;2、相应阀门和泵开启后一定要先关泵,再顺序关阀;3、若需要查看仪表内部接线或结构,请先关闭电源;4、定期排水清理,待A、B、C水箱和储水箱水都排完并清理后再给储水箱加水,以2/3为宜;5、在空开上电的情况下,电源柜内禁止随便触摸,尤其是接线部位;6、操作触摸屏时,请严格按照实验指导书上的步骤;7、电动阀开启或关闭需要一定的时间,大概10-15s,请等待开到位或者关到位后再开启或关闭下个阀门;8、PLC模块在上电的时候禁止随意插拔;9、请不要踩在管道上;10、请不要往水箱里扔杂物,以防堵管;27
第六章供水压力特性控制
一、实验目的
1、了解压力控制系统的结构组成与原理;2、掌握压力控制系统调节器参数的整定方法;
3、研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响;4、研究P、PI、PD和PID四种控制分别对压力系统的控制作用。
二、实验设备三、实验原理
图6-1压力定值控制系统
压力控制分为2路基本控制,一路是工频磁力泵加电动调节阀的控制方式
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另外一路是变频磁力泵加电磁阀的控制方式。
基于他们的基本原理都是一样的,我们就参照2路基本的回路调节进行讲解。
四、实验内容与步骤
本实验的目的与原理并参照前面液位特性控制中相应方案进行,这里不再详述。
1、工频泵加电动调节阀控制方式实验步骤以及准备工作:
1)在触摸屏的主画面上,选择使用阀控制,并切换到手动控制模式;2)电动球阀打开。
3)电磁阀关闭,相关的手动阀门关闭,防止水打回去;4)将电动调节阀的阀位设置到30%的开度;
5)在控制画面的压力设定栏中输入压力设定值,比如40kpa,经过实验,压力设定值在25~50kpa范围内,调节效果较好。
6)在参数设定框内设定初始的调节参数KP和TI.
这时候启动工频磁力泵,在操作画面上左侧的控制区域的输出项中手动设定阀门的开度,等实际的压力值达到设定值以后,投入自动,适当改变调节的参数值,观察曲线变化的情况,查看参数改变对调节回路的影响。
正常情况下,当实际压力小于设定值时,阀门会逐渐开大,直到阀门全开,慢慢的,压力慢慢上升至设定值,阀门会逐渐关小,知道最后,阀门稳定在一个合适的范围内。
推荐参数:
Kp=
Ti=5,在阀门开度30%的时候从手动切换到自动调节模式。
2、变频泵加电磁阀的控制方式
变频泵的调节方式跟调节阀的方式差不多。
准备工作:
1)在触摸屏的主画面上,选择使用泵阀控制,并切换到手动控制模式;
2)电动球阀关闭,其它相关阀门关闭,上水箱出水阀门在达到一定时保持
适当开度。
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3)相关的阀门关闭,防止水打回去; 4)将变频器的频率设定设置到80%的开度;
5)在控制画面的压力设定栏中输入压力设定值,比如40kpa,经过实验,压力设定值在25~50kpa范围内,调节效果较好。
6)在参数设定框内设定初始的调节参数KP和TI.
这时候启动变频磁力泵,在操作画面上左侧的控制区域的输
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