过程控制系统设计备课讲稿

第三章过程控制系统(kònɡzhìxìtǒnɡ)设计第一页，共60页。主要内容过程控制的设计任务、步骤和系统(xìtǒng)设计方法流量计和调节阀的计算方法3过程控制系统(kònɡzhìxìtǒnɡ)设计第二页，共60页。3.1过程控制系统(kònɡzhìxìtǒnɡ)设计步骤

过程控制的目标与任务:通过(tōngguò)对系统的设计来完成。具体步骤:1．根据工艺要求和控制目标确定系统变量2．建立数学模型3．确定控制方案4．选择硬件设备5．选择控制算法，进行控制器设计6．软件设计7.设备安装(ānzhuāng)、调试与整定、运行

第三页，共60页。3.2确定控制(kòngzhì)变量与控制(kòngzhì)方案3.2.1确定控制目标:根据(gēnjù)稳定性、安全性和经济性原则。1．被控变量在定性地确定目标以后，需要用工业过程的被控变量来定量地表示(biǎoshì)控制目标。被控变量也是工业过程的输出变量。第四页，共60页。（1）对控制目标起重要影响的输出变量作为被控变量；（2）可直接控制目标质量的输出变量作为被控变量；（3）选择与控制（或操作）变量之间的传递函数比较简单、动态(dòngtài)和静态特性较好的输出变量作为被控变量（4）有些系统存在控制目标不可测的情况，则可测量其它能够可靠测量、与控制目标有一定关系的输出变量，作为辅助被控变量。选择(xuǎnzé)的基本原则第五页，共60页。两类：控制（或操作(cāozuò)）变量、扰动变量。控制（或操作(cāozuò)）变量：由操作(cāozuò)者或控制机构调节的变量。选择的基本原则为：2．输入(shūrù)变量(1)选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为控制变量(2)选择变化范围较大的输入变量作为控制变量，以便易于控制；(3)在此的基础上选择对被控变量作用(zuòyòng)较快的输入变量作为控制变量，使控制的动态响应较快；(4)在复杂系统中，存在多个控制回路，即存在多个控制变量和多个被控变量。所选择的控制变量对相应的被控变量有直接影响，而对其他输出变量的影响应该尽可能的小，以便使不同控制回路之间的关联比较小。第六页，共60页。3.2.2确定控制(kòngzhì)方案

工业过程的控制目标以及输入输出变量(biànliàng)确定以后，控制方案就可以确定了。控制方案应该包括控制结构和控制算法。1．控制结构有两种：（1）

反馈控制利用被控变量的直接测量值，调节控制变量，使被控变量保持(bǎochí)在预期值。第七页，共60页。第八页，共60页。（2）

前馈控制(kòngzhì)

利用扰动量的直接测量值，调节控制变量(biànliàng)，使被控变量(biànliàng)保持在预期值。第九页，共60页。

2．控制算法

控制方案确定以后，需要选择合适的控制算法，根据控制算法进行(jìnxíng)控制器设计。第十页，共60页。3.3过程控制系统(kònɡzhìxìtǒnɡ)硬件选择

根据过程控制的输入输出变量以及控制要求，可以选定(xuǎndìnɡ)系统硬件，包含控制装置、测量仪表、传感器、执行机构和报警、保护、连锁等部件。过程控制系统硬件选择的原则(yuánzé):保证控制目标和控制方案的实施。

1、控制装置

简单的过程控制系统可以选择单回路控制器，对于比较复杂的系统需要用计算机控制。

第十一页，共60页。用于过程(guòchéng)控制的计算机控制设备多采用DCS（集散控制系统）或PLC（可编程序控制器）。模拟量控制回路较多，开关量较少的过程(guòchéng)控制系统宜采用DCS控制；模拟量控制回路较少，开关量较多的过程(guòchéng)控制系统宜采用PLC控制。第十二页，共60页。2、测量仪表(yíbiǎo)和传感器的选型原则检测部件一般宜采用定型产品(chǎnpǐn)，设计过程控制系统时，根据控制方案选择测量仪表和传感器。第十三页，共60页。（1）可靠性原则可靠性是指产品在一定的条件下，能长期而稳定地完成规定(guīdìng)功能的能力。是测量仪表和传感器的最重要选型原则。（2）

实用性原则完成具体功能要求的能力和水平。根据工艺要求考虑实用性，既要保证功能的实现，又应考虑经济性，并非功能越强越好。（3）先进性原则应该尽量采用先进的设备。选型原则(yuánzé)第十四页，共60页。3.4节流(jiéliú)元件1．流量流体在单位时间内流过管道或设备某处横断面的数量成为流量。流过的数量按体积(tǐjī)计算称为体积(tǐjī)流量；按质量计算的称为质量流量。第十五页，共60页。2．雷诺数管道内流量小时，压差与流量成正比；流量变大后，压差大致与流量的平方成正比。在压差与流量成正比的范围内，流体的流动状态为层流；在压差与流量的平方成正比的范围内，流体的流动状态为紊流。从层流到紊流的分界线不仅与流量有关，而且与流体的密度、粘度和管道内径有关。在流体力学中，此现象用雷诺实验可以(kěyǐ)验证，并用雷诺数表征。雷诺数是流体惯性力与粘性力之比。第十六页，共60页。流量计类型(lèixíng)主要几类：(1)压差式流量计：流体通过管道内节流装置(zhuāngzhì)时，根据流量与节流装置(zhuāngzhì)前后压差的关系来计量。(2)速度式流量计：管道内流体的速度推动叶轮旋转，根据叶轮转速与流体流速成正比的关系来计量。（3）容积式流量(liúliàng)计：流体连续通过一定容积之后，进行流量(liúliàng)累计的原理来计量。（4）其他类型流量(liúliàng)计：如电磁流量(liúliàng)计、超声波流量(liúliàng)计等。第十七页，共60页。用节流元件(yuánjiàn)测流量1、原理(yuánlǐ)：2、取压方式(fāngshì)：（1）径距取压；（2）法兰取压；（3）角接取压。第十八页，共60页。3.5调节阀选择(xuǎnzé)在过程(guòchéng)控制系统中，最常用的执行机构是调节阀。调节阀是按照控制器（调节器或操作器）所给定的信号大小和方向，改变阀的开度，以实现调节流体流量的装置。把控制器比喻为自动调节系统中的“头脑”,则调节阀就是自动调节系统的“手脚”。第十九页，共60页。3.5.1调节阀计算(jìsuàn)基础

1．调节阀的工作原理和流量方程式调节阀是一节流元件。设流体是不可压缩的，且充满管道，则根据能量不灭定律（Bernoulli方程式）和流体的连续性定律可知：通过(tōngguò)阀的体积流量QV与阀的有效流通截面积A和通过(tōngguò)阀前后的压降的平方根成正比，与流体的密度和阀的阻力系数的平方根成反比，即第二十页，共60页。设C为包含(bāohán)在内的比例系数，则式中第二十一页，共60页。2.流量系数(xìshù)的定义（1）温度为5~10℃的水，在105Pa的压降下，每小时流过调节阀水量的立方米数。以符号Kv表示。(2)温度为60℉的水，在1psi(磅/平方英寸）的压降下，每分钟流过调节阀水量的加仑(jiālún)数。以符号Cv表示。Kv=0.8569Cv或Cv=1.167Kv第二十二页，共60页。3．阻塞流在阀前压力P1保持一定(yīdìng)时，通过阀的流量随阀上压降的增大而增大，当达到某一临界状况时，流量将不再随变化，而是达到一个最大的极限值，这种流动状况称为阻塞流。阻塞流情况下，计算流量系数，对不可压缩流体、低雷诺数流体尤其是可压缩流体，均需要修正。第二十三页，共60页。4．调节阀的可调比（1）可调比定义指该阀所能调节的最大流量(liúliàng)和最小流量(liúliàng)的比值，

R=第二十四页，共60页。式中，是调节阀可控流量的下限值，通常(tōngcháng)为最大流量的10%左右，最低约为2%~4%。当调节阀两端压差不变时，阀的可调比称为理想可调比，为R===

理想可调比：是阀的最大和最小流通(liútōng)能力之比。理想可调比越大越好。第二十五页，共60页。（2）实际可调比在实际使用中，调节阀前后的压降是随管道阻力(zǔlì)的变化而改的。有旁路的调节阀，打开旁路阀时调节阀的可调比也会改变。调节阀实际控制的最大和最小流量之比称为实际可调比。第二十六页，共60页。①串联管道在串联管道系统的总压降一定(yīdìng)时，随着流量的增加，串联管路的阻力损失相应增大，调节阀上的压降相对减少，从而调节阀所能流通的最大流量减少。串联管道上调节阀的实际可调比会降低。第二十七页，共60页。令串联管道调节阀的实际可调比为RS，则RS===R---理想可调比；--调节阀全开时阀上的压降；--调节阀最小开度下阀上的压降，它接近(jiējìn)于管路系统的总压降值。第二十八页，共60页。由此可得RS≈R=Rs=即压降比。可见(kějiàn)，S值越小，实际可调比也越小。第二十九页，共60页。在实际应用(yìngyòng)中为了确保调节阀有一定的可调比，阀全开时的压降应在管路系统中占有合适的比例。通常S值在0.3~0.6范围内。第三十页，共60页。②并联管道旁路流量的存在(cúnzài)，相当于通过调节阀的最小流量增大，使调节阀的实际可调比降低。设实际可调比为Rp，则Rp=总管最大流量／(阀体部件最小流量+旁路流量)=第三十一页，共60页。调节阀在并联管道上的实际(shíjì)可调比近似为总管最大流量与旁路流量的比值，随旁路程度B值的减小而降低。实用时应使B值大于0.8为好。第三十二页，共60页。调节阀的流量(liúliàng)特性

指流体流过阀门(fámén)的相对流量和相对开度之间的函数关系，即Qr＝Qr=Q／Q100—相对流量，阀在某一开度下的流量与全开时流量的比；Lr=l/l100 —相对开度，阀在某一开度的行程与全开时行程的比。第三十三页，共60页。1．理想流量特性是阀前后压差保持不变的特性。有直线(zhíxiàn)、对数、抛物线、快开等四种。第三十四页，共60页。(1)直线流量特性指调节阀的单位相对位移的变化所引起(yǐnqǐ)的相对流量的变化是常数。其数学表达式为

K为常数，调节阀的放大系数。第三十五页，共60页。第三十六页，共60页。直线特性的调节阀在开度变化相同的情况下，当流量(liúliàng)小时，流量(liúliàng)的变化值相对较大，调节作用较强，易产生超调和引起振荡；流量(liúliàng)大时，流量(liúliàng)变化值相对较小，调节作用进行缓慢，不够灵敏。第三十七页，共60页。（2）对数流量特性又称等百分比特性，是调节阀单位相对(xiāngduì)开度的变化所引起的相对(xiāngduì)流量的变化和此点的相对(xiāngduì)流量成正比关系。数学表达式为

第三十八页，共60页。第三十九页，共60页。图中b为对数流量特性曲线.曲线的放大系数是随开度的增大而递增的.在同样的开度变化值下，流量小时（小开度时）流量的变化也小（调节阀的放大系数小），调节平稳缓和.流量大时（大开度时）流量的变化也大（调节阀的放大系数大），调节灵敏有效.无论是小开度还是大开度，相对流量的变化率都是相等(xiāngděng)的，流量变化的百分比是相同的.第四十页，共60页。（3）抛物线流量特性阀的相对流量与相对流量的平方根成正比的关系(guānxì)的特性。其数学表达式为

图中c为抛物线流量(liúliàng)特性曲线。介于直线流量(liúliàng)特性和对数流量(liúliàng)特性之间。第四十一页，共60页。（4）快开流量特性阀在开度很小时，就已经将流量放大，随着开度的增加，流量很快就达到最大（饱和）值，以后(yǐhòu)再增加开度，流量几乎没有变化。这种流量特性适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。其特性曲线见图中曲线d。第四十二页，共60页。（5）蝶阀流量特性图中的曲线1是蝶阀的理想流量特性，它是一条近似对数(duìshù)（等百分比）的特性曲线。在开启角很小时，流量增加却很小；当开启角继续增大，流量逐渐成比例地增加；当开启角增大到600～700之间时，可以获得70%以上的流量；再继续增大开启角到700以上，阀的流通截面几乎与开启角成比例地增加，但因为阀上压差显著减小，流量的增加也显著减少。在整个角行程内蝶阀都起着控制流量的作用。第四十三页，共60页。1-理想特性2-阀径过小的特性3-阀径过大的特性4-流通截面(jiémiàn)特性5-阀上相对压降的曲线第四十四页，共60页。如蝶阀直径选得过大，其特性就会变成快开特性，如图中曲线3，将使阀只在一个很小的角行程（开度）内操作(cāozuò)，稍有移动，流量就会发生过量的激烈变化，从而引起振荡，使控制不稳定。如蝶阀直径选得过小，其特性曲线下移，如图中曲线2，阻力增大，以致阀门全开也不能通过所需的最大流量。正确计算蝶阀直径，对于控制系统的品质起着重要(zhòngyào)作用。第四十五页，共60页。2．工作流量特性在实际生产中，调节阀前后压差总是变化的，这时的流量特性称为工作流量特性。工作流量特性与管道(guǎndào)系统阻力有关。第四十六页，共60页。（1）

串联(chuànlián)管道的工作流量特性阀与管道串联(chuànlián)时，流量增大，管路损失也增大，在总的压降一定时阀上的压降减小，从而引起流量特性的改变，理想流量特性畸变为工作流量特性。求这时的流量，需了解阀上压差的变化规律。第四十七页，共60页。图为串联管道时的工作(gōngzuò)流量特性曲线第四十八页，共60页。

(a)阀的理想特性(tèxìng)为直线特性(tèxìng)(b)阀的理想特性(tèxìng)为对数特性(tèxìng)由计算公式和图可知①当管道阻力损失为零时s=1，系统的总压降全部落在调节阀上，则实际工作流量特性(tèxìng)与理想特性(tèxìng)一致；第四十九页，共60页。②随着管道阻力损失所占比重增加s值将减小，调节阀全开时的流量相应比管道阻力损失为零时减少，因而实际可调比也减小；③随着s值减小，流量特性曲线发生(fāshēng)畸变，直线特性趋向于快开特性，对数特性趋向于直线特性，实际使用中，为了避免调节阀工作特性的畸变，一般希望s值不低于0.3~0.5。第五十页，共60页。

（2）并联管道(guǎndào)的工作流量特性调节阀与旁路管道(guǎndào)并联管道(guǎndào)系统的总流量是通过调节阀和旁路二者流量之和，即QT=Q1+Q2第五十一页，共60页。设B===B是旁路程度，为阀全开时通过的流量与总管最大流量之比值(bǐzhí)。以Qmax为参比数的并联管道系统的工作流量特性为第五十二页，共60页。①当旁路阀全关时，B=1实际工作(gōngzuò)特性与理想特性一致；②旁路阀逐渐开启，旁路流量增加，则B值减小，可调比下降；③希望B值不低于0.5，最好不低于0.8。第五十三页，共60页。补充(bǔchōng)：1、电气转换器第五十四页，共60页。电气(diànqì)转换器工作原理它是按力平衡原理设计和工作的。在其内部有一线圈，当调节器的电流信号送入线圈后，由于内部永久磁铁的作用，使线圈和杠杆产生位移，带动挡板接近（或远离）喷嘴，引起喷嘴背压增加（或减少），此背压作用在内部的气动功率放大器上，放大后的压力一路作为转换器的输出，另一路馈送到反馈波纹管。输送到反馈波纹管的压力，通过杠杆的力传递作用在铁芯的另一端产生一个反向的位移，此位移与输入信号产生电磁力矩平衡时，输入信号与输出压力成一一对应的比例关系。即输入信号从4mADC改变到20mADC时，转换器的输出压力从0.02～0.1MPa变化，实现(shíxiàn)了将电流信号转换成气动信号的过程。

图中调零机构，用来调节转换器的零位，反馈波纹管起反馈作用。第五十五页，共60页。2、气动阀门定位器第五十六页，共60页。气动阀门定位器工作(gōngzuò)