过程控制系统设计

过程控制系统设计第1页，共51页，2023年，2月20日，星期二过程控制的设计任务、步骤和系统设计方法流量计和调节阀的计算方法

第2页，共51页，2023年，2月20日，星期二3-1过程控制基本系统组成

3．1．1系统组成

1．被控过程（或对象）

2．测量仪表

3．控制装置

4．执行机构

5.报警、保护和连锁等第3页，共51页，2023年，2月20日，星期二3．1．2过程控制系统设计步骤

过程控制的目标与任务:

通过对系统的设计来完成

第4页，共51页，2023年，2月20日，星期二具体步骤:

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

设备安装、调试与整定、运行

第5页，共51页，2023年，2月20日，星期二3-2确定控制变量与控制方案

根据稳定性、安全性和经济性原则确定控制目标

第6页，共51页，2023年，2月20日，星期二1．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控制目标

被控变量也是工业过程的输出变量

第7页，共51页，2023年，2月20日，星期二选择的基本原则:

（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、动态和静态特性

较好的输出变量作为被控变量

第8页，共51页，2023年，2月20日，星期二(4)有些系统存在控制目标不可测的情况，则可测量其他能够可靠测量，与控制目标有一定关系的输出变量，作为辅助被控变量。

第9页，共51页，2023年，2月20日，星期二2．输入变量

有两类：

控制（或操作）变量，扰动变量。

控制（或操作）变量：

由操作者或控制机构调节的变量

选择的基本原则为：

第10页，共51页，2023年，2月20日，星期二（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

较快的输入变量作为控制变量，使

控制的动态响应较快；

第11页，共51页，2023年，2月20日，星期二（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12页，共51页，2023年，2月20日，星期二确定控制方案

工业过程的控制目标以及输入输出变量确定以后，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

第13页，共51页，2023年，2月20日，星期二1．控制结构

有三种：

（1）反馈控制

利用被控变量的直接测量值，调节控制

变量，使被控变量保持在预期值。

第14页，共51页，2023年，2月20日，星期二15

第15页，共51页，2023年，2月20日，星期二（2）

前馈控制

利用扰动量的直接测量值，调节控制变量，使被控变量保持在预期值。

第16页，共51页，2023年，2月20日，星期二17

第17页，共51页，2023年，2月20日，星期二

(3)推断控制

当被控变量不能直接测量使用，利用辅助变量的测量值来调节控制变量，使不可测的被控变量保持在预期值

第18页，共51页，2023年，2月20日，星期二

2．控制算法

控制方案确定以后，需要选择合适的控制算法。

根据控制算法进行控制器设计。

第19页，共51页，2023年，2月20日，星期二过程控制系统硬件选择

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。

第20页，共51页，2023年，2月20日，星期二过程控制系统硬件选择的原则:

保证控制目标和控制方案的实施。

第21页，共51页，2023年，2月20日，星期二

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22页，共51页，2023年，2月20日，星期二用于过程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，开关量较多的过程控制系统宜采用PLC控制。

第23页，共51页，2023年，2月20日，星期二测量仪表和传感器的选型原则

一个简单的控制系统就是由被控对象、检测部件（测量仪表和传感器）和执行机构组成

第24页，共51页，2023年，2月20日，星期二自动控制系统中检测部件的作用相当于人的感觉器官，它直接感受被测参数的变化，提取被测信息，转换成标准信号供显示和作为控制的依据

第25页，共51页，2023年，2月20日，星期二检测部件一般宜采用定型产品，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

选型原则：

第26页，共51页，2023年，2月20日，星期二（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

第27页，共51页，2023年，2月20日，星期二由过程控制的任务可知，系统中常遇到的被测参数有温度、压力、流量、物位和成分等，这些测量仪表和传感器的工作原理和类型都可以参看仪器仪表方面的教材。

第28页，共51页，2023年，2月20日，星期二3-4流量计选择

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

按体积计算称为体积流量

按质量计算的称为质量流量

第29页，共51页，2023年，2月20日，星期二流量计类型

四类：

（1）压差式流量计：流体通过管道内节流装置时，根据流量与节流装置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)容积式流量计。

流体连续通过一定容积之后，进行流量累计的原理来计量。

（4）其他类型流量计。

如电磁流量计、超声波流量计等。

第30页，共51页，2023年，2月20日，星期二

3-5调节阀选择

在过程控制系统中，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”。

理想可调比是阀的最大和最小流通能力之比。

理想可调比越大越好。

第31页，共51页，2023年，2月20日，星期二（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32页，共51页，2023年，2月20日，星期二①串联管道

在串联管道系统的总压降一定时，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33页，共51页，2023年，2月20日，星期二34

第34页，共51页，2023年，2月20日，星期二在实际应用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35页，共51页，2023年，2月20日，星期二36

第36页，共51页，2023年，2月20日，星期二调节阀在并联管道上的实际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37页，共51页，2023年，2月20日，星期二调节阀的流量特性

指流体流过阀门的相对流量和相对开度之间的函数关系，即

—相对流量，阀在某一开度下的流量与全开时流量的比；

—相对开度，阀在某一开度的行程与全开时行程的比。

第38页，共51页，2023年，2月20日，星期二改变调节阀的开度，也就改变了阀的流通截面以及通过阀的流量，从而导致改变的系统阻力以及阀前后的压差。

研究调节阀的流量特性对于选用调节阀有重要意义。

假设阀前后压差不变，然后再引申到真实情况进行研究，前者称为理想流量特性，后者称为工作流量特性。

第39页，共51页，2023年，2月20日，星期二1．理想流量特性

阀前后压差保持不变的特性。

有直线、对数、抛物线、快开等四种。

第40页，共51页，2023年，2月20日，星期二（1）直线流量特性

指调节阀的单位相对位移的变化所引起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。

积分得

第41页，共51页，2023年，2月20日，星期二42

第42页，共51页，2023年，2月20日，星期二直线特性的调节阀在开度变化相同的情况下，当流量小时，流量的变化值相对较大，调节作用较强，易产生超调和引起振荡；流量大时，流量变化值相对较小，调节作用进行缓慢，不够灵敏。

第43页，共51页，2023年，2月20日，星期二（2）对数流量特性

又称等百分比特性，是调节阀单位相对开度的变化所引起的相对流量的变化和此点的相对流量成正比关系。

数学表达式为

第44页，共51页，2023年，2月20日，星期二第45页，共51页，2023年，2月20日，星期二（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的特性

其数学表达式为

第46页，共51页，2023年，2月20日，星期二（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。

其数学表达式为

第47页，共51页，2023年，2月20日，星期二（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（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48页，共51页，2023年，2月20日，星期二2．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系统阻力有关。

第49页，共51页，2023年，2月20日，星期二（1）

串联管道的工作流量特性

阀与管道串联时，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