《过程控制与集散系统》课件-项目二：单水箱恒流控制系统

恒流系统概述OverviewofConstantCurrentSystems.项目二：单水箱恒流控制系统课程名称：《过程控制与集散系统》引言流量控制的作用流量控制的重要性贯穿液体、气体、粉体等各类物料的生产输送全过程。化工反应中的原料配比设备冷却的介质调节能源燃烧的效率优化环保排放的标准管控保障产品质量节约能源消耗保障产品质量节约能源消耗单水箱恒流量控制系统流量控制的典型实训载体，以直观的闭环控制逻辑，串联起检测、控制、执行等核心部件，是理解工业流量控制原理与实操应用的重要窗口。目录01典型的流量对象02流量对象的特性03单水箱恒流量控制系统组成和控制流程一、典型的流量对象液体流量对象：原料液流量​在化工、制药等行业的反应过程中，进入反应釜的各种原料液流量是重要控制对象。原料液流量合成某种化工产品精确控制两种或多种原料液的进料流量比例保证反应充分进行提高产物纯度和产率一、典型的流量对象液体流量对象：冷却介质流量反应釜冷凝器发电机设备冷却以维持正常工作温度，冷却水、冷却液等冷却介质的流量是关键控制对象。若流量过小，冷却效果不足，设备可能因过热受损。流量过大，则会造成能源浪费，因此需将其控制在合理范围。​一、典型的流量对象液体流量对象：成品液流量在食品、饮料、化工等行业的灌装、输送环节，成品液的流量需要精确控制，以保证灌装量的准确性或管道输送的稳定性。饮料润滑油化学试剂一、典型的流量对象气体流量对象​燃料气流量在锅炉燃烧、工业炉加热中，天然气、煤气等燃料气的流量直接影响燃烧效率，还需要配合空气流量调节，才能实现充分燃烧、减少污染工艺气体流量化工合成中的工艺气体，比如氨合成时的氮气和氢气，它们的流量比例必须严格把控，否则会降低合成效率。一、典型的流量对象气体流量对象​废气排放流量工业生产中产生的废气在排放前往往需要经过处理：脱硫脱硝除尘废气排放流量需控制在处理设备的处理能力范围内，以保证处理效果，满足环保要求。一、典型的流量对象粉体/颗粒流量对象：固体原料粉体流量​建材化工水泥面粉塑料颗粒固体原料粉体的输送和进料，流量控制直接决定了产品配方的准确性。水泥生产中，原料粉体的配比偏差会影响水泥强度。一、典型的流量对象粉体/颗粒流量对象：颗粒状物料流量冶金行业矿业行业在冶金、矿业等行业，矿石、焦炭等颗粒状物料的输送流量是生产流程中的重要控制对象，直接影响后续破碎、冶炼等工序的效率和产品质量。二、流量对象的特性极快的响应速度，动态惯性极小流量是流体的瞬时流动速率，其动态惯性远小于液位、温度等被控对象。当控制输入（如阀门开度调整、泵变频指令）发生变化时，流量几乎能在瞬间跟随变化，无需经历“能量/物料累积”过程。滞后特性极弱，以传输滞后为主容量滞后源于“对象的物料/能量存储能力”，而流量对象无存储特性，因此不会出现“输入变化后，输出缓慢爬升”的容量滞后现象。流量对象的滞后效应非常小，主要表现为传输滞后（纯滞后）。典型的无自衡特性绝大多数流量对象属于无自衡对象，当控制输入（如阀门开度）固定时，若受到外部干扰（如上游压力波动、下游阻力变化），流量会持续偏离原稳态值，无法自行恢复平衡。这是其动态特性的核心特征之一。流量对象的特性3个三、单水箱恒流量控制系统组成和控制流程单水箱恒温恒液位恒流恒压力控制实训试验台流量计涡轮流量检测变送器LWGB-10，安装在进水口执行器MP-55RZ-380磁力离心泵搭配变频器，变频器为西门子G120C被控对象水箱控制器西门子S7-12001214CDC/DC/DC三、单水箱恒流量控制系统组成和控制流程LWGB-10是一款小口径管道式涡轮流量变送器，核心用于液体介质的流量计量与信号输出，广泛应用于石油、化工、水处理、食品等行业。供电电压DC12~24V信号输出方式脉冲输出：NPN集电极开路模拟量输出：4-20mA电流信号数字通信：ModbusRTU流速范围0.3~6m/s（最佳工作流速1~4m/s，兼顾精度与叶轮寿命）体积流量范围0.06~1.2m³/h三、单水箱恒流量控制系统组成和控制流程MP-55RZ-380磁力离心泵是一款适用于中小流量、中低扬程场景的耐腐蚀泵。供电电压三相380V50Hz变频器兼容性支持0~10V或4-20mA模拟量输入保护功能过热保护、过载保护流量范围10~14m³/h（水介质）扬程范围15~22m功率180W转速2800r/min（50Hz）三、单水箱恒流量控制系统组成和控制流程水箱执行器FCFT进水流量进水流量设定值干扰变量—单水箱恒流量控制系统的方框图被控对象水槽被控变量进水管道内的水流量（离心泵之后）操纵变量进水流量干扰变量管道压力，环境压力等三、单水箱恒流量控制系统组成和控制流程单水箱恒流量控制系统的控制过程控制过程控制器将测量值和流量设定值相比较，得到偏差，根据偏差计算出控制信号。02当受到干扰后，进水管道内水流量偏离设定值，由流量计测得流量后，送到控制器中。01控制信号传送至变频器，变频器调节离心泵的转速，来调节进水流量。03使得管道内的流量稳定在设定值范围内。04课程小结精准标尺工匠精神生态安全产业根基化工生产原料流量精准配比，守护产品质量生命线。能源燃烧燃料流量优化调控，践行节能减排的绿色使命。高端制造工艺气体比例把控，助力技术创新与突破。环境保护废气排放合规管控，坚守生态保护责任底线。过渡过程及其性能指标TransitionProcessandItsPerformanceIndices.项目二：单水箱恒流控制系统课程名称：《过程控制与集散系统》引言如何判断控制系统应对干扰的能力优劣？是看它恢复稳定的速度，还是波动的幅度？衰减比、余差、最大偏差这些指标解答什么问题？目

录01过渡过程的定义02过渡过程的四种基本形式03以阶跃响应曲线形式表示的质量指标04偏差积分指标05自动控制系统的性能基本要求一、过渡过程的定义稳态和动态稳态被控变量不随时间变化的平衡状态称为系统的稳态（静态）。动态控制系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过渡过程。

稳态稳态动态yt过渡过程当干扰破坏了系统的平衡时，被控变量就会发生变化，而控制器、控制阀等自动化装置就要产生控制作用来使系统恢复平衡。二、过渡过程的四种基本形式发散震荡等幅震荡衰减震荡单调过程二、过渡过程的四种基本形式发散震荡等幅震荡波动幅度越来越大，逐渐远离给定值稳态和动态严重时可引发生产事故生产中必须竭力避免在给定值附近波动，幅度保持恒定处于稳定与不稳定的临界状态仅在控制要求极低、被控变量允许在工艺范围内振荡位式控制中偶尔使用二、过渡过程的四种基本形式衰减震荡单调过程被控变量在给定值一侧缓慢变化，无波动，最终平稳到达新平衡优点：过程平稳，无振荡缺点：响应慢，长时间偏离设定值仅用于不允许波动的特殊生产工艺被控变量围绕给定值上下波动，幅度逐渐减小，最终趋于稳定优点：响应速度快、稳定性好工业生产中最常用最理想的过渡过程形式三、以阶跃响应曲线形式表示的质量指标衰减振荡过程受干扰后能重新趋于稳定控制速度快，回复时间短质量评价的必要性控制质量存在差异需统一标准衡量性能优劣性能指标：以阶跃响应曲线形式表示的质量指标设定值稳态值最大值tPtsc(t)过渡过程典型曲线品质指标衰减比B1/B2余差

C最大偏差

A过渡过程时间

ts振荡周期

T三、以阶跃响应曲线形式表示的质量指标衰减比B1/B2余差

C最大偏差

A过渡过程时间

ts振荡周期

T衰减比B1/B2设定值稳态值最大值tPtsc(t)过渡过程典型曲线衰减比定义：过渡过程曲线中前后两个相邻波峰之比。表示：作用：衡量控制过程稳定程度的动态指标。要求：三、以阶跃响应曲线形式表示的质量指标衰减比B1/B2余差

C最大偏差

A过渡过程时间

ts振荡周期

T设定值稳态值最大值tPtsc(t)过渡过程典型曲线余差定义：系统最终稳态偏差。即过渡过程终了时新稳态值与设定值之差。余差

C要求：反映控制精度的稳态指标。越小越好。余差：为设定值。三、以阶跃响应曲线形式表示的质量指标衰减比B1/B2余差

C最大偏差

A过渡过程时间

ts振荡周期

T设定值稳态值最大值tPtsc(t)过渡过程典型曲线最大偏差定义：受控变量第一个波峰值与设定值之差。要求：反映控制精度的动态指标。越小越好。超调量最大偏差A三、以阶跃响应曲线形式表示的质量指标衰减比B1/B2余差

C最大偏差

A过渡过程时间

ts振荡周期

T设定值稳态值最大值tPtsc(t)过渡过程典型曲线最大偏差定义：从过渡过程开始到结束所需的时间。一般认为当被控变量进入新稳态值附近±5%或±2%，则过渡过程结束。要求：反映控制速度的动态指标。越小越好。过渡过程时间

ts三、以阶跃响应曲线形式表示的质量指标衰减比B1/B2余差

C最大偏差

A过渡过程时间

ts振荡周期

T设定值稳态值最大值tPtsc(t)过渡过程典型曲线振荡周期定义：过渡过程第一个波峰与相邻的第二个同向波峰之间的时间间隔。其倒数则为振荡频率。振荡周期T要求：反映控制速度的动态指标。越小越好。四、偏差积分指标偏差积分性能指标该类指标是一种综合性指标，能对整个过度曲线形状进行评价。误差：有余差时：平方误差积分指标（ISE）绝对误差积分指标（ITSE）平方误差积分指标（IAE）时间乘绝对误差积分指标（ITAE）四、偏差积分指标阶跃响应指标（现场常用）直观、易观测、易对应工艺要求工程师通过观察曲线（波峰、稳定时间）快速判断衰减比4:1调节时间≤10秒偏差积分指标（算法与仿真用）基于偏差的积分计算值，现场难以直接观测主要应用场景：软件仿真、控制器参数整定的算法中PID参数自整定，量化目标函数优化参数，通过阶跃响应指标来验证效果。五、自动控制系统的性能基本要求基本任务：根据被控对象和环境的特性，在各种干扰因素作用下，使系统的被控变量能够按照预定的规律变化。性能要求稳定性衰减比准确性余差快速性余差这三个指标常常是互相矛盾、互相制约的。实际应用中应结合具体生产过程及要求来综合考虑，使各个指标都能达到一个较为理想的数值。课程小结衰减比守护系统稳定，恰似坚守底线、行稳致远的责任担当。余差追求零偏差，彰显着追求极致、不容瑕疵的工匠精神。调节时间与积分指标兼顾效率与全局，隐喻着统筹兼顾的系统观念！过程控制的性能指标：藏着工业报国与精益求精的思政密码！控制阀的流量特性FlowCharacteristicsOfTheControlValve.项目二：单水箱恒流控制系统课程名称：《过程控制与集散系统》引言在生活中你是否遇到过类似“流量特性”的现象？调节水龙头时，如何精细控制？决定控制系统调节质量的关键，直接影响介质流量与阀门开度的匹配关系。流量特性目录01流量特性的定义02理想流程特性03工作流量特性一、流量特性的定义控制阀的流量特性：指被调介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）之间的关系，表示为:。

相对流量某一开度流量全开流量即：相对行程某一开度阀芯行程全开行程即：相同开度变化（如10%），不同流量特性阀门的流量变化差异显著。该关系直接决定了控制阀能否适配不同的工艺需求，是后续选型的核心依据。一、流量特性的定义理想特性指假定阀前后压差恒定不变时的流量特性，仅由阀芯形状决定。可调比（R）最大控制流量与最小控制流量的比值。

qVmin指阀能够控制的流量，下限不等于阀的泄漏量。国产阀的理想可调比

R=30，这是选型时的重要参考标准。二、理想流程特性控制阀的理想流量特性——线性流量特性（直线流量特性）控制阀理想流量特性1：快开3：抛物线2：直线4：等百分比

相同的阀杆行程引起的流量变化绝对值相同，但流量相对变化小。在开度小时控制作用强，易引起系统振荡；开度大时作用弱，控制不灵敏。不宜用于负荷变化较大的场合二、理想流程特性控制阀的理想流量特性——等百分比流量特性（对数流量特性）控制阀理想流量特性1：快开3：抛物线2：直线4：等百分比

调节灵敏度随流量增大而提高小开度：流量变化平缓，避免系统冲击大开度：流量变化显著，满足大负荷快速调节小负荷稳、大负荷灵“万能款”流量特性负荷波动范围大二、理想流程特性控制阀的理想流量特性——快开流量特性控制阀理想流量特性1：快开3：抛物线2：直线4：等百分比

控制阀在较小开度时，流量就达到很大。随着行程增加，很快达到最大流量。设计目的是实现“快速通断”阀芯形式是平板型的，有效位移很小。主要用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。安全阀前的切断阀反应釜的紧急进料阀二、理想流程特性控制阀的理想流量特性——抛物线流量特性控制阀理想流量特性1：快开3：抛物线2：直线4：等百分比

抛物线流量特性介于直线流量特性与等百分比流量特性之间。流量增长速度比线性快，但比等百分比平缓，没有明显的后期提速效果。常应用于三通阀。三、工作流量特性控制阀的工作流量特性——串联管道实际使用时，控制阀串联在管路中或与旁路阀并联，阀前后的压差总在变化，这时的流量特性称为工作流量特性。串联管道当控制阀与管道、设备串联时，系统总压差固定，管道阻力会随流量增大而增加，导致阀门两端的压差减小，理想特性会发生畸变。

定义三、工作流量特性控制阀的工作流量特性——串联管道S值越小，管道阻力越大，特性畸变越严重：理想直线特性会渐渐趋近于快开特性，等百分比特性会接近直线特性。实际应用中s=0.3~0.5三、工作流量特性控制阀的工作流量特性——并联管道设

x为并联管道时阀全开流量与总管最大流量

qVmax之比。随着x值的减小，即旁路阀的逐渐开大，控制阀的可调比大大降低，因此应尽量避免旁路。通常情况下x≥0.8课程小结控制阀的流量特性，藏着“精准适配、履职尽责”的初心直线特性稳步发力，坚守本分等百分比特性动态调整，灵活应变快开特性临危受命，果断担当流量的测量FlowMeasurement.项目二：单水箱恒流控制系统课程名称：《过程控制与集散系统》目录01流量测量概述02压差式流量计03转子式流量计一、仪器仪表的主要性能指标

流量流量是指单位时间内流过某一截面的流体数量的多少，可用体积流量和质量流量表示，单位包括t/h，kg/h，kg/s，m3/h，L/h等。常见流量计压差式流量计转子式流量计涡街流量计电磁式流量计热式气体质量流量计二、压差式流量计压差式流量计当充满管道的流体流经节流装置时，流速提高，静压减小，在节流装置前后产生一定的压差，根据流量与压差之间的关系即可得到流量的大小。节流装置节流元件取压装置前后管段常用的节流装置孔板喷嘴文丘里管取压方式角接取压法兰取压二、压差式流量计伯努利方程（不可压缩流体）：

连续方程：ρv1A1=ρv2A2=qm

得质量流量：压力修正系数：

流量系数：

于是：

二、压差式流量计对可压缩流体，假设节流过程绝热

膨胀系数：于是：

当

ε=1时，为不可压缩流体流量系数α在标准节流装置中，Re足够大，对α的影响很小，而管道的粗糙度固定时，α只与m（即A0/A1）有关。膨胀系数ε在

p2/p1≥0.75，50mm≤D≤1000mm，0.220≤β≤0.80时，ε可以由以下公式确定

二、压差式流量计节流装置引压导管压差变送器三阀组二次仪表压差式流量计的组成节流装置流速转变成压差引压管道将压差信号送至压差变送器压差变送器将压差装置的压差信号转变为标准电流信号二次仪表将接收到电流信号经过转化、运算，最终显示出流量值二、压差式流量计压差式流量计的使用压差式流量计使用标准GB/T2624，ISO5176。压差式流量计使用范围管径为50～1000mm，测量范围为1.5～100000m3/h，精度为±1%～