过程控制系统设计

1、第三章过程控制系统设计、主要内容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、3.1过程控制系统设计步骤、过程控制的目标和任务：通过系统设计完成。 具体步骤：根据1工艺要求和控制目标确定系统变量2数学模型3确定控制方案4确定硬件设备5选择控制算法，控制器设计6软件设计7 .进行设备的设置、调整和整定、运行，3.2确定控制变量和控制方案3.2.1 第一被控变量定性地确定目标后，必须用工业过程的被控变量定量地表示控制目标。 被控制变量也是工业过程的输出变量。 (1)将对控制目标产生重要影响的输出变量设为被控制变量(2)将能够直接控制目标质量的输出变量设为被控制变量(3)将与控制(

2、或者操作)变量间的传递函数比较简单且动态静态特性良好的输出变量选择为被控制变量(4)在一些系统中，控制目标选择的基本原则，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。 选择的基本原则是：2输入变量，(1)选择对所选择的被控制变量影响大的输入变量作为控制变量，(2)选择变化范围宽的输入变量作为控制变量，由此控制变得容易，(3)基于此，选择对控制变量作用快的输入变量作为控制变量所选的控制变量直接影响对应的控制变量，但是，必须尽可能减小对其它输出变量的影响，减小不同控制电路之间的关联。 3.2.2确定控制方案，确定工业过程的控制目标和输入输出变量后，控制方

3、案就能确定。 控制方式必须包括控制结构和控制算法。 第一控制结构有以下两种： (1)反馈控制利用被控制变量的直接测量值，调节控制变量，使被控制变量保持在期望值。 (2)前馈控制器利用对扰动量的直接测量来调节控制变量，以使控制变量保持在期望值。 第二控制算法、控制计划确定后，需要选择适当的控制算法，基于控制算法进行控制器设计。 3.3过程控制系统硬件的选择可以通过过程控制的输入和输出变量和控制请求来选择系统硬件，该硬件包括控制器、仪表、传感器、致动器和警报、保护、连锁等部件。 过程控制系统硬件选择原则：保证了控制目标和控制方案的实现。 1、控制器、简单的过程控制系统可以选择开环控制器，相对复杂的

4、系统需要由计算机进行控制。 过程控制中使用的计算机控制设备大多采用DCS (集散控制系统)或PLC (可编程控制器)。 模拟控制电路多，开关量少的过程控制系统应该采用DCS控制，模拟控制电路少，开关量多的过程控制系统最好采用PLC控制。 2、仪表和传感器的选择原则，检查零件一般应采用定型产品，在设计过程控制系统时，应根据控制方案选择仪表和传感器。 (1)可靠性原则的可靠性是指产品在一定条件下，能长期稳定地完成规定功能的能力。 是测量仪表和传感器最重要的选定原则。 (2)以实用原则实现具体功能要求的能力和水平。 根据过程的要求考虑实用性，保证功能的实现，也要考虑经济性，功能并不是越强越好。 (3

5、)先进原则应尽量采用先进设备。选定原则、3.4节流元件、1流量流体在单位时间内流过配管或设备所在场所的横截面数为流量。 用体积计算流动的数量叫做体积流量，用质量计算的叫质量流量。 2雷诺数配管内的流量小的情况下，差压与流量成比例地流量变大时，差压大致与流量的平方成比例。 在差压与流量成比例的范围内，流体的流动状态为层流，在差压与流量的平方成比例的范围内，流体的流动状态为湍流。 层流到湍流的边界线不仅与流量有关，还与流体的密度、粘度、管内径有关。 在流体力学中，这种现象可以通过雷诺实验验证，可以用雷诺数表现。 雷诺数是流体惯性力和粘性力的比。 流量计类型，主要有几种类型： (1)差压式流量计：流

6、体通过管内节流装置时，从流量和节流装置前后差压的关系进行测量。 (2)速度式流量计：配管内的流体速度使叶轮旋转，从叶轮的旋转速度和流体流速成比例的关系进行测量。 (3)容积式流量计：流体连续通过一定容积后，根据累计流量的原理进行测量。 (4)其他类型的流量计：电磁流量计、超声波流量计等。 用节流元件测量流量，1、原理：2、取压方式： (1)径向取压方式(2)法兰的排出压力(3)角接触压力。 3.5调节阀的选择，过程控制系统中最常用的执行器是调节阀。 调节阀是根据控制器(调节器或操作器)给出的信号的大小和方向，改变阀的开度，调节流体流量的装置。 把控制器比作自动调节系统的“头”，调节阀是自动调节

7、系统的“手脚”。 3.5.1调节阀的计算基础，1调节阀的工作原理和流量方程式调节阀是节流元件。 如果流体未压缩，且充满管线，则根据能量不灭法则(伯努利方程式)和流体的连续性法则，通过阀的体积流量QV与阀的有效流通截面积a和通过阀前后的电压降的平方根成正比，流体的密度与阀的电阻系数的平方根成反比若设为含有c的比例系数，则式中，2 .流量系数的定义(1)温度为510的水在105Pa的压力下降，是1小时通过调节阀的水量的立方米数。 用符号Kv表示。 (2)温度60的水在1psi (磅/平方英寸)的压力下下降，1分钟内流过调节阀的水量的加仑数。 用符号Cv表示。 Kv=0.8569Cv或Cv=1.16

8、7 Kv，3闭塞流在阀前压力P1保持一定时，通过阀的流量随着阀的压力降的增大而增大，达到某临界状况时，流量没有变化，达到最大极限值，这种流动状况称为闭塞流。 对于闭塞流，需要计算流量系数来修正非压缩流体、低雷诺数流体，特别是可压缩流体。 4调节阀的调节比(1)调节比定义是指该阀能够调节的最大流量与最小流量之比，R=、式中，调节阀能够控制的流量的下限值，通常为最大流量的10%左右，最低约为2%4%。 在调节阀两端的差压不变化时，阀的调整比被称为理想调整比，R=，理想调整比：阀的最大和最小流通能力的比。 理想的调整比越大越好。 (2)实际调整比在实际使用中，调节阀前后的电压降会随配管阻力的变化而变

9、化。 有旁通的调节阀，打开旁通阀，调节阀的调节比也会变化。 调节阀实际控制的最大流量与最小流量之比称为实际调整比。 串联配管在串联配管系统的总压力下降一定时，随着流量的增加，串联配管的阻力损失增大，调节阀处的压力下降相对减少，调节阀能流通的最大流量减少。 串联配管上的调节阀的实际调整比下降。如果将串联配管调节阀的实际调整比设为RS，则RS=R-理想的调整比-调节阀全开时的阀的电压降-调节阀的最小开度处的阀的电压降接近管路系统的总电压降值。 由此可以得到RSR=R s=即电压降比。 可知s值越小，实际的调整比也越小。 为了在实际应用中确保调节阀有一定的调整比，阀全开时的压降在管路系统中必须占适当

10、的比例。 通常，s值在0.30.6的范围内。 并联配管旁通流量的存在相当于通过调节阀的最小流量增大，降低调节阀的实际调节比。 如果将实际的可变比设为Rp，则Rp=歧管最大流量(阀体部件最小流量旁路流量)=、调节器的并联配管中的实际可变比近似于歧管最大流量与旁路流量之比，随着旁路程度b的值变小而下降。 实用上，b的值最好大于0.8。 所谓、调节阀的流量特性，是指流体在阀中流动的相对流量和相对开度的函数关系Qr Qr=Q Q100相对流量，有阀的开度下的流量和全开时流量之比Lr=l/l100相对开度，有阀的开度下的行程和全开时的行程之比。 1理想流量特性是阀门前后差压不变的特性。 有直线、对数、抛

11、物线、速开4种。 (1)直线流量特性是指调节阀的单位相对位移的变化引起的相对流量的变化为常数。 其数学公式k为常数，是调节阀的放大系数。 直线特性的调节阀在开度变化相同的情况下，流量小时流量的变化值相对较大，调节作用强，容易产生超谐振动的流量大时，流量的变化值相对较小，调节作用缓慢，不敏锐。 (2)对数流量特性也被称为等比率特性，调节阀单位的相对开度的变化引起的相对流量的变化与这一点的相对流量呈比例关系。 在相同开度变化值下，在流量小的情况下(小开度的情况下)，流量的变化也小(调节阀的放大率小)，调节缓慢.在流量大的情况下(大开度的情况下)，流量的变化也大(调节阀无论小开度还是大开度，相对流量

12、的变化率都相等，流量变化的比例是相同的。 其数学式，图中c是抛物线流量特性曲线。 处于直线流量特性和对数流量特性之间。 (4)快速开流量特性阀在开度小时扩大流量，随着开度的增加，流量马上达到最大(饱和)值，之后即使增加开度流量也几乎不变化。 该流量特性适用于快速开闭的截止阀和两位数控制系统。 其特性曲线如图中的曲线d所示。 (5)蝶阀的流量特性图的曲线1是蝶阀的理想流量特性，是接近对数(等比率)的特性曲线。 当开角小时，流量的增加小，开角进一步变大，流量逐渐成比例增加，开角在600700之间变大，则得到70%以上的流量，当开角进一步增大到700以上，阀的流通截面与开角成比例增加，但阀的差压显着

13、在全角行程中蝶阀发挥控制流量的作用。1-理想特性2-阀直径过小特性3-阀直径过大的特性4-流通截面特性5-阀的相对电压降的曲线，例如蝶阀直径过大时，其特性成为急速的开特性，如图的曲线3所示，阀被以微小的角行程(开度)操作，稍微移动时蝶阀的直径太小，其特性曲线下降，如图中曲线2所示，阻力变大，即使阀门全开，也不能通过必要的最大流量。正确计算蝶阀的直径在控制系统质量中发挥了重要的作用。 2工作流量特性在实际生产中，调节阀的前后差压经常变化，此时的流量特性称为工作流量特性。 工作流量特性与配管系统的阻力有关。 (1)串联配管的工作流量特性阀和配管串联连接的话，流量增大，配管损失也增大，总电压下降一定

14、时，阀的电压下降减少，引起流量特性的变化，理想流量特性会变形为工作流量特性。 为了求出此时的流量，需要知道阀门差压的变化规律。 图是串联配管时的工作流量特性曲线，(a )阀的理想特性是直线特性(b )阀的理想特性是对数特性，根据计算式和图，在配管阻力损失为零的情况下s=1，系统的总压力降全部落入调节阀时，可知实际的工作流量特性与理想特性一致，随着配管阻力损失所占的比重增加，s值减少， 因为调节阀全开时的流量比配管阻力损失为零时减少，所以随着实际的调整比也减少，s值变小，流量特性曲线产生失真，直线特性快，对数特性成为直线特性，在实际使用中，为了避免调节阀的工作特性的失真，s值最好在0.30.5以

15、上。 (2)并联配管的工作流量特性调节阀和旁路配管的并联配管系统的总流量是通过调节阀和旁路的流量之和，将QT=Q1 Q2，B=B设为旁路左右，阀全开时通过的流量与歧管最大流量之比。 以Qmax为参数的并联配管系统的工作流量特性为，旁通阀全闭时，B=1的实际工作特性与理想特性一致的旁通阀逐渐打开，旁通流量增加时，b值减少，调整比下降，b值最好在0.5以上，最好在0.8以上补充： 1、光电转换器、光电转换器的工作原理，它是基于力平衡原理设计和工作的。 在其内部有线圈，调节器的电流信号被传送到线圈时，线圈和杆在内部的永久磁铁的作用下位移，使闸门接近(或离开)喷嘴，增加(或减少)喷嘴背压，该背压作用于

16、内部的空气功率放大器，放大的压力被控制发送到反馈波纹管的压力，由于杆的力传递作用，铁心的另一端产生反方向的位移，该位移取得输入信号和电磁力矩的平衡后，输入信号和输出压力成为一对一的比例关系。 即，当输入信号从4mA DC变化到20mA DC时，转换器的输出压力从0.020.1MPa变化，实现了将电流信号转换为气压信号的过程。 图中的调零机构用于调节变换器的零，反馈波纹管起到反馈的作用。 2、空气阀定位器、空气阀定位器的工作原理、空气阀定位器是基于力平衡的原理而设计的，其工作原理模块如上图所示是基于力平衡的原理而设计并工作的。 当流过波纹管的信号的压力增加时，使杆2绕支点转动，使闸门接近喷嘴，用放大器放大喷嘴背压后，送至薄膜致动器的气室，使杆向下移动，以反馈杆(摆动杆)为支点转动也逆时针转动，用辊子使杆1绕支点转动，拉伸反馈弹簧，则杆2的拉伸力和信号压力作用在波纹管上的力达到扭矩平衡时，计量器成为平衡状态。 此时，一定的信号压力与一定的阀位置对应。 气阀定位器的工作原理(续)、以上的作用方式是正的作用，要改变作用方式，只要使凸轮反转，把a变成b等即可。 正作用位置是指信号压力增加，输出压力也增加；反作用位置是指信号压力增加，输出压力减少。一台正作用执行机构，只要安装反作用定位器，就能够实现反作用执行机构的动作，相反，只