過程控制系統(tǒng)設(shè)計備課講稿

第三章過程控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)設(shè)計第一頁，共60頁。主要內(nèi)容過程控制的設(shè)計任務(wù)、步驟和系統(tǒng)(xìtǒng)設(shè)計方法流量計和調(diào)節(jié)閥的計算方法3過程控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)設(shè)計第二頁，共60頁。3.1過程控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)設(shè)計步驟

過程控制的目標與任務(wù):通過(tōngguò)對系統(tǒng)的設(shè)計來完成。具體步驟:1．根據(jù)工藝要求和控制目標確定系統(tǒng)變量2．建立數(shù)學模型3．確定控制方案4．選擇硬件設(shè)備5．選擇控制算法，進行控制器設(shè)計6．軟件設(shè)計7.設(shè)備安裝(ānzhuāng)、調(diào)試與整定、運行

第三頁，共60頁。3.2確定控制(kòngzhì)變量與控制(kòngzhì)方案3.2.1確定控制目標:根據(jù)(gēnjù)穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟性原則。1．被控變量在定性地確定目標以后，需要用工業(yè)過程的被控變量來定量地表示(biǎoshì)控制目標。被控變量也是工業(yè)過程的輸出變量。第四頁，共60頁。（1）對控制目標起重要影響的輸出變量作為被控變量；（2）可直接控制目標質(zhì)量的輸出變量作為被控變量；（3）選擇與控制（或操作）變量之間的傳遞函數(shù)比較簡單、動態(tài)(dòngtài)和靜態(tài)特性較好的輸出變量作為被控變量（4）有些系統(tǒng)存在控制目標不可測的情況，則可測量其它能夠可靠測量、與控制目標有一定關(guān)系的輸出變量，作為輔助被控變量。選擇(xuǎnzé)的基本原則第五頁，共60頁。兩類：控制（或操作(cāozuò)）變量、擾動變量?？刂疲ɑ虿僮?cāozuò)）變量：由操作(cāozuò)者或控制機構(gòu)調(diào)節(jié)的變量。選擇的基本原則為：2．輸入(shūrù)變量(1)選擇對所選定的被控變量影響較大的輸入變量作為控制變量(2)選擇變化范圍較大的輸入變量作為控制變量，以便易于控制；(3)在此的基礎(chǔ)上選擇對被控變量作用(zuòyòng)較快的輸入變量作為控制變量，使控制的動態(tài)響應(yīng)較快；(4)在復(fù)雜系統(tǒng)中，存在多個控制回路，即存在多個控制變量和多個被控變量。所選擇的控制變量對相應(yīng)的被控變量有直接影響，而對其他輸出變量的影響應(yīng)該盡可能的小，以便使不同控制回路之間的關(guān)聯(lián)比較小。第六頁，共60頁。3.2.2確定控制(kòngzhì)方案

工業(yè)過程的控制目標以及輸入輸出變量(biànliàng)確定以后，控制方案就可以確定了?？刂品桨笐?yīng)該包括控制結(jié)構(gòu)和控制算法。1．控制結(jié)構(gòu)有兩種：（1）

反饋控制利用被控變量的直接測量值，調(diào)節(jié)控制變量，使被控變量保持(bǎochí)在預(yù)期值。第七頁，共60頁。第八頁，共60頁。（2）

前饋控制(kòngzhì)

利用擾動量的直接測量值，調(diào)節(jié)控制變量(biànliàng)，使被控變量(biànliàng)保持在預(yù)期值。第九頁，共60頁。

2．控制算法

控制方案確定以后，需要選擇合適的控制算法，根據(jù)控制算法進行(jìnxíng)控制器設(shè)計。第十頁，共60頁。3.3過程控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)硬件選擇

根據(jù)過程控制的輸入輸出變量以及控制要求，可以選定(xuǎndìnɡ)系統(tǒng)硬件，包含控制裝置、測量儀表、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)和報警、保護、連鎖等部件。過程控制系統(tǒng)硬件選擇的原則(yuánzé):保證控制目標和控制方案的實施。

1、控制裝置

簡單的過程控制系統(tǒng)可以選擇單回路控制器，對于比較復(fù)雜的系統(tǒng)需要用計算機控制。

第十一頁，共60頁。用于過程(guòchéng)控制的計算機控制設(shè)備多采用DCS（集散控制系統(tǒng)）或PLC（可編程序控制器）。模擬量控制回路較多，開關(guān)量較少的過程(guòchéng)控制系統(tǒng)宜采用DCS控制；模擬量控制回路較少，開關(guān)量較多的過程(guòchéng)控制系統(tǒng)宜采用PLC控制。第十二頁，共60頁。2、測量儀表(yíbiǎo)和傳感器的選型原則檢測部件一般宜采用定型產(chǎn)品(chǎnpǐn)，設(shè)計過程控制系統(tǒng)時，根據(jù)控制方案選擇測量儀表和傳感器。第十三頁，共60頁。（1）可靠性原則可靠性是指產(chǎn)品在一定的條件下，能長期而穩(wěn)定地完成規(guī)定(guīdìng)功能的能力。是測量儀表和傳感器的最重要選型原則。（2）

實用性原則完成具體功能要求的能力和水平。根據(jù)工藝要求考慮實用性，既要保證功能的實現(xiàn)，又應(yīng)考慮經(jīng)濟性，并非功能越強越好。（3）先進性原則應(yīng)該盡量采用先進的設(shè)備。選型原則(yuánzé)第十四頁，共60頁。3.4節(jié)流(jiéliú)元件1．流量流體在單位時間內(nèi)流過管道或設(shè)備某處橫斷面的數(shù)量成為流量。流過的數(shù)量按體積(tǐjī)計算稱為體積(tǐjī)流量；按質(zhì)量計算的稱為質(zhì)量流量。第十五頁，共60頁。2．雷諾數(shù)管道內(nèi)流量小時，壓差與流量成正比；流量變大后，壓差大致與流量的平方成正比。在壓差與流量成正比的范圍內(nèi)，流體的流動狀態(tài)為層流；在壓差與流量的平方成正比的范圍內(nèi)，流體的流動狀態(tài)為紊流。從層流到紊流的分界線不僅與流量有關(guān)，而且與流體的密度、粘度和管道內(nèi)徑有關(guān)。在流體力學中，此現(xiàn)象用雷諾實驗可以(kěyǐ)驗證，并用雷諾數(shù)表征。雷諾數(shù)是流體慣性力與粘性力之比。第十六頁，共60頁。流量計類型(lèixíng)主要幾類：(1)壓差式流量計：流體通過管道內(nèi)節(jié)流裝置(zhuāngzhì)時，根據(jù)流量與節(jié)流裝置(zhuāngzhì)前后壓差的關(guān)系來計量。(2)速度式流量計：管道內(nèi)流體的速度推動葉輪旋轉(zhuǎn)，根據(jù)葉輪轉(zhuǎn)速與流體流速成正比的關(guān)系來計量。（3）容積式流量(liúliàng)計：流體連續(xù)通過一定容積之后，進行流量(liúliàng)累計的原理來計量。（4）其他類型流量(liúliàng)計：如電磁流量(liúliàng)計、超聲波流量(liúliàng)計等。第十七頁，共60頁。用節(jié)流元件(yuánjiàn)測流量1、原理(yuánlǐ)：2、取壓方式(fāngshì)：（1）徑距取壓；（2）法蘭取壓；（3）角接取壓。第十八頁，共60頁。3.5調(diào)節(jié)閥選擇(xuǎnzé)在過程(guòchéng)控制系統(tǒng)中，最常用的執(zhí)行機構(gòu)是調(diào)節(jié)閥。調(diào)節(jié)閥是按照控制器（調(diào)節(jié)器或操作器）所給定的信號大小和方向，改變閥的開度，以實現(xiàn)調(diào)節(jié)流體流量的裝置。把控制器比喻為自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的“頭腦”,則調(diào)節(jié)閥就是自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的“手腳”。第十九頁，共60頁。3.5.1調(diào)節(jié)閥計算(jìsuàn)基礎(chǔ)

1．調(diào)節(jié)閥的工作原理和流量方程式調(diào)節(jié)閥是一節(jié)流元件。設(shè)流體是不可壓縮的，且充滿管道，則根據(jù)能量不滅定律（Bernoulli方程式）和流體的連續(xù)性定律可知：通過(tōngguò)閥的體積流量QV與閥的有效流通截面積A和通過(tōngguò)閥前后的壓降的平方根成正比，與流體的密度和閥的阻力系數(shù)的平方根成反比，即第二十頁，共60頁。設(shè)C為包含(bāohán)在內(nèi)的比例系數(shù)，則式中第二十一頁，共60頁。2.流量系數(shù)(xìshù)的定義（1）溫度為5~10℃的水，在105Pa的壓降下，每小時流過調(diào)節(jié)閥水量的立方米數(shù)。以符號Kv表示。(2)溫度為60℉的水，在1psi(磅/平方英寸）的壓降下，每分鐘流過調(diào)節(jié)閥水量的加侖(jiālún)數(shù)。以符號Cv表示。Kv=0.8569Cv或Cv=1.167Kv第二十二頁，共60頁。3．阻塞流在閥前壓力P1保持一定(yīdìng)時，通過閥的流量隨閥上壓降的增大而增大，當達到某一臨界狀況時，流量將不再隨變化，而是達到一個最大的極限值，這種流動狀況稱為阻塞流。阻塞流情況下，計算流量系數(shù)，對不可壓縮流體、低雷諾數(shù)流體尤其是可壓縮流體，均需要修正。第二十三頁，共60頁。4．調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比（1）可調(diào)比定義指該閥所能調(diào)節(jié)的最大流量(liúliàng)和最小流量(liúliàng)的比值，

R=第二十四頁，共60頁。式中，是調(diào)節(jié)閥可控流量的下限值，通常(tōngcháng)為最大流量的10%左右，最低約為2%~4%。當調(diào)節(jié)閥兩端壓差不變時，閥的可調(diào)比稱為理想可調(diào)比，為R===

理想可調(diào)比：是閥的最大和最小流通(liútōng)能力之比。理想可調(diào)比越大越好。第二十五頁，共60頁。（2）實際可調(diào)比在實際使用中，調(diào)節(jié)閥前后的壓降是隨管道阻力(zǔlì)的變化而改的。有旁路的調(diào)節(jié)閥，打開旁路閥時調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比也會改變。調(diào)節(jié)閥實際控制的最大和最小流量之比稱為實際可調(diào)比。第二十六頁，共60頁。①串聯(lián)管道在串聯(lián)管道系統(tǒng)的總壓降一定(yīdìng)時，隨著流量的增加，串聯(lián)管路的阻力損失相應(yīng)增大，調(diào)節(jié)閥上的壓降相對減少，從而調(diào)節(jié)閥所能流通的最大流量減少。串聯(lián)管道上調(diào)節(jié)閥的實際可調(diào)比會降低。第二十七頁，共60頁。令串聯(lián)管道調(diào)節(jié)閥的實際可調(diào)比為RS，則RS===R---理想可調(diào)比；--調(diào)節(jié)閥全開時閥上的壓降；--調(diào)節(jié)閥最小開度下閥上的壓降，它接近(jiējìn)于管路系統(tǒng)的總壓降值。第二十八頁，共60頁。由此可得RS≈R=Rs=即壓降比?？梢?kějiàn)，S值越小，實際可調(diào)比也越小。第二十九頁，共60頁。在實際應(yīng)用(yìngyòng)中為了確保調(diào)節(jié)閥有一定的可調(diào)比，閥全開時的壓降應(yīng)在管路系統(tǒng)中占有合適的比例。通常S值在0.3~0.6范圍內(nèi)。第三十頁，共60頁。②并聯(lián)管道旁路流量的存在(cúnzài)，相當于通過調(diào)節(jié)閥的最小流量增大，使調(diào)節(jié)閥的實際可調(diào)比降低。設(shè)實際可調(diào)比為Rp，則Rp=總管最大流量／(閥體部件最小流量+旁路流量)=第三十一頁，共60頁。調(diào)節(jié)閥在并聯(lián)管道上的實際(shíjì)可調(diào)比近似為總管最大流量與旁路流量的比值，隨旁路程度B值的減小而降低。實用時應(yīng)使B值大于0.8為好。第三十二頁，共60頁。調(diào)節(jié)閥的流量(liúliàng)特性

指流體流過閥門(fámén)的相對流量和相對開度之間的函數(shù)關(guān)系，即Qr＝Qr=Q／Q100—相對流量，閥在某一開度下的流量與全開時流量的比；Lr=l/l100 —相對開度，閥在某一開度的行程與全開時行程的比。第三十三頁，共60頁。1．理想流量特性是閥前后壓差保持不變的特性。有直線(zhíxiàn)、對數(shù)、拋物線、快開等四種。第三十四頁，共60頁。(1)直線流量特性指調(diào)節(jié)閥的單位相對位移的變化所引起(yǐnqǐ)的相對流量的變化是常數(shù)。其數(shù)學表達式為

K為常數(shù)，調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)。第三十五頁，共60頁。第三十六頁，共60頁。直線特性的調(diào)節(jié)閥在開度變化相同的情況下，當流量(liúliàng)小時，流量(liúliàng)的變化值相對較大，調(diào)節(jié)作用較強，易產(chǎn)生超調(diào)和引起振蕩；流量(liúliàng)大時，流量(liúliàng)變化值相對較小，調(diào)節(jié)作用進行緩慢，不夠靈敏。第三十七頁，共60頁。（2）對數(shù)流量特性又稱等百分比特性，是調(diào)節(jié)閥單位相對(xiāngduì)開度的變化所引起的相對(xiāngduì)流量的變化和此點的相對(xiāngduì)流量成正比關(guān)系。數(shù)學表達式為

第三十八頁，共60頁。第三十九頁，共60頁。圖中b為對數(shù)流量特性曲線.曲線的放大系數(shù)是隨開度的增大而遞增的.在同樣的開度變化值下，流量小時（小開度時）流量的變化也?。ㄕ{(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)?。?，調(diào)節(jié)平穩(wěn)緩和.流量大時（大開度時）流量的變化也大（調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)大），調(diào)節(jié)靈敏有效.無論是小開度還是大開度，相對流量的變化率都是相等(xiāngděng)的，流量變化的百分比是相同的.第四十頁，共60頁。（3）拋物線流量特性閥的相對流量與相對流量的平方根成正比的關(guān)系(guānxì)的特性。其數(shù)學表達式為

圖中c為拋物線流量(liúliàng)特性曲線。介于直線流量(liúliàng)特性和對數(shù)流量(liúliàng)特性之間。第四十一頁，共60頁。（4）快開流量特性閥在開度很小時，就已經(jīng)將流量放大，隨著開度的增加，流量很快就達到最大（飽和）值，以后(yǐhòu)再增加開度，流量幾乎沒有變化。這種流量特性適用于迅速啟閉的切斷閥或雙位控制系統(tǒng)。其特性曲線見圖中曲線d。第四十二頁，共60頁。（5）蝶閥流量特性圖中的曲線1是蝶閥的理想流量特性，它是一條近似對數(shù)(duìshù)（等百分比）的特性曲線。在開啟角很小時，流量增加卻很??；當開啟角繼續(xù)增大，流量逐漸成比例地增加；當開啟角增大到600～700之間時，可以獲得70%以上的流量；再繼續(xù)增大開啟角到700以上，閥的流通截面幾乎與開啟角成比例地增加，但因為閥上壓差顯著減小，流量的增加也顯著減少。在整個角行程內(nèi)蝶閥都起著控制流量的作用。第四十三頁，共60頁。1-理想特性2-閥徑過小的特性3-閥徑過大的特性4-流通截面(jiémiàn)特性5-閥上相對壓降的曲線第四十四頁，共60頁。如蝶閥直徑選得過大，其特性就會變成快開特性，如圖中曲線3，將使閥只在一個很小的角行程（開度）內(nèi)操作(cāozuò)，稍有移動，流量就會發(fā)生過量的激烈變化，從而引起振蕩，使控制不穩(wěn)定。如蝶閥直徑選得過小，其特性曲線下移，如圖中曲線2，阻力增大，以致閥門全開也不能通過所需的最大流量。正確計算蝶閥直徑，對于控制系統(tǒng)的品質(zhì)起著重要(zhòngyào)作用。第四十五頁，共60頁。2．工作流量特性在實際生產(chǎn)中，調(diào)節(jié)閥前后壓差總是變化的，這時的流量特性稱為工作流量特性。工作流量特性與管道(guǎndào)系統(tǒng)阻力有關(guān)。第四十六頁，共60頁。（1）

串聯(lián)(chuànlián)管道的工作流量特性閥與管道串聯(lián)(chuànlián)時，流量增大，管路損失也增大，在總的壓降一定時閥上的壓降減小，從而引起流量特性的改變，理想流量特性畸變?yōu)楣ぷ髁髁刻匦?。求這時的流量，需了解閥上壓差的變化規(guī)律。第四十七頁，共60頁。圖為串聯(lián)管道時的工作(gōngzuò)流量特性曲線第四十八頁，共60頁。

(a)閥的理想特性(tèxìng)為直線特性(tèxìng)(b)閥的理想特性(tèxìng)為對數(shù)特性(tèxìng)由計算公式和圖可知①當管道阻力損失為零時s=1，系統(tǒng)的總壓降全部落在調(diào)節(jié)閥上，則實際工作流量特性(tèxìng)與理想特性(tèxìng)一致；第四十九頁，共60頁。②隨著管道阻力損失所占比重增加s值將減小，調(diào)節(jié)閥全開時的流量相應(yīng)比管道阻力損失為零時減少，因而實際可調(diào)比也減小；③隨著s值減小，流量特性曲線發(fā)生(fāshēng)畸變，直線特性趨向于快開特性，對數(shù)特性趨向于直線特性，實際使用中，為了避免調(diào)節(jié)閥工作特性的畸變，一般希望s值不低于0.3~0.5。第五十頁，共60頁。

（2）并聯(lián)管道(guǎndào)的工作流量特性調(diào)節(jié)閥與旁路管道(guǎndào)并聯(lián)管道(guǎndào)系統(tǒng)的總流量是通過調(diào)節(jié)閥和旁路二者流量之和，即QT=Q1+Q2第五十一頁，共60頁。設(shè)B===B是旁路程度，為閥全開時通過的流量與總管最大流量之比值(bǐzhí)。以Qmax為參比數(shù)的并聯(lián)管道系統(tǒng)的工作流量特性為第五十二頁，共60頁。①當旁路閥全關(guān)時，B=1實際工作(gōngzuò)特性與理想特性一致；②旁路閥逐漸開啟，旁路流量增加，則B值減小，可調(diào)比下降；③希望B值不低于0.5，最好不低于0.8。第五十三頁，共60頁。補充(bǔchōng)：1、電氣轉(zhuǎn)換器第五十四頁，共60頁。電氣(diànqì)轉(zhuǎn)換器工作原理它是按力平衡原理設(shè)計和工作的。在其內(nèi)部有一線圈，當調(diào)節(jié)器的電流信號送入線圈后，由于內(nèi)部永久磁鐵的作用，使線圈和杠桿產(chǎn)生位移，帶動擋板接近（或遠離）噴嘴，引起噴嘴背壓增加（或減少），此背壓作用在內(nèi)部的氣動功率放大器上，放大后的壓力一路作為轉(zhuǎn)換器的輸出，另一路饋送到反饋波紋管。輸送到反饋波紋管的壓力，通過杠桿的力傳遞作用在鐵芯的另一端產(chǎn)生一個反向的位移，此位移與輸入信號產(chǎn)生電磁力矩平衡時，輸入信號與輸出壓力成一一對應(yīng)的比例關(guān)系。即輸入信號從4mADC改變到20mADC時，轉(zhuǎn)換器的輸出壓力從0.02～0.1MPa變化，實現(xiàn)(shíxiàn)了將電流信號轉(zhuǎn)換成氣動信號的過程。

圖中調(diào)零機構(gòu)，用來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器的零位，反饋波紋管起反饋作用。第五十五頁，共60頁。2、氣動閥門定位器第五十六頁，共60頁。氣動閥門定位器工作(gōngzuò)