過程裝備控制技術及應用課件

補充:單回路控制系統(tǒng)設計相關問題(一)控制閥的選擇：1、類型：氣動、電動2、結構型式和材質：根據工藝介質的性質和工藝要求選擇。3、氣開、氣關型式的選擇：從生產安全的角度考慮，保證設備和操作人員的安全。4、流量特性的選擇：（1）根據對象特性，確定工作流量特性；（2）根據配管情況，確定理想流量特性；5、口徑的計算補充題：下圖為一密閉容器，要求容器內壓力不能過高，試選擇各控制閥的氣開、氣關型式。要求容器內壓力不能過高，失氣時進口閥1處于“關”位置安全，故進口閥1選氣開閥；要求容器內壓力不能過高，失氣時出口閥2處于“開”位置安全，故出口閥2選氣關閥。進口閥1出口閥2調節(jié)閥氣開、氣關形式的選擇主要是考慮工藝過程的安全要求，即當過程控制系統(tǒng)發(fā)生故障，如氣源中斷、控制器或調節(jié)閥損壞時，調節(jié)閥應處于什么狀態(tài)才是安全的。在選擇調節(jié)閥氣開、氣關形式時，應考慮以下情況：考慮事故狀態(tài)時調節(jié)閥所處的狀態(tài)不致影響人身、工藝設備的安全。考慮事故狀態(tài)下減少經濟損失，保證產品質量?？紤]介質的性質，防止事故狀態(tài)下物料結晶、凝固和堵塞給重新開工帶來麻煩，甚至損壞設備。

通常，選擇調節(jié)閥氣開、氣關形式的原則是不使物料進入或流出設備或裝置。下面是幾個常用選擇規(guī)則：進入設備或裝置的原料或熱源應切斷，因此，選擇進料閥為氣開閥。設備或裝置的出料應切斷，因此，選擇出料閥為氣開閥。特殊場合，不應使高溫高壓物流切斷或放空，因此，選擇保位閥。示例一鍋爐供水調節(jié)閥一般采用氣關式，一旦事故發(fā)生，可保證事故狀態(tài)下調節(jié)閥處于全開位置，使鍋爐不致因水中斷而燒干，甚至引起爆炸危險。示例二進加熱爐的燃料氣或燃料油的調節(jié)閥應采用氣開式，一旦事故發(fā)生，調節(jié)閥處于全關狀態(tài)，切斷進爐燃料，避免爐溫繼續(xù)升高，燒壞爐管，造成設備事故。示例三精餾塔的進料調節(jié)閥一般選用氣開式，這樣，在事故狀態(tài)下調節(jié)閥關閉，停止進料，以減少原料損耗；而回流量調節(jié)閥一般選用氣關式，在事故狀態(tài)下使調節(jié)閥全開，保證回流量，以防止不合格產品的蒸出。示例四易結晶、易凝固物料的加熱裝置，蒸汽流量調節(jié)閥需選用氣關式。一旦事故發(fā)生，使其處于全開狀態(tài)，保證有一定的溫度，以防止物料結晶、凝固和堵塞。（二）控制器正反作用的確定：控制器有正作用和反作用兩種方式，其確定原則是使整個控制系統(tǒng)構成負反饋系統(tǒng)。根據負反饋準則，要求控制系統(tǒng)開環(huán)總靜態(tài)放大系數為正。簡單控制系統(tǒng)由被控過程、檢測變送裝置、控制閥和控制器組成，要構成負反饋，則要求KoKmKvKc＞0。各環(huán)節(jié)正、反作用的確定

組成控制系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)靜態(tài)放大系數的正負由該環(huán)節(jié)輸入輸出之間的關系確定。當環(huán)節(jié)的輸入增大（或減?。r，其輸出也增大（或減?。?，則該環(huán)節(jié)為正作用，它的靜態(tài)放大系數為正。當環(huán)節(jié)的輸入增大（或減?。r，輸出減?。ɑ蛟龃螅瑒t該環(huán)節(jié)為反作用，它的靜態(tài)放大系數為負。各環(huán)節(jié)正、反作用的確定開環(huán)總靜態(tài)放大系數是各組成環(huán)節(jié)的放大系數之積。因而，控制器正、反作用的確定與被控過程、檢測變送裝置、控制閥的作用方式有關。各環(huán)節(jié)正、反作用的確定被控過程的正、反作用當被控過程的輸入增大（或減小）時，其輸出亦增大（或減?。?，此時稱此被控過程為正作用。正作用過程的靜態(tài)放大系數Ko＞0。當被控過程的輸入增大（或減?。r，其輸出減?。ɑ蛟龃螅藭r稱此被控過程反作用。反作用過程的靜態(tài)放大系數Ko＜0。注意：被控過程的輸入是指操縱變量，即通過控制閥的物料或能源的流量，輸出是被控變量。被控過程的正、反作用LCLTLCLT“正作用”“反作用”輸入信號（操縱變量）：流入量輸出信號（被控變量）：液位參數輸入信號（操縱變量）：流出量輸出信號（被控變量）：液位參數各環(huán)節(jié)正、反作用的確定控制閥的正、反作用氣開式調節(jié)閥的輸入信號增大（或減?。r，其開度增大（或減?。?，調節(jié)閥的物料或能源的流量（控制參數）也增大（或減?。虼藲忾_式調節(jié)閥為正作用，靜態(tài)放大系數Kv＞0。氣關式調節(jié)閥的輸入信號增大（或減?。r，其開度減?。ɑ蛟龃螅?，調節(jié)閥的物料或能源的流量（控制參數）也減?。ɑ蛟龃螅虼藲怅P式調節(jié)閥為反作用，靜態(tài)放大系數Kv＜0。各環(huán)節(jié)正、反作用的確定檢測變送裝置的正、反作用檢測變送裝置的輸入是被控變量，輸出是測量值。大多數檢測變送裝置的輸入增大（或減小）時，其輸出亦增大（或減?。蕿檎饔?，靜態(tài)放大系數Km＞0。但也有例外的，差壓變送器檢測變送液位如圖所示連接時，若不作零點遷移，則為反作用，靜態(tài)放大系數Km＜0。各環(huán)節(jié)正、反作用的確定控制器的正、反作用調節(jié)器的正、反作用是這樣規(guī)定的：當系統(tǒng)的測量值增加（或減小）時，控制器的輸出亦增加（或減小），稱為正作用控制器。當系統(tǒng)的測量值增加（或減?。r，控制器的輸出減?。ɑ蛟龃螅Q為反作用控制器。

各環(huán)節(jié)正、反作用的確定調節(jié)器實際上包含了比較環(huán)節(jié)和控制環(huán)節(jié)?？刂骗h(huán)節(jié)的真正輸入是偏差（e=r-y），輸出是控制作用?？刂骗h(huán)節(jié)的靜態(tài)放大系數Kc是這樣來確定的：輸入偏差增加（或減小）時，調節(jié)器的輸出亦增加（或減?。?，其靜態(tài)放大系數Kc取正，即Kc＞0。輸入偏差增加（或減?。r，調節(jié)器的輸出減小（或增加），其靜態(tài)放大系數Kc取負，即Kc＜0。

各環(huán)節(jié)正、反作用的確定由于偏差e等于給定值x減去測量值z，即e＝x－z，當給定值不變時，測量值增加（或減?。r，偏差將減?。ɑ蛟黾樱?。由此有，正作用控制器的靜態(tài)放大系數Kc為負，即Kc＜0；反作用控制器的靜態(tài)放大系數Kc為正，即Kc＞0。確定控制器的正、反作用的步驟

由于大多數檢測變送裝置的靜態(tài)放大系數Km＞0，一般情況下無須判別。確定調節(jié)器正、反作用方式的步驟一般為：根據生產工藝安全等原則確定控制閥的氣開、氣關形式。按被控過程特性，確定其正、反作用。根據組成系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的靜態(tài)放大系數乘積必須為正的原則來確定控制器的靜態(tài)放大系數的符號，據此再確定控制器的正、反作用方式。校核。例1：確定液位控制系統(tǒng)控制器的正反作用1、圖示液位控制系統(tǒng)，操縱變量是進料流量。從安全角度考慮，應選擇氣開閥，Kv＞0；進料閥開度增加，液位升高，過程增益K0＞0；為保證負反饋，K開＝KcKvK0Km＞0，因此，應選擇調節(jié)器增益Kc＞0，即選擇調節(jié)器為反作用?？蓮男盘柫飨騺頇z驗選擇的正確與否若受干擾使液位升高：液位↗─→測量值↗─→調節(jié)器為反作用，輸出↘─→控制閥為氣開閥，開度↘─→進料流量↘─→液位↘。能實現負反饋控制，選擇正確。如圖所示，如果檢測變送器不作遷移，同時，安裝了冷凝容器，則液位升高時，檢測變送器的輸出反而減小，采用這種安裝方式時檢測變送器的增益Km＜0。這時如果使用進料閥控制液位，應選擇正作用調節(jié)器。2、圖示液位控制系統(tǒng)，操縱變量是出料流量。從安全角度考慮，應選擇氣關閥，Kv＜0；出料閥開度增加，液位下降，過程增益K0＜0；為保證負反饋，K開＝KcKvK0Km＞0，因此，應選擇調節(jié)器增益Kc＞0，即選擇調節(jié)器為反作用。校核。例2：加熱爐出口溫度控制：TC燃料氣加熱爐出口溫度控制“正”氣開“正”“反”（1）確定閥的氣開、氣關型式：失氣時閥處于“關”位置安全，選氣開閥，為“正作用”方向，即Kv>0；（2）確定被控對象的正反作用：燃料閥開大，燃料流量增大，被控變量爐出口溫度增大，故對象是“正作用”方向，即

K0>0；（3）確定調節(jié)器的正反作用：為保證負反饋，K開＝KcKvK0Km＞0，因此，應選擇調節(jié)器增益Kc＞0，即選擇調節(jié)器為“反作用”。（4）校核：T反作用TC輸出氣開閥關小燃料氣閥門TT反作用TC輸出氣開閥開大燃料氣閥門T冷物料的流量TC燃料氣原料“正”“正”“反”例3：液位控制“正”氣開“正”LC液位控制（2）確定被控對象的正反作用：閥門開大，出口流量增大，被控變量液位降低，故對象是“反作用”方向，即K0<0；（3）確定調節(jié)器的正反作用：為保證負反饋，K開＝KcKvK0Km＞0，因此，應選擇調節(jié)器增益Kc<0，調節(jié)器應選為“正作用”；（4）校核：（1）確定閥的氣開、氣關型式：失氣時閥處于“關”位置安全，選氣開閥，為“正作用”方向，即Kv>0；L正作用LC輸出氣開閥開大閥門L“反”確定調節(jié)器的正、反作用方式

（方法二：符號法）1、選擇依據：保證整個控制系統(tǒng)是一個具有負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。2、各環(huán)節(jié)的符號規(guī)定（作用方向）：所謂作用方向，就是指輸入變化后，輸出的變化方向。當某個環(huán)節(jié)的輸入增加時，其輸出也增加，則稱該環(huán)節(jié)為“正作用”方向（取“＋”）；反之，當環(huán)節(jié)的輸入增加時，輸出減少的稱“反作用”方向（取“－”）。各環(huán)節(jié)的符號規(guī)定（1）（1）被控對象：當操縱變量增加時，被控變量也增加的對象屬于“正作用”（取“＋”）的；反之，被控變量隨操縱變量的增加而降低的對象屬于“反作用”（取“－”）的。LCLTLCLT“正作用”（“＋”）；“反作用”（“－”）；各環(huán)節(jié)的符號規(guī)定（2）（2）控制閥：當控制器輸出信號（即執(zhí)行器的輸入信號）增加時，氣開閥的開度增加，因而流過閥的流體流量也增加，故氣開閥是“正”方向（取“＋”）；反之，由于當氣關閥接收的信號增加時，流過閥的流體流量反而減少，所以是“反”方向（取“－”）。各環(huán)節(jié)的符號規(guī)定（3）（3）控制器：當給定值不變，被控變量測量值增加時控制器的輸出也增加，稱為“正作用”方向（取“＋”），或當測量值不變，給定值減小時，控制器的輸出增加的稱為“正作用”方向（取“＋”）；反之，如果測量值增加（或給定值減?。r，控制器的輸出減小的稱為“反作用”方向（取“－”）。正負號規(guī)定：●控制閥：氣開＋，氣關－●控制器：正作用＋，反作用－●對象：控制閥流量增大時被控量增大＋，反之為－●變送器：通常為＋控制器正反作用方式選擇：控制器±×控制閥±×對象±×變送器±＝－3、選擇步驟：（1）先確定控制閥的氣開、氣關型式（閥的符號）；（2）根據被控對象的特性，確定其正反作用方向（對象的符號）；（3）根據整個控制系統(tǒng)為一個具有負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)的原則（各環(huán)節(jié)符號的乘積必須為“－”，控制器±×控制閥±×對象±×變送器±＝－

），確定控制器的正反作用（控制器的符號）；（4）校核。例2：加熱爐出口溫度控制：TC燃料氣加熱爐出口溫度控制“正”“－”氣開“正”

“－”“反”

“－”（1）確定閥的氣開、氣關型式：失氣時閥處于“關”位置安全，選氣開閥，為“正作用”（“＋”）方向；（2）確定被控對象的正反作用：燃料閥開大，燃料流量增大，被控變量爐出口溫度增大，故對象是“正作用”（“＋”）方向；（3）確定調節(jié)器的正反作用：為保證負反饋（各環(huán)節(jié)符號的乘積必須為“－”），應選擇調節(jié)器為“反作用”（“－”）。（4）校核：T反作用TC輸出氣開閥關小閥門T1、被控變量的選擇；直接指標：間接指標：2、操縱變量的選擇，控制方案的確定；影響被控變量的因素。3、過程檢測控制儀表的選用；（1）測量元件及變送器：（2）調節(jié)閥：根據生產安全原則及被控介質特點，選氣開、氣關閥。根據過程特性與控制要求選用對應流量特性的調節(jié)閥。根據被控介質流量選擇閥的口徑。（3）調節(jié)器：根據過程特性與工藝要求，可選用控制規(guī)律。根據構成系統(tǒng)負反饋原則，確定調節(jié)器的正、反作用。在過程控制系統(tǒng)方案設計、設備選型、安裝調校就緒后，下一步要進行的工作就是系統(tǒng)的投運與調整、整定。例一：噴霧式干燥設備控制系統(tǒng)設計工藝過程及要求被控變量選擇操縱變量選擇過程檢測、控制設備的選用一、工藝過程及要求如圖是奶粉生產工藝中的噴霧式干燥設備。此工藝要求保證奶粉含水量在2%~2.5%。高位槽過濾器干燥器產品鼓風機換熱器旁路風管風管蒸汽fFfqfP已濃縮的奶液從儲槽流下，經過濾后從干燥器頂部噴出。干燥空氣被加熱后經風管吹入干燥器。滴狀奶液在熱風中干燥成奶粉，并被氣流帶出干燥器。二、被控參數選擇直接指標：產品質量（水分含量）水分含量反映產品質量，是主要的工藝技術指標。由于產品水分含量測量十分困難，且測量精度不高。試驗發(fā)現，奶粉含水量與干燥器溫度之間存在單值關系。出口溫度穩(wěn)定在150±2℃，則奶粉含水量符合2%~2.5%。間接指標：干燥器的溫度根據生產工藝，產品質量（水分含量）與干燥溫度有密切相關，因而選干燥器的溫度為被控參數（間接參數）。乳化液流量f1旁路冷風量f2加熱蒸汽量f3選其中任一變量作為操縱變量，均可構成溫度控制系統(tǒng)，即可以得到三個不同的控制方案。高位槽過濾器干燥器產品鼓風機換熱器旁路風管風管蒸汽f1f2f3三、控制參數選擇，控制方案的確定影響干燥器溫度的主要可控因素因素有：影響量作用的位置不同：f3蒸氣流量f2旁路冷風流量f1乳液流量熱交換器T=100,T=100送風管道

τ=3干燥器

Go乳液流量變化f1的作用通道最短；旁路冷風流量變化f2的作用通道增加了3秒的滯后；加熱蒸汽流量變化f3的作用通道又增加了兩個100秒的雙容滯后。干燥器f1f2f3控制方案：方案1：取乳化液流量為操縱變量（調節(jié)閥1）控制通道最短f3f2f1熱交換器送風管道干燥器調節(jié)閥1控制器變送器－ry干燥器f1f2f3123方案2：取旁路冷風流量為操縱變量（調節(jié)