過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)第一頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二過(guò)程控制的設(shè)計(jì)任務(wù)、步驟和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法流量計(jì)和調(diào)節(jié)閥的計(jì)算方法

第二頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二3-1過(guò)程控制基本系統(tǒng)組成

3．1．1系統(tǒng)組成

1．被控過(guò)程（或?qū)ο螅?/p>

2．測(cè)量?jī)x表

3．控制裝置

4．執(zhí)行機(jī)構(gòu)

5.報(bào)警、保護(hù)和連鎖等第三頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二3．1．2過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟

過(guò)程控制的目標(biāo)與任務(wù):

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來(lái)完成

第四頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二具體步驟:

1．根據(jù)工藝要求和控制目標(biāo)確定系統(tǒng)變量

2．建立數(shù)學(xué)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(jìn)行控制器設(shè)計(jì)

6．軟件設(shè)計(jì)

設(shè)備安裝、調(diào)試與整定、運(yùn)行

第五頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二3-2確定控制變量與控制方案

根據(jù)穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟(jì)性原則確定控制目標(biāo)

第六頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二1．被控變量

在定性地確定目標(biāo)以后，需要用工業(yè)過(guò)程的被控變量來(lái)定量地表示控制目標(biāo)

被控變量也是工業(yè)過(guò)程的輸出變量

第七頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二選擇的基本原則:

（1）對(duì)控制目標(biāo)起重要影響的輸出變量

作為被控變量；（2）可直接控制目標(biāo)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(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性

較好的輸出變量作為被控變量

第八頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二(4)有些系統(tǒng)存在控制目標(biāo)不可測(cè)的情況，則可測(cè)量其他能夠可靠測(cè)量，與控制目標(biāo)有一定關(guān)系的輸出變量，作為輔助被控變量。

第九頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二2．輸入變量

有兩類：

控制（或操作）變量，擾動(dòng)變量。

控制（或操作）變量：

由操作者或控制機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)的變量

選擇的基本原則為：

第十頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二（1）選擇對(duì)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(duì)被控變量作用

較快的輸入變量作為控制變量，使

控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快；

第十一頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二（4）在復(fù)雜系統(tǒng)中，存在多個(gè)控制回路，即存在多個(gè)控制變量和多個(gè)被控變量。所選擇的控制變量對(duì)相應(yīng)的被控變量有直接影響，而對(duì)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。

第十二頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二確定控制方案

工業(yè)過(guò)程的控制目標(biāo)以及輸入輸出變量確定以后，控制方案就可以確定了

控制方案應(yīng)該包括控制結(jié)構(gòu)和控制算法

第十三頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二1．控制結(jié)構(gòu)

有三種：

（1）反饋控制

利用被控變量的直接測(cè)量值，調(diào)節(jié)控制

變量，使被控變量保持在預(yù)期值。

第十四頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二15

第十五頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二（2）

前饋控制

利用擾動(dòng)量的直接測(cè)量值，調(diào)節(jié)控制變量，使被控變量保持在預(yù)期值。

第十六頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二17

第十七頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二

(3)推斷控制

當(dāng)被控變量不能直接測(cè)量使用，利用輔助變量的測(cè)量值來(lái)調(diào)節(jié)控制變量，使不可測(cè)的被控變量保持在預(yù)期值

第十八頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二

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(jìn)行控制器設(shè)計(jì)。

第十九頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二過(guò)程控制系統(tǒng)硬件選擇

根據(jù)過(guò)程控制的輸入輸出變量以及控制要求，可以選定系統(tǒng)硬件，包含控制裝置、測(cè)量?jī)x表、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和報(bào)警、保護(hù)、連鎖等部件。

第二十頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二過(guò)程控制系統(tǒng)硬件選擇的原則:

保證控制目標(biāo)和控制方案的實(shí)施。

第二十一頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二

控制裝置

簡(jiǎn)單的過(guò)程控制系統(tǒng)可以選擇單回路控制器，對(duì)于比較復(fù)雜的系統(tǒng)需要用計(jì)算機(jī)控制。

第二十二頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二用于過(guò)程控制的計(jì)算機(jī)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(kāi)關(guān)量較少的過(guò)程控制系統(tǒng)宜采用DCS控制；

模擬量控制回路較少，開(kāi)關(guān)量較多的過(guò)程控制系統(tǒng)宜采用PLC控制。

第二十三頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二測(cè)量?jī)x表和傳感器的選型原則

一個(gè)簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)就是由被控對(duì)象、檢測(cè)部件（測(cè)量?jī)x表和傳感器）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成

第二十四頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二自動(dòng)控制系統(tǒng)中檢測(cè)部件的作用相當(dāng)于人的感覺(jué)器官，它直接感受被測(cè)參數(shù)的變化，提取被測(cè)信息，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)供顯示和作為控制的依據(jù)

第二十五頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二檢測(cè)部件一般宜采用定型產(chǎn)品，設(shè)計(jì)過(guò)程控制系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)控制方案選擇測(cè)量?jī)x表和傳感器

選型原則：

第二十六頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二（1）

可靠性原則

可靠性是指產(chǎn)品在一定的條件下，能長(zhǎng)期而穩(wěn)定地完成規(guī)定功能的能力。

是測(cè)量?jī)x表和傳感器的最重要選型原則。

（2）

實(shí)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(shí)用性，既要保證功能的實(shí)現(xiàn)，又應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性，并非功能越強(qiáng)越好。（3）先進(jìn)性原則

應(yīng)該盡量采用先進(jìn)的設(shè)備

第二十七頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二由過(guò)程控制的任務(wù)可知，系統(tǒng)中常遇到的被測(cè)參數(shù)有溫度、壓力、流量、物位和成分等，這些測(cè)量?jī)x表和傳感器的工作原理和類型都可以參看儀器儀表方面的教材。

第二十八頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二3-4流量計(jì)選擇

1．流量

流體在單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)管道或設(shè)備某處橫斷面的數(shù)量成為流量

流過(guò)的數(shù)量

按體積計(jì)算稱為體積流量

按質(zhì)量計(jì)算的稱為質(zhì)量流量

第二十九頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二流量計(jì)類型

四類：

（1）壓差式流量計(jì)：流體通過(guò)管道內(nèi)節(jié)流裝置時(shí)，根據(jù)流量與節(jié)流裝置前后壓差的關(guān)系來(lái)計(jì)量

(2)速度式流量計(jì)：管道內(nèi)流體的速度推動(dòng)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(lái)計(jì)量（3)容積式流量計(jì)。

流體連續(xù)通過(guò)一定容積之后，進(jìn)行流量累計(jì)的原理來(lái)計(jì)量。

（4）其他類型流量計(jì)。

如電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等。

第三十頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二

3-5調(diào)節(jié)閥選擇

在過(guò)程控制系統(tǒng)中，最常用的執(zhí)行機(jī)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(hào)大小和方向，改變閥的開(kāi)度，以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)流體流量的裝置。

把控制器比喻為自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的“頭腦”,則調(diào)節(jié)閥就是自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的“手腳”。

理想可調(diào)比是閥的最大和最小流通能力之比。

理想可調(diào)比越大越好。

第三十一頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二（2）實(shí)際可調(diào)比

在實(shí)際使用中，調(diào)節(jié)閥前后的壓降是隨管道阻力的變化而改的。

有旁路的調(diào)節(jié)閥，打開(kāi)旁路閥時(shí)調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比也會(huì)改變。

調(diào)節(jié)閥實(shí)際控制的最大和最小流量之比稱為實(shí)際可調(diào)比。

第三十二頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二①串聯(lián)管道

在串聯(lián)管道系統(tǒng)的總壓降一定時(shí)，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(duì)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(shí)際可調(diào)比會(huì)降低。

第三十三頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二34

第三十四頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二在實(shí)際應(yīng)用中為了確保調(diào)節(jié)閥有一定的可調(diào)比，閥全開(kāi)時(shí)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)。

第三十五頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二36

第三十六頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二調(diào)節(jié)閥在并聯(lián)管道上的實(shí)際可調(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(shí)用時(shí)應(yīng)使B值大于0.8為好。

第三十七頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二調(diào)節(jié)閥的流量特性

指流體流過(guò)閥門的相對(duì)流量和相對(duì)開(kāi)度之間的函數(shù)關(guān)系，即

—相對(duì)流量，閥在某一開(kāi)度下的流量與全開(kāi)時(shí)流量的比；

—相對(duì)開(kāi)度，閥在某一開(kāi)度的行程與全開(kāi)時(shí)行程的比。

第三十八頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二改變調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，也就改變了閥的流通截面以及通過(guò)閥的流量，從而導(dǎo)致改變的系統(tǒng)阻力以及閥前后的壓差。

研究調(diào)節(jié)閥的流量特性對(duì)于選用調(diào)節(jié)閥有重要意義。

假設(shè)閥前后壓差不變，然后再引申到真實(shí)情況進(jìn)行研究，前者稱為理想流量特性，后者稱為工作流量特性。

第三十九頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二1．理想流量特性

閥前后壓差保持不變的特性。

有直線、對(duì)數(shù)、拋物線、快開(kāi)等四種。

第四十頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二（1）直線流量特性

指調(diào)節(jié)閥的單位相對(duì)位移的變化所引起的相對(duì)流量的變化是常數(shù)。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

K為常數(shù)，調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)。

積分得

第四十一頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二42

第四十二頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二直線特性的調(diào)節(jié)閥在開(kāi)度變化相同的情況下，當(dāng)流量小時(shí)，流量的變化值相對(duì)較大，調(diào)節(jié)作用較強(qiáng)，易產(chǎn)生超調(diào)和引起振蕩；流量大時(shí)，流量變化值相對(duì)較小，調(diào)節(jié)作用進(jìn)行緩慢，不夠靈敏。

第四十三頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二（2）對(duì)數(shù)流量特性

又稱等百分比特性，是調(diào)節(jié)閥單位相對(duì)開(kāi)度的變化所引起的相對(duì)流量的變化和此點(diǎn)的相對(duì)流量成正比關(guān)系。

數(shù)學(xué)表達(dá)式為

第四十四頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二第四十五頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二（3）拋物線流量特性

閥的相對(duì)流量與相對(duì)流量的平方根成正比的關(guān)系的特性

其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

第四十六頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二（4）快開(kāi)流量特性

閥在開(kāi)度很小時(shí)，就已經(jīng)將流量放大，隨著開(kāi)度的增加，流量很快就達(dá)到最大（飽和）值，以后再增加開(kāi)度，流量幾乎沒(méi)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)。

其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

第四十七頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二（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(duì)數(shù)（等百分比）的特性曲線。

在開(kāi)啟角很小時(shí)，流量增加卻很??；

當(dāng)開(kāi)啟角繼續(xù)增大，流量逐漸成比例地增加；當(dāng)開(kāi)啟角增大到600～700之間時(shí)，可以獲得70%以上的流量；

再繼續(xù)增大開(kāi)啟角到700以上，閥的流通截面幾乎與開(kāi)啟角成比例地增加，但因?yàn)殚y上壓差顯著減小，流量的增加也顯著減少。

在整個(gè)角行程內(nèi)蝶閥都起著控制流量的作用。

第四十八頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二2．工作流量特性

在實(shí)際生產(chǎn)中，調(diào)節(jié)閥前后壓差總是變化的，這時(shí)的流量特性稱為工作流量特性。

工作流量特性與管道系統(tǒng)阻力有關(guān)。

第四十九頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期二（1）

串聯(lián)管道的工作流量特性

閥與管道串聯(lián)時(shí)，流量增大，管路損失也增大，在總的壓降一定時(shí)閥上的壓降減小