過程控制系統課件 第3章 過程控制參數檢測與變送

過程控制系統

——系統設計

電氣與控制工程學院重點過程控制的設計任務、步驟和系統設計方法流量計和調節(jié)閥的計算方法8/26/20242

1．被控過程（或對象）

2．測量儀表

3．控制裝置

4．執(zhí)行機構

5.報警、保護和連鎖等3-1過程控制基本系統組成3.1.1系統組成8/26/202433.1.2過程控制系統設計步驟具體步驟:

1．根據工藝要求和控制目標確定系統變量

2．建立數學模型

3．確定控制方案

4．選擇硬件設備

5．選擇控制算法，進行控制器設計

6．軟件設計

設備安裝、調試與整定、運行

8/26/20244根據穩(wěn)定性、安全性和經濟性原則確定控制目標確定控制變量與控制方案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控制目標;

被控變量也是工業(yè)過程的輸出變量.選擇的基本原則:

(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比較簡單、動態(tài)和靜態(tài)特性較好的輸出變量作為被控變量;(4)有些系統存在控制目標不可測的情況，則可測量其他能夠可靠測量，與控制目標有一定關系的輸出變量，作為輔助被控變量。

8/26/202452.輸入變量

有兩類：控制（或操作）變量和擾動變量。

控制（或操作）變量：操作者或控制機構調節(jié)的變量。

選擇的基本原則為：

(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)在此的基礎上選擇對被控變量作用較快的輸入變量作為控制變量，使控制的動態(tài)響應較快；(4)在復雜系統中，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的被控變量有直接影響，而對其他輸出變量的影響應該盡可能的小，以便使不同控制回路之間的關聯比較小。

8/26/20246工業(yè)過程的控制目標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該包括控制結構和控制算法。確定控制方案1.控制結構

有三種：

(1)反饋控制

利用被控變量的直接測量值，調節(jié)控制變量，使被控變量保持在預期值。8/26/20247(2)

前饋控制

利用擾動量的直接測量值，調節(jié)控制變量，使被控變量保持在預期值。8/26/20248(3)推斷控制

當被控變量不能直接測量使用，利用輔助變量的測量值來調節(jié)控制變量，使不可測的被控變量保持在預期值

控制算法

控制方案確定以后，需要選擇合適的控制算法。

根據控制算法進行控制器設計。8/26/20249過程控制系統硬件選擇根據過程控制的輸入輸出變量以及控制要求，可以選定系統硬件，包含控制裝置、測量儀表、傳感器、執(zhí)行機構和報警、保護、連鎖等部件。(1)過程控制系統硬件選擇的原則:

保證控制目標和控制方案的實施。(2)控制裝置

簡單的過程控制系統可以選擇單回路控制器，對于比較復雜的系統需要用計算機控制。(3)用于過程控制的計算機控制設備多采用DCS（集散控制系統）或PLC（可編程序控制器)。

(4)模擬量控制回路較多，開關量較少的過程控制系統宜采用DCS控制.(5)模擬量控制回路較少，開關量較多的過程控制系統宜采用PLC控制。

8/26/202410(6)測量儀表和傳感器的選型原則

一個簡單的控制系統就是由被控對象、檢測部件（測量儀表和傳感器）和執(zhí)行機構組成。

(7)自動控制系統中檢測部件的作用相當于人的感覺器官，它直接感受被測參數的變化，提取被測信息，轉換成標準信號供顯示和作為控制的依據。

(8)檢測部件一般宜采用定型產品，設計過程控制系統時，根據控制方案選擇測量儀表和傳感器選型原則：A可靠性原則

可靠性是指產品在一定的條件下，能長期而穩(wěn)定地完成規(guī)定功能的能力。是測量儀表和傳感器的最重要選型原則。

B實用性原則

完成具體功能要求的能力和水平。根據工藝要求考慮實用性，既要保證功能的實現，又應考慮經濟性，并非功能越強越好。C先進性原則

應該盡量采用先進的設備8/26/202411由過程控制的任務可知，系統中常遇到的被測參數有溫度、壓力、流量、物位和成分等，這些測量儀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。

流量計選擇

流量——流體在單位時間內流過管道或設備某處橫斷面的數量成為流量

流過的數量：按體積計算稱為體積流量

按質量計算的稱為質量流量8/26/202412

流量計類型

A壓差式流量計流體通過管道內節(jié)流裝置時，根據流量與節(jié)流裝置前后壓差的關系來計量

B速度式流量計管道內流體的速度推動葉輪旋轉，根據葉輪轉速與流體流速成正比的關系來計量

C容積式流量計

流體連續(xù)通過一定容積之后，進行流量累計的原理來計。

D其他類型流量計

如電磁流量計、超聲波流量計等。

8/26/202413調節(jié)閥選擇

在過程控制系統中，最常用的執(zhí)行機構是調節(jié)閥。

調節(jié)閥是按照控制器（調節(jié)器或操作器）所給定的信號大小和方向，改變閥的開度，以實現調節(jié)流體流量的裝置。

把控制器比喻為自動調節(jié)系統中的“頭腦”,則調節(jié)閥就是自動調節(jié)系統的“手腳”。

理想可調比是閥的最大和最小流通能力之比。

理想可調比越大越好實際可調比——在實際使用中，調節(jié)閥前后的壓降是隨管道阻力的變化而改的。

有旁路的調節(jié)閥，打開旁路閥時調節(jié)閥的可調比也會改變。

調節(jié)閥實際控制的最大和最小流量之比稱為實際可調比。8/26/202414①串聯管道

在串聯管道系統的總壓降一定時，隨著流量的增加，串聯管路的阻力損失相應增大，調節(jié)閥上的壓降相對減少，從而調節(jié)閥所能流通的最大流量減少。

串聯管道上調節(jié)閥的實際可調比會降低。在實際應用中為了確保調節(jié)閥有一定的可調比，閥全開時的壓降應在管路系統中占有合適的比例。

通常S值在0.3~0.6范圍內。8/26/202415②并聯管道調節(jié)閥在并聯管道上的實際可調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。

實用時應使B值大于0.8為好。8/26/202416調節(jié)閥的流量特性

指流體流過閥門的相對流量和相對開度之間的函數關系，即

—相對流量，閥在某一開度下的流量與全開時流量的比；

—相對開度，閥在某一開度的行程與全開時行程的比。

8/26/202417改變調節(jié)閥的開度，也就改變了閥的流通截面以及通過閥的流量，從而導致改變的系統阻力以及閥前后的壓差。研究調節(jié)閥的流量特性對于選用調節(jié)閥有重要意義。假設閥前后壓差不變，然后再引申到真實情況進行研究，前者稱為理想流量特性，后者稱為工作流量特性。

8/26/202418

(1)直線流量特性

指調節(jié)閥的單位相對位移的變化所引起的相對流量的變化是常數。其數學表達式為

K為常數，調節(jié)閥的放大系數。

積分得

8/26/202419直線特性的調節(jié)閥在開度變化相同的情況下，當流量小時，流量的變化值相對較大，調節(jié)作用較強，易產生超調和引起振；流量大時，流量變化值相對較小，調節(jié)作用進行緩慢，不夠靈敏。8/26/202420

(2)對數流量特性

又稱等百分比特性，是調節(jié)閥單位相對開度的變化所引起的相對流量的變化和此點的相對流量成正比關系。

數學表達式為

8/26/202421

(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系的特性

其數學表達式為

(4)快開流量特性

閥在開度很小時，就已經將流量放大，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。

其數學表達式為

8/26/202422

(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（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。

在整個角行程內蝶閥都起著控制流量的作用。

8/26/202423A串聯管道的工作流量特性閥與管道串聯時，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)楣ぷ髁髁刻匦浴Ｇ筮@時的流量，需了解閥上壓差的變化規(guī)律。工作流量特性

在實際生產中，調節(jié)閥前后壓差總是變化的，這時的流量特性稱為