第3章：過程控制系統(tǒng)設(shè)計課件

3過程控制系統(tǒng)設(shè)計3.1過程控制系統(tǒng)設(shè)計步驟3.2確定控制變量與控制方案3.3過程控制系統(tǒng)硬件選擇3.4節(jié)流元件計算3.5調(diào)節(jié)閥選擇3.6計算舉例3過程控制系統(tǒng)設(shè)計3.1過程控制系統(tǒng)設(shè)計步驟1教學(xué)目的和要求掌握過程控制系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)、步驟掌握過程控制系統(tǒng)的設(shè)計方法

掌握節(jié)流元件的計算方法掌握調(diào)節(jié)閥的選擇方法重點：過程控制系統(tǒng)的設(shè)計方法

難點：節(jié)流元件、調(diào)節(jié)閥的計算方法教學(xué)目的和要求掌握過程控制系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)、步驟2過程控制系統(tǒng)設(shè)計步驟

※過程控制系統(tǒng)設(shè)計的具體步驟：◆根據(jù)工藝要求和控制目標(biāo)確定系統(tǒng)變量◆建立數(shù)學(xué)模型◆確定控制方案◆選擇硬件設(shè)備◆選擇控制算法，設(shè)計控制器◆軟件設(shè)計◆設(shè)備安裝、調(diào)試、整定、投運過程控制系統(tǒng)設(shè)計步驟※過程控制系統(tǒng)設(shè)計的具體步驟：3確定控制變量與控制方案

※確定控制目標(biāo)：★被控變量的選取：◆選擇對控制目標(biāo)起重要影響的輸出變量。◆選擇可直接控制目標(biāo)質(zhì)量的輸出變量?！暨x擇與控制變量之間的傳遞函數(shù)簡單，動、靜態(tài)特性較好的輸出變量。◆若控制目標(biāo)不可測，則測其他能可靠測量且與控制目標(biāo)有一定關(guān)系的輸出變量。確定控制變量與控制方案※確定控制目標(biāo)：4★輸入變量：含控制變量、擾動變量★控制變量的選取：◆選擇對被控變量影響較大的輸入變量◆選擇變化范圍較大的輸入變量◆選擇對被控變量作用效應(yīng)較快的輸入變量，使控制的動態(tài)響應(yīng)較快◆多個控制回路中，所選擇的控制變量應(yīng)直接影響對應(yīng)的被控變量，使控制回路間的關(guān)聯(lián)較小★輸入變量：5※確定控制方案：★控制結(jié)構(gòu)：◆反饋控制：利用被控變量的測量值調(diào)節(jié)控制變量，使被控變量保持在預(yù)期值?！籼攸c：結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性廣。※確定控制方案：6◆前饋控制：利用擾動量的測量值調(diào)節(jié)控制變量，使被控變量保持在預(yù)期值?！籼攸c：在系統(tǒng)存在較顯著、頻繁擾動時采取的補償控制，以有效抑制擾動對被控變量的影響◆前饋控制：利用擾動量的測量值調(diào)節(jié)控制變量，使被控變量保持在7★控制算法：確定控制方案后，選擇合適的控制算法，以便設(shè)計控制器。◆簡單控制－PID控制◆復(fù)雜控制－串級控制、比值控制、均勻控制、分程控制、選擇性控制、補償控制(前饋控制、Smith預(yù)估控制)◆先進(jìn)控制－解耦控制★控制算法：8過程控制系統(tǒng)硬件選擇※硬件選擇原則:★原則：確?？刂颇繕?biāo)和控制方案的實施★硬件：控制裝置、測量儀表、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和報警、保護(hù)、連鎖等★控制裝置：簡單過程控制系統(tǒng)可選擇單回路控制器，比較復(fù)雜的系統(tǒng)可用計算機(jī)控制?！裟M量控制回路較多、開關(guān)量較少時采用DCS◆模擬量控制回路較少、開關(guān)量較多時采用PLC過程控制系統(tǒng)硬件選擇※硬件選擇原則:9★檢測部件◆檢測部件相當(dāng)于人的感覺器官，它直接感受被測參數(shù)的變化，提取被測信息，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號供顯示和作為控制的依據(jù)。◆檢測部件一般選用定型產(chǎn)品。即根據(jù)控制方案來選擇測量儀表和傳感器。◆可靠性原則：長期穩(wěn)定運行的能力◆實用性原則◆先進(jìn)性原則★檢測部件10節(jié)流元件計算※流量計算有關(guān)概念★密度：在工作溫度和壓力下，節(jié)流裝置前流體的密度?！锪髁浚毫黧w在單位時間內(nèi)流過管道或設(shè)備某處橫斷面的數(shù)量?！镎扯龋罕碚髁黧w內(nèi)摩擦力，可用動力粘度和運動粘度表示。動力粘度與密度的比值稱為運動粘度。

節(jié)流元件計算※流量計算有關(guān)概念11★雷諾數(shù)：◆管道內(nèi)流量較小時，壓差與流量成正比，流體的流動狀態(tài)為層流；流量變大后，壓差大致與流量的平方成正比，流體的流動狀態(tài)為紊流?！魪膶恿鞯轿闪鞯姆纸缇€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(xué)中，此現(xiàn)象可用雷諾實驗驗證，并用雷諾數(shù)表征，流體慣性力和粘性力之比★雷諾數(shù)：12★氣體的壓縮系數(shù)由理想氣體定律求得的氣體密度和實際密度值，在高壓和低溫情況下有偏差，須加以校正。★等熵指數(shù)當(dāng)氣體流過節(jié)流裝置后，會產(chǎn)生膨脹。假定向較低壓力的膨脹是按多變過程進(jìn)行的。對于多變過程，壓力與體積有：

★氣體的壓縮系數(shù)13※流量計★壓差式流量計：利用流體通過管道內(nèi)節(jié)流裝置時，由流量與節(jié)流裝置前后壓差的關(guān)系來計量★速度式流量計：利用管道內(nèi)流體的速度推動葉輪旋轉(zhuǎn)，由葉輪轉(zhuǎn)速與流體流速的關(guān)系來計量★容積式流量計：流體連續(xù)通過一定容積之后，以流量累計的原理來計量?！锲渌髁坑嫞弘姶帕髁坑嫛⒊暡髁坑嫷?/p>

※流量計14※節(jié)流元件：★在直線管道中設(shè)置的使流束產(chǎn)生局部收縮以測量管道中流體的流量的裝置。★標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置：歷史悠久、實驗數(shù)據(jù)完整、產(chǎn)品已標(biāo)準(zhǔn)化。有孔板、噴嘴、文丘里噴嘴和文丘里管?！锾厥夤?jié)流裝置：利用已有實驗數(shù)據(jù)估算。有雙重孔、1/4圓噴嘴、雙斜孔板、圓缺孔板等。★節(jié)流元件的特點：結(jié)構(gòu)簡單、便于制造、工作可靠、壽命長、適應(yīng)性強(qiáng)等。

※節(jié)流元件：15※流量檢測原理：★在管道中流動的流體具有動能和位能，在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)換，但參加轉(zhuǎn)換的能量總和不變。用節(jié)流元件測量流量就是基于上述原理實現(xiàn)的。質(zhì)量流量：體積流量：

※流量檢測原理：16※標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的取壓方式

★徑距取壓：其取壓口與孔板的間距是取壓口中心線與孔板某一規(guī)定端面之間的距離?！锓ㄌm取壓：須用專門帶鉆孔的法蘭。上下游取壓管中心位于距孔板兩側(cè)相應(yīng)端面25.4mm處

★角接取壓：取壓口的位置緊貼孔板的端面。有環(huán)室取壓、鉆孔式夾持環(huán)取壓、環(huán)管取壓※標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的取壓方式17具有徑距取壓或法蘭取壓的孔板取壓口間距1：流向2：徑矩取壓口3：法蘭取壓口4：法蘭盤5：孔板6：管道第3章：過程控制系統(tǒng)設(shè)計ppt課件18（a）環(huán)室式夾持取壓（b）單獨鉆孔夾持環(huán)取1：前環(huán)室2：取壓口3：后環(huán)室4：孔板5：鉆孔式夾持環(huán)a：取壓環(huán)隙寬度c：前環(huán)室寬度：后環(huán)室寬度g,h：環(huán)室內(nèi)孔尺寸f：環(huán)室厚度D：管道內(nèi)徑d：孔口直徑j(luò)：取壓口直徑：取壓口中心線的斜角第3章：過程控制系統(tǒng)設(shè)計ppt課件19※測量和計算方法★流出系數(shù)的計算：◆流出系數(shù)為通過節(jié)流裝置的實際流量值與理論流量值之比值?！粼谝欢ǖ陌惭b條件下，對于給定的節(jié)流裝置．C值僅與雷諾數(shù)有關(guān)。對于節(jié)流孔板有：

(3-9)※測量和計算方法20★流量與壓差的關(guān)系

(3-10)★可膨脹系數(shù)

(3-11)

★流量與壓差的關(guān)系21★選擇標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置時直徑比的確定◆采用的節(jié)流裝置◆命題，即求取的參數(shù)，如流量、孔徑、差壓◆確定有關(guān)已知參數(shù)的值。當(dāng)命題為求取孔徑時，則應(yīng)知：流量、壓差管徑、密度、粘度等。求孔徑d時，先設(shè)（3-12）

★選擇標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置時直徑比的確定22◆因C、未知，用迭代法計算：將(3-10)轉(zhuǎn)換成質(zhì)量流量

(3-13)

(3-14)◆由雷諾數(shù)公式有：代入(3-14)得：

(3-15)令：

(3-16)得：

(3-17)

◆因C、未知，用迭代法計算：將(3-10)轉(zhuǎn)換成質(zhì)量流量23★迭代步驟：假定：對于不可壓縮流體；對于可壓縮流體，(或1)；然后假定第一個C等于0.606?！舭词?3-15)，計算◆按式(3-16)，得第一個迭代值X，記為◆按式(3-17)，求◆按式(3-11)(3-9)，分別求和，則

◆求差值，則◆作第二次假定，用、作為第二個假定值，重復(fù)上述步驟，直到小于某規(guī)定的值為止★迭代步驟：假定：對于不可壓縮流體；對于可壓縮流24◆在冶金工業(yè)，常取，n＝4。對于和以后的迭代值，可用具有快速收斂的弦截法公式計算，即：◆在確定以后，即可確定孔徑d：

第3章：過程控制系統(tǒng)設(shè)計ppt課件25★最大刻度流量的確定◆流量分為：正常流量、最大流量、最小流量。最小流量一般為正常流量的30％，或最大流量的25％◆標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)：0℃、101325Pa的狀態(tài)。◆工作狀態(tài)：在操作時的狀態(tài)。◆儀表顯示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)流量，但計算時應(yīng)為工作狀態(tài)流量，因此需換算。★最大刻度流量的確定26★壓力損失◆流體流過節(jié)流裝置時，部分能量用來克服摩擦力和消耗于流束在其后形成的漩渦上?！魤毫p失的計算：

◆對于孔板，壓力損失近似為：★壓力損失27調(diào)節(jié)閥選擇★調(diào)節(jié)閥的工作原理及流量方程式★流量系數(shù)★阻塞流★壓力恢復(fù)和壓力恢復(fù)系數(shù)★調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比調(diào)節(jié)閥選擇★調(diào)節(jié)閥的工作原理及流量方程式28調(diào)節(jié)閥選擇※調(diào)節(jié)閥計算基礎(chǔ)★調(diào)節(jié)閥的工作原理設(shè)流體不可壓縮且充滿管道，根據(jù)能量不滅定律和流體的連續(xù)性定律：通過閥的體積流量與閥的有效流通截面積和通過閥前后的壓差的平方根成正比，與流體的密度的平方根和閥的阻力系數(shù)的平方根成反比，即：調(diào)節(jié)閥選擇※調(diào)節(jié)閥計算基礎(chǔ)29★流量方程式或

調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)：◆在給定條件下，流量系數(shù)與流量成正比◆調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)與截面積成正比◆流量系數(shù)與閥的阻力系數(shù)的平方根成反比★流量方程式30★流量系數(shù)的定義◆公制單位：溫度為5-10℃的水，在Pa的壓降下，每小時流過調(diào)節(jié)閥水量的立方米數(shù)，以符號表示?！粲⒅茊挝唬簻囟葹橄碌乃?，在1psi的壓降下，每分鐘流過調(diào)節(jié)閥水量的加侖數(shù)，以符號表示。◆換算關(guān)系式：★流量系數(shù)的定義31★阻塞流◆在閥前壓力一定時，通過閥的流量隨閥上壓降的增大而增大，當(dāng)壓降達(dá)到某一臨界值時，流量將達(dá)到極限值，流體的流動狀態(tài)稱為阻塞流◆在阻塞流時，壓差比X(即)達(dá)到了極限值，即臨界壓差比。通常產(chǎn)生阻塞流的臨界壓差比◆在阻塞流情況下，計算C值時，對不可壓縮流體、低雷諾數(shù)流體、可壓縮流體需進(jìn)行修正

★阻塞流32★壓力恢復(fù)和壓力恢復(fù)系數(shù)◆流體通過節(jié)流孔時流束截面積最小，流速最大，靜壓力最低，以后流束截面逐漸擴(kuò)大，流速減緩，壓力逐漸恢復(fù)達(dá)到閥后壓力◆壓力恢復(fù)系數(shù)為閥全開時壓力恢復(fù)的程度?！魧Σ豢蓧嚎s流體，在非阻塞流工況下：◆對不可壓縮流體，在阻塞流工況下：或★壓力恢復(fù)和壓力恢復(fù)系數(shù)33

閥內(nèi)壓力恢復(fù)示意圖(a)管道內(nèi)流束的形狀(b)流束壓力變化曲線1一調(diào)節(jié)閥，2一流向，3一管道，4—未考慮壓力恢復(fù)的壓降曲線5一雙座閥的壓力恢復(fù)曲線；6—球閥的壓力恢復(fù)曲線第3章：過程控制系統(tǒng)設(shè)計ppt課件34★可調(diào)比◆閥所能調(diào)節(jié)的最大流量和最小流量的比值?！衾硐肟烧{(diào)比：當(dāng)調(diào)節(jié)閥兩端壓差不變。◆希望理想可調(diào)比越大越好。但由于受閥芯結(jié)構(gòu)和加工工藝的限制，不能太小

★可調(diào)比35★實際可調(diào)比：調(diào)節(jié)閥實際控制的最大和最小流量的比值☆串聯(lián)管道：在管道系統(tǒng)的總壓降一定時，隨著流量的增加，串聯(lián)管路的阻力損失增大，調(diào)節(jié)閥上的壓降減小，使調(diào)節(jié)閥的最大流量減小。即串聯(lián)管道調(diào)節(jié)閥的實際可調(diào)比降低。★實際可調(diào)比：調(diào)節(jié)閥實際控制的最大和最小流量的比值36◆串聯(lián)管道的實際可調(diào)比為：

◆s值越小，實際可調(diào)比越小。在實際應(yīng)用中，為確保調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比，閥全開時的壓降應(yīng)在管路系統(tǒng)中占有一定比例，s常取0.3-0.6。

◆串聯(lián)管道的實際可調(diào)比為：37☆并聯(lián)管道

◆實際可調(diào)比

☆并聯(lián)管道38◆旁路程度◆可調(diào)比◆旁路程度39調(diào)節(jié)閥的流量特性★流量特性★理想流量特性★工作流量特性調(diào)節(jié)閥的流量特性★流量特性40★改變調(diào)節(jié)閥的開度，即改變閥的流通截面及流量，從而改變管道的系統(tǒng)阻力及閥前后的壓差※調(diào)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(shù)關(guān)系。★改變調(diào)節(jié)閥的開度，即改變閥的流通截面及流量，從而改變管道的41★理想流量特性◆直線流量特性(曲線a)調(diào)節(jié)閥的單位相對開度的變化所引起的相對流量的變化是常數(shù)。★理想流量特性42第3章：過程控制系統(tǒng)設(shè)計ppt課件43◆對數(shù)流量特性(曲線b)調(diào)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。積分得：或放大系數(shù)：◆對數(shù)流量特性(曲線b)44◆拋物線流量特性(曲線c)閥的相對流量與相對開度的平方根成正比積分得：放大系數(shù)：◆拋物線流量特性(曲線c)45◆快開流量特性(曲線d)在閥開度很小時，將流量放大，隨開度的增加，流量很快達(dá)到最大值。適用于迅速啟閉的切斷閥或雙位控制系統(tǒng)。積分得：其放大系數(shù)為：

◆快開流量特性(曲線d)46★工作流量特性◆串聯(lián)管道的工作流量特性閥與管道串聯(lián)時，在總壓降一定時閥上的壓降隨流量而變化?！锕ぷ髁髁刻匦?7♀當(dāng)閥全關(guān)時：♀當(dāng)閥全開時：♀當(dāng)閥全關(guān)時：48♀串聯(lián)管道時的工作流量特性曲線♀當(dāng)管道阻力損失為零時s＝1，系統(tǒng)總壓降全部落在調(diào)節(jié)閥上，工作流量特性與理想特性一致♀隨管道阻力損失增加，s值減小，閥全開時流量減少，實際可調(diào)比也減?。弧怆S著s值減小，流量特性曲線發(fā)生畸變?！獯?lián)管道時的工作流量特性曲線49◆并聯(lián)管道的工作流量特性◆并聯(lián)管道的工作流量特性50♀旁路閥全關(guān)時B＝1，工作特性為理想特性♀旁路閥逐漸開啟，旁路流量增加，B值減小，可調(diào)比下降?！庀Ｍ鸅值不低于0.5，最好不低于0.8

第3章：過程控制系統(tǒng)設(shè)計ppt課件51※調(diào)節(jié)閥口徑計算★調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)的計算※調(diào)節(jié)閥口徑計算52★平均密度修正公式

★平均密度修正公式53★調(diào)節(jié)閥口徑的選定◆閥徑計算步驟：♀根據(jù)工藝專業(yè)委托條件，初選閥的形式、流向及流量特性，確定值的計算方法♀確定計算值的各參數(shù)值。♀判別工況是阻塞流還是非阻塞流。♀選定合適的值計算公式，計算值。♀按圓整的值在所選閥型的標(biāo)準(zhǔn)系列中，找與靠近的額定值?！庑ｒ灒M(jìn)行壓力、壓差、開度和可調(diào)比校驗★調(diào)節(jié)閥口徑的選定54◆計算參數(shù)的確定♀最大工作流量：若選得過小，不能滿足生產(chǎn)要求；若選得過大，將使調(diào)節(jié)閥經(jīng)常處于小開度下工作，可調(diào)范圍變小，嚴(yán)重時會引起系統(tǒng)振蕩、噪聲、不穩(wěn)定和降低閥芯的壽命♀最大工作流量，由工藝根據(jù)設(shè)備生產(chǎn)能力物料平衡計算得到，同時考慮其它因素后確定。一般取正常流量的1.25-2倍◆計算參數(shù)的確定55◆計算參數(shù)的確定♀閥上壓差，關(guān)系到閥徑計算選定的正確性、控制特性的好壞和設(shè)備動力消耗的經(jīng)濟(jì)性。♀確定壓差時從節(jié)省能耗和工藝設(shè)備投資考慮，希望閥上的阻力損失盡可能小?！鈴拈y的工作流量特性考慮，必須使閥在系統(tǒng)中占有一定的壓差，以保證調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)性能?！粲嬎銋?shù)的確定56★閥上壓差的確定方法

◆按管路系統(tǒng)的壓差比來確定閥上的壓差或

◆按管路系統(tǒng)中閥前后定壓點的壓差確定定壓點：該點壓力不隨流量的變化而變化閥前定壓點壓力為閥后定壓點壓力為，則：★閥上壓差的確定方法57◆已知原動機(jī)的特性和管路系統(tǒng)的阻力變化特性◆已知最大流量時管路的阻損,及管路起點的最小壓力，則閥的壓差：◆要求閥后保持恒壓的系統(tǒng)，已知管路中閥前最小壓力和控制器整定值的范圍，則閥的壓差：

◆已知原動機(jī)的特性和管路系統(tǒng)的阻力變化特性58◆已知最小流量，閥的開度最小，閥壓差為，已知最大流量，則：◆根據(jù)工藝管道的直徑來估算閥徑：◆已知最小流量，閥的開度最小，閥壓差為，已知59★開度驗算：在時，開度為90％。過小則可調(diào)范圍縮小，閥門口徑偏大，調(diào)節(jié)特性變差。最小開度不小于10％，否則流體對閥芯、閥座沖蝕嚴(yán)重，致使特性變壞，甚至調(diào)節(jié)失靈。◆全行程偏差(不帶定位器為-4％，帶定位器為-1％)和流量系數(shù)偏差(-10％)◆不帶定位器：直線特性對數(shù)特性◆帶定位器：直線特性對數(shù)特性

★開度驗算：在時，開度為90％。過小則可調(diào)范圍縮小，60★開度驗算

閥與管路串聯(lián)時，設(shè)開度◆直線特性閥：◆對數(shù)特性閥：★開度驗算61★可調(diào)比的驗算◆調(diào)節(jié)閥的理想可調(diào)比一般為30，但在實際運行中受工作特性的影響，是難以達(dá)到理想值的，同時工作開度并不是從全關(guān)到全開，而是在10％-90％的范圍內(nèi)工作?！魧嶋H可調(diào)比只能達(dá)到10左右，驗算時取R=