過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課件

第三章過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)第三章過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1主要內(nèi)容過(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

3過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容3過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)23.1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。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)7.設(shè)備安裝、調(diào)試與整定、運(yùn)行

3.1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)33.2確定控制變量與控制方案3.2.1確定控制目標(biāo):

根據(jù)穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟(jì)性原則。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。3.2確定控制變量與控制方案3.2.1確定控制目標(biāo):4（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（4）有些系統(tǒng)存在控制目標(biāo)不可測(cè)的情況，則可測(cè)量其它能夠可靠測(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。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；選擇的基本5

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：2．輸入變量(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；

(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。兩類：控制（或操作）變量、擾動(dòng)變量。2．輸入變量(1)63.2.2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。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(cè)量值，調(diào)節(jié)控制變量，使被控變量保持在預(yù)期值。

3.2.2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7過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)ppt課件8（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。（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9

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)。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103.3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。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。

1、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。

3.3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11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。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P122、測(cè)量?jī)x表和傳感器的選型原則

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。2、測(cè)量?jī)x表和傳感器的選型原則檢測(cè)部件一般宜采用定型產(chǎn)品，13（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。選型原則（1）可靠性原則選型原則143.4節(jié)流元件

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。3.4節(jié)流元件1．流量15

2．雷諾數(shù)管道內(nèi)流量小時(shí)，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(dòng)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(dòng)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(xué)中，此現(xiàn)象用雷諾實(shí)驗(yàn)可以驗(yàn)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。2．雷諾數(shù)16

流量計(jì)類型

主要幾類：(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。流量計(jì)類型主要幾類：（3）容積式流量計(jì)：流體連續(xù)通過(guò)一定17用節(jié)流元件測(cè)流量

1、原理：2、取壓方式：

（1）徑距取壓；（2）法蘭取壓；（3）角接取壓。用節(jié)流元件測(cè)流量1、原理：2、取壓方式：18

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”。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)193.5.1調(diào)節(jié)閥計(jì)算基礎(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(guò)閥的體積流量QV與閥的有效流通截面積A和通過(guò)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3.5.1調(diào)節(jié)閥計(jì)算基礎(chǔ)

1．調(diào)節(jié)閥的工作原理和20設(shè)C為包含在內(nèi)的比例系數(shù)，則式中式中212.流量系數(shù)的定義（1）溫度為5~10℃的水，在105Pa的壓降下，每小時(shí)流過(guò)調(diào)節(jié)閥水量的立方米數(shù)。以符號(hào)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(guò)調(diào)節(jié)閥水量的加侖數(shù)。以符號(hào)Cv表示。

Kv=0.8569Cv或Cv=1.167Kv

2.流量系數(shù)的定義(2)溫度為60℉的水，在1psi(磅223．阻塞流在閥前壓力P1保持一定時(shí)，通過(guò)閥的流量隨閥上壓降的增大而增大，當(dāng)達(dá)到某一臨界狀況時(shí)，流量將不再隨變化，而是達(dá)到一個(gè)最大的極限值，這種流動(dòng)狀況稱為阻塞流。阻塞流情況下，計(jì)算流量系數(shù)，對(duì)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。3．阻塞流234．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)的最大流量和最小流量的比值，

R=

4．調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比24式中，是調(diào)節(jié)閥可控流量的下限值，通常為最大流量的10%左右，最低約為2%~4%。當(dāng)調(diào)節(jié)閥兩端壓差不變時(shí)，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能力之比。理想可調(diào)比越大越好。式中，是調(diào)節(jié)閥可控流量的下限值，通常為最大流量的1025（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。（2）實(shí)際可調(diào)比26①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。

①串聯(lián)管道27令串聯(lián)管道調(diào)節(jié)閥的實(shí)際可調(diào)比為RS，則RS===R---理想可調(diào)比；

--調(diào)節(jié)閥全開(kāi)時(shí)閥上的壓降；

--調(diào)節(jié)閥最小開(kāi)度下閥上的壓降，它接近于管路系統(tǒng)的總壓降值。令串聯(lián)管道調(diào)節(jié)閥的實(shí)際可調(diào)比為RS，則28由此可得RS≈R=Rs=即壓降比?？梢?jiàn)，S值越小，實(shí)際可調(diào)比也越小。由此可得29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)。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30②并聯(lián)管道旁路流量的存在，相當(dāng)于通過(guò)調(diào)節(jié)閥的最小流量增大，使調(diào)節(jié)閥的實(shí)際可調(diào)比降低。設(shè)實(shí)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)=②并聯(lián)管道31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。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32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

Qr

＝Qr=Q／Q100—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；Lr=l/l100 —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。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331．理想流量特性

是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。1．理想流量特性34(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)。(1)直線流量特性35過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)ppt課件36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。

直線特性的調(diào)節(jié)閥在開(kāi)度變化相同的情況下，37（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

（2）對(duì)數(shù)流量特性38過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)ppt課件39圖中b為對(duì)數(shù)流量特性曲線.曲線的放大系數(shù)是隨開(kāi)度的增大而遞增的.在同樣的開(kāi)度變化值下，流量小時(shí)（小開(kāi)度時(shí)）流量的變化也?。ㄕ{(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)小），調(diào)節(jié)平穩(wěn)緩和.流量大時(shí)（大開(kāi)度時(shí)）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(wú)論是小開(kāi)度還是大開(kāi)度，相對(duì)流量的變化率都是相等的，流量變化的百分比是相同的.圖中b為對(duì)數(shù)流量特性曲線.40（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

圖中c為拋物線流量特性曲線。介于直線流量特性和對(duì)數(shù)流量特性之間。（3）拋物線流量特性圖中c為拋物線流量特性曲線。介于直線流量41（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)。其特性曲線見(jiàn)圖中曲線d。

（4）快開(kāi)流量特性42（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。（5）蝶閥流量特性431-理想特性2-閥徑過(guò)小的特性3-閥徑過(guò)大的特性4-流通截面特性5-閥上相對(duì)壓降的曲線1-理想特性44如蝶閥直徑選得過(guò)大，其特性就會(huì)變成快開(kāi)特性，如圖中曲線3，將使閥只在一個(gè)很小的角行程（開(kāi)度）內(nèi)操作，稍有移動(dòng)，流量就會(huì)發(fā)生過(guò)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(guò)小，其特性曲線下移，如圖中曲線2，阻力增大，以致閥門全開(kāi)也不能通過(guò)所需的最大流量。正確計(jì)算蝶閥直徑，對(duì)于控制系統(tǒng)的品質(zhì)起著重要作用。如蝶閥直徑選得過(guò)大，其特性就會(huì)變成快開(kāi)特性，如圖中曲線3，將452．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)。2．工作流量特性46（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，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(shí)的流量，需了解閥上壓差的變化規(guī)律。（1）

串聯(lián)管道的工作流量特性47圖為串聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性曲線圖為串聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性曲線48

(a)閥的理想特性為直線特性

(b)閥的理想特性為對(duì)數(shù)特性

由計(jì)算公式和圖可知①當(dāng)管道阻力損失為零時(shí)s=1，系統(tǒng)的總壓降全部落在調(diào)節(jié)閥上，則實(shí)際工作流量特性與理想特性一致；

49②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(kāi)時(shí)的流量相應(yīng)比管道阻力損失為零時(shí)減少，因而實(shí)際可調(diào)比也減??；③隨著s值減小，流量特性曲線發(fā)生畸變，直線特性趨向于快開(kāi)特性，對(duì)數(shù)特性趨向于直線特性，實(shí)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。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(kāi)時(shí)的流50

（2）并聯(lián)管道的工作流量特性調(diào)節(jié)閥與旁路管道并聯(lián)管道系統(tǒng)的總流量是通過(guò)調(diào)節(jié)閥和旁路二者流量之和，即

QT=Q1+Q2

（2）并聯(lián)管道的工作流量特性51設(shè)B===B是旁路程度，為閥全開(kāi)時(shí)通過(guò)的流量與總管最大流量之比值。以Qmax為參比數(shù)的并聯(lián)管道系統(tǒng)的工作流量特性為設(shè)B==52①當(dāng)旁路閥全關(guān)時(shí)，B=1實(shí)際工作特性與理想特性一致；②旁路閥逐漸開(kāi)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。①當(dāng)旁路閥全關(guān)時(shí)，B=1實(shí)際工作特性與理想特性一致；53補(bǔ)充：1、電氣轉(zhuǎn)換器補(bǔ)充：1、電氣轉(zhuǎn)換器54電氣轉(zhuǎn)換器工作原理它是按力平衡原理設(shè)計(jì)和工作的。在其內(nèi)部有一線圈，當(dāng)調(diào)節(jié)器的電流信號(hào)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(dòng)擋板接近（或遠(yuǎn)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(dòng)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(guò)杠桿的力傳遞作用在鐵芯的另一端產(chǎn)生一個(gè)反向的位移，此位移與輸入信號(hào)產(chǎn)生電磁力矩平衡時(shí)，輸入信號(hào)與輸出壓力成一一對(duì)應(yīng)的比例關(guān)系。即輸入信號(hào)從4mADC改變到20mADC時(shí)，轉(zhuǎn)換器的輸出壓力從0.02～0.1MPa變化，實(shí)現(xiàn)了將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成氣動(dòng)信號(hào)的過(guò)程。

圖中調(diào)零機(jī)構(gòu)，用來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器的零位，反饋波紋管起反饋?zhàn)饔?。電氣轉(zhuǎn)換器工作原理它是按力平衡原理設(shè)計(jì)和工作的552、氣動(dòng)閥門定位器2、氣動(dòng)閥門定位器56氣動(dòng)閥門定位器工作原理氣動(dòng)閥門定位