过程控制系统设计ppt课件.ppt
第三章 过程控制系统设计,主要内容过程控制的设计任务、步骤和系统设计方法流量计和调节阀的计算方法,3 过程控制系统设计,3.1 过程控制系统设计步骤,过程控制的目标与任务:通过对系统的设计来完成。具体步骤:,1根据工艺要求和控制目标确定系统变量2建立数学模型3确定控制方案4选择硬件设备5选择控制算法，进行控制器设计6软件设计7. 设备安装、调试与整定、运行,3.2 确定控制变量与控制方案,3.2.1 确定控制目标: 根据稳定性、安全性和经济性原则。,1被控变量 在定性地确定目标以后，需要用工业过程的被控变量来定量地表示控制目标。 被控变量也是工业过程的输出变量。,（1）对控制目标起重要影响的输出变量作为被控变量；（2）可直接控制目标质量的输出变量作为被控变量；（3）选择与控制（或操作）变量之间的传递函数比较简单、动态和静态特性较好的输出变量作为被控变量（4）有些系统存在控制目标不可测的情况，则可测量其它能够可靠测量、与控制目标有一定关系的输出变量，作为辅助被控变量。,选择的基本原则,两类：控制（或操作）变量、扰动变量。 控制（或操作）变量：由操作者或控制机构调节的变量。 选择的基本原则为 ：,2输入变量,(1) 选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为控制变量(2) 选择变化范围较大的输入变量作为控制变量，以便易于控制；(3) 在此的基础上选择对被控变量作用较快的输入变量作为控制变量，使控制的动态响应较快；,(4) 在复杂系统中，存在多个控制回路，即存在多个控制变量和多个被控变量。所选择的控制变量对相应的被控变量有直接影响，而对其他输出变量的影响应该尽可能的小，以便使不同控制回路之间的关联比较小。,3.2.2 确定控制方案,工业过程的控制目标以及输入输出变量确定以后，控制方案就可以确定了 。控制方案应该包括控制结构和控制算法。,1控制结构有两种：（1） 反馈控制 利用被控变量的直接测量值，调节控制变量，使被控变量保持在预期值。,（2） 前馈控制,利用扰动量的直接测量值，调节控制变量，使被控变量保持在预期值。,2控制算法,控制方案确定以后，需要选择合适的控制算法，根据控制算法进行控制器设计。,3.3 过程控制系统硬件选择,根据过程控制的输入输出变量以及控制要求，可以选定系统硬件，包含控制装置、测量仪表、传感器、执行机构和报警、保护、连锁等部件。,过程控制系统硬件选择的原则:保证控制目标和控制方案的实施。,1、控制装置,简单的过程控制系统可以选择单回路控制器，对于比较复杂的系统需要用计算机控制。,用于过程控制的计算机控制设备多采用DCS（集散控制系统）或PLC（可编程序控制器）。模拟量控制回路较多，开关量较少的过程控制系统宜采用DCS控制；模拟量控制回路较少，开关量较多的过程控制系统宜采用PLC控制。,2、测量仪表和传感器的选型原则,检测部件一般宜采用定型产品，设计过程控制系统时，根据控制方案选择测量仪表和传感器。,（1） 可靠性原则 可靠性是指产品在一定的条件下，能长期而稳定地完成规定功能的能力。是测量仪表和传感器的最重要选型原则。 （2）实用性原则 完成具体功能要求的能力和水平。根据工艺要求考虑实用性，既要保证功能的实现，又应考虑经济 性，并非功能越强越好。（3） 先进性原则 应该尽量采用先进的设备。,选型原则,3.4 节流元件,1流量 流体在单位时间内流过管道或设备某处横断面的数量成为流量。 流过的数量按体积计算称为体积流量； 按质量计算的称为质量流量。,2雷诺数 管道内流量小时，压差与流量成正比；流量变大后，压差大致与流量的平方成正比。 在压差与流量成正比的范围内，流体的流动状态为层流； 在压差与流量的平方成正比的范围内，流体的流动状态为紊流。 从层流到紊流的分界线不仅与流量有关，而且与流体的密度、粘度和管道内径有关。 在流体力学中，此现象用雷诺实验可以验证，并用雷诺数表征。 雷诺数是流体惯性力与粘性力之比。,流量计类型,主要几类：(1) 压差式流量计：流体通过管道内节流装置时，根据流量与节流装置前后压差的关系来计量。(2) 速度式流量计：管道内流体的速度推动叶轮旋转，根据叶轮转速与流体流速成正比的关系来计量。,（3）容积式流量计：流体连续通过一定容积之后，进行流量累计的原理来计量。（4） 其他类型流量计：如电磁流量计、超声波流量计等。,用节流元件测流量,1、原理：,2、取压方式： （1）径距取压； （2）法兰取压； （3）角接取压。,3.5 调节阀选择,在过程控制系统中，最常用的执行机构是调节阀。调节阀是按照控制器（调节器或操作器）所给定的信号大小和方向，改变阀的开度，以实现调节流体流量的装置。把控制器比喻为自动调节系统中的“头脑”,则调节阀就是自动调节系统的“手脚”。,3.5.1 调节阀计算基础,1调节阀的工作原理和流量方程式 调节阀是一节流元件。设流体是不可压缩的，且充满管道，则根据能量不灭定律（Bernoulli方程式）和流体的连续性定律可知：通过阀的体积流量QV与阀的有效流通截面积A和通过阀前后的压降 的平方根成正比，与流体的密度和阀的阻力系数的平方根成反比，即,设C为包含 在内的比例系数，则,式中,2. 流量系数的定义（1）温度为510的水，在105Pa的压降下，每小时流过调节阀水量的立方米数。以符号Kv表示。,(2)温度为60的水，在1psi(磅/平方英寸）的压降下，每分钟流过调节阀水量的加仑数。以符号Cv表示。 Kv=0.8569Cv 或 Cv=1.167 Kv,3阻塞流在阀前压力 P1保持一定时，通过阀的流量随阀上压降 的增大而增大，当达到某一临界状况时，流量将不再随 变化，而是达到一个最大的极限值，这种流动状况称为阻塞流。 阻塞流情况下，计算流量系数，对不可压缩流体、低雷诺数流体尤其是可压缩流体，均需要修正。,4调节阀的可调比（1）可调比定义指该阀所能调节的最大流量 和最小流量 的比值， R=,式中， 是调节阀可控流量的下限值，通常为最大流量的10%左右，最低约为2%4% 。当调节阀两端压差不变时，阀的可调比称为理想可调比，为 R= = =,理想可调比：是阀的最大和最小流通能力之比。理想可调比越大越好。,（2）实际可调比 在实际使用中，调节阀前后的压降是随管道阻力的变化而改的。 有旁路的调节阀，打开旁路阀时调节阀的可调比也会改变。 调节阀实际控制的最大和最小流量之比称为实际可调比。,串联管道在串联管道系统的总压降 一定时，随着流量的增加，串联管路的阻力损失相应增大，调节阀上的压降相对减少，从而调节阀所能流通的最大流量减少。串联管道上调节阀的实际可调比会降低。,令串联管道调节阀的实际可调比为RS，则RS= = = R-理想可调比； -调节阀全开时阀上的压降； -调节阀最小开度下阀上的压降，它接近于管路系统的总压降值 。,由此可得 RSR =R s= 即压降比。可见，S值越小，实际可调比也越小。,在实际应用中为了确保调节阀有一定的可调比，阀全开时的压降应在管路系统中占有合适的比例。通常S值在0.30.6范围内。,并联管道旁路流量的存在，相当于通过调节阀的最小流量增大，使调节阀的实际可调比降低。设实际可调比为Rp，则 Rp=总管最大流量(阀体部件最小流量+旁路流量) =,调节阀在并联管道上的实际可调比近似为总管最大流量与旁路流量的比值，随旁路程度B值的减小而降低。实用时应使B值大于0.8为好。,调节阀的流量特性,指流体流过阀门的相对流量和相对开度之间的函数关系，即 Qr Qr = Q Q100 相对流量，阀在某一开度下的流量与全开时流量的比； Lr =l/l100 相对开度，阀在某一开度的行程与全开时行程的比。,1 理想流量特性 是阀前后压差保持不变的特性。有直线、对数、抛物线、快开等四种。,(1)直线流量特性 指调节阀的单位相对位移的变化所引起的相对流量的变化是常数。其数学表达式为 K为常数，调节阀的放大系数。,直线特性的调节阀在开度变化相同的情况下，当流量小时，流量的变化值相对较大，调节作用较强，易产生超调和引起振荡；流量大时，流量变化值相对较小，调节作用进行缓慢，不够灵敏。,（2）对数流量特性 又称等百分比特性，是调节阀单位相对开度的变化所引起的相对流量的变化和此点的相对流量成正比关系。 数学表达式为,图中b为对数流量特性曲线.曲线的放大系数是随开度的增大而递增的.在同样的开度变化值下，流量小时（小开度时）流量的变化也小（调节阀的放大系数小），调节平稳缓和.流量大时（大开度时）流量的变化也大（调节阀的放大系数大），调节灵敏有效.无论是小开度还是大开度，相对流量的变化率都是相等的，流量变化的百分比是相同的.,（3）抛物线流量特性 阀的相对流量与相对流量的平方根成正比的关系的特性。其数学表达式为,图中c为抛物线流量特性曲线。介于直线流量特性和对数流量特性之间。,（4）快开流量特性 阀在开度很小时，就已经将流量放大，随着开度的增加，流量很快就达到最大（饱和）值，以后再增加开度，流量几乎没有变化。 这种流量特性适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。 其特性曲线见图中曲线d。,（5）蝶阀流量特性 图中的曲线1是蝶阀的理想流量特性，它是一条近似对数（等百分比）的特性曲线。在开启角很小时，流量增加却很小； 当开启角继续增大，流量逐渐成比例地增加；当开启角增大到600700之间时，可以获得70%以上的流量； 再继续增大开启角到700以上，阀的流通截面几乎与开启角成比例地增加，但因为阀上压差显著减小，流量的增加也显著减少。 在整个角行程内蝶阀都起着控制流量的作用。,1-理想特性 2-阀径过小的特性 3-阀径过大的特性4-流通截面特性 5-阀上相对压降的曲线,如蝶阀直径选得过大，其特性就会变成快开特性，如图中曲线3，将使阀只在一个很小的角行程（开度）内操作，稍有移动，流量就会发生过量的激烈变化，从而引起振荡，使控制不稳定。,如蝶阀直径选得过小，其特性曲线下移，如图中曲线2，阻力增大，以致阀门全开也不能通过所需的最大流量。正确计算蝶阀直径，对于控制系统的品质起着重要作用。,2 工作流量特性在实际生产中，调节阀前后压差总是变化的，这时的流量特性称为工作流量特性。工作流量特性与管道系统阻力有关。,（1） 串联管道的工作流量特性 阀与管道串联时，流量增大，管路损失也增大，在总的压降一定时阀上的压降减小，从而引起流量特性的改变，理想流量特性畸变为工作流量特性。求这时的流量，需了解阀上压差的变化规律。,图为串联管道时的工作流量特性曲线,(a)阀的理想特性为直线特性 (b) 阀的理想特性为对数特性 由计算公式和图可知当管道阻力损失为零时s=1，系统的总压降全部落在调节阀上，则实际工作流量特性与理想特性一致；,随着管道阻力损失所占比重增加s 值将减小，调节阀全开时的流量相应比管道阻力损失为零时减少，因而实际可调比也减小；随着s值减小，流量特性曲线发生畸变，直线特性趋向于快开特性，对数特性趋向于直线特性，实际使用中，为了避免调节阀工作特性的畸变，一般希望s值不低于0.30.5。,（2） 并联管道的工作流量特性调节阀与旁路管道并联管道系统的总流量是通过调节阀和旁路二者流量之和，即 QT =Q1+Q2,设 B= = = B是旁路程度，为阀全开时通过的流量与总管最大流量之比值。以Qmax为参比数的并联管道系统的工作流量特性为,当旁路阀全关时，B=1实际工作特性与理想特性一致；旁路阀逐渐开启，旁路流量增加，则B值减小，可调比下降；希望B值不低于0.5，最好不低于0.8。,补充：1、电气转换器,电气转换器工作原理,它是按力平衡原理设计和工作的。在其内部有一线圈，当调节器的电流信号送入线圈后，由于内部永久磁铁的作用，使线圈和杠杆产生位移，带动挡板接近（或远离）喷嘴，引起喷嘴背压增加（或减少），此背压作用在内部的气动功率放大器上，放大后的压力一路作为转换器的输出，另一路馈送到反馈波纹管。输送到反馈波纹管的压力，通过杠杆的力传递作用在铁芯的另一端产生一个反向的位移，此位移与输入信号产生电磁力矩平衡时，输入信号与输出压力成一一对应的比例关系。即输入信号从4mA DC改变到20mA DC时，转换器的输出压力从0.020.1MPa变化，实现了将电流信号转换成气动信号的过程。 图中调零机构，用来调节转换器的零位，反馈波纹管起反馈作用。,2、气动阀门定位器,气动阀门定位器工作原理,气动阀门定位器是按力平衡原理设计工作的，其工作原理方框见上图所示，它是按力平衡原理设计和工作的。当通入波纹管的信号压力增加时，使杠杆2绕支点转动，档板靠近喷嘴，喷嘴背压经放大器放大后，送入薄膜执行机构气室，使阀杆向下移动，并带动反馈杆（摆杆）绕支点转动，连接在同一轴上的反馈凸轮（偏心凸轮）也跟着作逆时针方向转动，通过滚轮使杠杆1绕支点转动，并将反馈弹簧拉伸，弹簧对杠杆2的拉力与信号压力作用在波纹管上的力达到力矩平衡时，仪表达到平衡状态。此时，一定的信号压力就与一定的阀门位置相对应。,气动阀门定位器工作原理（续）,以上作用方式为正作用，若要改变作用方式，只要将凸轮翻转，A向变成B向等，即可。 所谓正作用定位器，就是信号压力增加，输出压力亦增加；所谓反作用定位器，就是信号压力增加，输出压力则减少。 一台正作用执行机构只要装上反作用定位器，就能实现反作用执行机构的动作；相反，一台反作用执行机构只要装上反作用定位器，就能实现正作用执行机构的动作。,3、不同特性阀门的应用,1、系统稳定运行的准则：（1）静态运行准则：系统各开环增益之积基本不变；（2）动态运行准则：系统总开环传递函数的模基本恒定。2、为什么有不同特性的阀门？ 原因：通过阀门的特性（增益）的变化来弥补对象增益的变化而引起的总开环增益的变化。3、举例说明,本章小结,过程控制系统设计的步骤与方法，根据生产工艺要求，如何选择被控变量和控制变量，以及仪表选型的基本原则。流量测量和计算有关的基本原理与概念，流量计类型，节流装置的取压方式，以及标准节流装置的一种计算方法。,
