过程控制系统设计.ppt

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1、3 过程控制系统设计,3 过程控制系统设计,本章学习内容3.1 过程控制系统设计步骤3.2 确定控制变量与控制方案3.3 过程控制系统硬件选择3.4 节流元件计算3.5 调节阀选择3.6 计算举例,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,具体步骤:,3 过程控制系统设计,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 过程控制系统设计,3.2 确定控制变量与控制方案,根据控制目标确定控制变量定性控制目标：稳定性、安

2、全性和经济性被控变量是工业过程的输出变量选择原则针对目标、直接关系到质量、建模简单、可测输入变量分控制输入和扰动输入控制输入的选择原则对被控量影响大、变化范围大、作用快、直接作用,确定控制方案,控制结构反馈控制、前馈控制、推断控制控制算法PID、串级控制、比值控制、补偿控制、解耦控制、预测控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、鲁棒控制,3 过程控制系统设计,3 过程控制系统设计,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。,3 过程控制系统设计,(3)推断控制,当被控变量不能直接测量使用，利用辅助变量的测量值来调节控制变量，使不可测的被控变量保持在预期值。,3 过

3、程控制系统设计,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、传感器执行机构报警、保护、连锁等部件,3 过程控制系统设计,保护装置,检测/变送,控制器,执行机构,被控对象,3.3.2 控制装置,3 过程控制系统设计,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。,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选型原则：可靠性实用性先进性

4、,3 过程控制系统设计,3.3.2 测量仪表和传感器的选型原则,3.4 流量计选择 流量计算有关的基本概念,(1)流量Q 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。体积流量Qv单位：米3/小时（m3/h）等质量流量Qm单位：吨/小时（t/h）;千克/小时（kg/h）等Qm=Qv,3 过程控制系统设计,(2)雷诺数Re管道内流量小时压差与流量成正比流体的流动状态为流量变大后压差大致与流量的平方成正比流体的流动状态为紊流从层流到紊流的分界线取决于流量、流体的密度、粘度和管道内径雷诺数ReRe2300 层流Re4000 紊流,3 过程控制系统设计,46微米厚的液晶层的流动。当电场强度平

5、缓增加时层流（右上）弱的湍流（左下）方格状对流（右下）下侧两图混沌湍流,(2)雷诺数Re（续）,3 过程控制系统设计,式中：管道中流体的平均轴向流速，m/s流体的运动粘度，m2/s，=/流体的动力粘度，Pa/sD 工作条件下，上游管道的内径，m,（3）等熵指数k当气体流过节流装置时，会产生膨胀，其压力和体积间有关系：等熵指数k值表如双原子气体及空气的k=1.41,常数,3 过程控制系统设计,(4)气体的压缩系数Z根据理想气体定律求得的气体密度和实际密度值，在高压和低温的情况下，有一定的偏差，必须引入气体压缩系数加以校正。,3 过程控制系统设计,其中：理想气体定律求得的工作状态下的气体密度 工作

6、状态下的实际气体密度,3.4.2 流量计类型,四类：(1)压差式流量计 流量 节流装置前后压差速度式流量计：管道内流体的速度 叶轮旋转速度容积式流量计 流量累计其他类型流量计 电磁流量计、超声波流量计等,3 过程控制系统设计,3.4.3 节流元件,3 过程控制系统设计,节流元件（节流装置）在直线管道中设置的使流束产生局部收缩的装置,孔板,3 过程控制系统设计,文丘里管,3 过程控制系统设计,喷 嘴,3 过程控制系统设计,3 过程控制系统设计,差压式流量计检测原理,式中：流量系数可膨胀系数 a节流装置开孔截面积1流体流过节流装置前的密度p节流元件前后压力差,标准节流装置的取压方式,3 过程控制系

7、统设计,径距取压法兰取压角接取压,测量与计算方法流出系数C可膨胀系数流量与压差的关系,3 过程控制系统设计,在已知管径的管道中设置测量流量的节流装置时，首先要确定以下几项：采用的节流装置的类型孔板、文丘里管、喷嘴 命题确定所要求取的参数流量、孔径、压差 计算事先需确定除去待求参数外的其他参数的值,3 过程控制系统设计,选择标准节流装置时直径比的确定求解依据流量与压差的关系其中，事先可知道的量有：未知量有,3 过程控制系统设计,是的函数,是的函数,关于的非线性方程,根据流量与压差的关系方程求直径比两种方法手工计算迭代计算计算机计算采用MATLAB的fsolve函数,3 过程控制系统设计,最大刻度

8、流量的确定流量一般分为正常流量（操作流量）、最大流量、最小流量流量的单位不可压缩流体（液体）质量流量（常用）或体积流量蒸汽质量流量气体体积流量气体的体积流量与气体所处的状态（温度、压力、湿度）有关，所以须注明单位的状态,3 过程控制系统设计,最大刻度流量的确定（续）对于气体流量工艺专业委托设计时，提出的流量往往为标准状态值节流装置计算时，采用的是工作状态下的流量值气体流量换算公式标准状态下的干气体工作状态下的干气体,3 过程控制系统设计,3 过程控制系统设计,什么是调节阀调节阀的工作原理调节阀的静、动态特性调节阀的选择（调节阀口径的选择）,3.5 调节阀选择,3 过程控制系统设计,调节阀是过程

9、控制系统中最常用的执行机构；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。,3 过程控制系统设计,气动或电动,调节阀（续）调节阀实际上是一个局部阻力可以改变的节流元件。,3 过程控制系统设计,阀杆,阀芯,阀座,调节阀的分类根据执行器的能量形式分：电动、气动、液动电动调节阀由伺服电机控制执行机构气动调节阀气源气动薄膜推动阀,气动薄膜单座调节阀,电动调节阀,3 过程控制系统设计,气动调节阀（续）由执行机构和控制机构组成执行机构根据推力作用方向分为：正作用有压，阀杆下移反作用有压，阀杆上移控制机构可分为：正作用阀杆下移，阀门关反作用阀杆下移，阀门开气动

10、调节阀可分为气开式有压时阀开，无压时阀关气关式有压时阀关，无压时阀开,3 过程控制系统设计,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伯努利定理（Bernoulli方程式）流体几方面的能量总量保持不变，即比压能比动能比势能常数稳定气流中，在同一管道的各个切面上，空气的静压和动压之和保持不变，即流速大（动能大），压力小（势能小）伯努利方程式,3 过程控制系统设计,1调节阀的工作原理和流量方程式（续）伯努利方程式,3 过程控制系统设计,流量方程式,当和给定时，Q流量系数值反映了阀的流通能力（阀的容量）。流量系数C截面积A成正比阀全开时，阀的口径越大，其流通能力也越大。流量系数C与阀

11、的阻力系数的平方根成反比增大，会使阀的流通能力减小，若阀的口径一定，则不同结构的阀阻力系数不同，其C值也各异。,3 过程控制系统设计,由流量方程式可知,1.调节阀额定流量系数的定义（Kv或Cv）（1）温度为510的水，在10Pa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，国际（我国）通用。（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。（3）Kv=0.8569Cv 或 Cv=1.167Kv,3 过程控制系统设计,调节阀计算中用到的若干概念,2阻塞流 阀前压力p1一定时 此时，压差比X 达到极限：,3 过程控制系统设计,XT压

12、差比系数k绝热指数（比热容）,在阻塞流情况下，计算流量系数C时，对不可压缩流体、低雷诺数流体、特别是可压缩流体皆需进行修正,3 过程控制系统设计,3.压力恢复系数FL 调节阀在缩流断面前后的静压力变化：断面前 流速v1，静压力p1断面处 流速最大，静压力pvc最小断面后 流速减缓，静压力恢复到p2 p2p1 压力恢复程度受以下因素影响：阀的结构阀的开度 压力恢复程度由压力恢复系数FL度量,3 过程控制系统设计,3.压力恢复系数FL（续）对不可压缩流体（液体），在非阻塞流工况下：对不可压缩流体（液体），在阻塞流工况下：对可压缩流体（气体），求压力恢复系数的方法相同，只是阻塞流产生的条件不同：,4

13、调节阀的可调比R（1）可调比定义 指该阀所能调节的最大流量Qmax和最小流量Qmin的比值:关于Qmin的说明：Qmin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%,3 过程控制系统设计,4调节阀的可调比R（续）理想可调比调节阀两端压差不变时的可调比此时，是阀的最大和最小流通能力之比使用时希望大，但实际做不到（Qmin受限制）实际可调比实际使用时，阀前后的压差会变化，如随管道阻力的变化而变化随有无旁路阀而变化,3 过程控制系统设计,串联管道串联管道上调节阀的实际可调比会降低。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

14、少，从而调节阀所能流通的最大流量减少。,3 过程控制系统设计,串联管道（续）串联管道上调节阀的实际可调比近似公式,3 过程控制系统设计,pmin-调节阀全开时阀上的压降pmax-最小开度时阀上的压降接近于管路总压降p,pv/pT压降比小可调比小，不可太小，通常为0.30.6,并联管道并联管道上调节阀的实际可调比也会降低。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。,3 过程控制系统设计,并联管道（续）设实际可调比为Rp，则,3 过程控制系统设计,其中QTmax 总管最大流量Q1min 阀体部件最小流量Q2 旁路流量,越大，旁路流量Q2越小，可调比p越大,设旁路程度

15、Q1maxQTmax，则,.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 式中：Qr 相对流量Lr 相对开度,3 过程控制系统设计,阀在某一开度下的流量,全开时流量,阀在某一开度的行程,全开时行程,流量系数反映调节阀的静特性流量特性刻画调节阀的动特性,二者对调节阀的选用均具有重要意义,流量特性的分类：理想流量特性阀前后压差不变工作流量特性真实情况（阀前后压差）串联管道并联管道,3 过程控制系统设计,1理想流量特性（阀前后压差不变）直线（）对数（）抛物线（）快开（）,3 过程控制系统设计,(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，即,3

16、 过程控制系统设计,K为常数，调节阀的放大系数。,解微分方程得：,为可调比，R=Qmax/Qmin,起点(0,1/R),终点(100,100),(1)直线流量特性（续）在调节阀开度变化 dl 相同的情况下，当流量小时，流量的变化值 dQ 相对较大，调节作用较强，易产生超调和引起振荡；,3 过程控制系统设计,当流量大时，dQ相对较小，调节作用进行缓慢，不够灵敏。,（2）对数流量特性（百分比特性）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。数学表达式为解微分方程得,3 过程控制系统设计,（2）对数流量特性（百分比特性）（续）在同样的开度变化值dl下流量小时（小开度时）

17、流量的变化dQ也小，调节平稳缓和；流量大时（大开度时）流量的变化dQ也大，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 过程控制系统设计,（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解微分方程得：抛物线流量特性介于直线流量特性和对数流量特性之间,3 过程控制系统设计,（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。适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。其数学表达式为解微分方程得,3 过程控制系统设计,（5）蝶阀流量特性蝶阀

18、的理想流量特性是一条近似对数（等百分比）的特性曲线，在整个角行程内蝶阀都起着控制流量的作用。若蝶阀直径选得太大特性成快开型阀只在小的行程内操作，易引起振荡，使控制不稳定。若蝶阀直径选得过小特性曲线下移要正确选择蝶阀的直径,3 过程控制系统设计,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。串联管道的工作流量特性并联管道的工作流量特性,3 过程控制系统设计,（1）串联管道的工作流量特性理想流量特性畸变为工作流量特性管道损失变大，阀全开流量变小，压降比变小,实际可调比变小阀上压差的变化规律,3 过程控制系统设计,(a)阀的理想

19、特性为直线特性(b)阀的理想特性为对数特性,结论：随着s值减小直线特性快开特性对数特性直线特性实际使用中，一般希望s值不低于0.30.5。,（2）并联管道的工作流量特性,3 过程控制系统设计,式中旁路程度，,可以看出:旁路阀全关时，B=1，实际工作特性理想特性旁路阀逐渐开启，2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。,首先根据给定的条件计算出流量系数C的值，然后根据C值查表决定阀的口径。流量系数C阀口径我国当前使用的流量系数值是按Kv制列出的。,3 调节阀口径计算,计算选定调节阀口径的方法，是流通能力法(简称C值法)。,3.5 调节阀口径计算,1调节阀流量系数Kv

20、值的计算有两种方法：调节阀口径计算指南推荐的方法平均密度修正法两种计算Kv值的方法均有相关公式可查。见教材表3.2在实际使用时还需要进行修正包括低雷诺数修正、管件形状修正以及平均密度修正等。,3 调节阀口径计算,1调节阀流量系数Kv值的计算计算Kv值的方法1（教材表3.2）：,3 调节阀口径计算,调节阀流量系数Kv值的计算方法1,精度较高，但较复杂。,调节阀流量系数Kv值的计算方法2,2调节阀口径的选定思想：计算出实际工作所需的Kvmax后,选标准规格阀的额定Kv值相近且稍大于Kvmax该Kv值所对应的阀的口径即为应选的阀径。,3 调节阀口径计算,阀径计算步骤：根据工艺初选阀型、流向及流量特性

21、、Kv的计算方法；确定计算值的各项参数值，如阀前后压力，最大、常用、最小流量，阀前后压差，密度以及其他辅助修正系数；判别工况是阻塞流，还是非阻塞流；选定合适的Kv值计算公式，计算最大流量下阀的Kvmax值；按Kvmax值找靠近的额定Kv值，从而查到对应的阀径；校验进行压力校验、压差校验、开度校验和可调比校验，以验证所选调节阀口径的正确性。,3 调节阀口径计算,（2）计算参数的确定最大工作流量Qmax调节阀Kv值的计算公式中最大工作流量Qmax是一个重要参数。Qmax选得过小，将不能满足生产要求Qmax选得过大，将会使调节阀经常处于小开度工作，可调范围变小，严重使会引起系统振荡，噪声大，系统不稳

22、定和降低阀芯的寿命，尤其是高压控制阀，更要注意这一点。最大流量可为正常操作流量的1.25-2倍。,3 调节阀口径计算,阀上的压差P调节阀对流量进行控制必然有一定的阻力损失，即阀上的压差P。P的确定要综合考虑从节省能耗和工艺设备投资考虑希望阀上的阻力损失尽可能小些，即P要小从阀的工作流量特性考虑必须使阀在系统中占有一定的压差，才能保证调节阀有较好的调节性能，即P要大根据已知条件的不同，P的确定方法有很多,3 调节阀口径计算,（3）开度验算验证阀的实际开度是否在正确的开度上。一般希望在计算的Qmax下，开度Kmax为90%，不宜过小（Kmax=lmax/l100100%)否则，可调范围缩小，口径偏

23、大，调节特性变坏，也不经济最小开度应大于10%否则，流体对阀芯、阀座冲蚀严重，易损坏阀芯，致使特性变坏，甚至失灵,3 调节阀口径计算,（3）开度验算直线特性阀的开度验算公式等百分比阀的开度验算公式,3 调节阀口径计算,3 调节阀口径计算,（4）可调比的验算理想可调比R一般为30 实际工作开度在10%-90%，所以实际可调比一般只能达到10左右，验算时以R=10代入下式 其中Rs为实际可调比，s为压降比(s=pmin/pT),计算举例加热炉的空气调节蝶阀口径的计算,3.6 计算举例,计算举例加热炉的空气调节蝶阀口径的计算,计算举例加热炉的空气调节蝶阀口径的计算,计算举例加热炉的空气调节蝶阀口径的计算,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。,3 过程控制系统设计,3.调节阀的几种典型特性，调节阀口径计算中有关的基本概念，调节阀口径计算方法和验算方法。4.步进加热炉流量控制系统的组成，给出了一个标准孔板和蝶阀计算的实例。,本章小结,3 过程控制系统设计,