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1、第三章 過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),主要內(nèi)容 過程控制的設(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 過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),3.1 過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟,過程控制的目標(biāo)與任務(wù):通過對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來完成。 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,3.2 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)過程的被控變量來定量地表示控制目標(biāo)。 被控變量也是工業(yè)過程的輸出變量。,(1)對控制
2、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(tǒng)存在控制目標(biāo)不可測的情況,則可測量其它能夠可靠測量、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,兩類:控制(或操作)變量、擾動變量。 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)上選擇對被控
3、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(yīng)較快;,(4) 在復(fù)雜系統(tǒng)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(yīng)的被控變量有直接影響,而對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。,3.2.2 確定控制方案,工業(yè)過程的控制目標(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,利用擾動量的直接測量值,調(diào)節(jié)控制變量,使被控變量保持在預(yù)期值。,2控制算法,控制方案確定以
4、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)。,3.3 過程控制系統(tǒng)硬件選擇,根據(jù)過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、測量儀表、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和報警、保護(hù)、連鎖等部件。,過程控制系統(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,簡單的過程控制系統(tǒng)可以選擇單回路控制器,對于比較復(fù)雜的系統(tǒng)需要用計(jì)算機(jī)控制。,用于過程控制的計(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,開關(guān)量較少的過程控制系統(tǒng)宜采用DCS控制; 模擬量控制回路較少,開關(guān)量較多的過程控制系統(tǒng)宜采用PLC控制。,2、測量儀表和傳感器
5、的選型原則,檢測部件一般宜采用定型產(chǎn)品,設(shè)計(jì)過程控制系統(tǒng)時,根據(jù)控制方案選擇測量儀表和傳感器。,(1) 可靠性原則 可靠性是指產(chǎn)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。 (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,3.4 節(jié)流元件,1流量 流體在單位時間內(nèi)流過管道或設(shè)備某處橫斷面的數(shù)量成為流量。 流過的數(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。,2雷諾數(shù) 管道內(nèi)流量小時,壓差與流量成正比;流量
6、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。,流量計(jì)類型,主要幾類: (1) 壓差式流量計(jì):流體通過管道內(nèi)節(jié)流裝置時,根據(jù)流量與節(jié)流裝置前后壓差的關(guān)系來計(jì)量。 (2) 速度式流量計(jì):管道內(nèi)流體的速度推動葉輪旋轉(zhuǎn),根據(jù)葉輪轉(zhuǎn)速與流體流速成正比的關(guān)系來計(jì)量。,(3)容積式流量計(jì):流體連續(xù)通過一定容積之后,進(jìn)行流量累計(jì)的原理來計(jì)量。
7、(4) 其他類型流量計(jì):如電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等。,用節(jié)流元件測流量,1、原理:,2、取壓方式: (1)徑距取壓; (2)法蘭取壓; (3)角接取壓。,3.5 調(diào)節(jié)閥選擇,在過程控制系統(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)所給定的信號大小和方向,改變閥的開度,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調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的“頭腦”,則調(diào)節(jié)閥就是自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的“手腳”。,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:通過閥的體積流量
8、QV與閥的有效流通截面積A和通過閥前后的壓降 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,設(shè)C為包含 在內(nèi)的比例系數(shù),則,式中,2. 流量系數(shù)的定義 (1)溫度為510的水,在105Pa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,每分鐘流過調(diào)節(jié)閥水量的加侖數(shù)。以符號Cv表示。 Kv=0.8569Cv 或 Cv=1.167 Kv,3阻塞流 在閥前壓力 P1保持一定時,通過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,流量將不再隨 變化,而是達(dá)到一個最大的極限值,這種流動狀況稱為阻塞流。 阻塞流情
9、況下,計(jì)算流量系數(shù),對不可壓縮流體、低雷諾數(shù)流體尤其是可壓縮流體,均需要修正。,4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=,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,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。,(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,打開旁路閥時調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比也會改變。 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。,串聯(lián)管道 在串聯(lián)管道系統(tǒng)的總壓
10、降 一定時,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)比會降低。,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)閥全開時閥上的壓降; -調(diào)節(jié)閥最小開度下閥上的壓降,它接近于管路系統(tǒng)的總壓降值 。,由此可得 RSR =R s= 即壓降比。 可見,S值越小,實(shí)際可調(diào)比也越小。,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,閥全開時的壓降應(yīng)在管路系統(tǒng)中占有合適的比例。 通常S值在0.30.6范圍內(nèi)。,并聯(lián)管道 旁路流量的存在,相當(dāng)于通過調(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。
11、 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) =,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)用時應(yīng)使B值大于0.8為好。,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,即 Qr Qr = Q Q100 相對流量,閥在某一開度下的流量與全開時流量的比; Lr =l/l100 相對開度,閥在某一開度的行程與全開時行程的比。,1 理想流量特性 是閥前后壓差保持不變的特性。 有直線、對數(shù)、拋物線、快開等四種。,(1)直線流量特性 指調(diào)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(shù)。其數(shù)學(xué)表
12、達(dá)式為 K為常數(shù),調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)。,直線特性的調(diào)節(jié)閥在開度變化相同的情況下, 當(dāng)流量小時,流量的變化值相對較大,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,流量變化值相對較小,調(diào)節(jié)作用進(jìn)行緩慢,不夠靈敏。,(2)對數(shù)流量特性 又稱等百分比特性,是調(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(diǎn)的相對流量成正比關(guān)系。 數(shù)學(xué)表達(dá)式為,圖中b為對數(shù)流量特性曲線. 曲線的放大系數(shù)是隨開度的增大而遞增的. 在同樣的開度變化值下,流量小時(小開度時)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(大開度時)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. 無論是小開度還是大開
13、度,相對流量的變化率都是相等的,流量變化的百分比是相同的.,(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(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數(shù)流量特性之間。,(4)快開流量特性 閥在開度很小時,就已經(jīng)將流量放大,隨著開度的增加,流量很快就達(dá)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(tǒng)。 其特性曲線見圖中曲線d。,(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(shù)(等百分比)的特性曲線。 在開啟角很小時,流量增加卻很??; 當(dāng)開啟角繼續(xù)增大,流量逐漸成比例地增加;
14、當(dāng)開啟角增大到600700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?yàn)殚y上壓差顯著減小,流量的增加也顯著減少。 在整個角行程內(nèi)蝶閥都起著控制流量的作用。,1-理想特性 2-閥徑過小的特性 3-閥徑過大的特性 4-流通截面特性 5-閥上相對壓降的曲線,如蝶閥直徑選得過大,其特性就會變成快開特性,如圖中曲線3,將使閥只在一個很小的角行程(開度)內(nèi)操作,稍有移動,流量就會發(fā)生過量的激烈變化,從而引起振蕩,使控制不穩(wěn)定。,如蝶閥直徑選得過小,其特性曲線下移,如圖中曲線2,阻力增大,以致閥門全開也不能通過所需的最大流量。 正確計(jì)算蝶閥直徑
15、,對于控制系統(tǒng)的品質(zhì)起著重要作用。,2 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)。,(1) 串聯(lián)管道的工作流量特性 閥與管道串聯(lián)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?求這時的流量,需了解閥上壓差的變化規(guī)律。,圖為串聯(lián)管道時的工作流量特性曲線,(a)閥的理想特性為直線特性 (b) 閥的理想特性為對數(shù)特性 由計(jì)算公式和圖可知 當(dāng)管道阻力損失為零時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;,隨著管道阻力損失所占比
16、重增加s 值將減小,調(diào)節(jié)閥全開時的流量相應(yīng)比管道阻力損失為零時減少,因而實(shí)際可調(diào)比也減??; 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特性,對數(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0.30.5。,(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)的總流量是通過調(diào)節(jié)閥和旁路二者流量之和,即 QT =Q1+Q2,設(shè) B= = = B是旁路程度,為閥全開時通過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,當(dāng)旁路閥全關(guān)時,B=1實(shí)際工作特性與理想特性一致; 旁路閥逐漸開啟,旁路流量增加,則B值減小,可
17、調(diào)比下降; 希望B值不低于0.5,最好不低于0.8。,補(bǔ)充:1、電氣轉(zhuǎn)換器,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,通過杠桿的力傳遞作用在鐵芯的另一端產(chǎn)生一個反向的位移,此位移與輸入信號產(chǎn)生電磁力矩平衡時,輸入信號與輸出壓力成一一對應(yīng)的比例關(guān)系。即輸入信號從4mA DC改變到20mA DC時,轉(zhuǎn)換器的輸出壓力從0.020
18、.1MPa變化,實(shí)現(xiàn)了將電流信號轉(zhuǎn)換成氣動信號的過程。 圖中調(diào)零機(jī)構(gòu),用來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器的零位,反饋波紋管起反饋?zhàn)饔谩?2、氣動閥門定位器,氣動閥門定位器工作原理,氣動閥門定位器是按力平衡原理設(shè)計(jì)工作的,其工作原理方框見上圖所示,它是按力平衡原理設(shè)計(jì)和工作的。當(dāng)通入波紋管的信號壓力增加時,使杠桿2繞支點(diǎn)轉(zhuǎn)動,檔板靠近噴嘴,噴嘴背壓經(jīng)放大器放大后,送入薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣室,使閥桿向下移動,并帶動反饋桿(擺桿)繞支點(diǎn)轉(zhuǎn)動,連接在同一軸上的反饋凸輪(偏心凸輪)也跟著作逆時針方向轉(zhuǎn)動,通過滾輪使杠桿1繞支點(diǎn)轉(zhuǎn)動,并將反饋彈簧拉伸,彈簧對杠桿2的拉力與信號壓力作用在波紋管上的力達(dá)到力矩平衡時,儀表達(dá)到平衡狀態(tài)。此時,一定的信號壓力就與一定的閥門位置相對應(yīng)。,氣動閥門定位器工作原理(續(xù)),以上作用方式為正作用,若要改變作用方式,只要將凸輪翻轉(zhuǎn),A向變成B向等,即可。 所謂正作用定位器,就是信號壓力增加,輸出壓力亦增加;所謂反作用定位器,就是信號壓力增加,輸出壓力則減少。 一臺正作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)只要裝上反作用定位器,就能實(shí)現(xiàn)反作用執(zhí)行
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