第3章：过程控制系统设计.pptVIP

3　过程控制系统设计 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 教学目的和要求 掌握过程控制系统的设计任务、步骤 掌握过程控制系统的设计方法 掌握节流元件的计算方法 掌握调节阀的选择方法 重点：过程控制系统的设计方法 难点：节流元件、调节阀的计算方法 过程控制系统设计步骤 ※过程控制系统设计的具体步骤： ◆根据工艺要求和控制目标确定系统变量 ◆建立数学模型 ◆确定控制方案 ◆选择硬件设备 ◆选择控制算法，设计控制器 ◆软件设计 ◆设备安装、调试、整定、投运 确定控制变量与控制方案 ※确定控制目标： ★被控变量的选取： ◆选择对控制目标起重要影响的输出变量。 ◆选择可直接控制目标质量的输出变量。 ◆选择与控制变量之间的传递函数简单，动、静态特性较好的输出变量。 ◆若控制目标不可测，则测其他能可靠测量且与控制目标有一定关系的输出变量。 ★输入变量： 　含控制变量、扰动变量 ★控制变量的选取： ◆选择对被控变量影响较大的输入变量 ◆选择变化范围较大的输入变量 ◆选择对被控变量作用效应较快的输入变量，使控制的动态响应较快 ◆多个控制回路中，所选择的控制变量应直接影响对应的被控变量，使控制回路间的关联较小 ※确定控制方案： ★控制结构： ◆反馈控制：利用被控变量的测量值调节控制变量，使被控变量保持在预期值。 ◆特点：结构简单、适应性广。 ◆前馈控制：利用扰动量的测量值调节控制变量，使被控变量保持在预期值。 ◆特点：在系统存在较显著、频繁扰动时采取的补偿控制，以有效抑制扰动对被控变量的影响 ★控制算法： 确定控制方案后，选择合适的控制算法，以便设计控制器。 ◆简单控制－PID控制 ◆复杂控制－串级控制、比值控制、均匀控制、分程控制、选择性控制、补偿控制(前馈控制、Smith预估控制) ◆先进控制－解耦控制 过程控制系统硬件选择 ※硬件选择原则: ★原则：确保控制目标和控制方案的实施 ★硬件：控制装置、测量仪表、传感器、执行机构和报警、保护、连锁等 ★控制装置：简单过程控制系统可选择单回路控制器，比较复杂的系统可用计算机控制。 ◆模拟量控制回路较多、开关量较少时采用DCS ◆模拟量控制回路较少、开关量较多时采用PLC ★检测部件 ◆检测部件相当于人的感觉器官，它直接感受被测参数的变化，提取被测信息，转换成标准信号供显示和作为控制的依据。 ◆检测部件一般选用定型产品。即根据控制方案来选择测量仪表和传感器。 ◆可靠性原则：长期稳定运行的能力 ◆实用性原则 ◆先进性原则 节流元件计算 ※流量计算有关概念 ★密度：在工作温度和压力下，节流装置前流体的密度。 ★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。 ★粘度：表征流体内摩擦力，可用动力粘度和运动粘度表示。动力粘度与密度的比值称为运动粘度。 ★雷诺数： ◆管道内流量较小时，压差与流量成正比，流体的流动状态为层流；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，此现象可用雷诺实验验证，并用雷诺数表征，流体惯性力和粘性力之比 ★气体的压缩系数 由理想气体定律求得的气体密度和实际密度值，在高压和低温情况下有偏差，须加以校正。 ★等熵指数 当气体流过节流装置后，会产生膨胀。假定向较低压力的膨胀是按多变过程进行的。对于多变过程，压力与体积有： ※流量计 ★压差式流量计：利用流体通过管道内节流装置时，由流量与节流装置前后压差的关系来计量 ★速度式流量计：利用管道内流体的速度推动叶轮旋转，由叶轮转速与流体流速的关系来计量 ★容积式流量计：流体连续通过一定容积之后，以流量累计的原理来计量。 ★其他流量计：电磁流量计、超声波流量计等 ※节流元件： ★在直线管道中设置的使流束产生局部收缩以测量管道中流体的流量的装置。 ★标准节流装置：历史悠久、实验数据完整、　产品已标准化。有孔板、喷嘴、文丘里喷嘴　和文丘里管。 ★特殊节流装置：利用已有实验数据估算。有双重孔、1/4圆喷嘴、双斜孔板、圆缺孔板等。 ★节流元件的特点：结构简单、便于制造、工作可靠、寿命长、适应性强等。 ※流量检测原理： ★在管道中流动的流体具有动能和位能，在一定条件下可以相互转换，但参加转换的能量总和不变。用节流元件测量流量就是基于上述原理实现的。 质量流量： 体积流量： ※标准节流装置的取压方式 ★径距取压：其取压口与孔板的间距是取压口中心线与孔板某一规定端面之间的距离。 ★法兰取压：须用专门带钻孔的法兰。上下游取压管中心位于距孔板两侧相应端面2