3-过程控制系统设计--[过程控制及其MATLAB实现(第2版)]

est3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3.4.1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=Qvρ3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ReRe〈2300层流Re〉4000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DQDQDvm44Re式中：υ——管道中流体的平均轴向流速，m/sν——流体的运动粘度，m2/s，ν=υ/ρμ——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=1.41kpV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'Z其中：ρ’——理想气体定律求得的工作状态下的气体密度ρ——工作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(2)速度式流量计：管道内流体的速度~叶轮旋转速度(3)容积式流量计流量累计(4)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paQm121/2paQV式中：α流量系数ε可膨胀系数a节流装置开孔截面积ρ1流体流过节流装置前的密度Δp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ε流量与压差的关系3过程控制系统设计）直径比（DdLLC/0337.0)1(0900.0Re)/10(0029.01840.00312.05959.032144175.0625.041.2135.041.0141kpp）（24124122241214pdCQpdCQvv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β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2412412424pdCQpdCQmv或vmQQ或流量密度压差，管径,,pDd/D,C直径比可膨胀系数，流量系数是β的函数是β的函数关于β的非线性方程根据流量与压差的关系方程求直径比β两种方法手工计算•迭代计算计算机计算•采用MATLAB的fsolve函数24124pdCQm3过程控制系统设计最大刻度流量的确定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000TpZTpQQvv3过程控制系统设计24124pdCQm44RevmQQDD000TpZTpQQvv22422Re241ApDpDQmC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过程控制系统设计控制器执行机构手动气动或电动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gvpgvp22222211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gvpgvp22222211阻力系数平均速度::22122vvvvvAQv流量方程式为常数调节阀的流量系数nAnCCpCQv:1.当ρ和Δｐ给定时，ＣQ∴流量系数Ｃ值反映了阀的流通能力（阀的容量）。2.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。3.流量系数C与阀的阻力系数ξ的平方根成反比∴增大ξ，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为常数调节阀的流量系数nAnCCpCQv:1.调节阀额定流量系数的定义（Kv或Cv）（1）温度为5～10℃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，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=1.167Kv3过程控制系统设计调节阀计算中用到的若干概念pkQvv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4.11kXppXTXT—压差比系数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出现阻塞流增大而增大不随压差恒值增大而增大随压差,pppkQvv3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p2p2p1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ＦＧ的方法相同，只是阻塞流产生的条件不同：vcvcLppppppF121）和蒸汽压力（绝对压力阀入口温度下液体的饱的临界压力比系数不可压缩流体（液体）式中)(1max21vFvFvcLpFpFpppppF之差与为产生阻塞流时式中vcppvcppFpLvc15.0124．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%minmaxQQR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Ｒ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minmaxminmaxminmax//CCpCpCQQR3过程控制系统设计①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ΔｐＴ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。3过程控制系统设计①串联管道（续）串联管道上调节阀的实际可调比Ｒｓ近似公式3过程控制系统设计maxminmaxminminmaxminmaxppRpCpCQQRsΔpmin-调节阀全开时阀上的压降Δpmax-最小开度时阀上的压降接近于管路总压降ΔpＴsRppRRTvsｓ＝Δpv/ΔpT压降比ｓ小→可调比Ｒ小，∴ｓ不可太小，通常ｓ为0.3～0.6②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②并联管道（