3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
2、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
3、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
4、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=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
5、和管道内径 雷诺数Re Re2300 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/s D 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
6、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
7、 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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
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