过程控制系统设计

测控技术与仪器系
流量计类型
主要几类： (1) 压差式流量计：流体通过管道内节流装置时，根 据流量与节流装置前后压差的关系来计量。 (2) 速度式流量计：管道内流体的速度推动叶轮旋 转，根据叶轮转速与流体流速成正比的关系来计量。 （3）容积式流量计：流体连续通过一定容积之后，进 行流量累计的原理来计量。 （4） 其他类型流量计：如电磁流量计、超声波流量 计等。
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4．调节阀的可调比 （1）可调比定义 指该阀所能调节的最大流量 Qmax 和最小流 量 Q min 的比值， R=
Q max Q min
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式中， 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% 。 当调节阀两端压差不变时，阀的可调比称 为理想可调比，为 C max p R= Qmax = C =
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选型原则
（1） 可靠性原则 可靠性是指产品在一定的条件下，能长期而稳 定地完成规定功能的能力。是测量仪表和传感器的 最重要选型原则。 （2） 实用性原则 完成具体功能要求的能力和水平。根据工艺要 求考虑实用性，既要保证功能的实现，又应考虑经 济 性，并非功能越强越好。 （3） 先进性原则 应该尽量采用先进的设备。
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1-理想特性 2-阀径过小的特性 3-阀径过大的特性 4-流通截面特性 5-阀上相对压降的曲线
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如蝶阀直径选得过大，其特性就会变成快开特 性，如图中曲线3，将使阀只在一个很小的角行程 （开度）内操作，稍有移动，流量就会发生过量的 激烈变化，从而引起振荡，使控制不稳定。 如蝶阀直径选得过小，其特性曲线下移，如 图中曲线2，阻力增大，以致阀门全开也不能通 过所需的最大流量。 正确计算蝶阀直径，对于控制系统的品质起 着重要作用。
= (Q Q ) 1 min 2
QT max
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调节阀在并联管道上的实际可调比近似为总管 最大流量与旁路流量的比值，随旁路程度B值 的减小而降低。 实用时应使B值大于0.8为好。
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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
Qr ＝ f Lr
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2．输入变量
两类：控制（或操作）变量、扰动变量。 控制（或操作）变量：由操作者或控制机构调节的变量。 选择的基本原则为 ： (1) 选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为控制变量 (2) 选择变化范围较大的输入变量作为控制变量，以便易于控制； (3) 在此的基础上选择对被控变量作用较快的输入变量作为控制 变量，使控制的动态响应较快；
Q min
C min p max

p max
R---理想可调比； pmin --调节阀全开时阀上的压降； p --调节阀最小开度下阀上的压降，它 接近于管路系统的总压降值 pT 。
max
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由此可得 RS≈R pV =Rຫໍສະໝຸດ pTss= p min
p T
即压降比。 可见，S值越小，实际可调比也越小。
Kv=0.8569Cv 或 Cv=1.167 Kv
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3．阻塞流 在阀前压力 P1保持一定时，通过阀的流量随阀 上压降 p 的增大而增大，当达到某一临界状况 时，流量将不再随 p 变化，而是达到一个最大 的极限值，这种流动状况称为阻塞流。 阻塞流情况下，计算流量系数，对不可压缩流 体、低雷诺数流体尤其是可压缩流体，均需要修 正。
又称等百分比特性，是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
dQr KQr dLr
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图中b为对数流量特性曲线. 曲线的放大系数是随开度的增大而递增的. 在同样的开度变化值下，流量小时（小开度时） 流量的变化也小（调节阀的放大系数小），调节 平稳缓和. 流量大时（大开度时）流量的变化也大（调节阀 的放大系数大），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.
第三章 过程控制系统设计
est
3
过程控制系统设计
主要内容
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
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3.1 过程控制系统设计步骤
过程控制的目标与任务:通过对系统的设计 来完成。 具体步骤:
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
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3.4 节流元件
1．流量 流体在单位时间内流过管道或设备某处 横断面的数量成为流量。 流过的数量按体积计算称为体积流量； 按质量计算的称为质量流量。
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2．雷诺数 管道内流量小时，压差与流量成正比；流量 变大后，压差大致与流量的平方成正比。 在压差与流量成正比的范围内，流体的流动 状态为层流； 在压差与流量的平方成正比的范围内，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，此现象用雷诺实验可以验证， 并用雷诺数表征。 雷诺数是流体惯性力与粘性力之比。
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用节流元件测流量
1、原理：
OV a 2 p
2、取压方式： （1）径距取压； （2）法兰取压； （3）角接取压。
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3.5 调节阀选择
在过程控制系统中，最常用的执行机构是调节 阀。 调节阀是按照控制器（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。 把控制器比喻为自动调节系统中的“头脑”,则 调节阀就是自动调节系统的“手脚”。
Qr = Q ／ Q100 —相对流量，阀在某一开度下 的流量与全开时流量的比； Lr =l/l100 —相对开度，阀在某一开度的行程 与全开时行程的比。
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1． 理想流量特性 是阀前后压差保持不变的特性。 有直线、对数、抛物线、快开等四种。
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(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。其数学表达式 为
dQr f ( Lr ) K (1 Lr ) dLr
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（5）蝶阀流量特性 图中的曲线1是蝶阀的理想流量特性，它是 一条近似对数（等百分比）的特性曲线。 在开启角很小时，流量增加却很小； 当开启角继续增大，流量逐渐成比例地增加； 当开启角增大到600～700之间时，可以获得70% 以上的流量； 再继续增大开启角到700以上，阀的流通截 面几乎与开启角成比例地增加，但因为阀上压差 显著减小，流量的增加也显著减少。 在整个角行程内蝶阀都起着控制流量的作用。
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在实际应用中为了确保调节阀有一定的可调 比，阀全开时的压降应在管路系统中占有合适的 比例。 通常S值在0.3~0.6范围内。
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②并联管道 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。 设实际可调比为Rp，则 Rp=总管最大流量／(阀体部件最小流量+旁路流量)
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3.2 确定控制变量与控制方案
3.2.1 确定控制目标:
根据稳定性、安全性和经济性原则。
1．被控变量
在定性地确定目标以后，需要用工业过程 的被控变量来定量地表示控制目标。 被控变量也是工业过程的输出变量。
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选择的基本原则
（1）对控制目标起重要影响的输出变量作为被 控变量； （2）可直接控制目标质量的输出变量作为被控 变量； （3）选择与控制（或操作）变量之间的传递函 数比较简单、动态和静态特性较好的输出变量作 为被控变量 （4）有些系统存在控制目标不可测的情况，则 可测量其它能够可靠测量、与控制目标有一定关 系的输出变量，作为辅助被控变量。
1．控制结构有两种： （1） 反馈控制
利用被控变量的直接测量值，调节控制变量， 使被控变量保持在预期值。
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（2）
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。
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2．控制算法
控制方案确定以后，需要选择合适的控制 算法，根据控制算法进行控制器设计。
dQr K dLr
K为常数，调节阀的放大系数。
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直线特性的调节阀在开度变化相同的情 况下， 当流量小时，流量的变化值相对较大， 调节作用较强，易产生超调和引起振荡； 流量大时，流量变化值相对较小，调节 作用进行缓慢，不够灵敏。
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（2）对数流量特性
(4) 在复杂系统中，存在多个控制回路，即存在多个控制变量和 多个被控变量。所选择的控制变量对相应的被控变量有直接影响， 而对其他输出变量的影响应该尽可能的小，以便使不同控制回路 之间的关联比较小。
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3.2.2 确定控制方案
工业过程的控制目标以及输入输出变量确定 以后，控制方案就可以确定了 。 控制方案应该包括控制结构和控制算法。
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（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
dQr K Qr dLr
图中c为抛物线流量特性曲线。介于直线流 量特性和对数流量特性之间。
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（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。 这种流量特性适用于迅速启闭的切断阀或双 位控制系统。 其特性曲线见图中曲线d。