课程设计离心泵压力定值控制系统设计

目录

1．被控对象工作原理及结构特点 (2)

1.1离心泵的工作原理 (2)

1.2离心泵的结构 (2)

2．控制系统方案设计 (3)

2.1控制方案的选择 (3)

2.2被控参数与控制参数的选择 (5)

2.3被控对象的特性分析 (5)

3．过程检测控制仪表的选用 (7)

3.1测压元件及变送器 (7)

3.2变频器 (8)

3.3调节器 (9)

4．压力控制流程图及其控制系统方框图 (10)

5．调节器参数整定及MATLAB仿真 (11)

6．课程设计总结 (14)

7．参考文献 (15)

1．被控对象工作原理及结构特点

泵属于通用机械，在国民经济各部门中用来输送流体的泵种类繁多，用途很广，如水利工程、农田灌溉、化工、石油、采矿、造船、城市给排水和环境工程等。另外，泵在火箭燃料供给等高科技领域也得到应用。化工生产用泵不仅数量大、种类多，而且因其输送的介质往往具有腐蚀性，或其工作条件要求高压、高温等，对泵有一些特殊要求。在各种泵中，尤以离心泵应用最为广泛，因为它的流量、扬程及性能范围均较大，并具有结构简单、体积小、重量轻、操作平稳、维修方便等优点[1]。

1.1 离心泵的工作原理

离心泵是利用叶轮旋转而使水产生的离心力来工作的。离心泵在启动前，必须使泵壳和吸水管内充满水，然后启动电机，使泵轴带动叶轮和水做高速旋转运动，水在离心力的作用下，被甩向叶轮外缘，经蜗形泵壳的流道流入离心泵的压水管路。离心泵叶轮中心处，由于水在离心力的作用下被甩出后形成真空，吸水池中的水便在大气压力的作用下被压进泵壳内，叶轮通过不停地转动，使得水在叶轮的作用下不断流入与流出，达到了输送水的目的[2]。

1.2 离心泵的结构

离心泵的基本构造是由六部分组成的，分别是：叶轮、泵体、泵轴、轴承、密封环、填料函[1]。

叶轮是离心泵的核心部分，它转速高输出力大，叶轮上的叶片又起到主要作用，叶轮在装配前要通过静平衡实验。叶轮上的内外表面要求光滑，以减少水流的摩擦损失。

泵体也称泵壳，它是水泵的主体。起到支撑固定作用，并与安装轴承的托架相连接。

泵轴的作用是借联轴器和电动机相连接，将电动机的转矩传给叶轮，所以它是传递机械能的主要部件。

轴承是套在泵轴上支撑泵轴的构件，有滚动轴承和滑动轴承两种。

密封环又称减漏环。叶轮进口与泵壳间的间隙过大会造成泵内高压区的水经此间隙流向低压区，影响泵的出水量，效率降低；间隙过小会造成叶轮与泵壳摩擦产生磨损。

填料函主要由填料、水封环、填料筒、填料压盖和水封管组成。填料函的作用主要是为了封闭泵壳与泵轴之间的空隙，不让泵内的水流流到外面来也不让外面的空气进入到泵内，

始终保持水泵内的真空。

2．控制系统方案设计

2.1 控制方案的选择

离心泵的工作原理是把电动机高速旋转的机械能转化为被提升液体的动能和势能，是一个能量传递和转化的过程。根据这一特点可知，离心泵的工况点是建立在离心泵和管道系统能量供求关系的平衡上的，只要两者之一的情况发生变化，其工况点就会转移。工况点的改变由两方面引起：一、管道系统特性曲线改变，如阀门调节；二、离心泵本身的特性曲线改变，如原动机调速[3]。

主要有以下三种控制方案：

（1）阀门调节控制

通过控制泵出口阀门开启度来控制流量的方法如图1所示。

改变离心泵出口压力最简单的方法就是调节泵出口阀门的开度，而离心泵转速保持不变(一般为额定转速)，其实质是改变管路特性曲线的位置来改变泵的工况点。如图2-1所示，离心泵特性曲线Q-H与管路特性曲线Q-∑h的交点A为工况点。关小阀门时，管道局部阻力增加，离心泵工况点向左移至B点，离心泵出口压力增大。阀门全关时，相当于阻力无限大，出口压力达到最大值，此时管路特性曲线与纵坐标重合。从图2-2可看出，以调节阀门来控制出口压力时，离心泵本身的供水能力不变，扬程特性不变，管阻特性将随阀门开度的改变而改变。

图2-1 阀门调节流程图[3]图2-2 泵的特性曲线与管路特性曲线[1]

控制出口阀门开启度的方案简单可行、是应用最为广泛的方案。但是，此方案总的机械效率较低，持别是控制阀开度较小时，阀门上压降较大，对于大功率的泵，损耗的功率相当大，因此是不经济的。

（2）原动机调速控制

改变泵转速的方法有两类：

一类是调节原动机的转速，以汽轮机为原动机时可调节蒸汽流量或导向叶片的角度；若以电动机作原动机时，采用变频调速等装置。

另一类是原动机与泵之间的联轴调速结构，改变转速比来控制转速。

图2-3 变频调速流程图[3]图2-4 泵的特性曲线与管路特性曲线[1]工况点偏离高效区是离心泵需要调速的基本条件。当离心泵的转速改变时，阀门开度保持不变，管路系统特性不变，而供水能力和扬程特性随之改变。如图2-4所示（n1>n2>n3），A为离心泵平衡工况点(也称工作点)。欲增大出口压力，可提高转速，供水功率也随之增大，此时工况点为B。

由此可见，与阀门节流相比，原动机调速的节能效果很突出，离心泵的工作效率更高。另外，采用原动机调速后，不仅有利于降低离心泵发生汽蚀的可能性，而且还可以通过对升速/降速时间的预置来延长开机/停机过程，使动态转矩大为减小，从而在很大程度上消除了极具破坏性的水锤效应，大大延长了离心泵和管道系统的寿命。但是原动机调速也有局限性，除了投资较大、维护成本较高外，当离心泵变速过大时会造成效率下降，超出泵比例定律范围，不可能无限制调速。一般为额定转速的100%—70%。

（3）旁路调节控制

如图2-5所示，将泵的部分排出介质重新送回到吸入管路，用改变旁路阀开启度的方法来控制泵的实际出口压力。这种控制方式,其实质也是改变管路特性来达到控制离心泵出口压力的目的。