过程控制系统设计说明
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
(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。
测控技术与仪器系
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 。
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。
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
测控技术与仪器系
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
调节阀是一节流元件。设流体是不可压缩的，且 充满管道，则根据能量不灭定律（Bernoulli方程式） 和流体的连续性定律可知：通过阀的体积流量QV与阀 的有效流通截面积A和通过阀前后的压降 的平方根成 正比，与流体的密度和阀的阻力系数的平方根成反比， 即
测控技术与仪器系
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。
测控技术与仪器系
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。
测控技术与仪器系
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；
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
测控技术与仪器系
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
OV a 2p
2、取压方式： （1）径距取压； （2）法兰取压； （3）角接取压。
测控技术与仪器系
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”。
应该尽量采用先进的设备。
测控技术与仪器系
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。
测控技术与仪器系
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
测控技术与仪器系
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、执行机构和报警、保护、连锁等部件。
过程控制系统硬件选择的原则:保证控制目标和 控制方案的实施。
1、控制装置
简单的过程控制系统可以选择单回路控制器， 对于比较复杂的系统需要用计算机控制。
系统时，根据控制方案选择测量仪表和传感器。
测控技术与仪器系
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
测控技术与仪器系
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。
测控技术与仪器系
2、测量仪表和传感器的选型原则 检测部件一般宜采用定型产品，设计过程控制
控制方案应该包括控制结构和控制算法。
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。
测控技术与仪器系
测控技术与仪器系
（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。
测控技术与仪器系
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。
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。
测控技术与仪器系
用节流元件测流量
1、原理：
测控技术与仪器系
QV A
1
p p
Fra Baidu bibliotek
设C为包含
A 在内的比例系数，则
QV c
p p
Cn A
式中
(n 5.09)
测控技术与仪器系
2. 流量系数的定义 （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。 (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。
测控技术与仪器系
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 。
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。
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
测控技术与仪器系
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
调节阀是一节流元件。设流体是不可压缩的，且 充满管道，则根据能量不灭定律（Bernoulli方程式） 和流体的连续性定律可知：通过阀的体积流量QV与阀 的有效流通截面积A和通过阀前后的压降 的平方根成 正比，与流体的密度和阀的阻力系数的平方根成反比， 即
测控技术与仪器系
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。
测控技术与仪器系
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。
测控技术与仪器系
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；
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
测控技术与仪器系
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
OV a 2p
2、取压方式： （1）径距取压； （2）法兰取压； （3）角接取压。
测控技术与仪器系
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”。
应该尽量采用先进的设备。
测控技术与仪器系
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。
测控技术与仪器系
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
测控技术与仪器系
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、执行机构和报警、保护、连锁等部件。
过程控制系统硬件选择的原则:保证控制目标和 控制方案的实施。
1、控制装置
简单的过程控制系统可以选择单回路控制器， 对于比较复杂的系统需要用计算机控制。
系统时，根据控制方案选择测量仪表和传感器。
测控技术与仪器系
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
测控技术与仪器系
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。
测控技术与仪器系
2、测量仪表和传感器的选型原则 检测部件一般宜采用定型产品，设计过程控制
控制方案应该包括控制结构和控制算法。
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。
测控技术与仪器系
测控技术与仪器系
（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。
测控技术与仪器系
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。
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。
测控技术与仪器系
用节流元件测流量
1、原理：
测控技术与仪器系
QV A
1
p p
Fra Baidu bibliotek
设C为包含
A 在内的比例系数，则
QV c
p p
Cn A
式中
(n 5.09)
测控技术与仪器系
2. 流量系数的定义 （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。 (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。