过程控制系统设计

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本章学习内容 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 过程控制系统设计步骤 过程控制系统的结构特点 确定控制变量与控制方案 过程控制系统硬件选择 节流元件计算 调节阀选择

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3.1 过程控制系统设计步骤 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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3.2 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 是工业过程的输出变量 选择原则

被控变量

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

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过程控制系统设计 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……

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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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(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。

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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： 保护 装臵 控制装臵 检测/ 控制 测量仪表、传感器 器 变送 执行机构 报警、保护、连锁等部件执行 机构 被控 对象

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过程控制系统设计3.3.2 控制装臵

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。

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3.3.2 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

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过程控制系统设计 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

=Qvρ

3(2) 雷诺数Re

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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 Re〉4000 层流 紊流

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

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(2) 雷诺数Re(续) D 4Qm 4Qv Re D D式中： υ——管道中流体的平均轴向流速，m/s ν——流体的运动粘度，m2/s, ν= υ/ ρ μ——流体的动力粘度，Pa/s D ——工作条件下，上游管道的内径，m

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(3)等熵指数k 当气体流过节流装臵时，会产生膨胀，其压力和 体积间有关系：

pV 常数k

等熵指数k值表 如双原子气体及空气的k=1.41

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(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。 ' 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