过程装备控制技术及应用课件

补充:单回路控制系统设计相关问题(一)控制阀的选择：1、类型：气动、电动2、结构型式和材质：根据工艺介质的性质和工艺要求选择。3、气开、气关型式的选择：从生产安全的角度考虑，保证设备和操作人员的安全。4、流量特性的选择：（1）根据对象特性，确定工作流量特性；（2）根据配管情况，确定理想流量特性；5、口径的计算补充题：下图为一密闭容器，要求容器内压力不能过高，试选择各控制阀的气开、气关型式。要求容器内压力不能过高，失气时进口阀1处于“关”位置安全，故进口阀1选气开阀；要求容器内压力不能过高，失气时出口阀2处于“开”位置安全，故出口阀2选气关阀。进口阀1出口阀2调节阀气开、气关形式的选择主要是考虑工艺过程的安全要求，即当过程控制系统发生故障，如气源中断、控制器或调节阀损坏时，调节阀应处于什么状态才是安全的。在选择调节阀气开、气关形式时，应考虑以下情况：考虑事故状态时调节阀所处的状态不致影响人身、工艺设备的安全。考虑事故状态下减少经济损失，保证产品质量。考虑介质的性质，防止事故状态下物料结晶、凝固和堵塞给重新开工带来麻烦，甚至损坏设备。

通常，选择调节阀气开、气关形式的原则是不使物料进入或流出设备或装置。下面是几个常用选择规则：进入设备或装置的原料或热源应切断，因此，选择进料阀为气开阀。设备或装置的出料应切断，因此，选择出料阀为气开阀。特殊场合，不应使高温高压物流切断或放空，因此，选择保位阀。示例一锅炉供水调节阀一般采用气关式，一旦事故发生，可保证事故状态下调节阀处于全开位置，使锅炉不致因水中断而烧干，甚至引起爆炸危险。示例二进加热炉的燃料气或燃料油的调节阀应采用气开式，一旦事故发生，调节阀处于全关状态，切断进炉燃料，避免炉温继续升高，烧坏炉管，造成设备事故。示例三精馏塔的进料调节阀一般选用气开式，这样，在事故状态下调节阀关闭，停止进料，以减少原料损耗；而回流量调节阀一般选用气关式，在事故状态下使调节阀全开，保证回流量，以防止不合格产品的蒸出。示例四易结晶、易凝固物料的加热装置，蒸汽流量调节阀需选用气关式。一旦事故发生，使其处于全开状态，保证有一定的温度，以防止物料结晶、凝固和堵塞。（二）控制器正反作用的确定：控制器有正作用和反作用两种方式，其确定原则是使整个控制系统构成负反馈系统。根据负反馈准则，要求控制系统开环总静态放大系数为正。简单控制系统由被控过程、检测变送装置、控制阀和控制器组成，要构成负反馈，则要求KoKmKvKc＞0。各环节正、反作用的确定

组成控制系统的各环节静态放大系数的正负由该环节输入输出之间的关系确定。当环节的输入增大（或减小）时，其输出也增大（或减小），则该环节为正作用，它的静态放大系数为正。当环节的输入增大（或减小）时，输出减小（或增大），则该环节为反作用，它的静态放大系数为负。各环节正、反作用的确定开环总静态放大系数是各组成环节的放大系数之积。因而，控制器正、反作用的确定与被控过程、检测变送装置、控制阀的作用方式有关。各环节正、反作用的确定被控过程的正、反作用当被控过程的输入增大（或减小）时，其输出亦增大（或减小），此时称此被控过程为正作用。正作用过程的静态放大系数Ko＞0。当被控过程的输入增大（或减小）时，其输出减小（或增大），此时称此被控过程反作用。反作用过程的静态放大系数Ko＜0。注意：被控过程的输入是指操纵变量，即通过控制阀的物料或能源的流量，输出是被控变量。被控过程的正、反作用LCLTLCLT“正作用”“反作用”输入信号（操纵变量）：流入量输出信号（被控变量）：液位参数输入信号（操纵变量）：流出量输出信号（被控变量）：液位参数各环节正、反作用的确定控制阀的正、反作用气开式调节阀的输入信号增大（或减小）时，其开度增大（或减小），调节阀的物料或能源的流量（控制参数）也增大（或减小），因此气开式调节阀为正作用，静态放大系数Kv＞0。气关式调节阀的输入信号增大（或减小）时，其开度减小（或增大），调节阀的物料或能源的流量（控制参数）也减小（或增大），因此气关式调节阀为反作用，静态放大系数Kv＜0。各环节正、反作用的确定检测变送装置的正、反作用检测变送装置的输入是被控变量，输出是测量值。大多数检测变送装置的输入增大（或减小）时，其输出亦增大（或减小），故为正作用，静态放大系数Km＞0。但也有例外的，差压变送器检测变送液位如图所示连接时，若不作零点迁移，则为反作用，静态放大系数Km＜0。各环节正、反作用的确定控制器的正、反作用调节器的正、反作用是这样规定的：当系统的测量值增加（或减小）时，控制器的输出亦增加（或减小），称为正作用控制器。当系统的测量值增加（或减小）时，控制器的输出减小（或增大），称为反作用控制器。

各环节正、反作用的确定调节器实际上包含了比较环节和控制环节。控制环节的真正输入是偏差（e=r-y），输出是控制作用。控制环节的静态放大系数Kc是这样来确定的：输入偏差增加（或减小）时，调节器的输出亦增加（或减小），其静态放大系数Kc取正，即Kc＞0。输入偏差增加（或减小）时，调节器的输出减小（或增加），其静态放大系数Kc取负，即Kc＜0。

各环节正、反作用的确定由于偏差e等于给定值x减去测量值z，即e＝x－z，当给定值不变时，测量值增加（或减小）时，偏差将减小（或增加）。由此有，正作用控制器的静态放大系数Kc为负，即Kc＜0；反作用控制器的静态放大系数Kc为正，即Kc＞0。确定控制器的正、反作用的步骤

由于大多数检测变送装置的静态放大系数Km＞0，一般情况下无须判别。确定调节器正、反作用方式的步骤一般为：根据生产工艺安全等原则确定控制阀的气开、气关形式。按被控过程特性，确定其正、反作用。根据组成系统各环节的静态放大系数乘积必须为正的原则来确定控制器的静态放大系数的符号，据此再确定控制器的正、反作用方式。校核。例1：确定液位控制系统控制器的正反作用1、图示液位控制系统，操纵变量是进料流量。从安全角度考虑，应选择气开阀，Kv＞0；进料阀开度增加，液位升高，过程增益K0＞0；为保证负反馈，K开＝KcKvK0Km＞0，因此，应选择调节器增益Kc＞0，即选择调节器为反作用。可从信号流向来检验选择的正确与否若受干扰使液位升高：液位↗─→测量值↗─→调节器为反作用，输出↘─→控制阀为气开阀，开度↘─→进料流量↘─→液位↘。能实现负反馈控制，选择正确。如图所示，如果检测变送器不作迁移，同时，安装了冷凝容器，则液位升高时，检测变送器的输出反而减小，采用这种安装方式时检测变送器的增益Km＜0。这时如果使用进料阀控制液位，应选择正作用调节器。2、图示液位控制系统，操纵变量是出料流量。从安全角度考虑，应选择气关阀，Kv＜0；出料阀开度增加，液位下降，过程增益K0＜0；为保证负反馈，K开＝KcKvK0Km＞0，因此，应选择调节器增益Kc＞0，即选择调节器为反作用。校核。例2：加热炉出口温度控制：TC燃料气加热炉出口温度控制“正”气开“正”“反”（1）确定阀的气开、气关型式：失气时阀处于“关”位置安全，选气开阀，为“正作用”方向，即Kv>0；（2）确定被控对象的正反作用：燃料阀开大，燃料流量增大，被控变量炉出口温度增大，故对象是“正作用”方向，即

K0>0；（3）确定调节器的正反作用：为保证负反馈，K开＝KcKvK0Km＞0，因此，应选择调节器增益Kc＞0，即选择调节器为“反作用”。（4）校核：T反作用TC输出气开阀关小燃料气阀门TT反作用TC输出气开阀开大燃料气阀门T冷物料的流量TC燃料气原料“正”“正”“反”例3：液位控制“正”气开“正”LC液位控制（2）确定被控对象的正反作用：阀门开大，出口流量增大，被控变量液位降低，故对象是“反作用”方向，即K0<0；（3）确定调节器的正反作用：为保证负反馈，K开＝KcKvK0Km＞0，因此，应选择调节器增益Kc<0，调节器应选为“正作用”；（4）校核：（1）确定阀的气开、气关型式：失气时阀处于“关”位置安全，选气开阀，为“正作用”方向，即Kv>0；L正作用LC输出气开阀开大阀门L“反”确定调节器的正、反作用方式

（方法二：符号法）1、选择依据：保证整个控制系统是一个具有负反馈的闭环系统。2、各环节的符号规定（作用方向）：所谓作用方向，就是指输入变化后，输出的变化方向。当某个环节的输入增加时，其输出也增加，则称该环节为“正作用”方向（取“＋”）；反之，当环节的输入增加时，输出减少的称“反作用”方向（取“－”）。各环节的符号规定（1）（1）被控对象：当操纵变量增加时，被控变量也增加的对象属于“正作用”（取“＋”）的；反之，被控变量随操纵变量的增加而降低的对象属于“反作用”（取“－”）的。LCLTLCLT“正作用”（“＋”）；“反作用”（“－”）；各环节的符号规定（2）（2）控制阀：当控制器输出信号（即执行器的输入信号）增加时，气开阀的开度增加，因而流过阀的流体流量也增加，故气开阀是“正”方向（取“＋”）；反之，由于当气关阀接收的信号增加时，流过阀的流体流量反而减少，所以是“反”方向（取“－”）。各环节的符号规定（3）（3）控制器：当给定值不变，被控变量测量值增加时控制器的输出也增加，称为“正作用”方向（取“＋”），或当测量值不变，给定值减小时，控制器的输出增加的称为“正作用”方向（取“＋”）；反之，如果测量值增加（或给定值减小）时，控制器的输出减小的称为“反作用”方向（取“－”）。正负号规定：●控制阀：气开＋，气关－●控制器：正作用＋，反作用－●对象：控制阀流量增大时被控量增大＋，反之为－●变送器：通常为＋控制器正反作用方式选择：控制器±×控制阀±×对象±×变送器±＝－3、选择步骤：（1）先确定控制阀的气开、气关型式（阀的符号）；（2）根据被控对象的特性，确定其正反作用方向（对象的符号）；（3）根据整个控制系统为一个具有负反馈的闭环系统的原则（各环节符号的乘积必须为“－”，控制器±×控制阀±×对象±×变送器±＝－

），确定控制器的正反作用（控制器的符号）；（4）校核。例2：加热炉出口温度控制：TC燃料气加热炉出口温度控制“正”“－”气开“正”

“－”“反”

“－”（1）确定阀的气开、气关型式：失气时阀处于“关”位置安全，选气开阀，为“正作用”（“＋”）方向；（2）确定被控对象的正反作用：燃料阀开大，燃料流量增大，被控变量炉出口温度增大，故对象是“正作用”（“＋”）方向；（3）确定调节器的正反作用：为保证负反馈（各环节符号的乘积必须为“－”），应选择调节器为“反作用”（“－”）。（4）校核：T反作用TC输出气开阀关小阀门T1、被控变量的选择；直接指标：间接指标：2、操纵变量的选择，控制方案的确定；影响被控变量的因素。3、过程检测控制仪表的选用；（1）测量元件及变送器：（2）调节阀：根据生产安全原则及被控介质特点，选气开、气关阀。根据过程特性与控制要求选用对应流量特性的调节阀。根据被控介质流量选择阀的口径。（3）调节器：根据过程特性与工艺要求，可选用控制规律。根据构成系统负反馈原则，确定调节器的正、反作用。在过程控制系统方案设计、设备选型、安装调校就绪后，下一步要进行的工作就是系统的投运与调整、整定。例一：喷雾式干燥设备控制系统设计工艺过程及要求被控变量选择操纵变量选择过程检测、控制设备的选用一、工艺过程及要求如图是奶粉生产工艺中的喷雾式干燥设备。此工艺要求保证奶粉含水量在2%~2.5%。高位槽过滤器干燥器产品鼓风机换热器旁路风管风管蒸汽fFfqfP已浓缩的奶液从储槽流下，经过滤后从干燥器顶部喷出。干燥空气被加热后经风管吹入干燥器。滴状奶液在热风中干燥成奶粉，并被气流带出干燥器。二、被控参数选择直接指标：产品质量（水分含量）水分含量反映产品质量，是主要的工艺技术指标。由于产品水分含量测量十分困难，且测量精度不高。试验发现，奶粉含水量与干燥器温度之间存在单值关系。出口温度稳定在150±2℃，则奶粉含水量符合2%~2.5%。间接指标：干燥器的温度根据生产工艺，产品质量（水分含量）与干燥温度有密切相关，因而选干燥器的温度为被控参数（间接参数）。乳化液流量f1旁路冷风量f2加热蒸汽量f3选其中任一变量作为操纵变量，均可构成温度控制系统，即可以得到三个不同的控制方案。高位槽过滤器干燥器产品鼓风机换热器旁路风管风管蒸汽f1f2f3三、控制参数选择，控制方案的确定影响干燥器温度的主要可控因素因素有：影响量作用的位置不同：f3蒸气流量f2旁路冷风流量f1乳液流量热交换器T=100,T=100送风管道

τ=3干燥器

Go乳液流量变化f1的作用通道最短；旁路冷风流量变化f2的作用通道增加了3秒的滞后；加热蒸汽流量变化f3的作用通道又增加了两个100秒的双容滞后。干燥器f1f2f3控制方案：方案1：取乳化液流量为操纵变量（调节阀1）控制通道最短f3f2f1热交换器送风管道干燥器调节阀1控制器变送器－ry干燥器f1f2f3123方案2：取旁路冷风流量为操纵变量（调节