典型操作单元的控制流体输送设备的控制戴连奎浙江大学智能系统与决策研究所浙江大学信息学院控制系
2000/11/28
内 容
引 言
流量控制的特点
泵与管路流量控制
离心式压缩机的流量控制
离心式压缩机的防喘振控制流量控制系统的特点
控制通道的对象时间常数小只需采用 PI调节器，无须引入微分作用；
测量信号通常带有高频噪声应考虑对测量信号的滤波或在控制器与变送器之间引入一阶滞后环节，以减小调节阀的振动；
静态非线性应考虑选用合适的控制阀特性，使广义对象的静态特性接近线性。
离心泵的特性
H
H
L
n
1
n
2
n
3
Q
2221 QKnKH
H为泵的压头，即泵前后的流体静压差；
n 为离心泵转速；
Q为泵的排出量。
HL为泵的最大输出功率线，
即在给定的转速下,H*Q在该压头下达到最大。
采用直接节流法的流量控制系统
H
L1
H
L2
H
L3
C
1
C
2
C
3
H
Q
FC
调节原理,通过改变相关管路的阻力系数，以控制管道流量。 注意,控制阀不应装在泵的吸入口；另外，
控制阀的开度不应过小或过大，即应合理选择控制阀的尺寸。还有，检测元件宜装在控制阀的上游。
采用变频调速法的流量控制调节原理,采用变频调速器通过改变泵的转速，以控制管道流量。
特 点,节能，调节平稳，但投资较大。
FC
调转速采用旁路法的流量控制
FC
x r
x r
PC
特点,机械效率低，但适合于某些不能采用直接节流法的容积式泵。
容积式泵的流量控制特点,容积式泵不能采用直接节流法。可采用旁路法或调速法或上述控制方案（但应这两个回路的动态关联）。
FC
PC
入口出口往复泵原动机离心式压缩机的特性曲线
P2 /P1 为压缩机出口压力与进口压力（均为绝压）
之比，或称压缩比；
n为压缩机的转速；
Q为压缩机出口流量。
其气量或出口压力的控制系统与离心泵相近，
可用直接节流法、旁路回流法与变频调速等。
100
n
1
n
2
n
3
Q,%
喘振区
50
1,0
2,0
3,0
P
2
/
P
1
流体输送设备的喘振现象
(1) 泵刚启动时，液位为 1-1，对应管路特性为 I，工作点为
QM,QA>QM.
(2) 工作点的变化过程,QM → QN → QO
→ QP → QN → QO
→...
Q
A
1 1
2 2
3 3
QQ
M
H
T
I
O
H -- Q
M
N
P
II
III
Q
N
Q
O
Q
A
防喘振操作线方程
n
1
n
2
n
3
Q
2
1,0
2,0
3,0
P
2
/
P
1
喘振极限线 安全操作线
a
T
QK
P
P
1
2
1
1
2
Q1为压缩机吸入口气体的体积流量,即压力为 P1,温度为
T1条件下的气体体积流量。 K,a由压缩机生产厂给出。
采用差压计测流量时的安全操作线
a
T
QK
P
P
1
2
1
1
2
1
1
1
dPQ?
1
1
1 z R T
MP
a
P
P
mP
P d
1
1
1
2 1
)( 121 PPmP d
zRK
Mm
22
防喘振控制系统（ 1）
压缩机排出吸入循环
FC
当压缩机正常运行时，控制器的测量值恒大于设定值，
要求旁路阀全关；而当压缩机吸气量小于设定值时，要求旁路阀打开，使压缩机总的吸入量等于或大于设定值,
问题,
调节阀选型，控制器作用方向选择，与防积分饱和方法？
防喘振控制系统（ 2）
压缩机排出吸入循环
FC
∑
×
P
1
P
2
P
2
-- aP
1
m
m ( P
2
-- a P
1
)
P
1 d问题,
若流量测量在出口处，如何推导得到防喘振安全操作线？
防喘振控制系统实例分析该系统包括两个控制回路：
（ 1）采用调速方法控制气压机的入口压力；
（ 2）采用可变极限流量法的气压机变防喘振控制系统。
气压机蒸 汽透 平
PC
U
2
U
3
U
1
U
4
GC
P
d
P
1,m
P
2,m
P
2
P
2
P
1
P
d
P
1
m - - ma
P
2
P
1
防积分饱和方法
K
c
1
1
sT i
E ( s ) U ( s )
U
c
( s )
＋
＋
正常情况下，
)(1)( sEsTsTKsU
i
i
c
（ 1）仪表 PI控制器
（ 2）数字 PI控制器
PI
e ( k ) u ( k )
＋
＋
1?
z
u ( k -1 )
Δ u ( k )
PID 增量式 控制器输出变化率限幅控制器输出高低限幅
2000/11/28
内 容
引 言
流量控制的特点
泵与管路流量控制
离心式压缩机的流量控制
离心式压缩机的防喘振控制流量控制系统的特点
控制通道的对象时间常数小只需采用 PI调节器，无须引入微分作用；
测量信号通常带有高频噪声应考虑对测量信号的滤波或在控制器与变送器之间引入一阶滞后环节，以减小调节阀的振动；
静态非线性应考虑选用合适的控制阀特性，使广义对象的静态特性接近线性。
离心泵的特性
H
H
L
n
1
n
2
n
3
Q
2221 QKnKH
H为泵的压头，即泵前后的流体静压差；
n 为离心泵转速；
Q为泵的排出量。
HL为泵的最大输出功率线，
即在给定的转速下,H*Q在该压头下达到最大。
采用直接节流法的流量控制系统
H
L1
H
L2
H
L3
C
1
C
2
C
3
H
Q
FC
调节原理,通过改变相关管路的阻力系数，以控制管道流量。 注意,控制阀不应装在泵的吸入口；另外，
控制阀的开度不应过小或过大，即应合理选择控制阀的尺寸。还有，检测元件宜装在控制阀的上游。
采用变频调速法的流量控制调节原理,采用变频调速器通过改变泵的转速，以控制管道流量。
特 点,节能，调节平稳，但投资较大。
FC
调转速采用旁路法的流量控制
FC
x r
x r
PC
特点,机械效率低，但适合于某些不能采用直接节流法的容积式泵。
容积式泵的流量控制特点,容积式泵不能采用直接节流法。可采用旁路法或调速法或上述控制方案（但应这两个回路的动态关联）。
FC
PC
入口出口往复泵原动机离心式压缩机的特性曲线
P2 /P1 为压缩机出口压力与进口压力（均为绝压）
之比，或称压缩比；
n为压缩机的转速；
Q为压缩机出口流量。
其气量或出口压力的控制系统与离心泵相近，
可用直接节流法、旁路回流法与变频调速等。
100
n
1
n
2
n
3
Q,%
喘振区
50
1,0
2,0
3,0
P
2
/
P
1
流体输送设备的喘振现象
(1) 泵刚启动时，液位为 1-1，对应管路特性为 I，工作点为
QM,QA>QM.
(2) 工作点的变化过程,QM → QN → QO
→ QP → QN → QO
→...
Q
A
1 1
2 2
3 3
M
H
T
I
O
H -- Q
M
N
P
II
III
Q
N
Q
O
Q
A
防喘振操作线方程
n
1
n
2
n
3
Q
2
1,0
2,0
3,0
P
2
/
P
1
喘振极限线 安全操作线
a
T
QK
P
P
1
2
1
1
2
Q1为压缩机吸入口气体的体积流量,即压力为 P1,温度为
T1条件下的气体体积流量。 K,a由压缩机生产厂给出。
采用差压计测流量时的安全操作线
a
T
QK
P
P
1
2
1
1
2
1
1
1
dPQ?
1
1
1 z R T
MP
a
P
P
mP
P d
1
1
1
2 1
)( 121 PPmP d
zRK
Mm
22
防喘振控制系统（ 1）
压缩机排出吸入循环
FC
当压缩机正常运行时，控制器的测量值恒大于设定值，
要求旁路阀全关；而当压缩机吸气量小于设定值时，要求旁路阀打开，使压缩机总的吸入量等于或大于设定值,
问题,
调节阀选型，控制器作用方向选择，与防积分饱和方法？
防喘振控制系统（ 2）
压缩机排出吸入循环
FC
∑
×
P
1
P
2
P
2
-- aP
1
m
m ( P
2
-- a P
1
)
P
1 d问题,
若流量测量在出口处，如何推导得到防喘振安全操作线？
防喘振控制系统实例分析该系统包括两个控制回路：
（ 1）采用调速方法控制气压机的入口压力；
（ 2）采用可变极限流量法的气压机变防喘振控制系统。
气压机蒸 汽透 平
PC
U
2
U
3
U
1
U
4
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P
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1,m
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1
防积分饱和方法
K
c
1
1
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E ( s ) U ( s )
U
c
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＋
＋
正常情况下，
)(1)( sEsTsTKsU
i
i
c
（ 1）仪表 PI控制器
（ 2）数字 PI控制器
PI
e ( k ) u ( k )
＋
＋
1?
z
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Δ u ( k )
PID 增量式 控制器输出变化率限幅控制器输出高低限幅
