簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)

第二章簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)

內(nèi)容提要本章所研究的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)是使用最普遍、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種過(guò)程控制系統(tǒng)，是研究復(fù)雜控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。本章以簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)方法為主要內(nèi)容，根據(jù)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，重點(diǎn)討論了方案設(shè)計(jì)中被控變量和操縱變量的選擇原則，控制閥的結(jié)構(gòu)形式、材質(zhì)、流量特性、氣開(kāi)/氣關(guān)形式、口徑大小的選擇方法及閥門(mén)定位器的選用，檢測(cè)元件和變送器的選取及克服測(cè)量、傳送滯后的方法，控制器的控制規(guī)律及正/反作用方式的選擇原則。并簡(jiǎn)單介紹了簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的投運(yùn)步驟及常用的幾種控制器參數(shù)的整定方法：經(jīng)驗(yàn)湊試法、臨界比例度法和衰減曲線(xiàn)法。最后討論了簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的一般故障的原因分析及處理方法，以及各控制系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)影響和解耦方法。2.1系統(tǒng)組成原理

2.1.1簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成所謂簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，通常是指由一個(gè)被控對(duì)象、一個(gè)檢測(cè)變送單元（檢測(cè)元件及變送器）、一個(gè)控制器和一個(gè)執(zhí)行器（控制閥）所組成的單閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，也稱(chēng)為單回路控制系統(tǒng)。如圖2.1所示，為兩個(gè)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的示例。圖2.1（a）所示為蒸汽換熱器的溫度控制系統(tǒng)，T表示被加熱物料的出口溫度，是該控制系統(tǒng)的被控變量。蒸汽流量是操縱變量。該控制系統(tǒng)由蒸汽換熱器、溫度檢測(cè)元件及溫度變送器TT、溫度控制器TC和蒸汽流量控制閥組成。控制的目標(biāo)是通過(guò)改變進(jìn)入換熱器的載熱體（蒸汽）的流量，將換熱器出口物料的溫度維持在工藝規(guī)定的數(shù)值上。通過(guò)改變蒸汽流量以控制被加熱物料的出口溫度是工業(yè)生產(chǎn)中最為常見(jiàn)的換熱器控制方案。圖2.1簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)示例圖2.1（b）所示為一個(gè)壓力控制系統(tǒng)，它由流體輸送泵及管路、壓力變送器PT、壓力控制器PC、流體回流量控制閥組成?？刂频哪繕?biāo)是通過(guò)改變回流量來(lái)保持泵的出口壓力P恒定。NO.5第２２張

在這些控制系統(tǒng)中，檢測(cè)元件和變送器（測(cè)量變送裝置）將檢測(cè)被控變量并轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（作為測(cè)量值），當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)影響時(shí)，測(cè)量信號(hào)與設(shè)定值之間就有偏差，因此，檢測(cè)變送信號(hào)（測(cè)量信號(hào)）在控制器中與設(shè)定值相比較，將其偏差值按一定的控制規(guī)律運(yùn)算，并輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器（控制閥）改變操縱變量，使被控變量回復(fù)到設(shè)定值。如圖2.2所示是簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的典型方框圖。圖2.3是將圖2.2用傳遞函數(shù)描述的另外一種表示方法。由圖可知，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)有著共同的特征，它們均由四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成，即被控對(duì)象、測(cè)量變送裝置、控制器和執(zhí)行器。對(duì)于不同對(duì)象的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，盡管其具體裝置與變量不相同，但都可以用相同的方框圖來(lái)表示。這就便于對(duì)它們的共性進(jìn)行研究。圖2.2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)方框圖圖2.3簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)描述簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，所需的自動(dòng)化裝置數(shù)量少，投資低，操作維護(hù)也比較方便，而且在一般情況下，都能滿(mǎn)足控制質(zhì)量的要求。因此，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用，生產(chǎn)過(guò)程中70%以上的控制系統(tǒng)是簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)。由于簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)是最基本、應(yīng)用最廣泛的系統(tǒng)，因此，學(xué)習(xí)和研究簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理及使用是十分必要的。同時(shí)，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)是復(fù)雜控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，掌握了簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)方法，將會(huì)給復(fù)雜控制系統(tǒng)的分析和研究提供很大的方便。由于已在第1章中介紹了簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)中各個(gè)組成部分的作用，故在此不再?gòu)?fù)述。本章將介紹組成簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的基本原則、被控變量及操縱變量的選擇、控制閥和控制器的選擇及控制器參數(shù)的工程整定等。2.1.2控制過(guò)程分析

在此，仍以圖2.1（a）所示的蒸汽換熱器出口溫度控制系統(tǒng)為例來(lái)分析簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的工作過(guò)程。為便于分析，設(shè)本例中測(cè)量變送裝置選用分度號(hào)為S的鉑熱電阻及與之配套的溫度變送器；采用電動(dòng)控制器，且設(shè)置為E上升時(shí)U也上升，E下降時(shí)U也下降；所用執(zhí)行器為一臺(tái)帶電/氣閥門(mén)定位器的氣動(dòng)控制閥，且將其作用方式設(shè)置為U上升時(shí)Q上升，U下降時(shí)Q亦下降。1．平衡狀態(tài)當(dāng)流入系統(tǒng)的蒸汽傳遞給冷流體的熱量使被加熱物料的出口溫度T維持在所要求的溫度值時(shí)，設(shè)蒸汽的流量及品質(zhì)保持不變，冷流體的流量及品質(zhì)也保持不變，則控制系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，并將保持這個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，直至有新的擾動(dòng)量發(fā)生，或人們對(duì)被加熱物料的出口溫度有新的要求。圖（２－１）2．?dāng)_動(dòng)分析該系統(tǒng)的主要擾動(dòng)如下所述。（1）冷流體流量的變化。冷流體的流量增大，出口溫度T下降。（2）冷流體溫度的變化。冷流體的溫度上升，出口溫度T升高。（3）(如果蒸汽源不夠穩(wěn)定）蒸汽的壓力變化。蒸汽壓力上升導(dǎo)致蒸汽流量增大，出口溫度T升高。（4）蒸汽溫度的變化、換熱器環(huán)境溫度的變化也會(huì)影響出口溫度T的變化。這些擾動(dòng)一般都是隨機(jī)性的、無(wú)法預(yù)知的，但當(dāng)它們最終影響到出口溫度T發(fā)生變化時(shí)，控制系統(tǒng)都能夠加以克服。3．控制過(guò)程無(wú)論是由于何種原因、何種擾動(dòng)，只要其作用使出口溫度T有了變化，則控制系統(tǒng)就能通過(guò)控制器來(lái)克服擾動(dòng)對(duì)出口溫度T的影響，使之回到原來(lái)的平衡狀態(tài)。當(dāng)溫度T偏離平衡狀態(tài)而升高時(shí)，測(cè)溫用鉑熱電阻的阻值增大。由溫度變送器將該阻值的變化轉(zhuǎn)換為輸出電流的增大，作為測(cè)量值Z送給控制器?？刂破鲗與設(shè)定值X相比較，由于設(shè)定值X保持不變，則Z上升。由X－Z＝E可知，E將下降。由所設(shè)置的控制器性質(zhì)可知，此時(shí)U下降。再由所設(shè)置執(zhí)行器的性質(zhì)，此時(shí)進(jìn)入換熱器的蒸汽流量Q將減小。顯然，Q減小將使出口溫度T下降，出口溫度T逐漸回復(fù)到設(shè)定值。如果控制器的參數(shù)設(shè)置恰當(dāng)，可獲得較滿(mǎn)意的控制效果。這個(gè)控制過(guò)程可用符號(hào)簡(jiǎn)潔地表達(dá)為擾動(dòng)T↑Z↑E↓U↓Q↓

T↓類(lèi)似的，當(dāng)擾動(dòng)使出口溫度T下降時(shí)有擾動(dòng)T↓Z↓E↑U↑Q↑T↑由此可見(jiàn)，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的工作過(guò)程就是應(yīng)用負(fù)反饋原理的控制過(guò)程。因此，方框圖中Z信號(hào)旁的“－”號(hào)很重要，如果把這個(gè)“－”號(hào)去掉，系統(tǒng)就成為正反饋，就不能克服擾動(dòng)，此時(shí)，系統(tǒng)的控制作用不能使被控變量回歸到設(shè)定值：擾動(dòng)T↑Y↑E↑U↑Q↑

T↑另外，如果控制器和執(zhí)行器的作用方向選錯(cuò)了，系統(tǒng)也不能克服擾動(dòng)（這些將在后面的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中予以介紹）。2.1.3簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概述

1．基本要求（1）要求自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在掌握較為全面的自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)知識(shí)的同時(shí)，也要盡可能多地熟悉所要控制的工藝裝置對(duì)象；（2）要求自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員與工藝專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行必要的交流，共同討論確定自動(dòng)化方案；（3）自動(dòng)化技術(shù)人員切忌盲目追求控制系統(tǒng)的先進(jìn)性和所用儀表及裝置的先進(jìn)性；在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)注重選擇那些能滿(mǎn)足控制質(zhì)量要求、且在應(yīng)用上較為成熟的控制方案；（4）設(shè)計(jì)一定要遵守有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、行規(guī)，按科學(xué)、合理的程序進(jìn)行。2．基本內(nèi)容（1）確定控制方案。首先要確定整個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目的自動(dòng)化水平，然后才能進(jìn)行各個(gè)具體控制系統(tǒng)方案的討論確定。對(duì)于比較大的控制系統(tǒng)工程，更要從實(shí)際情況出發(fā)，反復(fù)多方論證，以避免大的失誤?？刂葡到y(tǒng)的方案設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心，是關(guān)鍵的第一步。要通過(guò)廣泛的調(diào)研和反復(fù)的論證來(lái)確定控制方案，它包括被控變量的選擇與確認(rèn)、操縱變量的選擇與確認(rèn)、檢測(cè)點(diǎn)的初步選擇、繪制出帶控制點(diǎn)的工藝流程圖和編寫(xiě)初步控制方案設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)等內(nèi)容。（2）儀表及裝置的選型。根據(jù)已經(jīng)確定的控制方案進(jìn)行選型，要考慮到供貨方的信譽(yù)，產(chǎn)品的質(zhì)量、價(jià)格、可靠性、精度，供貨方便程度，技術(shù)支持，維護(hù)等因素，并繪制相關(guān)的圖表。（3）相關(guān)工程內(nèi)容的設(shè)計(jì)。相關(guān)工程內(nèi)容的設(shè)計(jì)包括控制室設(shè)計(jì)、供電和供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)、儀表配管和配線(xiàn)設(shè)計(jì)和聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等等，并提供相關(guān)的圖表。3．基本步驟（1）初步設(shè)計(jì)。初步設(shè)計(jì)的主要目的是上報(bào)審批，并為訂貨做準(zhǔn)備。（2）施工圖設(shè)計(jì)。施工圖設(shè)計(jì)是在項(xiàng)目和方案獲批后，為工程施工提供有關(guān)內(nèi)容的詳細(xì)的設(shè)計(jì)資料。（3）設(shè)計(jì)文件和責(zé)任簽字。設(shè)計(jì)文件和責(zé)任簽字包括設(shè)計(jì)、校核、審核、審定、各相關(guān)專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)人員的會(huì)簽等，以嚴(yán)格把關(guān)，明確責(zé)任，保持協(xié)調(diào)。（4）參與施工和試車(chē)。設(shè)計(jì)代表應(yīng)該到現(xiàn)場(chǎng)配合施工，并參加試車(chē)和考核。（5）設(shè)計(jì)回訪(fǎng)。在生產(chǎn)裝置正常運(yùn)行一段時(shí)間后，應(yīng)去現(xiàn)場(chǎng)了解情況，聽(tīng)取意見(jiàn)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。2.2被控變量的選擇

被控變量的選擇是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題，被控變量選擇的正確與否是決定控制系統(tǒng)有無(wú)價(jià)值的關(guān)鍵。對(duì)于任何一個(gè)控制系統(tǒng)，總是希望其能夠在穩(wěn)定生產(chǎn)操作、增加產(chǎn)品產(chǎn)量、提高產(chǎn)品質(zhì)量、保證生產(chǎn)安全及改善勞動(dòng)條件等方面發(fā)揮作用，如果被控變量選擇不當(dāng)，配備再好的自動(dòng)化儀表，使用再?gòu)?fù)雜、先進(jìn)的控制規(guī)律也是無(wú)用的，都不能達(dá)到預(yù)期的控制效果。另一方面，對(duì)于一個(gè)具體的生產(chǎn)過(guò)程，影響其正常操作的因素往往有很多個(gè)，但并非所有的影響因素都要加以自動(dòng)控制。所以，設(shè)計(jì)人員必須深入實(shí)際，調(diào)查研究，分析工藝，從生產(chǎn)過(guò)程對(duì)控制系統(tǒng)的要求出發(fā)，找出影響生產(chǎn)的關(guān)鍵變量作為被控變量。2.2.1被控變量的選擇方法

生產(chǎn)過(guò)程中的控制大體上可以分為三類(lèi)：物料平衡控制和能量平衡控制，產(chǎn)品質(zhì)量或成分控制，限制條件的控制。毫無(wú)疑問(wèn)，被控變量應(yīng)是能表征物料和能量平衡、產(chǎn)品質(zhì)量或成分及限制條件的關(guān)鍵狀態(tài)變量。所謂“關(guān)鍵”變量，是指這樣一些變量：它們對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量或質(zhì)量及安全具有決定性作用，而人工操作又難以滿(mǎn)足要求；或者人工操作雖然可以滿(mǎn)足要求，但是這種操作既緊張又頻繁，勞動(dòng)強(qiáng)度很大。根據(jù)被控變量與生產(chǎn)過(guò)程的關(guān)系，可將其分為兩種類(lèi)型的控制型式：直接參數(shù)控制與間接參數(shù)控制。1．選擇直接參數(shù)作為被控變量能直接反映生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，以及安全運(yùn)行的參數(shù)的稱(chēng)為直接參數(shù)。大多數(shù)情況下，被控變量的選擇往往是顯而易見(jiàn)的。對(duì)于以溫度、壓力、流量、液位為操作指標(biāo)的生產(chǎn)過(guò)程，很明顯被控變量就是溫度、壓力、流量、液位。這是很容易理解的，也無(wú)需多加討論。如前面章節(jié)中所介紹過(guò)的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)和換熱器出口溫度控制系統(tǒng)，其被控量的選擇即屬于這一類(lèi)型。2．選擇間接參數(shù)作為被控變量質(zhì)量指標(biāo)是產(chǎn)品質(zhì)量的直接反映，因此，選擇質(zhì)量指標(biāo)作為被控變量應(yīng)是首先要進(jìn)行考慮的。如果工藝上是按質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行操作的，理應(yīng)以產(chǎn)品質(zhì)量作為被控變量進(jìn)行控制，但是，采用質(zhì)量指標(biāo)作為被控變量，必然要涉及產(chǎn)品成分或物性參數(shù)（如密度、黏度等）的測(cè)量問(wèn)題，這就需要用到成分分析儀表和物性參數(shù)測(cè)量?jī)x表。有關(guān)成分和物性參數(shù)的測(cè)量問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外尚未得到很好地解決，其原因如下所述。（1）缺乏各種合適的檢測(cè)手段。該類(lèi)產(chǎn)品的品種類(lèi)型很不齊全，致使有些成分或物性參數(shù)目前尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)測(cè)量和變送。（2）雖有直接參數(shù)可測(cè)，但信號(hào)微弱或測(cè)量滯后太大。該類(lèi)儀表，特別是成分分析儀表，大多具有較嚴(yán)重的測(cè)量滯后，不能及時(shí)地反映產(chǎn)品質(zhì)量變化的情況。在這種情況下，還不如選用與直接質(zhì)量指標(biāo)具有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系而反應(yīng)又快的另一變量，如溫度、壓力、流量等間接參數(shù)。因此，當(dāng)直接選擇質(zhì)量指標(biāo)作為被控變量比較困難或不可能時(shí)，可以選擇一種間接的指標(biāo)，即間接參數(shù)作為被控變量。但是必須注意，所選用的間接指標(biāo)必須與直接指標(biāo)有單值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且還需具有足夠大的靈敏度，即隨著產(chǎn)品質(zhì)量的變化，間接指標(biāo)必須有足夠大的變化。2.2.2被控變量的選擇原則

在實(shí)踐中，被控變量的選擇以工藝人員為主，以自控人員為輔，因?yàn)閷?duì)控制的要求是從工藝角度提出的。但自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)人員也應(yīng)多了解工藝，多與工藝人員溝通，從自動(dòng)控制的角度提出建議。工藝人員與自控人員之間的相互交流與合作，有助于選擇好控制系統(tǒng)的被控變量。在過(guò)程工業(yè)裝置中，為了實(shí)現(xiàn)預(yù)期的工藝目標(biāo)，往往有許多個(gè)工藝變量或參數(shù)可以被選擇作為被控變量，也只有在這種情況下，被控變量的選擇才是重要的問(wèn)題。從多個(gè)變量中選擇被控變量應(yīng)遵循下列原則：（1）被控變量應(yīng)能代表一定的工藝操作指標(biāo)或能反映工藝操作狀態(tài)，一般都是工藝過(guò)程中比較重要的變量；（2）應(yīng)盡量選擇那些能直接反映生產(chǎn)過(guò)程的產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，以及安全運(yùn)行的直接參數(shù)作為被控變量。當(dāng)無(wú)法獲得直接參數(shù)信號(hào)，或其測(cè)量信號(hào)微弱（或滯后很大）時(shí)，可選擇一個(gè)與直接參數(shù)有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系、且對(duì)直接參數(shù)的變化有足夠靈敏度的間接參數(shù)作為被控變量；（3）選擇被控變量時(shí)，必須考慮工藝合理性和國(guó)內(nèi)外儀表產(chǎn)品的現(xiàn)狀。2.2.3被控變量的選擇實(shí)例

現(xiàn)以精餾塔的部分控制方案中被控變量的選擇為例進(jìn)行分析。1．精餾工藝簡(jiǎn)介精餾過(guò)程是現(xiàn)代化工生產(chǎn)中應(yīng)用極為廣泛的傳質(zhì)過(guò)程，其目的是利用混合液中各組分揮發(fā)度的不同，將各組分進(jìn)行分離并達(dá)到規(guī)定的純度要求。精餾操作設(shè)備主要包括再沸器、冷凝器和精餾塔。再沸器為混合物液相中的輕組分轉(zhuǎn)移提供能量。冷凝器將塔頂來(lái)的上升蒸汽冷凝為液相并提供精餾所需的回流。精餾塔是實(shí)現(xiàn)混合物組分分離的主要設(shè)備，其一般為圓柱形體，內(nèi)部裝有提供汽液分離的塔板，塔身設(shè)有混合物進(jìn)料口和產(chǎn)品出料口。精餾塔是精餾過(guò)程的關(guān)鍵設(shè)備。精餾過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程。在精餾操作中，被控變量多，可以選用的操縱變量也多，它們之間又可以有各種不同的組合，所以，控制方案繁多。由于精餾對(duì)象的通道很多、反應(yīng)緩慢、內(nèi)在機(jī)理復(fù)雜、變量之間相互關(guān)聯(lián)、對(duì)控制要求又較高，因此必須深入分析工藝特性，總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合具體情況，才能設(shè)計(jì)出合理的控制方案。2．精餾工藝要求要對(duì)精餾塔實(shí)施有效的自動(dòng)控制，必須首先了解精餾塔的控制目標(biāo)。精餾塔的控制目標(biāo)一般從質(zhì)量、產(chǎn)品產(chǎn)量和能量消耗三方面考慮。任何精餾塔的操作情況也同時(shí)受約束條件的制約，因此，在考慮精餾塔的控制方案時(shí)一定要把這些因素考慮進(jìn)去。（1）質(zhì)量指標(biāo)。質(zhì)量指標(biāo)（即產(chǎn)品純度）必須符合規(guī)定的要求。一般應(yīng)使塔頂或塔底的產(chǎn)品之一達(dá)到規(guī)定的純度，另一個(gè)產(chǎn)品的純度也應(yīng)該維持在規(guī)定的范圍之內(nèi)；或者塔頂和塔底的產(chǎn)品均應(yīng)保證一定的純度要求。圖2.4

精餾塔的物料流程圖（2）產(chǎn)品產(chǎn)量指標(biāo)?；ぎa(chǎn)品的生產(chǎn)要求在達(dá)到一定質(zhì)量指標(biāo)要求的前提下，應(yīng)得到盡可能高的回收率。顯然這對(duì)于提高經(jīng)濟(jì)效益是有利的。（3）能耗要求和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。精餾過(guò)程中消耗的能量，主要是再沸器的加熱量和冷凝器的冷卻量消耗；此外，精餾塔本身和附屬設(shè)備及管線(xiàn)也要散失部分能量。從總體上看，精餾塔的操作情況，必須從整個(gè)經(jīng)濟(jì)效益來(lái)衡量。在精餾操作中，質(zhì)量指標(biāo)、產(chǎn)品回收率和能量消耗均是要控制的目標(biāo)。其中質(zhì)量指標(biāo)是必要條件，在質(zhì)量指標(biāo)一定的條件下應(yīng)在控制過(guò)程中使產(chǎn)品的產(chǎn)量盡可能提高一些，同時(shí)能量消耗盡可能低一些。如圖2.4所示，為精餾塔的物料流程圖，可簡(jiǎn)單地視其為二元精餾。3．?dāng)_動(dòng)分析在精餾塔的操作過(guò)程中，影響其質(zhì)量指標(biāo)的主要擾動(dòng)有以下幾種：（1）進(jìn)料流量F的波動(dòng)；（2）進(jìn)料成分的變化；（3）進(jìn)料溫度及進(jìn)料熱量的變化；（4）再沸器加熱劑（如蒸汽）加入熱量的變化；（5）冷卻劑在冷凝器內(nèi)除去熱量的變化；（6）環(huán)境溫度的變化。上述擾動(dòng)中，進(jìn)料流量的波動(dòng)和進(jìn)料成分的變化是精餾塔操作的主要擾動(dòng)，而且往往是不可控的。其余擾動(dòng)一般較小，而且往往是可控的，或者可以采用一些控制系統(tǒng)預(yù)先加以克服。4．精餾塔被控變量的選擇精餾塔的主要控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量控制，所以其被控變量的選擇，應(yīng)是表征產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的選擇。精餾塔產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的選擇有兩類(lèi)：直接產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)和間接產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)。在此重點(diǎn)討論間接產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的選擇。（2）精餾塔最常用的間接質(zhì)量指標(biāo)是溫度。溫度之所以可選作間接質(zhì)量指標(biāo)，是因?yàn)閷?duì)于一個(gè)二元組分精餾塔來(lái)說(shuō)，在一定壓力下，沸點(diǎn)和產(chǎn)品成分之間有單值的函數(shù)關(guān)系。因此，如果壓力恒定，塔板溫度就反映了成分。對(duì)于多元精餾塔來(lái)說(shuō)，情況就比較復(fù)雜，然而煉油和石油化工生產(chǎn)中，許多產(chǎn)品由一系列碳?xì)浠衔锏耐滴锝M成，在一定壓力下，保持一定的溫度，成分的誤差就可忽略不計(jì)。由上述分析可見(jiàn)，在保證精餾塔塔內(nèi)壓力穩(wěn)定的前提條件下，用溫度作為反映質(zhì)量指標(biāo)的被控變量，是較為合理且易于實(shí)現(xiàn)的。選擇塔內(nèi)哪一點(diǎn)的溫度作為被控變量，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況加以選擇。一般來(lái)說(shuō)，如果希望保持塔頂產(chǎn)品符合質(zhì)量要求，即主要產(chǎn)品在頂部餾出時(shí)，以塔頂溫度作為控制指標(biāo)，可以得到較好的效果。同樣，為了保證塔底產(chǎn)品符合質(zhì)量要求，以塔底溫度作為控制指標(biāo)較好。為了保證另一產(chǎn)品質(zhì)量在一定的規(guī)格范圍內(nèi)，精餾塔的操作要有一定裕量。例如，如果主要產(chǎn)品在頂部餾出、操縱變量為回流量的話(huà)，再沸器的加熱量要有一定富裕，以使在任何可能的擾動(dòng)條件下，塔底產(chǎn)品的規(guī)格都在一定限度以?xún)?nèi)。如圖2.5所示，為精餾塔的精餾段指標(biāo)的控制方案之一。該控制方案主要采取了以下幾個(gè)控制措施。圖2.5精餾段指標(biāo)的控制方案之一（1）為了保證塔頂餾出物的產(chǎn)品質(zhì)量，選取塔頂溫度這一間接質(zhì)量指標(biāo)作為被控變量，構(gòu)成一個(gè)塔頂溫度定值控制系統(tǒng)。

（2）為克服再沸器加熱劑（如蒸汽）加入熱量的變化，在蒸汽壓力穩(wěn)定的前提下，可通過(guò)控制蒸汽流量將再沸器加熱量維持一定。故選擇蒸汽流量為被控變量，設(shè)置蒸汽流量控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一要求。（3）為保證精餾塔的分離效果和塔內(nèi)操作穩(wěn)定，以塔底液位為被控變量，構(gòu)成了塔底液位控制系統(tǒng)。（4）為使塔頂保持一定的回流量，又以冷凝液回流罐液位為被控變量，構(gòu)成回流罐液位控制系統(tǒng)。2.3過(guò)程特性對(duì)控制質(zhì)量的影響及操縱變量的選擇

確定被控變量之后，還需要選擇一個(gè)合適的操縱變量，以便被控變量在擾動(dòng)作用下發(fā)生變化時(shí)，能夠通過(guò)對(duì)操縱變量的調(diào)整，使得被控變量迅速地返回到原先的設(shè)定值上，從而保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行。在過(guò)程控制系統(tǒng)中，把用來(lái)克服擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響、實(shí)現(xiàn)控制作用的變量稱(chēng)為操縱變量。操縱變量一般選系統(tǒng)中可以調(diào)整的物料量或能量參數(shù)。而石油、化工生產(chǎn)過(guò)程中，遇到的最多的操縱變量則是介質(zhì)的流量。在2.1節(jié)的例子中，圖2.1（a）所示的換熱器溫度控制系統(tǒng)，其操縱變量是加熱蒸汽流量；圖2.1（b）所示的流體輸送泵壓力控制系統(tǒng)，其操縱變量是泵的回流量。

圖（２．１）

在一個(gè)系統(tǒng)中，可作為操縱變量的參數(shù)往往不只一個(gè)，因?yàn)槟苡绊懕豢刈兞康耐獠枯斎胍蛩赝腥舾蓚€(gè)而不是一個(gè)。在這些因素中，有些是可控（可以調(diào)節(jié)）的，有些是不可控的，但并不是任何一個(gè)因素都可選為操縱量而組成可控性良好的控制系統(tǒng)。這就是說(shuō)，操縱變量的選擇，對(duì)控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量有很大的影響。為此，設(shè)計(jì)人員要在熟悉和掌握生產(chǎn)工藝機(jī)理的基礎(chǔ)上，認(rèn)真分析生產(chǎn)過(guò)程中有哪些因素會(huì)影響被控變量發(fā)生變化，在諸多影響被控變量的輸入中選擇一個(gè)對(duì)被控變量影響顯著而且可控性良好的輸入變量作為操縱變量，而其他未被選中的所有輸入量則統(tǒng)視為系統(tǒng)的擾動(dòng)。操縱變量和擾動(dòng)均為被控對(duì)象的輸入變量，因此，可將被控對(duì)象看成是一個(gè)多輸入、單輸出的環(huán)節(jié)，如圖2.6所示。圖2.6多輸入、單輸出對(duì)象示意圖

如果用U來(lái)表示操縱變量，而用F來(lái)表示擾動(dòng)，那么，被控對(duì)象的輸入、輸出之間的關(guān)系就可以用圖2.7所示明確地表示出來(lái)如果將圖中的關(guān)系用數(shù)學(xué)形式表達(dá)出來(lái)，則為

（2-1）式中，

為被控對(duì)象控制通道的傳遞函數(shù)，

、

為擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)。所謂“通道”，就是某個(gè)參數(shù)影響另外一個(gè)參數(shù)的通路。這里所說(shuō)的控制通道，就是控制作用U(s)對(duì)被控變量Y(s)的影響通路；同理，擾動(dòng)通道就是擾動(dòng)作用F(s)對(duì)被控變量Y(s)的影響通路。一般來(lái)說(shuō)，控制系統(tǒng)分析中更加注重信號(hào)之間的聯(lián)系，因此，通常所說(shuō)的“通道”是指信號(hào)之間的聯(lián)系。擾動(dòng)通道就是擾動(dòng)作用與被控變量之間的信號(hào)聯(lián)系，控制通道則是控制作用與被控變量之間的信號(hào)聯(lián)系。

圖2.7對(duì)象輸入、輸出關(guān)系圖所謂“通道”，就是某個(gè)參數(shù)影響另外一個(gè)參數(shù)的通路。這里所說(shuō)的控制通道，就是控制作用U(s)對(duì)被控變量Y(s)的影響通路；同理，擾動(dòng)通道就是擾動(dòng)作用F(s)對(duì)被控變量Y(s)的影響通路。一般來(lái)說(shuō)，控制系統(tǒng)分析中更加注重信號(hào)之間的聯(lián)系，因此，通常所說(shuō)的“通道”是指信號(hào)之間的聯(lián)系。擾動(dòng)通道就是擾動(dòng)作用與被控變量之間的信號(hào)聯(lián)系，控制通道則是控制作用與被控變量之間的信號(hào)聯(lián)系。從式（2-1）可以看出，擾動(dòng)作用與控制作用同時(shí)影響被控變量。不過(guò)，在控制系統(tǒng)中通過(guò)控制器正、反作用方式的選擇，使控制作用對(duì)被控變量的影響正好與擾動(dòng)作用對(duì)被控變量的影響方向相反，這樣，當(dāng)擾動(dòng)作用使被控變量發(fā)生變化而偏離設(shè)定值時(shí)，控制作用就可以抑制擾動(dòng)的影響，把已經(jīng)變化的被控變量重新拉回到設(shè)定值上來(lái)。因此，在一個(gè)控制系統(tǒng)中，擾動(dòng)作用與控制作用是相互對(duì)立而依存的，有擾動(dòng)就有控制，沒(méi)有擾動(dòng)也就無(wú)需控制?？刂谱饔媚芊裼行У乜朔_動(dòng)對(duì)被控變量的影響，關(guān)鍵在于選擇一個(gè)可控性良好的操縱變量，這就要研究被控對(duì)象（以下簡(jiǎn)稱(chēng)過(guò)程）的特性，研究系統(tǒng)中存在的各種輸入量及它們對(duì)被控變量的影響情況，從中總結(jié)出選擇操縱變量的一些原則。下面以工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最為多見(jiàn)的自衡非振蕩過(guò)程為例進(jìn)行分析。描述自衡非振蕩過(guò)程的特性參數(shù)有放大系數(shù)K、時(shí)間常數(shù)T和時(shí)滯時(shí)間t。2.3.1擾動(dòng)通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響

我們從K、T、

三個(gè)方面來(lái)進(jìn)行分析。1．放大系數(shù)

的影響在操縱變量q(t)不變的情況下，過(guò)程受到幅度為的階躍擾動(dòng)作用，過(guò)程從原有穩(wěn)定狀態(tài)達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)被控變量的變化量（或被控變量的測(cè)量值）與擾動(dòng)幅度之比，稱(chēng)為擾動(dòng)通道的放大系數(shù)

，即假定所研究的系統(tǒng)方框圖如圖2.8所示。（2-2）圖2.8單回路系統(tǒng)方框圖由圖2.8可直接求出在擾動(dòng)作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)，為由式（2-3）可得（2-3）（2-4）令并假定f(t)為單位階躍擾動(dòng)，則。將各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)代入式（2--4），并運(yùn)用終值定理可得（2-5）BACK式中，為控制器的放大倍數(shù)（比例增益）與廣義對(duì)象放大系數(shù)的乘積，稱(chēng)之為該系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)。對(duì)于定值控制系統(tǒng)，y(∞)即系統(tǒng)的余差。由式（2-5）可以看出，過(guò)程擾動(dòng)通道的放大系數(shù)

越大，系統(tǒng)的余差也越大，即控制質(zhì)量越差。

的大小對(duì)控制過(guò)程所產(chǎn)生的影響比較容易理解。設(shè)想如果沒(méi)有控制作用，過(guò)程在受到擾動(dòng)作用后，被控變量的最大偏差值就是。因此在相同的作用下，越大，被控變量偏離設(shè)定值的程度也越大；在組成控制系統(tǒng)后，情況仍然如此，

大時(shí)，定值控制系統(tǒng)的最大偏差亦大。前面曾經(jīng)提到，一個(gè)控制系統(tǒng)存在著多種擾動(dòng)。從靜態(tài)角度看，應(yīng)該著重注意的是出現(xiàn)次數(shù)頻繁且

乘積較大的擾動(dòng)，這是分析主要擾動(dòng)的一大依據(jù)。如果

較小，即使擾動(dòng)量很大，對(duì)被控變量仍然不會(huì)產(chǎn)生很大的影響；反之，倘若

很大，擾動(dòng)很小，效應(yīng)也不強(qiáng)烈。因此，在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)該著重考慮

較大的嚴(yán)重?cái)_動(dòng)，必要時(shí)應(yīng)設(shè)法消除這種擾動(dòng)，以保證控制系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的控制指標(biāo)。以圖2.9（a）所示的直接蒸汽加熱器為例，冷物料從加熱器底部流入，經(jīng)蒸汽直接加熱至一定溫度后，由加熱器上部流出送至下道工序。這里，熱物料的出口溫度即為被控變量y(t)（或被控變量的測(cè)量值z(mì)(t)），加熱蒸汽的流量即為操縱變量q(t)，而冷物料的入口溫度或冷物料流量的變化量及加熱蒸汽壓力的波動(dòng)等因素即為擾動(dòng)f(t)。加熱蒸汽壓力的波動(dòng)對(duì)被控變量的影響極為嚴(yán)重，這時(shí)若在蒸汽管道上設(shè)置蒸汽壓力控制系統(tǒng)，或者引入按擾動(dòng)進(jìn)行控制的前饋?zhàn)饔茫ㄒ?jiàn)第4章），就將使這一擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響減小到很不明顯的程度。其階躍響應(yīng)曲線(xiàn)如圖2.9（b）所示。圖2.9直接蒸汽加熱器及其階躍響應(yīng)曲線(xiàn)由上述分析可知，過(guò)程擾動(dòng)通道的放大系數(shù)Kf越小越好。Kf小，表示擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響較小，過(guò)渡過(guò)程的超調(diào)量也較小。故確定控制系統(tǒng)時(shí)，也要考慮擾動(dòng)通道的靜態(tài)特性。2．時(shí)間常數(shù)Tf的影響擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)一般為式中，為擾動(dòng)通道的時(shí)間常數(shù)，m為過(guò)程的階數(shù)。從動(dòng)態(tài)特性看，在放大系數(shù)相同的情況下，擾動(dòng)通道的時(shí)間常數(shù)Tf越大，或過(guò)程擾動(dòng)通道的階數(shù)越多（即m越大），則擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響越緩慢，即過(guò)程對(duì)擾動(dòng)作用的抑制能力就越強(qiáng)，擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響也就越小，這是有利于控制的。如圖2.10所示，為單位階躍擾動(dòng)作用于不同擾動(dòng)通道特性時(shí)，過(guò)程擾動(dòng)通道的輸出和系統(tǒng)輸出的響應(yīng)曲線(xiàn)。圖中，曲線(xiàn)1、2、3分別表示時(shí)間常數(shù)較小的一階過(guò)程、時(shí)間常數(shù)較大的一階過(guò)程、二階（多容）過(guò)程的階躍響應(yīng)和相應(yīng)控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)。（2-6）（a）擾動(dòng)通道輸出響應(yīng)曲線(xiàn)（b）系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線(xiàn)圖2.10單位階躍擾動(dòng)下的響應(yīng)曲線(xiàn)由圖2.10也可以看出，擾動(dòng)通道的時(shí)間常數(shù)越大，階次越高，則擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)偏差越小。這一點(diǎn)對(duì)于系統(tǒng)控制品質(zhì)的提高是有利的。有了上面的基礎(chǔ)，分析擾動(dòng)從不同位置進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)對(duì)被控變量的影響就不難了。如圖2.11所示，擾動(dòng)F1、F2及F3從不同位置進(jìn)入系統(tǒng)，如果擾動(dòng)的幅值和形式都是相同的，顯然，它們對(duì)被控變量的影響程度依次為F1最大，F(xiàn)2次之，而F3為最小。這只要畫(huà)出圖2.11的等效方框圖（如圖2.12所示），并運(yùn)用上述分析的結(jié)果，就很容易理解了。圖2.11擾動(dòng)進(jìn)入位置圖圖2.12圖2.11的等效方框圖

由圖2.12可以看出，F(xiàn)3對(duì)y(t)的影響依次要經(jīng)過(guò)Gp3(s)、Gp2(s)、Gp1(s)三個(gè)環(huán)節(jié)，如果每一個(gè)環(huán)節(jié)都是一階慣性的，則對(duì)擾動(dòng)信號(hào)F3進(jìn)行了三次濾波，它對(duì)被控變量的影響會(huì)削弱得較多，對(duì)被控變量的實(shí)際影響就會(huì)較小。而F1只經(jīng)過(guò)一個(gè)環(huán)節(jié)Gp1(s)就影響到y(tǒng)(t)，它的影響被削弱得較少，因此它對(duì)被控變量的影響最大。由上分析可得出如下結(jié)論：擾動(dòng)通道的時(shí)間常數(shù)越大，階數(shù)越多，或者說(shuō)擾動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)的位置越遠(yuǎn)離被控變量而靠近控制閥，擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響就越小，系統(tǒng)的質(zhì)量就越高。這種過(guò)程比較容易控制。3．純滯后tf的影響在上面分析擾動(dòng)通道的時(shí)間常數(shù)對(duì)被控變量的影響時(shí)，沒(méi)有考慮到擾動(dòng)通道具有純滯后的問(wèn)題。設(shè)無(wú)純滯后擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)為如果考慮擾動(dòng)通道有純滯后，則其傳遞函數(shù)可寫(xiě)成（2-7）（2-8）這里，為擾動(dòng)通道傳遞函數(shù)中不包含純滯后的那一部分。根據(jù)前面的分析，對(duì)于無(wú)純滯后的情況：（2-9）對(duì)式（2-9）進(jìn)行反拉氏變換，即可求得在擾動(dòng)作用下的過(guò)渡過(guò)程y(t)。對(duì)于有純滯后的情況：

（2-10）對(duì)式（2-10）進(jìn)行反拉氏變換，也可求得在擾動(dòng)作用下的過(guò)渡過(guò)程。、y(t)之間的關(guān)系為

（2-11）式（2-11）表明，與y(t)是兩條完全相同的變化曲線(xiàn)。這就是說(shuō)，擾動(dòng)通道有、無(wú)純滯后對(duì)系統(tǒng)的控制質(zhì)量沒(méi)有影響，所不同的只是兩者在影響時(shí)間上相差一個(gè)純滯后時(shí)間

，即當(dāng)擾動(dòng)通道存在純滯后時(shí)，擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響要向后推延一段純滯后時(shí)間

，因而控制作用也推遲了時(shí)間，使整個(gè)過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn)在時(shí)間軸上右移了一個(gè)

的距離。從物理概念上看，的存在等于使擾動(dòng)隔了的時(shí)間再進(jìn)入系統(tǒng)，而擾動(dòng)在什么時(shí)間出現(xiàn)，本來(lái)就是無(wú)法預(yù)知的，因此，對(duì)于反饋控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，并不影響其控制品質(zhì)。例如，第1章中圖1.19（a）列舉的儲(chǔ)槽液位過(guò)程，當(dāng)進(jìn)料閥開(kāi)度變化而引起進(jìn)料流量變化后，并不立刻影響被控變量，液體需要經(jīng)過(guò)一段傳輸時(shí)間后才能流入儲(chǔ)槽，使液位（被控變量）發(fā)生變化并被檢測(cè)出來(lái)。如果擾動(dòng)通道存在容量滯后，則將使階躍擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響趨于緩和，因而對(duì)系統(tǒng)是有利的。單位階躍擾動(dòng)作用下的響應(yīng)曲線(xiàn)如圖2.13所示。（a）擾動(dòng)通道的單位階躍響應(yīng)（b）系統(tǒng)輸出響應(yīng)1－擾動(dòng)通道無(wú)純滯后時(shí)的響應(yīng)曲線(xiàn)2－擾動(dòng)通道有純滯后時(shí)的響應(yīng)曲線(xiàn)圖2.13擾動(dòng)通道有、無(wú)純滯后時(shí)的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)2.3.2控制通道特性對(duì)控制質(zhì)量的影響

這里也從K、T、t三個(gè)方面進(jìn)行分析。1．放大系數(shù)K0的影響設(shè)過(guò)程處于原有穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，被控變量為y(0)（或z(0)），操縱變量為q(0)。當(dāng)操縱變量（如圖2.9（a）所示直接蒸汽加熱器中的蒸汽流量）作幅度為的階躍變化時(shí)，必將導(dǎo)致被控變量的變化（如圖2.9（b）所示），且有（其中為被控變量的變化量），則過(guò)程控制通道的放大系數(shù)K0即為被控變量的變化量與操縱變量的變化量在時(shí)間趨于無(wú)窮大時(shí)之比，即（2-12）式中，為過(guò)程結(jié)束時(shí)被控變量的變化量。式（2-12）表明，過(guò)程控制通道的放大系數(shù)K0反映了過(guò)程以初始工作點(diǎn)（即過(guò)程原有的穩(wěn)定狀態(tài)，該點(diǎn)取決于過(guò)程的負(fù)荷及操縱變量的大小）為基準(zhǔn)的、被控變量與操縱變量在過(guò)程結(jié)束時(shí)的變化量之間的關(guān)系。放大系數(shù)K0對(duì)控制質(zhì)量的影響要從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩個(gè)方面進(jìn)行分析。從靜態(tài)方面分析，由式（2-5）可以看出，控制系統(tǒng)的余差與擾動(dòng)通道放大系數(shù)Kf成正比，與控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)KCK0成反比。因此當(dāng)Kf、KC不變時(shí)，過(guò)程控制通道的放大系數(shù)K0越大，系統(tǒng)的余差越小。K0的變化不但會(huì)影響控制系統(tǒng)的靜態(tài)控制質(zhì)量，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制質(zhì)量也會(huì)產(chǎn)生影響。從控制角度看，K0越大，則表示操縱變量對(duì)被控變量的影響越顯著，使控制作用更為有效。因此，在選擇操縱變量時(shí)應(yīng)盡可能提高控制通道的放大系數(shù)K0。此外，對(duì)一個(gè)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在一定的穩(wěn)定程度（即一定的衰減比）情況下，系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)是一個(gè)常數(shù)。而系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)即是控制器的比例增益KC與廣義對(duì)象控制通道放大系數(shù)K0的乘積。這就是說(shuō)，在系統(tǒng)衰減比一定的情況下，KC與K0之間存在著相互匹配的關(guān)系，當(dāng)系統(tǒng)中對(duì)象放大系數(shù)K0增大時(shí)，控制器放大倍數(shù)KC必須減小，KC小則比例度大，比較容易調(diào)整；而K0減小時(shí)，KC必須增大，否則系統(tǒng)克服偏差的能力太弱，消除偏差的進(jìn)程太慢。而小則不易調(diào)整，因?yàn)楫?dāng)d小于3%時(shí)，控制器相當(dāng)于一個(gè)位式控制器，已失去作為連續(xù)控制器的作用。因此，從控制的有效性及控制器參數(shù)的易調(diào)整性來(lái)考慮，則希望控制通道的放大系數(shù)K0越大越好。但是，若K0過(guò)大，會(huì)使操縱變量對(duì)被控變量的影響過(guò)于靈敏，使控制系統(tǒng)不穩(wěn)定，這也是要引起注意的。綜上所述，過(guò)程控制通道的放大系數(shù)K0越大，則余差和最大偏差越小，控制作用增強(qiáng)，克服擾動(dòng)的能力也越強(qiáng)，但穩(wěn)定性變差。2．時(shí)間常數(shù)T0的影響由式（2-3）可得出單回路系統(tǒng)的特征方程為1＋GC(s)G0(s)＝0（2-13）式（２－３）為了便于分析起見(jiàn)，令GC(s)＝KC，

將GC(s)、G0(s)代入式（2-13）得

（2-14）標(biāo)準(zhǔn)二階系統(tǒng)的特征方程為

（2-15）將式（2-14）化為標(biāo)準(zhǔn)二階系統(tǒng)形式，得

（2-16）于是可得（2-17）由式（2-17）可求得，，（2-18）這里，w0為系統(tǒng)的自然振蕩頻率。系統(tǒng)的工作頻率w與其自然振蕩頻率w0有如下關(guān)系：（2-19）由式（2-19）可以看出，在x不變的情況下，w0與w成正比，即（2-20）由式（2-20）可知，不論T01、T02哪一個(gè)增大，都將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的工作頻率降低。而系統(tǒng)的工作頻率越低，則控制速度越慢。這就是說(shuō)，控制通道的時(shí)間常數(shù)T0越大，系統(tǒng)的工作頻率越低，控制速度越慢。這樣就不能及時(shí)地克服擾動(dòng)的影響，因而，系統(tǒng)的質(zhì)量會(huì)越差。上面僅對(duì)具有兩個(gè)時(shí)間常數(shù)的對(duì)象進(jìn)行了分析。當(dāng)控制通道的時(shí)間常數(shù)增多時(shí)（即容量數(shù)增多），將會(huì)得到與之相類(lèi)似的結(jié)果。這里就不再證明了。綜上所述，系統(tǒng)控制通道的時(shí)間常數(shù)越大，經(jīng)過(guò)的慣性環(huán)節(jié)越多（階數(shù)越高），系統(tǒng)的工作頻率將越低，控制越不及時(shí)，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間也越長(zhǎng)，系統(tǒng)的質(zhì)量越低。隨著控制通道時(shí)間常數(shù)的減小，系統(tǒng)的工作頻率會(huì)提高，控制就較為及時(shí)，過(guò)渡過(guò)程也會(huì)縮短，控制質(zhì)量將獲得提高。然而也不是控制通道的時(shí)間常數(shù)越小越好。因?yàn)闀r(shí)間常數(shù)太小，系統(tǒng)工作過(guò)于頻繁，系統(tǒng)將變得過(guò)于靈敏，反而會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，系統(tǒng)質(zhì)量變差。大多數(shù)流量控制系統(tǒng)的流量記錄曲線(xiàn)波動(dòng)得都比較厲害，就是由于流量系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)比較小的原因所致。過(guò)程控制通道的時(shí)間常數(shù)太大或太小，在控制上都將存在一定的困難，因此需根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)考慮。

3．純滯后t0的影響圖2.14純滯后影響示意圖控制通道純滯后對(duì)控制質(zhì)量的影響如圖2.14所示。圖中曲線(xiàn)C表示沒(méi)有控制作用時(shí)被控變量在擾動(dòng)作用下的變化曲線(xiàn)；A和B分別表示無(wú)純滯后和有純滯后時(shí)操縱變量對(duì)被控變量的校正作用；D和E分別表示，在無(wú)純滯后和有純滯后情況下被控變量在擾動(dòng)作用與校正作用同時(shí)作用時(shí)的變化曲線(xiàn)。如果y0為變送器的靈敏度，那么，當(dāng)過(guò)程控制通道沒(méi)有純滯后時(shí)，控制器在t1時(shí)刻接收到正偏差信號(hào)而產(chǎn)生校正作用A，使被控變量從t1以后沿曲線(xiàn)D變化；當(dāng)過(guò)程控制通道有純滯后時(shí)，控制器雖在t1時(shí)刻后發(fā)出了校正作用，但由于純滯后的存在，使之對(duì)被控變量的影響推遲了時(shí)間，即對(duì)被控變量的實(shí)際校正作用是沿曲線(xiàn)B變化的。因此被控變量在擾動(dòng)和校正的雙重作用下沿曲線(xiàn)E變化。而在t1＋時(shí)刻以前，系統(tǒng)由于得不到及時(shí)的控制，被控變量只能任由擾動(dòng)作用影響而不斷地繼續(xù)上升（或下降）。比較D、E曲線(xiàn)，可見(jiàn)純滯后的存在將使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)偏差增大，過(guò)渡過(guò)程的振蕩加劇，以致回復(fù)時(shí)間變長(zhǎng)，穩(wěn)定性變差。圖2.14純滯后影響示意圖

的產(chǎn)生有兩方面的原因，一是來(lái)自于測(cè)量變送方面，二是被控對(duì)象本身存在純滯后。不論是由于哪一方面的原因造成的純滯后，的存在總是不利于控制的。測(cè)量方面存在純滯后，將使控制器無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)被控變量的變化情況；被控對(duì)象存在純滯后，會(huì)使控制作用不能及時(shí)產(chǎn)生效應(yīng)。由上面的分析可以看出，控制通道純滯后的存在不僅使系統(tǒng)控制不及時(shí)，使動(dòng)態(tài)偏差增大，而且還會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。因此，控制通道存在純滯后是系統(tǒng)的大敵，會(huì)嚴(yán)重地降低控制質(zhì)量。對(duì)于控制通道來(lái)說(shuō)，取與過(guò)程時(shí)間常數(shù)T0的相對(duì)值作為衡量純滯后影響的尺度更為合適。是一個(gè)無(wú)量綱的值，反映了純滯后的相對(duì)影響。一般認(rèn)為，≤0.3的過(guò)程較易控制，可用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)進(jìn)行控制；當(dāng)＞0.3時(shí)，應(yīng)采用其他控制方案對(duì)該類(lèi)過(guò)程進(jìn)行控制。在設(shè)計(jì)和確定控制方案時(shí)，設(shè)法減小純滯后時(shí)間是必要的。例如，合理選擇被控變量檢測(cè)點(diǎn)的位置、縮短信號(hào)傳輸距離、提高信號(hào)傳輸速率等都屬于常用方法。2.3.3操縱變量的選擇

實(shí)際上，被控變量與操縱變量是放在一起綜合考慮的。操縱變量應(yīng)具有可控性、工藝操作的合理性、生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。綜合以上的分析結(jié)果，可以總結(jié)出操縱變量的選取應(yīng)遵循下列原則：（1）所選的操縱變量必須是可控的（即工藝上允許調(diào)節(jié)的變量），而且在控制過(guò)程中該變量變化的極限范圍也是生產(chǎn)允許的；（2）操縱變量應(yīng)該是系統(tǒng)中被控過(guò)程的所有輸入變量中對(duì)被控變量影響最大的一個(gè)，控制通道的放大系數(shù)K0要適當(dāng)大一些，時(shí)間常數(shù)T0適當(dāng)小些，純滯后時(shí)間t0應(yīng)盡量?。凰x的操縱變量應(yīng)盡量使擾動(dòng)作用點(diǎn)遠(yuǎn)離被控變量而靠近控制閥。為使其他擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響減小，應(yīng)使擾動(dòng)通道的放大系數(shù)盡可能小，時(shí)間常數(shù)盡可能大；（3）在選擇操縱變量時(shí)，除了從自動(dòng)化角度考慮外，還需考慮到工藝的合理性與生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。一般來(lái)說(shuō)，不宜選擇生產(chǎn)負(fù)荷作為操縱變量，以免產(chǎn)量受到波動(dòng)。例如，對(duì)于換熱器，通常選擇載熱體（蒸汽）流量作為操縱變量。如果不控制載熱體（蒸汽）流量，而是控制冷流體的流量，理論上也可以使出口溫度穩(wěn)定。但冷流體流量是生產(chǎn)負(fù)荷指標(biāo)，一般不宜進(jìn)行控制。另外，從經(jīng)濟(jì)性考慮，應(yīng)盡可能地降低物料與能量的消耗。2.4執(zhí)行器（氣動(dòng)薄膜控制閥）的選擇

在過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，控制閥的選擇是一項(xiàng)十分重要的工作。如果選型或使用不當(dāng)，往往會(huì)使控制系統(tǒng)運(yùn)行不良。2.4.1控制閥概述執(zhí)行器在控制系統(tǒng)中起著極為重要的作用?？刂葡到y(tǒng)的控制性能指標(biāo)與執(zhí)行器的性能和正確選用有著十分密切的關(guān)系。執(zhí)行器接受控制器輸出的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)操縱變量的改變，從而使被控變量向設(shè)定值靠攏。執(zhí)行器位于控制回路的最終端，因此，又稱(chēng)為最終元件。如將檢測(cè)元件和變送器比做耳目，則執(zhí)行器猶如人的手足。最常用的執(zhí)行器是控制閥，也稱(chēng)調(diào)節(jié)閥?？刂崎y安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，直接與工藝介質(zhì)接觸，通常在高溫、高壓、高黏度、強(qiáng)腐蝕、易滲透、易結(jié)晶、易燃易爆、劇毒等場(chǎng)合下工作。如果選擇不當(dāng)或者維修不妥，就會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。經(jīng)驗(yàn)表明，控制系統(tǒng)中每一個(gè)環(huán)節(jié)的好壞，都會(huì)對(duì)系統(tǒng)質(zhì)量有直接的影響，但使控制系統(tǒng)不能正常運(yùn)行的原因，多數(shù)發(fā)生在控制閥上，所以對(duì)控制閥這個(gè)環(huán)節(jié)必須高度重視?？刂崎y接受控制器輸出的控制信號(hào)，通過(guò)改變閥的開(kāi)度來(lái)達(dá)到控制流量（操縱變量）的目的?？刂崎y由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是指根據(jù)控制器的控制信號(hào)產(chǎn)生推力或位移的裝置，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出信號(hào)去改變能量或物料輸送量的裝置。按作用的能源形式不同，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為電動(dòng)、氣動(dòng)和液動(dòng)三大類(lèi)，而調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)則是相同的?？刂崎y按其能源形式可分為氣動(dòng)、電動(dòng)和液動(dòng)三大類(lèi)。液動(dòng)控制閥推力最大，但較笨重，現(xiàn)已很少使用。電動(dòng)控制閥的能源取用方便，信號(hào)傳遞迅速，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、防爆性能差。氣動(dòng)控制閥采用壓縮空氣作為能源，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠、平穩(wěn)、輸出推力較大、維修方便、防火防爆，而且價(jià)格較低，因此廣泛地應(yīng)用于化工、造紙、煉油等生產(chǎn)過(guò)程中。氣動(dòng)控制閥可以方便地與電動(dòng)儀表配套使用。即使是采用電動(dòng)儀表或計(jì)算機(jī)控制時(shí)，只要經(jīng)過(guò)電-氣轉(zhuǎn)換器或電-氣閥門(mén)定位器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為20～100kPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào)，仍然可以采用氣動(dòng)控制閥。氣動(dòng)控制閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是統(tǒng)一的整體，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有薄膜式和活塞式兩種。氣動(dòng)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推力較大，主要適用于大口徑、高壓降控制閥或蝶閥的推動(dòng)裝置；氣動(dòng)薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)最為常用，它可以用做一般控制閥的推動(dòng)裝置，組成氣動(dòng)薄膜控制閥。在此僅以氣動(dòng)薄膜控制閥為例介紹其工作原理及選擇方法。1．氣動(dòng)薄膜控制閥的工作原理氣動(dòng)薄膜控制閥的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.15所示。氣動(dòng)薄膜控制閥由氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（控制閥體）兩部分組成。（1）氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)。氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)是控制閥的推動(dòng)裝置，由膜片、推桿、彈簧等部件組成。它接受氣動(dòng)控制器輸出的（或電動(dòng)控制器經(jīng)電-氣轉(zhuǎn)換器后輸出的）20～100kPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào)，在膜片上轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的推力，使推桿產(chǎn)生位移，從而帶動(dòng)閥芯動(dòng)作。l一上蓋；2一薄膜；3一托板；4一閥桿；5一閥座；6一閥體；7一閥芯；8一推桿；9一平衡彈簧；10一下蓋圖2.15氣動(dòng)薄膜控制閥的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用原理是：信號(hào)壓力通過(guò)波紋膜片的上方（正作用式）或下方（反作用式）進(jìn)入薄膜氣室后，在有效面積為的波紋膜片上產(chǎn)生一個(gè)作用力，使推桿移動(dòng)并壓縮（或拉伸）彈簧，直至彈簧的反作用力與薄膜上的推力相平衡，推桿穩(wěn)定在一個(gè)新的位置為止。信號(hào)壓力越大，作用在波紋膜片上的作用力越大，彈簧的反作用力也越大，即推桿的位移量也越大。平衡狀態(tài)下推桿位移與輸入信號(hào)壓力的關(guān)系為

（2-21）即（2-22）式中，P——通入氣室的信號(hào)壓力；——波紋膜片的有效面積；

K——彈簧的剛度；

l——執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推桿位移。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的規(guī)格確定以后，和K便為常數(shù)，因此推桿輸出位移（又稱(chēng)行程）與輸入的氣壓信號(hào)成正比。

推桿的位移范圍就是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程。氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程規(guī)格有10、16、25、40、60、100mm等。信號(hào)壓力從20kPa增加到100kPa，推桿則從零走到全行程，閥門(mén)就從全開(kāi)（或全關(guān)）到全關(guān)（或全開(kāi)）。圖2.16執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正、反作用及特性氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)有正作用和反作用兩種形式。如圖2.16（a）所示，信號(hào)壓力增加時(shí)，推桿向下移動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)稱(chēng)為正作用式；如圖2.16（b）所示，信號(hào)壓力增加時(shí)，推桿向上移動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)稱(chēng)為反作用式。正作用式氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)壓力P通過(guò)波紋膜片的上方進(jìn)入氣室；反作用式氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)壓力P通過(guò)波紋膜片的下方進(jìn)入氣室。國(guó)產(chǎn)正作用式執(zhí)行機(jī)構(gòu)稱(chēng)為ZMA型，反作用式執(zhí)行機(jī)構(gòu)稱(chēng)為ZMB型。較大口徑的控制閥都是采用正作用式的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。圖2.16執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正、反作用及特性

正、反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上基本相同，在正作用式結(jié)構(gòu)上加上墊塊等并更換個(gè)別零件，即可變?yōu)榉醋饔檬?。?）調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)即控制閥體。它安裝在生產(chǎn)管道上，直接與被控介質(zhì)接觸，使用條件比較惡劣。從流體力學(xué)的觀點(diǎn)看，控制閥體實(shí)際上是一個(gè)局部阻力可以改變的節(jié)流元件。通過(guò)閥桿，其上部與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連，下部與閥芯相連。由于閥芯在閥體內(nèi)移動(dòng)，改變了閥芯與閥座之間的流通面積，即改變了閥的阻力系數(shù)，被控介質(zhì)的流量也就相應(yīng)地改變，從而達(dá)到控制工藝參數(shù)的目的?？刂崎y的閥芯與閥桿之間用銷(xiāo)釘連接，這種連接形式使閥芯根據(jù)需要可以正裝（正作用），也可以反裝（反作用），如圖2-17所示。正裝閥在閥桿下移時(shí)流量減小，反裝閥在閥桿下移時(shí)流量增大。將正作用和反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)與正裝閥和反裝閥結(jié)合在一起，可以組成氣開(kāi)和氣關(guān)兩類(lèi)控制閥。圖2.17控制閥的正、反作用

氣動(dòng)薄膜控制閥的特性，一般可用一階慣性環(huán)節(jié)的形式來(lái)表示，即（2-23）式中，放大系數(shù)KV是閥的靜態(tài)特性參數(shù)，時(shí)間常數(shù)TV是閥的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。為了克服負(fù)荷變化對(duì)控制質(zhì)量的影響，應(yīng)認(rèn)真研究控制閥的特性。2.4.2控制閥的結(jié)構(gòu)形式及選擇

1．控制閥的結(jié)構(gòu)形式圖2.18直通單座控制閥根據(jù)不同的使用要求，控制閥的結(jié)構(gòu)形式很多，如下所述。（1）直通單座控制閥。直通單座控制閥（簡(jiǎn)稱(chēng)單座閥）的閥體內(nèi)只有一個(gè)閥芯和閥座，如圖2.18所示。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，泄漏量小，易于保證關(guān)閉甚至完全切斷。但是在壓差較大的時(shí)候，流體對(duì)閥芯上下作用的推力不平衡，這種不平衡推力會(huì)影響閥芯的移動(dòng)。因此直通單座控制閥一般應(yīng)用在小口徑、低壓差的場(chǎng)合。圖2.18直通單座控制閥（2）直通雙座控制閥。直通雙座控制閥的閥體內(nèi)有兩個(gè)閥芯和閥座，如圖2.19所示。這是最常用的一種類(lèi)型，與同口徑的單座閥相比，其流量系數(shù)增大20%左右。由于流體流過(guò)的時(shí)候，作用在上、下兩個(gè)閥芯上的推力方向相反而大小近于相等，可以相互抵消，所以不平衡力小。但是由于加工的限制，上、下兩個(gè)閥芯和閥座不易保證同時(shí)密閉，因此泄漏量較大。直通雙座控制閥適用于閥兩端壓差較大、對(duì)泄漏量要求不高的場(chǎng)合，但由于流路復(fù)雜而不適用于高黏度和帶有固體顆粒的液體。圖2.19直通雙座控制閥（3）角型控制閥。角型控制閥的兩個(gè)接管呈直角形，其他結(jié)構(gòu)與單座閥相類(lèi)似，如圖2.20所示。角型閥的流向一般為底進(jìn)側(cè)出，此時(shí)其穩(wěn)定性較好；在高壓差場(chǎng)合，為了延長(zhǎng)閥芯使用壽命而改用側(cè)進(jìn)底出的流向，但容易發(fā)生振蕩。角型控制閥流路簡(jiǎn)單，阻力較小，不易堵塞，適用于高壓差、高黏度、含有懸浮物和顆粒物質(zhì)流體的控制。圖2.20角型控制閥（4）隔膜控制閥。隔膜控制閥采用耐腐蝕襯里的閥體和耐腐蝕隔膜代替閥芯閥座組件，由隔膜位移起控制作用，如圖2.21所示。隔膜控制閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，流路阻力小，流量系數(shù)較同口徑的其他閥大。由于介質(zhì)用隔膜與外界隔離，故無(wú)填料，介質(zhì)也不會(huì)泄漏，所以隔膜控制閥無(wú)泄漏量。隔膜控制閥耐腐蝕性強(qiáng)，適用于強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的控制，也適用于高黏度及懸浮顆粒狀介質(zhì)的控制。但由于受隔膜和襯里材料性質(zhì)的限制，這種閥耐壓、耐溫較低，一般只能在壓力低于1MPa、溫度低于150℃的情況下使用。圖2.21隔膜控制閥

（5）三通控制閥。三通控制閥共有三個(gè)出入口與工藝管道相連接。其流通方式有合流型和分流型兩種，前者是將兩種介質(zhì)混合成一路，后者是將一種介質(zhì)分為兩路，分別如圖2.22（a）、（b）所示。三通控制閥可以用來(lái)代替兩個(gè)直通閥，適用于配比控制與旁路控制。與直通閥相比，組成同樣的系統(tǒng)時(shí)，三通控制閥可節(jié)省一個(gè)二通閥和一個(gè)三通接管。

圖2.22三通控制閥三通控制閥最常用于換熱器的旁路控制、工藝要求載熱體的總量不能改變的情況，如圖2.23所示。一般用分流型或合流型都可以，只是安裝位置不同而已，分流型在進(jìn)口，合流型在出口。此外，在采用合流型時(shí)，如果兩路流體的溫度相差過(guò)大，會(huì)造成較大的熱應(yīng)力，因此溫差通常不能超過(guò)150℃。圖2.23三通控制閥的應(yīng)用（6）蝶閥。蝶閥又名翻板閥，如圖2.24所示。蝶閥具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、價(jià)格便宜、流阻極小的優(yōu)點(diǎn)，但泄漏量大，適用于大口徑、大流量、低壓差的場(chǎng)合，也可以用于含少量纖維或懸浮顆粒狀介質(zhì)的控制。（7）球閥。球閥的閥芯與閥體都呈球形體，轉(zhuǎn)動(dòng)閥芯使之處于不同的相對(duì)位置時(shí)，就具有不同的流通面積，以達(dá)到流量控制的目的，如圖2.25所示。

圖2.24蝶閥

圖2.25球閥球閥閥芯有“V”形和“O”形兩種開(kāi)口形式，分別如圖2.26（a）、（b）所示。O形球閥的節(jié)流元件是帶圓孔的球形體，轉(zhuǎn)動(dòng)球形體可起控制和切斷的作用，常用于雙位式控制。V形球閥的節(jié)流元件是帶V形缺口的球形體，轉(zhuǎn)動(dòng)球形體使V形缺口起節(jié)流和剪切的作用，適用于高黏度和臟污介質(zhì)的控制。

圖2.26球閥閥芯形狀（8）套筒型控制閥。套筒型控制閥又名籠式閥，其閥體與一般的直通單座閥相似，如圖2.27所示。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在單座閥體內(nèi)裝有一個(gè)圓柱形套筒（籠子）。套筒壁上有一個(gè)或幾個(gè)不同形狀的孔（窗口），利用套筒導(dǎo)向，閥芯在套筒內(nèi)上下移動(dòng)，由于這種移動(dòng)改變了套筒開(kāi)孔的流通面積，就形成了各種特性并實(shí)現(xiàn)流量控制。套筒閥的主要特點(diǎn)是：閥塞上有均壓平衡孔，不平衡推力小，穩(wěn)定性很高且噪音小。因此特別適用于高壓差、低噪音等場(chǎng)合，但不宜用于高溫、高黏度、含顆粒和結(jié)晶的介質(zhì)控制。（9）偏心旋轉(zhuǎn)閥。偏心旋轉(zhuǎn)閥又名凸輪撓曲閥，其閥芯呈扇形球面狀，與撓曲臂及軸套一起鑄成，固定在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，如圖2.28所示。偏心旋轉(zhuǎn)閥的撓曲臂在壓力作用下能產(chǎn)生撓曲變形，使閥芯球面與閥座密封圈緊密接觸，密封性好。同時(shí)，偏心旋轉(zhuǎn)閥的重量輕、體積小、安裝方便，適用于高黏度或帶有懸浮物的介質(zhì)流量控制。圖2.27套筒型控制閥

圖2.28偏心旋轉(zhuǎn)閥除以上所介紹的控制閥以外，還有一些特殊的控制閥。例如，小流量閥適用于小流量的精密控制，超高壓閥適用于高靜壓、高壓差的場(chǎng)合等，在此不再一一敘述。

2.控制閥的選擇氣動(dòng)薄膜控制閥選用得正確與否是很重要的。選用控制閥的結(jié)構(gòu)類(lèi)型時(shí)，要根據(jù)操縱介質(zhì)的工藝條件（如溫度、壓力、流量等）、介質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì)（如黏度、腐蝕性、毒性、介質(zhì)狀態(tài)形式等）、控制系統(tǒng)的不同要求及安裝地點(diǎn)等因素來(lái)選取。例如，強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)可采用隔膜閥；在控制閥前后壓差較小、要求泄漏量也較小的場(chǎng)合應(yīng)選用直通單座閥；在控制閥前后壓差較大，并且允許有較大泄漏量的場(chǎng)合應(yīng)選用直通雙座閥；當(dāng)介質(zhì)為高黏度、含有懸浮顆粒物時(shí)，為避免粘結(jié)堵塞現(xiàn)象、便于清洗應(yīng)選用角型控制閥。不同結(jié)構(gòu)形式的控制閥的特點(diǎn)及其適用場(chǎng)合見(jiàn)表2.1，以供參考。結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)及使用場(chǎng)合應(yīng)用注意事項(xiàng)

直通單座閥泄漏量小閥前后壓差小

直通雙座閥流量系數(shù)及允許壓差比同口徑的單座閥大，適用于允許有較大泄漏量的場(chǎng)合耐壓較低

角型閥適用于高壓差、高黏度、含懸浮物或顆粒狀物質(zhì)的場(chǎng)合輸入與輸出管道成直角形安裝

隔膜閥適用于強(qiáng)腐蝕性、高黏度或含懸浮顆粒及纖維的流體。在允許壓差范圍內(nèi)可作切斷閥用耐壓、耐溫較低，適用于對(duì)流量特性要求不嚴(yán)的場(chǎng)合（近似快開(kāi)）

三通閥在兩管道壓差和溫差不大的情況下能很好地代替兩個(gè)二通閥，并可作簡(jiǎn)單配比控制兩流體的溫差小于150℃

蝶閥適用于大口徑、大流量、濃稠漿液及懸浮顆粒且允許有較大泄漏量的場(chǎng)合流體對(duì)閥體的不平衡力矩大，一般蝶閥允許壓差小～結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)及使用場(chǎng)合應(yīng)用注意事項(xiàng)小流量閥適用于小流量和要求泄漏量小的場(chǎng)合多級(jí)高壓閥基本上可以解決以往控制閥在控制高壓介質(zhì)時(shí)壽命短的問(wèn)題必須選配定位器高壓閥（角形）結(jié)構(gòu)較多級(jí)高壓閥簡(jiǎn)單，適用于高靜壓、大壓差、有氣蝕、空化的場(chǎng)合流體對(duì)閥體的不平衡力較大，必須選配定位器超高壓閥公稱(chēng)壓力為350MPa價(jià)格貴套筒閥適用閥前后壓差大和液體出現(xiàn)閃蒸或空化的場(chǎng)合，穩(wěn)定性好，噪音低，可取代大部分直通單、雙座閥不適用于含顆粒介質(zhì)的場(chǎng)合閥體分離閥閥體可拆為上、下兩部分，便于清洗。閥芯、閥體可采用耐腐蝕襯壓件加工、裝配要求較高偏心旋轉(zhuǎn)閥流路阻力小，流量系數(shù)大，可調(diào)比大，適用于大壓差、嚴(yán)密封的場(chǎng)合和黏度大及有顆粒介質(zhì)的場(chǎng)合。很多場(chǎng)合可取代直通單、雙座閥由于閥體是無(wú)法蘭的，一般只能用于耐壓小于6.4MPa的場(chǎng)合球閥（O形、V形）流路阻力小，流量系數(shù)大，密封好，可調(diào)范圍大，適用于高黏度，含纖維、固體顆粒和污穢流體的場(chǎng)合價(jià)格較貴，O形球閥一般做二位控制用。V形球閥做連續(xù)控制用低噪音閥可比一般閥降低噪音10～30dB，適用于液體產(chǎn)生閃蒸、空化和氣體在縮流面處流速超過(guò)音速且預(yù)估噪聲超過(guò)95dB的場(chǎng)合流量系數(shù)為一般閥的，較昂貴低S值閥在低S值時(shí)有良好的控制性能可調(diào)比R≈10二位式二（三）通切斷閥幾乎無(wú)泄漏僅做位式控制用衛(wèi)生閥流路簡(jiǎn)單，無(wú)縫隙，無(wú)死角積存物料，適用于啤酒、番茄醬及制藥、日化工業(yè)耐壓低此外，還應(yīng)根據(jù)操縱介質(zhì)的工藝條件和特性選擇合適的材質(zhì)。2.4.3控制閥氣開(kāi)、氣關(guān)形式的選擇

1．控制閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形式執(zhí)行器（如氣動(dòng)薄膜控制閥）的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組合起來(lái)可以實(shí)現(xiàn)氣開(kāi)和氣關(guān)兩種作用方式。由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)有正、反兩種作用方式，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（控制閥體）也有正裝、反裝兩種結(jié)構(gòu)類(lèi)型，因此就有四種組合方式組成氣開(kāi)或氣關(guān)型式，如圖2.29所示。圖2.29氣動(dòng)控制閥氣開(kāi)、氣關(guān)組合方式圖氣開(kāi)控制閥和氣關(guān)控制閥中的“氣”是指輸入到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)，而不是用于驅(qū)動(dòng)控制閥的壓縮空氣源。氣開(kāi)控制閥是指當(dāng)輸入到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)增加時(shí)，流過(guò)控制閥的流量增加（開(kāi)度增大）。在無(wú)壓力信號(hào)（失氣）時(shí)氣開(kāi)控制閥處于全關(guān)狀態(tài)。氣關(guān)控制閥則是指當(dāng)輸入到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)增加時(shí)，流過(guò)控制閥的流量減?。ㄩ_(kāi)度減小）。在無(wú)壓力信號(hào)（失氣）時(shí)氣關(guān)控制閥則處于全開(kāi)狀態(tài)。對(duì)于雙座閥和公稱(chēng)通徑DN25以上的單座閥，推薦使用圖2.29（a）、（b）兩種形式。對(duì)于單導(dǎo)向閥芯的高壓閥、角型控制閥、DN25以下的直通單座閥、隔膜閥等，由于閥體限制閥芯只能正裝，可采用圖2.29（a）、（c）兩種組合形式。2．控制閥氣開(kāi)、氣關(guān)形式的選擇在控制閥氣開(kāi)與氣關(guān)形式的選擇上，應(yīng)根據(jù)具體生產(chǎn)工藝的要求，主要考慮當(dāng)失氣（氣源供氣中斷）或控制閥出現(xiàn)故障時(shí)，控制閥的閥位（全開(kāi)或全關(guān)）應(yīng)使生產(chǎn)處于安全狀態(tài)。通常，選擇控制閥氣開(kāi)、氣關(guān)形式的原則是不使物料進(jìn)入或流出設(shè)備（或裝置）。一般來(lái)說(shuō)要根據(jù)以下幾條原則進(jìn)行選擇。

（1）首先要從生產(chǎn)安全出發(fā)。當(dāng)出現(xiàn)氣源供氣中斷，或因控制器故障而無(wú)輸出，或因控制閥膜片破裂而漏氣等故障時(shí)，控制閥無(wú)法正常工作以致閥芯回復(fù)到無(wú)能源的初始狀態(tài)（氣開(kāi)閥回復(fù)到全關(guān)，氣關(guān)閥回復(fù)到全開(kāi)），應(yīng)能確保生產(chǎn)工藝設(shè)備的安全，不致發(fā)生事故。例如，中小型鍋爐的汽包液位控制系統(tǒng)中的給水控制閥應(yīng)選用氣關(guān)式。這樣，一旦氣源中斷，也不致使鍋爐內(nèi)的水蒸干。而安裝在燃料管線(xiàn)上的控制閥則大多選用氣開(kāi)式。一旦氣源中斷，則切斷燃料，避免發(fā)生因燃料過(guò)多而出現(xiàn)事故。（2）從保證產(chǎn)品質(zhì)量出發(fā)。當(dāng)因發(fā)生故障而使控制閥處于失氣狀態(tài)時(shí)，不應(yīng)降低產(chǎn)品的質(zhì)量。例如，精餾塔的回流控制閥應(yīng)在出現(xiàn)故障時(shí)打開(kāi)，使生產(chǎn)處于全回流狀態(tài)，防止不合格產(chǎn)品的蒸出，從而保證塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量，因此，選擇氣關(guān)閥。（3）從降低原料、成品和動(dòng)力的損耗來(lái)考慮。如控制精餾塔進(jìn)料的控制閥就常采用氣開(kāi)式，一旦控制閥失去能源（即處于氣關(guān)狀態(tài)），就不再給塔進(jìn)料，以免造成浪費(fèi)。（4）從介質(zhì)的特點(diǎn)考慮。精餾塔塔釜加熱蒸汽控制閥一般選氣開(kāi)式，以保證在控制閥失氣時(shí)能處于全關(guān)狀態(tài)，從而避免蒸汽的浪費(fèi)和影響塔的操作。但是如果釜液是易凝、易結(jié)晶、易聚合的物料，控制閥則應(yīng)選擇氣關(guān)式，以防控制閥失氣時(shí)閥門(mén)關(guān)閉、停止蒸汽進(jìn)入而導(dǎo)致再沸器和塔內(nèi)液體的結(jié)晶和凝聚。2.4.4控制閥流量特性的選擇

控制閥的流量特性是指流過(guò)控制閥的被控介質(zhì)的相對(duì)流量與閥桿的相對(duì)行程（即閥門(mén)的相對(duì)開(kāi)度）之間的關(guān)系。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為式中，是控制閥某一開(kāi)度時(shí)的流量q與全開(kāi)時(shí)流量之比，稱(chēng)為相對(duì)流量；l/L表示控制閥某一開(kāi)度下的閥桿行程與全開(kāi)時(shí)閥桿全行程之比，稱(chēng)為相對(duì)開(kāi)度。一般說(shuō)來(lái)，改變控制閥閥芯與閥座間的流通截面積，便可控制流量。但實(shí)際上還有多種因素的影響。例如，在節(jié)流面積改變的同時(shí)還發(fā)生控制閥前后壓差的變化，而這又將引起流量的變化等。為了便于分析，先假定控制閥前后的壓差固定不變，然后再引申到實(shí)際工作情況進(jìn)行分析，于是就有理想流量特性與工作流量特性之分。

（2-24）①理想特性，即在控制閥兩端壓差固定的條件下，流量與閥桿位移之間的關(guān)系。它完全取決于閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)。②工作特性，是指在工作條件下，閥門(mén)兩端壓差變化時(shí)，流量與閥桿位移之間的關(guān)系。閥門(mén)是整個(gè)管路系統(tǒng)中的一部分。在不同流量下，管路系統(tǒng)的阻力不一樣，因此分配給閥門(mén)的壓降也不同。工作特性不僅取決于閥本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)，也與配管情況有關(guān)。1．理想流量特性控制閥兩端壓差恒定時(shí)的流量特性稱(chēng)為理想流量特性，又稱(chēng)固有流量特性。閥門(mén)制造廠所提供的流量特性即指理想流量特性。理想流量特性可分為多種類(lèi)型，國(guó)內(nèi)常用的理想流量特性主要有線(xiàn)性、等百分比（對(duì)數(shù)）、快開(kāi)等幾種。這些特性完全取決于閥芯的形狀，不同的閥芯曲面可得到不同的理想流量特性，如圖2.30和圖2.31所示。1－線(xiàn)性；2－等百分比；3－快開(kāi)；4－拋物線(xiàn)圖2.30不同流量特性的閥芯曲面形狀圖2.31控制閥的理想流量特性（R=30）（1）線(xiàn)性流量特性。線(xiàn)性流量特性是指控制閥的相對(duì)流量與相對(duì)開(kāi)度成直線(xiàn)關(guān)系，即閥桿單位行程變化所引起的流量變化是常數(shù)。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為（2-25）將式（2-25）積分得（2-26）式中，C為積分常數(shù)。根據(jù)已知邊界條件（l＝0時(shí)，；l＝L時(shí)，）可解得C＝，K＝1－C＝1－(1/R)。其中R為控制閥所能控制的最大流量與最小流量之比，稱(chēng)為控制閥的可調(diào)范圍或可調(diào)比，它反映了控制閥調(diào)節(jié)能力的大小。國(guó)產(chǎn)控制閥的可調(diào)比R＝30。將K和C值代入式（2-26）可得（2-27）式（2-27）表明流過(guò)閥門(mén)的相對(duì)流量與閥桿的相對(duì)行程是直線(xiàn)關(guān)系。當(dāng)l/L＝100%時(shí)，＝100%；當(dāng)l/L＝0時(shí)，流量＝3.3%，它反映出控制閥的最小流量是其所能控制的最小流量，而不是控制閥全關(guān)時(shí)的泄漏量。線(xiàn)性控制閥的流量特性見(jiàn)圖2.31中直線(xiàn)1。從式（2-27）還可看出：當(dāng)開(kāi)度l/L變化10%時(shí)，所引起的相對(duì)流量的增量總是9.67%，但相對(duì)流量的變化量卻不同，我們以10%、50%、80%三點(diǎn)為例分析。①10%開(kāi)度時(shí)，流量的相對(duì)變化值為×100%＝75%

②50%開(kāi)度時(shí)，流量的相對(duì)變化值為×100%＝19%③80%開(kāi)度時(shí)，流量的相對(duì)變化值為

×100%＝11%

由此可見(jiàn)，由于線(xiàn)性控制閥的放大系數(shù)KV是一個(gè)常數(shù)，所以不論閥桿原來(lái)在什么位置，只要閥桿做相同的變化，流量的數(shù)值也做相同的變化?？梢?jiàn)線(xiàn)性控制閥在開(kāi)度較小時(shí)其流量相對(duì)變化值大，這時(shí)靈敏度過(guò)高，控制作用過(guò)強(qiáng)，容易產(chǎn)生振蕩，對(duì)控制不利；在開(kāi)度較大時(shí)其流量相對(duì)變化值小，這時(shí)靈敏度又太小，控制緩慢，削弱了控制作用。因此當(dāng)線(xiàn)性控制閥工作在小開(kāi)度或大開(kāi)度的情況下，控制性能都較差，不宜在負(fù)荷變化大的場(chǎng)合使用。（2）等百分比流量特性（對(duì)數(shù)流量特性）。因閥桿位移每增加1%，流量均在原來(lái)的基礎(chǔ)上約增加3.4%，所以稱(chēng)為等百分比流量特性。等百分比流量特性是指單位相對(duì)行程變化所引起的相對(duì)流量變化與該點(diǎn)的相對(duì)流量成正比關(guān)系，即控制閥的放大系數(shù)KV是變化的，它隨相對(duì)流量的增加而增加，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為（2-28）將式（2-28）積分得（2-29）將前述邊界條件代入式（2-29），可得C＝ln(1/R)＝－lnR，K＝lnR＝ln30＝3.4最后得（2-30）式（2-30）表明相對(duì)行程與相對(duì)流量成對(duì)數(shù)關(guān)系，在直角坐標(biāo)上得到的對(duì)數(shù)曲線(xiàn)見(jiàn)圖2.31中曲線(xiàn)2，故等百分比流量特性又稱(chēng)為對(duì)數(shù)流量特性。由于等百分比閥的放大系數(shù)KV隨相對(duì)開(kāi)度的增大而增大，因此，等百分比閥有利于自動(dòng)控制系統(tǒng)。在小開(kāi)度時(shí)等百分比閥的放大系數(shù)小，控制平穩(wěn)緩和；在大開(kāi)度時(shí)放大系數(shù)大，控制靈敏有效。（3）快開(kāi)流量特性?？扉_(kāi)流量特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式為（2-31）將式（2-31）積分并代入邊界條件，同樣可求得其流量特性方程式為（2-32）快開(kāi)流量特性在開(kāi)度較小時(shí)就有較大的流量，隨著開(kāi)度的增大，流量很快就達(dá)到最大，隨后再增加開(kāi)度時(shí)流量的變化甚小，故稱(chēng)為快開(kāi)特性，其特性曲線(xiàn)見(jiàn)圖2.31中的曲線(xiàn)3。設(shè)閥座直徑為D，則其行程一般在D/4以?xún)?nèi)，若行程再增大時(shí)，閥的流通面積不再增大而失去控制作用。因此，快開(kāi)特性控制閥主要適用于迅速啟閉的切斷閥或雙位控制系統(tǒng)。（4）拋物線(xiàn)流量特性。與之間成拋物線(xiàn)關(guān)系，在直角坐標(biāo)上為一條拋物線(xiàn)。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

（2-33）其流量特性曲線(xiàn)見(jiàn)圖2.31中的曲線(xiàn)4。拋物線(xiàn)流量特性介于線(xiàn)性流量特性與等百分比流量特性之間，主要用于三通控制閥及其他特殊場(chǎng)合。制造廠通過(guò)設(shè)計(jì)不同形狀的控制閥閥芯來(lái)獲得不同的流量特性。圖2.30所示為不同流量特性的控制閥閥芯的截面圖?？梢?jiàn)，快開(kāi)式控制閥為平板結(jié)構(gòu)，線(xiàn)性流量特性控制閥和等百分比流量特性控制閥都為曲面形狀，線(xiàn)性流量特性控制閥閥芯曲面的形狀較“瘦”，等百分比閥的形狀較“胖”。因此，當(dāng)被控介質(zhì)含有固體懸浮物、容易造成磨損、影響控制閥的使用壽命時(shí)，宜選擇線(xiàn)性流量特性控制閥。2．工作流量特性理想流量特性是在假定控制閥兩端壓差不變的情況下得到的，而在實(shí)際生產(chǎn)中，控制閥兩端的壓差總是變化的。這是因?yàn)榭刂崎y總是與工藝設(shè)備、閥門(mén)、管道等阻力元件串聯(lián)或并聯(lián)安裝，控制閥流量的變化將會(huì)引起管路系統(tǒng)阻力的變化，從而使得閥上的壓降也發(fā)生變化。在這種情況下，控制閥的相對(duì)開(kāi)度與相對(duì)流量之間的關(guān)系稱(chēng)為工作流量特性。

根據(jù)控制閥在實(shí)際工作中的配管情況，可以分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種情況討論工作流量特性。（1）串聯(lián)管道中的工作流量特性。串聯(lián)管道中的工作流量特性以圖2.32所示的串聯(lián)管路系統(tǒng)為例。當(dāng)控制閥串聯(lián)安裝于工藝管道時(shí)，除控制閥外，還有管道、裝置、設(shè)備等存在著阻力。該阻力損失隨著通過(guò)管道的流量成平方關(guān)系變化。設(shè)串聯(lián)管路系統(tǒng)的總壓差為，控制閥上的壓差為，管路系統(tǒng)的壓差為，則串聯(lián)管路系統(tǒng)的總壓差等于管路系統(tǒng)的壓差與控制閥的壓差之和，即。因此，當(dāng)管路系統(tǒng)的總壓差一定時(shí)，隨著通過(guò)管道的流量的增