自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念

自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念第一節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及分類一、自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成在工業(yè)生產(chǎn)中，各種生產(chǎn)工藝過程都必須在規(guī)定的工況條件下進(jìn)行。如精餾塔的塔頂溫度或塔底溫度要保持在期望值，化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)溫度要保持穩(wěn)定，鍋爐汽包水位要維持在規(guī)定范圍內(nèi)，調(diào)和作業(yè)時(shí)的配比關(guān)系要達(dá)到規(guī)定的比值范圍等。這些生產(chǎn)過程中的工藝變量，需要根據(jù)工藝要求嚴(yán)格控制。控制分人工控制和自動(dòng)控制兩種。在緒論中以儲(chǔ)罐液位系統(tǒng)為例介紹了人工控制和自動(dòng)控制的基本概念。自動(dòng)控制是在人工控制約基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它是在生產(chǎn)設(shè)備上配備一些自動(dòng)控制裝置，對(duì)生產(chǎn)過程中重要的工藝變量進(jìn)行控制，使生產(chǎn)過程自動(dòng)地維持預(yù)定工況。自動(dòng)控制裝置和被控對(duì)象組成了自動(dòng)控制系統(tǒng)。為進(jìn)一步了解自動(dòng)控制系統(tǒng)，再來分析一個(gè)實(shí)例。圖13-1和13-2所示為一蒸汽加熱器的溫度人工和自動(dòng)控制系統(tǒng)。生產(chǎn)中利用蒸汽作為載熱體對(duì)溫度較低的進(jìn)料進(jìn)行加熱，工藝上希望保持出料溫度t在一個(gè)恒定的數(shù)值。在這里，蒸汽加熱器是被控對(duì)象，t是所要控制的變量，即被控變量，工藝上期望的t的數(shù)值是給定值。蒸汽流量、進(jìn)料流量、進(jìn)料溫度等發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)使出料溫度發(fā)生變化，即系統(tǒng)的干擾。此處，采用的控制手段是調(diào)整加熱蒸汽閥門的開度，改變蒸汽流量，來維持出料溫度的恒定。蒸汽流量是操縱變量。若采用人工控制，當(dāng)流體流量、進(jìn)料溫度等干擾使出料溫度偏離工藝期望值時(shí)，操作工的調(diào)節(jié)過程是這樣的：用眼睛觀察加熱器出口溫度指示儀表；通過大腦計(jì)算出溫度指示值與工藝期望值之間的差值，即偏差，根據(jù)偏差大小及方向發(fā)出相應(yīng)操作命令；根據(jù)大腦的操作命令，通過手去改變蒸汽閥門開度；反復(fù)執(zhí)行上述過程，直到出口溫度回到期望值。操作工通過眼、腦、手相互配合，災(zāi)現(xiàn)了檢測(cè)偏差，然脫糾正偏差的控制過程，自動(dòng)控制實(shí)際上是用自動(dòng)控制裝置來實(shí)現(xiàn)上述過程。為了實(shí)現(xiàn)這一過程，用測(cè)量變送器、控制器和執(zhí)行器去代替操作工的眼、腦、手，將它們按功能連接在一起與被控對(duì)象組成了一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。通常將控制器、變送器用通用符號(hào)來表示，表達(dá)成圖13-2所示形式。由蒸汽加熱器、溫度變送器TT、溫度控制器TC和蒸汽流量調(diào)節(jié)閥就構(gòu)成了一個(gè)完整的自動(dòng)控制系統(tǒng)。當(dāng)進(jìn)料流量或溫度等因素的變化引起出料的溫度變化時(shí)，通過溫度變送器測(cè)得溫度的變化，并轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，如4?20mA。這一測(cè)量信號(hào)送至溫度控制器。在控制器內(nèi)，測(cè)量值與給定值進(jìn)行比較得到偏差，控制器的給定值由人工設(shè)定。根據(jù)偏差信號(hào)的正負(fù)、大小及變化情況，控制器按控制規(guī)律（如PID）進(jìn)行運(yùn)算，得到操縱值（也稱為控制作用）。操縱值送往調(diào)節(jié)閥，改變蒸汽流量，使出料溫度趨于給定值。圖13-2通常稱為工藝控制流程圖，圖中小圓圈表示某些自動(dòng)化儀表，圓內(nèi)寫有兩位（或三位）字母，第一位字母表示被測(cè)變量，后繼字母表示儀表的功能。本書中常用的有；TT——溫度變送器TC——溫度控制器PT——壓力變送器PC——壓力控制器FT——流量變送器FC——流量控制器LT——液位變送器LC——液體控制器AT——成分變送器AC——成分控制器說明：為了畫圖的方便，各種變送器有時(shí)也可用表示。二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖方塊圖的組成及畫法規(guī)則已在緒論中做過介紹，此處不再詳述。如同13—3所示，方塊圖可以將系統(tǒng)中變量之間的關(guān)系完整地表達(dá)出來。對(duì)方塊圖需要做幾點(diǎn)說明：（1） 偏差Dv：給定值與測(cè)量值之差。Dv=Sv-Pv（13-1）注意，在方塊圖中的偏差與儀表中的偏差定義相差一負(fù)號(hào)。（2） 方塊圖中箭頭方向表示的是信號(hào)的流向，而不是物料或能量的流向。特別要注意，被控對(duì)象的輸出以及調(diào)節(jié)閥的輸出不能與工藝流程圖上的流入流出相混淆。比如緒論圖1中液位控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)的是對(duì)象的流出量，而圖13-2中溫度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)的是流入對(duì)象的蒸汽量，它們都是操縱變量，因此在方塊圖中都是對(duì)象控制通道的輸入。其他引起被控變量變化的因素則是對(duì)象干擾通道的輸入。液位對(duì)象和加熱器的輸入輸出如圖13-4所示。（3） 有些框圖表示中，各環(huán)節(jié)除控制器外，將執(zhí)行器、被控對(duì)象、測(cè)量變送器合并成一個(gè)環(huán)節(jié)，稱為廣義對(duì)象，此時(shí)的方塊圖如圖l3—5（a）。方塊圖還可進(jìn)一步簡化成圖13—5（b）所示的最簡方塊圖。大方框代表了組成自動(dòng)控制系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入就是給定值和干擾，輸出則是被控變量。、反饋控制系統(tǒng)參照?qǐng)D13-3，可以分析自動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：1、由負(fù)反饋構(gòu)成閉環(huán)是自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)從信號(hào)傳送角度看，各個(gè)環(huán)節(jié)在信號(hào)傳遞關(guān)系上形成了一個(gè)閉環(huán)。即其中任何—個(gè)信號(hào)，只要沿箭頭方向前進(jìn)，通過若干環(huán)節(jié)之后，最終又會(huì)回到原來的起點(diǎn)。自動(dòng)控制系統(tǒng)之所以會(huì)形成閉外，是因?yàn)橐肓朔答伒木壒?。所謂反饋，是將系統(tǒng)的輸出直接或經(jīng)過一些環(huán)節(jié)之后又返回到系統(tǒng)輸人端的做法。反饋分正反饋與負(fù)反饋。注意圖13-3中，在反饋信號(hào)Pv旁邊有一個(gè)“一”號(hào)，給定信號(hào)Sv旁邊有一個(gè)“十”號(hào)，說明反饋信號(hào)極性與輸入信號(hào)相反，偏差Dv=Sv—Pv,圖13—3中的Pv取負(fù)值稱為負(fù)反饋，如果反饋信號(hào)Pv取正值則稱為正反饋。自動(dòng)控制系統(tǒng)必須采用負(fù)反饋，才能起到糾正偏差作用。若采用了正反饋，即Dv=Sv+Pv,當(dāng)Pv=Sv時(shí)，表明工藝參數(shù)符合要求，這時(shí)應(yīng)停止調(diào)節(jié)，但是由于DvHO,使控制器的輸出繼續(xù)發(fā)生變化，并使調(diào)節(jié)閥的開度也不斷改變，從而產(chǎn)生不該有的控制作用，使被控變量偏離工藝規(guī)定的指標(biāo)增大。因此，正反饋不但不能克服干擾的影響，反而使系統(tǒng)的偏差愈來愈大，直至被控變量超出了安全極限而破壞生產(chǎn)，所以自動(dòng)控制系統(tǒng)絕對(duì)不能單獨(dú)采用正反饋。2、控制作用的產(chǎn)生由偏差引起偏差產(chǎn)生的控制作用使系統(tǒng)沿減少或消除偏差的方向運(yùn)動(dòng)。綜上所述。自動(dòng)控制系統(tǒng)是具有被控變量負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，控制作用由偏差產(chǎn)生。正是因?yàn)橛辛素?fù)反饋，控制系統(tǒng)才可以隨時(shí)了解被控變量的情況，有針對(duì)性地根據(jù)被控變量的變化情況而改變控制作用的大小和方向，從而維持被控變量等于或接近工藝所希望的狀況。四、自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類關(guān)于自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類，從不同的角度可以有不同的分類方法。在分析自動(dòng)控制系統(tǒng)的特性時(shí)，給定值的形式不同，會(huì)涉及到不同的分析方法，因此，常將自動(dòng)控制系統(tǒng)按給定值的不同情況分為三類：即定值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。1、 定值控制系統(tǒng)定值控制系統(tǒng)就是給定值恒定的控制系統(tǒng)。在工藝生產(chǎn)中，如果要求控制系統(tǒng)的被控變量保持在個(gè)生產(chǎn)指標(biāo)上不變，或者說要求工藝參數(shù)的給定值不變，那么就要采用定位控制系統(tǒng)。在定值控制系統(tǒng)中，引起被控變量波動(dòng)的原因是各種干擾，對(duì)于這類控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是在存在干擾的情況下如何將被控變量控制在所希望的給定值上。石油、化工生產(chǎn)中大多數(shù)控制系統(tǒng)屬于這種類型。2、 隨動(dòng)控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng)即給定值不固定，是隨時(shí)間不斷變化的，而且這種變化不是預(yù)先規(guī)定好的，即給定值是隨機(jī)變化的。隨動(dòng)控制系統(tǒng)的目的就是使所控制的工藝參數(shù)準(zhǔn)確而快速地跟隨給定值的變化。比如各種變送器均可看做是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，它的輸出應(yīng)嚴(yán)格、及時(shí)地隨輸入而變化。3、程序控制系統(tǒng)這類系統(tǒng)的給定值也是變化的，但它是一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)，即生產(chǎn)指標(biāo)需按一定的時(shí)間程序變化。近年來，隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用、程序控制系統(tǒng)應(yīng)用日益增多。第二節(jié)

簡單控制系統(tǒng)所謂簡單控制系統(tǒng)是指由一個(gè)被控對(duì)象（簡稱對(duì)象）、一個(gè)測(cè)量變送器、一個(gè)控制器和一個(gè)執(zhí)行器所組成的單回路反饋控制系統(tǒng)，如圖14—1。在生產(chǎn)過程中，大量的溫度、流量、壓力、液位控制系統(tǒng)都屬于簡單控制系統(tǒng)。簡單控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，而民具有相當(dāng)廣泛的適應(yīng)性，因此即使在計(jì)算機(jī)控制迅速發(fā)展的今天，在高水平的自動(dòng)化控制方案中，這類系統(tǒng)仍占控制回路的絕大多數(shù)。這體現(xiàn)了控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則：力求簡單、可靠、經(jīng)濟(jì)與保證效果良好。而且，簡單控制系統(tǒng)是復(fù)雜控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，目前一些先進(jìn)的控制系統(tǒng)也往往將其作為最低層的控制系統(tǒng)，因此，簡單控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)方法具有廣泛的實(shí)用價(jià)值。簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)的內(nèi)容簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最重要的是控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)和控制器的設(shè)計(jì)與參數(shù)整定?？刂葡到y(tǒng)方案的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。它是在對(duì)被控對(duì)象做全面深入的了解和分析的基礎(chǔ)上確定總體控制目標(biāo)，根據(jù)工藝的要求選擇被控變量，操縱變量，合理選擇控制系統(tǒng)的測(cè)量元件和變送器，合理選擇控制器、執(zhí)行器、顯示儀表和其他儀表，從而確定一個(gè)較為合理的簡單控制系統(tǒng)方案。對(duì)于有多個(gè)控制系統(tǒng)的生產(chǎn)過程，還要考慮到各個(gè)控制系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)，并按控制系統(tǒng)之間相互影響最小的原則來建立各控制回路。控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作。既要滿足工藝過程的實(shí)際需要，又要受到許多客觀環(huán)境和經(jīng)濟(jì)條件的制約。一個(gè)好的控制方案，既依賴于理論分析和計(jì)算，還要借助于許多實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)。控制器設(shè)計(jì)與參數(shù)整定是在控制方案合理制定的前提下，使系統(tǒng)運(yùn)行在最優(yōu)狀態(tài)的重要步驟。此外，簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還包括系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)，如儀表選型、控制室設(shè)計(jì)、供電和供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)等；以及控制系統(tǒng)的安裝、投運(yùn)等內(nèi)容。二、被控變量的選擇被控變量的選揮是十分重要的，它是自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步。任何一個(gè)控制系統(tǒng)，總是希望能夠在穩(wěn)定生產(chǎn)操作、增加產(chǎn)品產(chǎn)量、提高產(chǎn)品質(zhì)量以及改善勞動(dòng)條件等方面發(fā)揮作用，因此，應(yīng)該從生產(chǎn)過程對(duì)控制系統(tǒng)的要求出發(fā)，找出對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、安全等方面起決定作用的變量。如果被控變量選擇不當(dāng)，配備再好的自動(dòng)化儀表也是無用的。根據(jù)工藝要求而設(shè)計(jì)的簡單控制系統(tǒng)，它為工藝上某—目的服務(wù)應(yīng)該是清楚的。例如生產(chǎn)上要求控制的工藝操作參數(shù)是溫度、壓力、流量、液位等，很明顯被控變量就是溫度、壓力、流量、液位，它既直接又明了似乎毋需多加討論。的確在某些情況下，對(duì)被控變量的選擇是一目了然，但也有如下一些情況，需要對(duì)被控變量的選擇認(rèn)真加以考慮；1）表示某些質(zhì)量指標(biāo)的參數(shù)有好幾個(gè)，應(yīng)如何選樣才能使所選的被控變量在工藝上和自動(dòng)控制上是合理的，而正是獨(dú)立可調(diào)的。2）某些質(zhì)量指標(biāo)，因無合適的測(cè)量儀表直接反映質(zhì)量指標(biāo)，從而采用選擇與直接質(zhì)量指標(biāo)之間有單值線性對(duì)應(yīng)關(guān)系而又反應(yīng)快的間接指標(biāo)作為被控變量的辦法。3）雖有直接參數(shù)可測(cè)，但信號(hào)微弱或測(cè)量滯后太大，還不如選用具有單值線性對(duì)應(yīng)關(guān)系的間接信號(hào)為好。下面舉例來說明選擇被控變量的一般原則。例如要對(duì)鍋爐產(chǎn)生的飽和蒸汽質(zhì)量進(jìn)行控制，提出了三種方案：1） 壓力P與溫度T皆為被控變量；2） 溫度T為被控變量；3） 壓力P為被控變量。為了解決這一問題，必須深入了解工藝，首先弄清楚表征飽和蒸汽的質(zhì)量指標(biāo)在P與T之間有何內(nèi)在聯(lián)系？是否都為獨(dú)立變量？應(yīng)用物理化學(xué)中介紹的相律關(guān)系，自由度的表達(dá)式：F=C-P+2（14-1）式中F——自由度；C 組分?jǐn)?shù)；P 相數(shù)。作為飽和蒸汽，實(shí)質(zhì)上存在氣液兩相，即P=2，而組分?jǐn)?shù)應(yīng)皆為水即C=l,故F=l—2十2=1表示飽和蒸汽的自由度為1，或獨(dú)立變量只有1個(gè)，所以要反映飽和蒸汽質(zhì)量，不必選用兩個(gè)被控變量，只要選取溫度或壓力其中之一就夠了。至于選壓力還是溫度，可以從測(cè)量元件時(shí)間常數(shù)小，元件簡單、可靠等方面來考慮，一般以選擇壓力為宜。我們?cè)谠O(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，必須遵循有幾個(gè)獨(dú)立被控變量，最多只能設(shè)置幾個(gè)控制系統(tǒng)的原則。否則當(dāng)設(shè)計(jì)出既有溫度又有壓力作為被控變量的方案時(shí)，這種控制系統(tǒng)將是無法投運(yùn)的。假如討淪的是過熱蒸汽的質(zhì)量控制，因?yàn)檎羝谶^熱狀態(tài)下只存在一個(gè)氣相，所以根據(jù)相律其自由度將交為2。在這種情況下把溫度和壓力都選做被控變量則是完全必要的。又例如在精餾過程中，通常是用溫度采反映塔頂或塔底產(chǎn)品質(zhì)量（濃度），其原因是缺乏直接測(cè)量濃度的成分儀表或成分測(cè)量儀表滯后過大，使控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)很差，不能滿足工藝的要求，所以選用了溫度這個(gè)間接參數(shù)作為被控變量。但是根據(jù)相律可知，在塔壓恒定的情況下，并只有兩個(gè)組分時(shí)、物料的溫度與濃度才有單一對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)于多組分只有近似的關(guān)系。對(duì)于這樣的過程，近年來出現(xiàn)了軟測(cè)量的方法。其原理是尋找與不可測(cè)輸出量有函數(shù)關(guān)系的輔助輸出變量，首先測(cè)量輔助輸出變量，然后通過運(yùn)算推算得到不可測(cè)輸出量，將推算值作為被控變量，構(gòu)成反饋控制系統(tǒng)。通過上述討論，可以得到被控變量選擇的原則為；（1）盡量選用直接指標(biāo)作為被控變量，因?yàn)樗钪苯幼羁煽浚?）當(dāng)無法獲得直接指標(biāo)的信號(hào)，或其測(cè)量和變送信號(hào)滯后很大時(shí)，可選擇與直接指標(biāo)有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系的間接指標(biāo)作為被控變量。（3）被控變量應(yīng)可測(cè)并有足夠大的靈敏度或足夠大的信號(hào)；或可采用輔助輸出變量推算。（4）被控變量應(yīng)獨(dú)立可調(diào)。（5）選擇被控變量時(shí)，必須考慮到工藝過程的合理性及儀表的現(xiàn)狀。三、操縱變量的選擇當(dāng)對(duì)象的被控變量選定后，下一步是如何構(gòu)成簡單控制回路，選擇什么操縱變量去克服干擾對(duì)被控變量的影響。為此，在設(shè)計(jì)控制回踏時(shí)，要認(rèn)真分析各種干擾，深入研究對(duì)象特性。最常見的操縱變量是流量。操縱變量的選擇原則是：（1）首先要考慮工藝上的合理性、經(jīng)濟(jì)性，除物料平衡調(diào)節(jié)外，一般避免用主物料流量（生產(chǎn)負(fù)荷）作為操縱變量。（2）操縱變量應(yīng)有克服干擾影響的校正能力，控制通道的放大系數(shù)應(yīng)比較大。（3）控制通道的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要較干擾通道的動(dòng)態(tài)響應(yīng)為快，滯后時(shí)間盡量小。下面通過一個(gè)實(shí)例說明操縱變量的選擇原則。為了將濃縮的乳液干燥成乳粉，生產(chǎn)上采用噴霧式干燥設(shè)備，工藝流程如圖14-2所示。已濃縮的乳液由高位槽流下經(jīng)過濾器去掉凝結(jié)塊，然后至干燥筒從噴嘴噴出，空氣則由鼓風(fēng)機(jī)送至換熱器，熱空氣經(jīng)風(fēng)管至干燥筒，乳液中的水分即被蒸發(fā)，而乳粉則隨濕空氣一道送出再行分離。工藝要求干燥后的成品含水量不能波動(dòng)太大。由于干燥筒出口的氣體溫度與產(chǎn)品質(zhì)量（水分含量）的密切關(guān)系，因此可選間接參數(shù)T作為被控變量。操縱變量的確定需要對(duì)被控對(duì)象輸入進(jìn)行分析。在該設(shè)備中，影響干燥筒出口溫度的因素有：乳化物的流量、蒸汽壓力、旁路空氣量。因此可供選擇為操縱變量的有乳化物流量、旁路空氣量和加熱蒸汽量，圖中分別以l，2，3調(diào)節(jié)閥位置代表這三種方案。由圖分析，選乳化物流量作為操縱變量，乳液直接近入干燥器，滯后最小，對(duì)溫度校正最靈敏、似乎控制方案最佳，但由于乳液流量是生產(chǎn)負(fù)荷，一般要求保證產(chǎn)量穩(wěn)定，所以不宜選為操縱變量。選旁路空氣量作為操縱變量，其過程是旁路空氣量與熱風(fēng)量相混合，然后經(jīng)風(fēng)管進(jìn)入干燥筒，風(fēng)管特性可用一個(gè)純滯后表示。這種方案與選乳化物流量作為操縱變量相比，控制通道滯后較大，對(duì)干燥溫度校正作用靈敏反差一些。若選加熱蒸汽量作為操縱變量，其過程是蒸汽流量經(jīng)過換熱器熱交換，以改變空氣溫度，然后經(jīng)風(fēng)管進(jìn)入干燥筒，由于換熱器的時(shí)間常數(shù)大，此方案對(duì)干燥溫度的校正作用靈敏度最差。綜合上述考慮，生產(chǎn)中選用以旁路風(fēng)作為操縱變量的方案。由上述可知，要做到合理地選擇操縱變量，必須熟悉和掌握生產(chǎn)機(jī)理，認(rèn)真分析生產(chǎn)過程各種影響被控變量的因素，以對(duì)象特性參數(shù)對(duì)控制質(zhì)量影響為依據(jù)，這樣選擇的操縱變量才能組成符合工藝要求的、可控性良好的控制系統(tǒng)。四、測(cè)量變送環(huán)節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)的影響測(cè)量變送裝置是控制系統(tǒng)中獲取信息的裝置，是系統(tǒng)進(jìn)行控制作用的依據(jù)。所以要求能及時(shí)、準(zhǔn)確地反映被控變量的情況。對(duì)常規(guī)控制系統(tǒng)而言，將遇到以下幾個(gè)問題。1、測(cè)量元件安裝引起的純滯后純滯后是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)最感頭痛的事。在化工參數(shù)的測(cè)量中最易引入純滯后的是對(duì)溫度和物性參數(shù)的測(cè)量。圖14—3所示的是一個(gè)PH控制系統(tǒng)，由于電極不能放置在流速較大的主管道上，只能安裝在流速較小的支管道上，對(duì)于這種因測(cè)量元件的安裝位置所引入的純滯后，有時(shí)是不可避免的，但應(yīng)力求減小。除了測(cè)量位置所引入的純滯后外，有時(shí)儀器本身也會(huì)引入純滯后，如成分測(cè)定儀等。這是造成目前不少在線分析儀不能投入閉環(huán)運(yùn)行的原因之一。2、 測(cè)量元件本身的測(cè)量滯后測(cè)量滯后指的是由測(cè)量元件本身時(shí)間常數(shù)T所引起的動(dòng)態(tài)誤差。由于在實(shí)際控制系統(tǒng)中，操作人員所觀察到的及控制器所接收的信號(hào)都是被控變量的測(cè)量值，由測(cè)量元件時(shí)間常數(shù)所引起的測(cè)量誤差，將會(huì)引起幅值降低和滯后，使得測(cè)量值的變化小于真實(shí)值的變化，從而給人一種假象，誤認(rèn)力調(diào)節(jié)質(zhì)量還可以。由于存在測(cè)量滯后，使控制器接受的是失真的信號(hào)，從而控制器不能正確發(fā)揮作用?？朔y(cè)量滯后的方法為：選擇快速測(cè)量元件。若能使測(cè)量元件的時(shí)間常數(shù)為對(duì)象時(shí)間常數(shù)的十分之一為宜。正確選擇安裝位置。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，以溫度測(cè)量元件和質(zhì)量控制系統(tǒng)的采樣裝置所引起的測(cè)量滯后為最大，它與元件外圍的流體的流動(dòng)狀態(tài)、流體的物理性質(zhì)以及元件的插入深度等有關(guān)，如果把測(cè)量元件安裝在死角，將大大增加測(cè)量滯后，因此要合理選擇測(cè)量元件的安裝位置，最好能選擇在對(duì)被控失量的變化反映靈敏的位置。正確使用微分單元。測(cè)量滯后大的系統(tǒng)，通過引入具有超前作用的微分環(huán)節(jié)是解決問題的好辦法。3、 測(cè)量信號(hào)的處理在過程變量的測(cè)量信號(hào)中，不可避免地?fù)诫s一些隨機(jī)干擾，也稱噪聲。這些噪聲可能是由于測(cè)量元件本身的隨機(jī)波動(dòng)特性引起的，也可能是由于測(cè)量環(huán)境中的電磁干擾所致，所有這些都會(huì)使測(cè)量結(jié)果偏離真實(shí)值。如果將這種未經(jīng)處理的測(cè)量信號(hào)直接用做反饋，參與控制，必然會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生“錯(cuò)覺”，導(dǎo)致錯(cuò)誤的調(diào)節(jié)。因此，對(duì)測(cè)量信號(hào)一般都需要進(jìn)行“濾波”處理，將其中的隨機(jī)干擾剔除掉。在計(jì)算機(jī)控制時(shí)，由于信號(hào)是采樣輸入的，隨機(jī)干擾的危害將更為嚴(yán)重，必須進(jìn)行濾波。另外，有些測(cè)量信號(hào)可能受到其他信號(hào)的影響，需要進(jìn)行相應(yīng)的校正補(bǔ)償。例如，氣體流流量信號(hào)會(huì)受到壓力和溫度變化的影響，需對(duì)其進(jìn)行壓力和溫度校正或補(bǔ)償。有些測(cè)量信號(hào)與被測(cè)變量之間呈現(xiàn)非線性關(guān)系，必要時(shí)還需進(jìn)行線性化處理。最后還要說明的是，有些標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)量儀表或儀器、已包含了信號(hào)補(bǔ)償和線性化處理等功能，在這種情況下，輸出信號(hào)可以直接使用，但必須搞清楚它的使用范圍和條件。五、氣動(dòng)執(zhí)行器的選擇執(zhí)行器是控制系統(tǒng)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，因?yàn)樗幵谧罱K執(zhí)行控制的位置，有人形象地稱它為控制系統(tǒng)的“手腳”。執(zhí)行器選擇得好壞，對(duì)系統(tǒng)是否能夠很好地起控制作用關(guān)系甚大。目前，工業(yè)上最常用的是氣動(dòng)執(zhí)行器，即氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥，因此，我們主要介紹氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的選擇方法。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，執(zhí)行器是依據(jù)控制器送出的操縱信號(hào)，對(duì)生產(chǎn)過程（被控對(duì)象）施加影響、有目的地改變控制變量的裝置。它就相當(dāng)于人工控制系統(tǒng)中執(zhí)行大腦命令的手的作用。執(zhí)行器與變送器等儀表不同，它直接與生產(chǎn)過程相接觸，并且對(duì)生產(chǎn)過程施加影響。換句話說，執(zhí)行器要工作在高溫、高壓、腐蝕、振動(dòng)等惡劣的現(xiàn)場環(huán)境中，同時(shí)要有足夠的功率以影響生產(chǎn)過程。鑒于上述特點(diǎn)，我們有必要了解執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)原理及性能指標(biāo)，以便對(duì)其恰當(dāng)?shù)剡x擇和使用，保證控制系統(tǒng)安全、正常、高效地遠(yuǎn)行。對(duì)應(yīng)于不同的控制參數(shù)，執(zhí)行器可以是風(fēng)門、步進(jìn)電機(jī)、變頻調(diào)速器和調(diào)節(jié)閥等。所謂調(diào)節(jié)閥，就是改變流體流量的執(zhí)行器。由于絕大部分控制系統(tǒng)的控制參數(shù)都選為某種介質(zhì)的流量，所以調(diào)節(jié)閥是最常見的一種執(zhí)行器。從結(jié)構(gòu)功能上看，執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩部分組成，見圖10—1。執(zhí)行機(jī)構(gòu)按控制器送來的操縱信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的直線行程或轉(zhuǎn)角行程；調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)依靠這個(gè)行程來改變管道的阻力，實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的控制。下面分別講述執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理，最后講述整體性能及選擇。（一）執(zhí)行機(jī)構(gòu)按所使用的能源不同，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以分為氣動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)和自力式等不同種類。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以儀表風(fēng)（140kPa或250kPa、更高壓力）為動(dòng)力，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、安全防爆、成本低，在自動(dòng)化規(guī)模大（值得提供儀表風(fēng)系統(tǒng)）的場合很適用。液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以液壓為動(dòng)力，特點(diǎn)是功率大、到位準(zhǔn)確，但需提供液壓系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)要求高，只用在某些特殊場合，如煉油廠催化裂化裝置中對(duì)粉末狀催化劑的流量控制。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)靠伺服電機(jī)帶動(dòng)，出于它接收的是電信號(hào)，所以易與電動(dòng)控制器或集散控制系統(tǒng)配合使用，功率大，但在爆炸危險(xiǎn)場所必須采用相應(yīng)的防爆型號(hào)。自力式執(zhí)行機(jī)構(gòu)是利用被調(diào)介質(zhì)自身的能量來動(dòng)作的。例如，靠介質(zhì)壓力帶動(dòng)的調(diào)節(jié)閥，當(dāng)介質(zhì)壓力越高或超低時(shí)其執(zhí)行機(jī)構(gòu)就會(huì)動(dòng)作。此外還有靠介質(zhì)溫度、流量和液位驅(qū)動(dòng)的自力式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它們只能用在簡單控制場合。這里只介紹氣動(dòng)和電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。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)的結(jié)構(gòu)如圖10-2所示。由控制器來的20?100kPa）3操縱信號(hào)（對(duì)電動(dòng)操縱信號(hào)，要經(jīng)電/氣轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換）作用在由上膜蓋與波紋膜片構(gòu)成的氣室中，在波紋膜片上產(chǎn)生向下的推力，克服壓縮彈簧的彈力使推桿產(chǎn)生向下的行程。靠連接螺母，推桿的行程可以傳遞給調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。在圖10-2中，操縱信號(hào)從上端引入，當(dāng)信號(hào)壓力增大時(shí)，推桿向下移動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)稱為正作用。如果將操縱信號(hào)從下端a孔引入，則壓力增大時(shí)，推桿向上移動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)稱為反作用，當(dāng)然這種情況還要考慮薄膜下面氣室的密封問題等。為定量分析信號(hào)壓力與行程之間的關(guān)系，分三種情況討論。1） 、無負(fù)載狀態(tài)下的行程／壓力關(guān)系無負(fù)載狀態(tài)是指控桿不與調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)相連，也不考慮摩擦力的情況。在這種情況下，薄膜只受信號(hào)壓力和彈簧彈力的作用。2） 、帶負(fù)載狀態(tài)下的行程／壓力關(guān)系執(zhí)行機(jī)構(gòu)總是要帶動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)一起動(dòng)作的。由于被調(diào)介質(zhì)靜壓、壓差和閥桿摩擦力的影響，控制機(jī)構(gòu)的閥桿要對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推桿產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)烈的反作用，力，如圖10-3所示。這就要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠產(chǎn)生足夠大的推力，以克服反作用力，使閥桿到達(dá)應(yīng)有的行程。這個(gè)推力稱為輸出力，也是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的重要指標(biāo)。在被調(diào)介質(zhì)的壓力很高的情況下，反作用力F1往往是很大的，而且是隨行程變化而變化的，它對(duì)行程造成嚴(yán)重的影響?？梢圆捎脙煞N方法使推桿準(zhǔn)確到位。一種方法是采用面積更大的薄膜，或采用剛度小的彈簧。在反作用力F1大，但基本不隨行程變化，可視為定值的情況下，這種方法適用。這也是直接增大輸出力的方法。另一種方法是給執(zhí)行機(jī)構(gòu)加裝閥門定位器。3） 、閥門定位器及其作用給執(zhí)行機(jī)構(gòu)裝配閥門定位器，是克服閥桿反作用力，實(shí)現(xiàn)推桿準(zhǔn)確到位的有效方法，被廣泛采用，見圖10-4。在介紹閥門定位器之前，先引入噴嘴—擋板機(jī)構(gòu)和功率放大器。噴嘴—擋板機(jī)構(gòu)是氣動(dòng)儀表中的基本元件之一，一般用符號(hào)表示。其結(jié)構(gòu)如圖10-5所示。噴嘴后的空間稱為背壓室，室內(nèi)壓力稱為噴嘴背壓P背，此壓力即為噴嘴一擋板機(jī)構(gòu)的輸出壓力。壓縮空氣（約0.14MPa）作為氣源，經(jīng)恒氣阻進(jìn)入背壓室后，再由噴嘴一擋板間的間隙徘出（一般入大氣）。這股氣流經(jīng)過恒氣阻時(shí)，由于孔徑很?。ㄒ话銥?.15?0.3mm）,將對(duì)壓縮空氣的流動(dòng)造成很大的阻力，只有很少流量的氣流通過恒節(jié)流孔進(jìn)入背歷室。而背壓室中的壓力是隨噴嘴—擋板間的相對(duì)位移而變化的。當(dāng)擋板靠近噴嘴時(shí)，阻力增大，背壓室內(nèi)的氣體不易排出，則P背上升；反之，擋板離開噴嘴時(shí)，阻力減小，由于噴嘴內(nèi)徑（一般為0.8?1.2mm）比恒節(jié)流孔徑大得多，所以壓縮空氣很容易地跑到大氣中，則P背下降。因此噴嘴一擋板間的距離h不同，就有不同的P背，從而完成了將擋板的微小位移轉(zhuǎn)換成氣壓信導(dǎo)的任務(wù)。噴嘴一擋板間的距離h與背壓室內(nèi)的壓力P背間的關(guān)系如圖10-6所示。噴嘴—當(dāng)板機(jī)構(gòu)的背壓必須經(jīng)過功率（定義為正比于壓力和流量之積的量）放大、才能送至其他機(jī)構(gòu)。這個(gè)放大裝置，就是功率放大器。一般用符號(hào)表示。氣動(dòng)閥門定位器接受氣動(dòng)調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)，然后產(chǎn)生和調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)成比例的氣壓信號(hào)，用以控制薄膜片或活塞式氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥。下面講講與氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥配套使用的力矩平衡式閥門定位器原理。配薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)閥門定位器的原理如圖所示：它是按力矩平衡原理工作的。當(dāng)進(jìn)入波紋管1的信號(hào)壓力增加時(shí)，波紋管1使之杠桿2繞支點(diǎn)15偏轉(zhuǎn)，孔板13靠近噴嘴14,噴嘴背壓升高，此背壓經(jīng)放大器16放大后的壓力PA輸入到氣動(dòng)執(zhí)行膜室8，并帶動(dòng)反饋桿9繞支點(diǎn)4偏轉(zhuǎn)，反饋凸輪與跟著作逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，通過渦輪10使副杠桿6繞支點(diǎn)7順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，從而使反饋彈簧拉伸，彈簧11對(duì)封存杠桿2的拉力達(dá)到力矩平衡時(shí)，閥門定位器達(dá)到平衡狀態(tài)。此時(shí)，一定的信號(hào)壓力就對(duì)應(yīng)于一定的閥桿位移，即對(duì)于一定的閥門開度。彈簧12是調(diào)零彈簧，調(diào)整其頂緊力可以改變擋板的初始位置，彈簧3是遷移彈簧，使定位器在接受不同范圍的輸入信號(hào)時(shí)，仍能產(chǎn)生相同范圍的輸出信號(hào)。加裝閥門定位器，不僅能改善行程／壓力關(guān)系，而且膜頭壓力來自就近的功率放大器，充放氣流量大，加快了推桿的動(dòng)作速度。改變凸輪形狀，還可改變行程／壓力關(guān)系，具有很大的靈活性。執(zhí)行機(jī)構(gòu)裝配閥門定位器后的行程／壓力關(guān)系，不受調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的反作用力的影響。事實(shí)上，這構(gòu)成了—個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制器來的壓力信號(hào)是這個(gè)控制系統(tǒng)的給定值，推桿行程是被控參數(shù)，反作用力是干擾。加到膜頭上去的壓力直接來自功率放大器，可以達(dá)到氣源壓力，所以會(huì)具備很大的輸出力，足以克服反作用力，使推桿準(zhǔn)確到位。電動(dòng)控制器與氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)相聯(lián)時(shí)，可以采用電／氣轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)信號(hào)向氣動(dòng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換；也可采用電／氣閥門定位器，兼具電／氣轉(zhuǎn)換器和定位器二者的功能。電／氣閥門定位器的結(jié)構(gòu)與閥門定位器相似、但要用線圈代替波紋管，以實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)到位移或力的轉(zhuǎn)換。除了行程／壓力關(guān)系。一般還會(huì)用額定行程、行程誤差和輸出力（力矩）來衡量執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能。裝配閥門定位器后，多項(xiàng)性能指標(biāo)會(huì)得到改善。氣動(dòng)多彈簧薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一種新型產(chǎn)品，見圖10-8所示。其薄膜采用較深的盆形結(jié)構(gòu)，有效面積變化??；壓縮彈簧采用多彈簧組合的形式，以減小高度；精確的設(shè)計(jì)和加工省去了壓縮彈簧的凋節(jié)件，可免去預(yù)緊量調(diào)校。這種產(chǎn)品體積小，重量較輕，裝校簡單。2、氣動(dòng)活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)加固10-9所示。當(dāng)通入活塞上、下氣室的壓力Pl、P2入不相等時(shí)，活塞就會(huì)在壓差作用下移動(dòng)，帶動(dòng)推桿產(chǎn)生行程。這種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程／壓力關(guān)系是兩位式的。要得到線性關(guān)系須配裝相應(yīng)的閥門定位器。與薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)相比較，活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)的額定行程長（可達(dá)400mm）,輸出力大。適合與大口徑、高壓差調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)配用。3、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收由控制器來的4?20mA操縱信號(hào)，通過控制電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)產(chǎn)生推桿的直行程或角行程。因?yàn)椴倏v信號(hào)功率小，不可能驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，所以要配備功率放大器，構(gòu)成一個(gè)以行程為被控參數(shù)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。這種執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際是一整套系統(tǒng)，包括信號(hào)比較、功率放大、單相低速同步電動(dòng)機(jī)、減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相位置反饋電路等幾部分組成。一般前兩部分集中在—塊儀表中，稱為伺服放大器，一般裝在室內(nèi)；后三部分集中在一起，一般被簡稱為執(zhí)行機(jī)構(gòu)（與執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)不同），安裝在現(xiàn)場。系統(tǒng)構(gòu)成如圖10-10所示。1） 、伺服放大器伺服放大器采用220V交流電源，將控制器送來的和位置反饋電路送來的兩個(gè)4?20mA信號(hào)相比較，將偏差放大后觸發(fā)正或反轉(zhuǎn)可控硅電路，輸出足夠功率的電流以驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。2） 、執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的低速（如60r/min）同步電動(dòng)機(jī)按照伺服放大器輸出的驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生相應(yīng)的正、反轉(zhuǎn)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)把電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成推桿的直行程或角行程，同時(shí)減速以增大力矩。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)還帶有制動(dòng)輪和制動(dòng)盤，以便在斷電或無驅(qū)動(dòng)電流時(shí)保持原行程。位置反饋電路利用差動(dòng)變壓器把推桿的實(shí)際行程轉(zhuǎn)化成4?20mA電流，送入到伺服放大器中作此較用，以保證行程與控制器送來的操縱信號(hào)成對(duì)應(yīng)的關(guān)系。這種關(guān)系由位置反饋電路的性質(zhì)決定，一般是線性關(guān)系。隨著大功率電子器件的小型化，也可以將伺服放大器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化，使得系統(tǒng)更緊湊。（二）調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)一種典型的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖10-13所示。通過法蘭將它安裝在工藝管道上，流體從A進(jìn)入，經(jīng)過流道及閥芯閥座間隙，從B流出。閥芯通過閥桿與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推桿相連，當(dāng)推桿上下移動(dòng)時(shí)閥芯也上下移動(dòng)，改變間隙的流通阻力，從而控制流體流量。上閥蓋的作用非常重要，它不僅對(duì)閥桿導(dǎo)向，而且起密封作用。上閥蓋內(nèi)的密封填料被壓板壓緊后阻止了流道中流體沿閥桿的泄漏。圖中所示的是普遍型上閥蓋，適于常溫流體。對(duì)于高溫、深冷流體，可采用散熱型上閥蓋，以防填料因溫度過高過低而失效，對(duì)于揮發(fā)性有毒流體，可采用波紋管密封型上閥蓋以徹底避免外漏。1、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的種類按閥芯動(dòng)作的方式不同，可將調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)分成直行程和角行程兩大類。閥桿帶動(dòng)閥芯沿直線運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)屬于直行程類。圖10-13所示的就是一種直行程調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，稱為直通單座閥。所謂直通是指入、出口在同一直線上，與此相對(duì)應(yīng)的是角通和三通調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。所謂單座是指只有一組閥芯和閥座，特點(diǎn)是閥芯閥座間的泄漏量（閥芯壓緊閥座后仍能流過的流量）很小，但不平衡力（流體對(duì)閥芯產(chǎn)生的軸向力，即對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的反作用力）較大。其他幾種常見的直行程類調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖10-14所示。直通雙座閥（圖中（a））有兩套閥芯閥座，流體從兩個(gè)環(huán)形間隙中流過。流體對(duì)上、下兩個(gè)閥芯所產(chǎn)生的軸向力可以部分抵消，所以不平衡力較??；單兩套閥座不易同時(shí)關(guān)嚴(yán)，所以泄漏量較大。三通調(diào)節(jié)閥（圖巾（b））有兩條流道。流體從一端進(jìn)從另兩端出的的又稱為分流三通閥；從兩端進(jìn)從另一端出的又稱為合流三通閥。三通調(diào)節(jié)閥多用于換熱器及旁路的冷熱流控制。合流三通閥的冷熱流溫差不宜太大，以免在閥體內(nèi)造成過大的應(yīng)力而導(dǎo)致?lián)p壞。角形調(diào)節(jié)閥（圖中（c））的流道比較簡單，不易堵塞，適于高粘度、含顆粒流體的流量控制；與直通類閥門相比較，少一個(gè)開口，所以從結(jié)構(gòu)耐壓看，能適于高壓場合。隔膜調(diào)節(jié)閥（圖中（d））采用耐腐蝕閥體和隔膜代替閥芯和閥座，由隔膜控制流量，不會(huì)外漏，適于腐蝕、有毒流體的調(diào)節(jié)。筒套調(diào)節(jié)閥（圖中（e））是一種性能優(yōu)良的閥，其閥座是一個(gè)空心圓柱形套筒、側(cè)面開有一定形狀的窗口；閥芯也是一個(gè)空心圓柱筒，它與套筒緊密配合，可在套筒內(nèi)上下移動(dòng)，通過改變窗口流通面積來控制流量。圓柱筒閥芯的上下是連通的，所以不平衡力極小。這種調(diào)節(jié)閥的噪聲小，穩(wěn)定性好，閥芯互換性強(qiáng)。閥芯按轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)屬于角行程類。幾種常見的角行程調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)見圖10-15所示。它們的閥芯相對(duì)于閥座轉(zhuǎn)動(dòng)，改變間隙阻力.從而控制流量。蝶閥（圖中（a））適于安裝在粗管上，例如用于控制大流量的氣體等?，F(xiàn)在有一種偏心蝶閥，既可在一定范圍內(nèi)控制流量，也可完全切斷流量。球閥（圖中（b））及V型球閥（圖（c））適于含顆粒流體的控制。偏心旋轉(zhuǎn)閥（圖中（d））的閥芯呈球面，在壓力作用下?lián)锨勰墚a(chǎn)生撓曲變形，使閥芯球面與閥座密封圈緊密接觸，密封性能良好，適于既要求控制又要求關(guān)斷流體的場合。另外，根據(jù)其他特點(diǎn)還有滑閥、閘閥、針閥等調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，這里就不一一敘述了。2、 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是直行程類的，就應(yīng)選用直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)；調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是角行程類的，就應(yīng)選用角行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如果調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的不平衡力較小，行程也較短，可選用薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)；如果不平衡力較大，管徑粗行程長，可選用活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如果選用了薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)，要求增加輸出力，改善行程／信號(hào)壓力關(guān)系，可加裝閥門定位器；對(duì)活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)，除用在兩位式場合外都要裝配閥門定位器。在沒有配置氣源的場合可以使用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，但要注意有無防爆要求。3、 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的選擇1）、結(jié)構(gòu)形式和材質(zhì)的選擇根據(jù)工藝狀況（溫度、壓力、壓降、流速）和流體性質(zhì)（粘度、含懸浮物、蒸汽壓、腐蝕性、毒性等）綜合考慮選擇適當(dāng)?shù)拈y形。對(duì)腐蝕性介質(zhì)要選用相應(yīng)防腐材質(zhì)的閥內(nèi)件。調(diào)節(jié)閥的耐壓與溫度有關(guān)，溫度升高耐壓會(huì)下降，有些材質(zhì)當(dāng)承受溫度過高后會(huì)導(dǎo)致耐壓的永久性下降，如圖10-22所示。2）、泄漏量泄漏量定義為：在全關(guān)位置巳施加一定的關(guān)閉力時(shí)，流體在一定壓力、壓差下流過閥的流量。一般按相對(duì)于額定流量系數(shù)的百分比、將泄漏指標(biāo)劃分成8級(jí)。注意，測(cè)定泄漏量時(shí)要求在膜頭上施加一定的關(guān)閉力，這與可調(diào)比中的最小流量是不同的。3）、流量特性的選擇根據(jù)工藝對(duì)象的特點(diǎn)選擇閥的流量特性，使得被控對(duì)象與調(diào)節(jié)閥組成的廣義對(duì)象具有好的特性（線性），會(huì)有利于控制系統(tǒng)的控制效果。4）、額定流量系數(shù)及口徑的選擇根據(jù)工藝參數(shù)來選擇額定流量系數(shù)。按表達(dá)式流量系數(shù)顯然與口徑（公稱通徑，即入口法蘭內(nèi)徑）大小有關(guān)?？趶降倪x擇具有重要意義，口徑選得過小，額定流量系數(shù)就小，全開后仍無法流過足夠的流量；口徑選擇過大，尺寸大，價(jià)格高，而且在正常流量下調(diào)節(jié)閥工作在小開度范圍，不穩(wěn)定，易振蕩。選擇口徑前要先計(jì)算出所需要的額定流量系數(shù)，據(jù)此查廠家提供的調(diào)節(jié)閥規(guī)格表（如表10—4），以確定合適的口徑?？砂聪率霾襟E計(jì)算口徑：（1）確定工藝上的最大流量Qmax。⑵確定最大流量下的閥壓降A(chǔ)PQmax0這就需知道管道阻力配置情況，并由此算出S值來（有時(shí)在管道設(shè)計(jì)資料中直接給出S）。（3） 判斷該狀態(tài)下是否出現(xiàn)了阻塞流；是否需要低雷諾數(shù)修正。對(duì)高壓差、易汽化介質(zhì)、高粘度介質(zhì)等場合要特別注意。（4） 計(jì)算出最大流量下的流量系數(shù)，按已定的閥形查表得到最接近的額定流量系數(shù)Cg。注意選取的Cg不能小于計(jì)算C值，以確保能流過最大流量。（5） 開度驗(yàn)算。按選取的流量特性來驗(yàn)算工藝最大最小流量對(duì)應(yīng)的開度?！阆Ｍ_度在10％一90％之間。（6） 可調(diào)比驗(yàn)算。工藝上的最大最小流量之比相對(duì)全開全關(guān)流量之比要小。（三） 調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇一個(gè)反饋控制系統(tǒng)的特性是由控制器與廣義對(duì)象所組成，當(dāng)控制器的參數(shù)被確定之后，系統(tǒng)的特性也就被決定了。在生產(chǎn)過程中，負(fù)荷的變化將可能導(dǎo)致被控對(duì)象的特性發(fā)生變化，而參數(shù)已調(diào)整（又稱整定）好的控制器只能適用于一個(gè)確定的對(duì)象特性，因此，如控制器參數(shù)不變就難以適應(yīng)不同負(fù)荷的工況，對(duì)于預(yù)先可知的緩慢的負(fù)荷變化，可以根據(jù)負(fù)荷變化設(shè)法人工地或自動(dòng)地進(jìn)行控制器參數(shù)的調(diào)整，以求達(dá)到系統(tǒng)正常運(yùn)行的目的。但是由于隨機(jī)性的負(fù)荷變化，特別是當(dāng)變化幅度大而變化頻繁時(shí)，人工整定就不可能，因此需要考慮控制系統(tǒng)自身具有克服負(fù)荷變化的能力?，F(xiàn)在提出的調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇是把調(diào)節(jié)閥看成廣義對(duì)象的一部分，當(dāng)被控對(duì)象特性在負(fù)荷改變發(fā)生變化時(shí)，起著修正對(duì)象特性的作用、用它的補(bǔ)償作用使得廣義對(duì)象特性基本保持不變。調(diào)節(jié)閥特性補(bǔ)償示意圖如圖14-4所示。由上面調(diào)節(jié)閥流量特性選擇的基本準(zhǔn)則可知，若被控對(duì)象為線性時(shí)，調(diào)節(jié)閥可采用直線工作特性，而對(duì)于那些隨負(fù)荷變化具有非線性的被控對(duì)象，調(diào)節(jié)閥則應(yīng)選非線性工作特性。另外需要指出的是，還應(yīng)考慮工程應(yīng)用時(shí)調(diào)節(jié)閥的前后實(shí)際壓降情況，進(jìn)行工作特性的修正。調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)形式的選擇調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)形式的選擇原則主要是從工藝生產(chǎn)的安全要求出發(fā)。當(dāng)氣壓信號(hào)中斷（即無控制信號(hào)）時(shí)，視調(diào)節(jié)閥處在全開或全關(guān)哪一位置對(duì)生產(chǎn)造成的危害大小而定。如圖14-5所示的加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)，控制進(jìn)入加熱爐內(nèi)燃料流