執(zhí)行器的選擇幫你解決

1、執(zhí)行器的選擇 執(zhí)行器是過(guò)程控制系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，其特性好壞對(duì)控制質(zhì)量的影響是很大的。而由于其結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單又較粗糙，所以往往不被人們所重視。本節(jié)從提高過(guò)程控制質(zhì)量和系統(tǒng)安全角度對(duì)執(zhí)行器的選擇做進(jìn)一步的介紹。 執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)構(gòu)成。 在過(guò)程控制中，使用最多的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是氣動(dòng)執(zhí)行器，其次是電動(dòng)執(zhí)行器，較少采用液動(dòng)執(zhí)行器。 在過(guò)程控制中，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)大多采用閥的形式，控制各種氣體或液體的流量與流速。 在過(guò)程控制中，應(yīng)用最廣泛的執(zhí)行器是氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥。 實(shí)踐證明，在過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，若調(diào)節(jié)閥特性選用不當(dāng)，閥門動(dòng)作不靈活，口徑大小不合適，都會(huì)嚴(yán)重影響控制質(zhì)量。 所以應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)、被控介質(zhì)的情

2、況和安全運(yùn)行需要，并從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體考慮，選用合適的執(zhí)行器。 在過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，調(diào)節(jié)閥的公稱直徑Dg和閥座直徑dg必須很好選擇。 調(diào)節(jié)閥的公稱直徑Dg和閥座直徑dg根據(jù)計(jì)算所得的流通能力C值來(lái)選擇。 調(diào)節(jié)閥口徑選得過(guò)小，當(dāng)系統(tǒng)受到較大擾動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)閥可能運(yùn)行在全開或接近全開的非線性飽和工作狀態(tài)，使系統(tǒng)暫時(shí)失控。 調(diào)節(jié)閥口徑選得過(guò)大，系統(tǒng)運(yùn)行中閥門會(huì)經(jīng)常處于小開度的工作狀態(tài)，不但調(diào)節(jié)不靈敏，而且易造成流體對(duì)閥芯、閥座的嚴(yán)重沖蝕，在不平衡力作用下產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，甚至引起調(diào)節(jié)閥失靈。 在正常工況下要求調(diào)節(jié)閥開度處于1585之間。 調(diào)節(jié)閥流量特性對(duì)控制質(zhì)量的影響是很大的，下面從不同角度來(lái)分析調(diào)節(jié)閥流量

3、特性選擇的基本原則。 調(diào)節(jié)閥的流量特性分理想流量特性和工作流量特性。 制造廠出廠提供的流量特性是理想流量特性，實(shí)際應(yīng)用需要的是工作流量特性。 調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇一般采用兩步法，即分兩步進(jìn)行。首先根據(jù)過(guò)程控制系統(tǒng)的要求，確定工作流量特性，然后根據(jù)流量特性曲線的畸變程度，確定理想流量特性，以作為向生產(chǎn)廠家訂貨的內(nèi)容。 選擇調(diào)節(jié)閥工作流量特性的依據(jù)是控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行準(zhǔn)則。 根據(jù)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行準(zhǔn)則，擾動(dòng)或設(shè)定變化時(shí)，控制系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行的條件是控制系統(tǒng)各開環(huán)增益之積基本恒定；控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行的條件是控制系統(tǒng)總開環(huán)傳遞函數(shù)的?；竞愣?。 通過(guò)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的增益來(lái)補(bǔ)償因?qū)ο笤鲆孀兓斐砷_環(huán)總增

4、益變化的影響。即用Kv的變化補(bǔ)償Kp的變化，使K開KcKvKpKm恒定。 這樣，當(dāng)對(duì)象增益Kp隨負(fù)荷或設(shè)定變化時(shí)，通過(guò)選擇合適的調(diào)節(jié)閥流量特性，使調(diào)節(jié)閥增益Kv與Kp之積保持基本不變。 從靜態(tài)考慮，控制閥工作流量特性的選擇依據(jù)是使Kv與Kp之積保持基本不變。 下面的分析均假設(shè)控制器增益（或比例度）、檢測(cè)變送環(huán)節(jié)增益不隨負(fù)荷或設(shè)定而變化，且被控對(duì)象的增益為正。對(duì)被控對(duì)象增益為負(fù)的情況可類似分析。 隨動(dòng)控制系統(tǒng)：設(shè)定值變化，負(fù)荷不變，對(duì)象輸入輸出特性上凸 負(fù)荷線不變，工作點(diǎn)從A移到B Q大時(shí)的Kp小， Q小時(shí)的Kp大 應(yīng)選Q大時(shí)Kv小， Q小時(shí)Kv大 調(diào)節(jié)閥工作流量特性應(yīng)選等百分比或拋物線型 隨動(dòng)

5、控制系統(tǒng)：設(shè)定值變化，負(fù)荷不變，對(duì)象輸入輸出特性線性 負(fù)荷線不變，工作點(diǎn)從A移到B Q變化時(shí)的Kp不變 應(yīng)選Q變化時(shí)Kv不變 調(diào)節(jié)閥工作流量特性應(yīng)選線性型 隨動(dòng)控制系統(tǒng)：設(shè)定值變化，負(fù)荷不變，對(duì)象輸入輸出特性下凹 負(fù)荷線不變，工作點(diǎn)從A移到B Q大時(shí)的Kp大，Q小時(shí)的Kp小 應(yīng)選Q大時(shí)Kv小，Q小時(shí)Kv大 調(diào)節(jié)閥工作流量特性應(yīng)選快開型 定值控制系統(tǒng)：受負(fù)荷擾動(dòng)影響，設(shè)定值不變，對(duì)象輸入輸出特性上凸 負(fù)荷線隨負(fù)荷變化，工作點(diǎn)從A點(diǎn)移到B點(diǎn) Q大時(shí)的Kp小，Q小時(shí)的Kp大 應(yīng)選Q大時(shí)Kv大，Q小時(shí)Kv小 調(diào)節(jié)閥工作流量特性應(yīng)選等百分比或拋物線型 定值控制系統(tǒng)：受負(fù)荷擾動(dòng)影響，設(shè)定值不變，對(duì)象輸入輸

6、出特性線性 負(fù)荷線隨負(fù)荷變化，工作點(diǎn)從A點(diǎn)移到B點(diǎn) Q變化時(shí)的Kp不變 應(yīng)選Q變化時(shí)Kv不變 調(diào)節(jié)閥工作流量特性應(yīng)選線性型 定值控制系統(tǒng)：受負(fù)荷擾動(dòng)影響，設(shè)定值不變，對(duì)象輸入輸出特性下凹 負(fù)荷線隨負(fù)荷變化，工作點(diǎn)從A點(diǎn)移到B點(diǎn) Q大時(shí)的Kp大，Q小時(shí)的Kp小 應(yīng)選Q大時(shí)Kv小，Q小時(shí)Kv大 調(diào)節(jié)閥工作流量特性應(yīng)選快開型 定值控制系統(tǒng)：受調(diào)節(jié)閥前壓力擾動(dòng)影響，設(shè)定值不變，負(fù)荷也不變 負(fù)荷線不變，工作點(diǎn)也不變 流過(guò)調(diào)節(jié)閥的流量Q不變，但閥兩端壓力變化引起最大流量Qmax變化 對(duì)象增益Kp不變，應(yīng)選擇調(diào)節(jié)閥的增益Kv使之不隨Qmax變化 線性型調(diào)節(jié)閥的Kv隨Qmax變化，等百分比型調(diào)節(jié)閥的Kv不隨Q

7、max變化 應(yīng)選擇等百分比流量特性的調(diào)節(jié)閥 例例：換熱器定值控制系統(tǒng)中控制閥工作流量特性的選擇 根據(jù)熱量平衡方程有 即 對(duì)象增益 12114322ttCGttCG14311222tttCGCGt43112pttCGCK 負(fù)荷G1變化被控對(duì)象的負(fù)荷線隨G1變化G2大時(shí)Kp小，G2小時(shí)Kp大應(yīng)選調(diào)節(jié)閥流量特性，使G2大時(shí)Kv大，G2小時(shí)Kv大選用等百分比特性 溫度t1變化被控對(duì)象的負(fù)荷線隨t1變化Kp不隨G2大小的變化而變化，即Kp為常數(shù)應(yīng)選調(diào)節(jié)閥流量特性，使Kv不隨G2變化而變化選用線性特性 擾動(dòng)為調(diào)節(jié)閥前壓力變化設(shè)定值不變，負(fù)荷線也不變工作點(diǎn)不變，即流過(guò)調(diào)節(jié)閥的流量Q不變，因此，對(duì)象增益Kp不

8、變應(yīng)選控制閥的增益Kv，使之不隨Qmax變化選擇等百分比流量特性的調(diào)節(jié)閥 又例又例：某流量控制系統(tǒng)如圖所示，采用孔板測(cè)量流量，分析使用差壓變送器和流量變送器（或差壓變送器加開方器）時(shí)，從靜態(tài)考慮調(diào)節(jié)閥工作流量特性的選擇。 被控變量與操縱變量相同，為流量Q，流量對(duì)象Kp1。 使用流量變送器變送器輸出與流量成正比，Km常數(shù)為使系統(tǒng)穩(wěn)定，選Kv恒定的調(diào)節(jié)閥，即線性特性調(diào)節(jié)閥 使用差壓變送器變送器輸出與流量平方成正比，即使KmKp與流量Q成正比，為補(bǔ)償該非線性關(guān)系，應(yīng)選擇Kv與流量Q的倒數(shù)成正比的調(diào)節(jié)閥流量特性，即選快開特性控制閥。實(shí)際應(yīng)用時(shí)考慮壓降比的影響，通常選用線性特性調(diào)節(jié)閥。 2mKQYKQ2

9、dQdYKm 根據(jù)穩(wěn)定運(yùn)行準(zhǔn)則，從動(dòng)態(tài)考慮選擇調(diào)節(jié)閥工作特性時(shí)，應(yīng)在工作頻率下總開環(huán)幅頻特性和相頻特性保持基本不變，尤其是幅值比保持基本不變。 選擇合適的調(diào)節(jié)閥工作流量特性可在一定程度上補(bǔ)償由于被控對(duì)象幅頻和相頻特性的非線性造成的系統(tǒng)不穩(wěn)定。 例：某液位控制系統(tǒng)的方框圖如圖示，控制器采用PI控制規(guī)律。 根據(jù)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行準(zhǔn)則，應(yīng)有 式中K為常數(shù)。因KC可調(diào)，可設(shè)K1。 KsT1sT1sTKKKiOiCVO 上式可改寫為 與二階系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)形式 相比較，可得到 因此有 01sTKKKsT1sTiCVOiO0s2s221T2KKK1OCVOiOCVOTTKKKCVO2CVOiO2KKKKKK1TT4 當(dāng)

10、KOKVKC1時(shí)，有 即 當(dāng)控制器、被控對(duì)象不變，即Ti、KC 、TO、 KO不變時(shí)，要使過(guò)渡過(guò)程的衰減比n固定不變，即不變，則要求KV也不變，調(diào)節(jié)閥的工作流量特性應(yīng)選KV不變的線性特性。 CVOiO2KKKTT4iCOO2VTKKT4K 生產(chǎn)過(guò)程通常受到多種擾動(dòng)的影響，應(yīng)找出對(duì)控制系統(tǒng)有較大影響的主要擾動(dòng)，并據(jù)此選擇調(diào)節(jié)閥工作流量特性。 被控對(duì)象的特性可以用圖形方法分析，也可用解析方法分析。當(dāng)被控對(duì)象的特性用圖形描述時(shí)，宜用圖解法選擇調(diào)節(jié)閥流量特性；當(dāng)被控對(duì)象的特性用解析式描述時(shí)，宜用解析法選擇調(diào)節(jié)閥流量特性。 在考慮被控對(duì)象特性時(shí)，應(yīng)從整個(gè)工作范圍考慮，而不能僅局限在工作點(diǎn)附近，因?yàn)椋诠?/p>

11、作點(diǎn)附近的特性通常可近似為線性，從而不能獲得正確的分析結(jié)果。所用的被控對(duì)象動(dòng)態(tài)方程應(yīng)是增量化前的方程。 由于被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)放大系數(shù)與靜態(tài)放大系數(shù)不相等，因此，在對(duì)控制質(zhì)量要求高時(shí)，應(yīng)從動(dòng)態(tài)考慮和分析。 流量特性的選擇用于補(bǔ)償廣義被控對(duì)象的非線性特性，但有時(shí)被控對(duì)象的非線性并不能夠用選擇調(diào)節(jié)閥的流量特性來(lái)補(bǔ)償（例如pH控制系統(tǒng)），這時(shí)可以通過(guò)選擇檢測(cè)變送器或控制器的特性來(lái)滿足補(bǔ)償要求。 從動(dòng)態(tài)考慮時(shí)，流量特性的選擇用于使系統(tǒng)總的幅頻特性和相頻特性保持恒定，但對(duì)某些被控對(duì)象并不能夠得到滿意的結(jié)果，這時(shí)可以通過(guò)選擇檢測(cè)變送器或控制器的特性來(lái)滿足要求。 由于調(diào)節(jié)閥制造廠提供的調(diào)節(jié)閥流量特性是理想流量特

12、性，因此，在確定調(diào)節(jié)閥工作流量特性后，應(yīng)根據(jù)被控變量類型和對(duì)象特性、壓降比S的影響等，確定調(diào)節(jié)閥理想流量特性。 考慮工藝配管情況，確定壓降比S后，可以從所需的工作流量特性出發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)壓降比確定理想流量特性。 根據(jù)系統(tǒng)壓降比確定理想流量特性的方法見下表。 當(dāng)S10.6時(shí)，理想流量特性與工作流量特性幾乎相同。 當(dāng)S0.30.6時(shí)，調(diào)節(jié)閥流量特性無(wú)論是線性的或?qū)?shù)的，均應(yīng)選擇對(duì)數(shù)的理想流量特性。 當(dāng)S0.3時(shí)，一般的調(diào)節(jié)閥已不宜用于自動(dòng)控制，這時(shí)應(yīng)選用低S控制閥。 調(diào)節(jié)閥理想流量特性的確定，亦可采用經(jīng)驗(yàn)法，即根據(jù)被控變量類型和對(duì)象特性來(lái)確定流量特性。 根據(jù)被控變量類型和對(duì)象特性確定流量特性的經(jīng)驗(yàn)方

13、法見過(guò)程控制工程P.123表2-38。 調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)形式的選擇主要是考慮工藝過(guò)程的安全要求，即當(dāng)過(guò)程控制系統(tǒng)發(fā)生故障，如氣源中斷、控制器或調(diào)節(jié)閥損壞時(shí)，調(diào)節(jié)閥應(yīng)處于什么狀態(tài)才是安全的。 在選擇調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)形式時(shí)，應(yīng)考慮以下情況考慮事故狀態(tài)時(shí)調(diào)節(jié)閥所處的狀態(tài)不致影響人身、工藝設(shè)備的安全?？紤]事故狀態(tài)下減少經(jīng)濟(jì)損失，保證產(chǎn)品質(zhì)量?？紤]介質(zhì)的性質(zhì)，防止事故狀態(tài)下物料結(jié)晶、凝固和堵塞給重新開工帶來(lái)麻煩，甚至損壞設(shè)備。 通常，選擇調(diào)節(jié)閥氣開、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。 下面是幾個(gè)常用選擇規(guī)則： 進(jìn)入設(shè)備或裝置的原料或熱源應(yīng)切斷，因此，選擇進(jìn)料閥為氣開閥。 設(shè)備或裝置的出料應(yīng)切斷，因此，選擇出料閥為氣開閥。 特殊場(chǎng)合，不應(yīng)使高溫高壓物流切斷或放空，因此，選擇保位閥。 示例一 鍋爐供水調(diào)節(jié)閥一般采用氣關(guān)式，一旦事故發(fā)生，可保證事故狀態(tài)下調(diào)節(jié)閥處于全開位置，使鍋爐不致因水中斷而燒干，甚至引起爆炸危險(xiǎn)。 示例二 進(jìn)加熱爐的燃料氣或燃料油的調(diào)節(jié)閥應(yīng)采用氣開式，一旦事故發(fā)生，調(diào)節(jié)閥處于全關(guān)狀態(tài)，切斷進(jìn)爐燃料，避免爐溫繼續(xù)升高，燒壞爐管，造成設(shè)備事故。 示例三 精餾塔的進(jìn)料調(diào)節(jié)閥一般選用氣開式，這樣