執(zhí)行器的選擇幫你解決

1、執(zhí)行器的選擇 執(zhí)行器是過程控制系統(tǒng)的一個重要組成部分，其特性好壞對控制質(zhì)量的影響是很大的。而由于其結(jié)構(gòu)較簡單又較粗糙，所以往往不被人們所重視。本節(jié)從提高過程控制質(zhì)量和系統(tǒng)安全角度對執(zhí)行器的選擇做進一步的介紹。 執(zhí)行器由執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)構(gòu)成。 在過程控制中，使用最多的執(zhí)行機構(gòu)是氣動執(zhí)行器，其次是電動執(zhí)行器，較少采用液動執(zhí)行器。 在過程控制中，調(diào)節(jié)機構(gòu)大多采用閥的形式，控制各種氣體或液體的流量與流速。 在過程控制中，應(yīng)用最廣泛的執(zhí)行器是氣動調(diào)節(jié)閥。 實踐證明，在過程控制系統(tǒng)設(shè)計中，若調(diào)節(jié)閥特性選用不當(dāng)，閥門動作不靈活，口徑大小不合適，都會嚴(yán)重影響控制質(zhì)量。 所以應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)過程的特點、被控介質(zhì)的情

2、況和安全運行需要，并從系統(tǒng)設(shè)計的總體考慮，選用合適的執(zhí)行器。 在過程控制系統(tǒng)設(shè)計中，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)計算所得的流通能力C值來選擇。 調(diào)節(jié)閥口徑選得過小，當(dāng)系統(tǒng)受到較大擾動時，調(diào)節(jié)閥可能運行在全開或接近全開的非線性飽和工作狀態(tài)，使系統(tǒng)暫時失控。 調(diào)節(jié)閥口徑選得過大，系統(tǒng)運行中閥門會經(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)閥流量特性對控制質(zhì)量的影響是很大的，下面從不同角度來分析調(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，即分兩步進行。首先根據(jù)過程控制系統(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)定運行準(zhǔn)則。 根據(jù)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行準(zhǔn)則，擾動或設(shè)定變化時，控制系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定運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)動態(tài)穩(wěn)定運行的條件是控制系統(tǒng)總開環(huán)傳遞函數(shù)的模基本恒定。 通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)機構(gòu)的增益來補償因?qū)ο笤鲆孀兓斐砷_環(huán)總增

4、益變化的影響。即用Kv的變化補償Kp的變化，使K開KcKvKpKm恒定。 這樣，當(dāng)對象增益Kp隨負(fù)荷或設(shè)定變化時，通過選擇合適的調(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）、檢測變送環(huán)節(jié)增益不隨負(fù)荷或設(shè)定而變化，且被控對象的增益為正。對被控對象增益為負(fù)的情況可類似分析。 隨動控制系統(tǒng)：設(shè)定值變化，負(fù)荷不變，對象輸入輸出特性上凸 負(fù)荷線不變，工作點從A移到B Q大時的Kp小， Q小時的Kp大 應(yīng)選Q大時Kv小， Q小時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

5、控制系統(tǒng)：設(shè)定值變化，負(fù)荷不變，對象輸入輸出特性線性 負(fù)荷線不變，工作點從A移到B Q變化時的Kp不變 應(yīng)選Q變化時Kv不變 調(diào)節(jié)閥工作流量特性應(yīng)選線性型 隨動控制系統(tǒng)：設(shè)定值變化，負(fù)荷不變，對象輸入輸出特性下凹 負(fù)荷線不變，工作點從A移到B Q大時的Kp大，Q小時的Kp小 應(yīng)選Q大時Kv小，Q小時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)荷擾動影響，設(shè)定值不變，對象輸入輸出特性上凸 負(fù)荷線隨負(fù)荷變化，工作點從A點移到B點 Q大時的Kp小，Q小時的Kp大 應(yīng)選Q大時Kv大，Q小時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)荷擾動影響，設(shè)定值不變，對象輸入輸

6、出特性線性 負(fù)荷線隨負(fù)荷變化，工作點從A點移到B點 Q變化時的Kp不變 應(yīng)選Q變化時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)荷擾動影響，設(shè)定值不變，對象輸入輸出特性下凹 負(fù)荷線隨負(fù)荷變化，工作點從A點移到B點 Q大時的Kp大，Q小時的Kp小 應(yīng)選Q大時Kv小，Q小時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)閥前壓力擾動影響，設(shè)定值不變，負(fù)荷也不變 負(fù)荷線不變，工作點也不變 流過調(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 對象增益 12114322ttCGttCG14311222tttCGCGt43112pttCGCK 負(fù)荷G1變化被控對象的負(fù)荷線隨G1變化G2大時Kp小，G2小時Kp大應(yīng)選調(diào)節(jié)閥流量特性，使G2大時Kv大，G2小時Kv大選用等百分比特性 溫度t1變化被控對象的負(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)荷線也不變工作點不變，即流過調(diào)節(jié)閥的流量Q不變，因此，對象增益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，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。實際應(yīng)用時考慮壓降比的影響，通常選用線性特性調(diào)節(jié)閥。 2mKQYKQ2

9、dQdYKm 根據(jù)穩(wěn)定運行準(zhǔn)則，從動態(tài)考慮選擇調(diào)節(jié)閥工作特性時，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償由于被控對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)動態(tài)穩(wěn)定運行準(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，有 即 當(dāng)控制器、被控對象不變，即Ti、KC 、TO、 KO不變時，要使過渡過程的衰減比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)過程通常受到多種擾動的影響，應(yīng)找出對控制系統(tǒng)有較大影響的主要擾動，并據(jù)此選擇調(diào)節(jié)閥工作流量特性。 被控對象的特性可以用圖形方法分析，也可用解析方法分析。當(dāng)被控對象的特性用圖形描述時，宜用圖解法選擇調(diào)節(jié)閥流量特性；當(dāng)被控對象的特性用解析式描述時，宜用解析法選擇調(diào)節(jié)閥流量特性。 在考慮被控對象特性時，應(yīng)從整個工作范圍考慮，而不能僅局限在工作點附近，因為，在工

11、作點附近的特性通?？山茷榫€性，從而不能獲得正確的分析結(jié)果。所用的被控對象動態(tài)方程應(yīng)是增量化前的方程。 由于被控對象的動態(tài)放大系數(shù)與靜態(tài)放大系數(shù)不相等，因此，在對控制質(zhì)量要求高時，應(yīng)從動態(tài)考慮和分析。 流量特性的選擇用于補償廣義被控對象的非線性特性，但有時被控對象的非線性并不能夠用選擇調(diào)節(jié)閥的流量特性來補償（例如pH控制系統(tǒng)），這時可以通過選擇檢測變送器或控制器的特性來滿足補償要求。 從動態(tài)考慮時，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，但對某些被控對象并不能夠得到滿意的結(jié)果，這時可以通過選擇檢測變送器或控制器的特性來滿足要求。 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，理想流量特性與工作流量特性幾乎相同。 當(dāng)S0.30.6時，調(diào)節(jié)閥流量特性無論是線性的或?qū)?shù)的，均應(yīng)選擇對數(shù)的理想流量特性。 當(dāng)S0.3時，一般的調(diào)節(jié)閥已不宜用于自動控制，這時應(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)驗法，即根據(jù)被控變量類型和對象特性來確定流量特性。 根據(jù)被控變量類型和對象特性確定流量特性的經(jīng)驗方

13、法見過程控制工程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程的安全要求，即當(dāng)過程控制系統(tǒng)發(fā)生故障，如氣源中斷、控制器或調(diào)節(jié)閥損壞時，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，應(yīng)考慮以下情況考慮事故狀態(tài)時調(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入或流出設(shè)備或裝置。 下面是幾個常用選擇規(guī)則： 進入設(shè)備或裝置的原料或熱源應(yīng)切斷，因此，選擇進料閥為氣開閥。 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。 示例二 進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 精餾塔的進料調(diào)節(jié)閥一般選用氣開式，這樣