過(guò)程優(yōu)化的一個(gè)重要考慮因素。旋轉(zhuǎn)閥經(jīng)常產(chǎn)生磨擦問(wèn)題，因?yàn)殚y腔容量大，需要一些密封處理使其密封，廠家通常在制造時(shí)就對(duì)旋轉(zhuǎn)閥的密封處進(jìn)行潤(rùn)滑，但是幾百次循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)后，潤(rùn)滑層脫落，閥門的摩擦力增大至設(shè)計(jì)值的4倍或更多。
對(duì)直行程的閥而言，填料是主要的磨擦源，這類閥中，測(cè)得的摩擦力因閥門類型和填料不同而變化很大。
執(zhí)行機(jī)構(gòu)的種類也對(duì)控制閥組件的磨擦起著重要影響，通常，彈簧和膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)控制閥產(chǎn)生的磨擦小于氣缸式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這就是彈簧和膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)比氣缸式執(zhí)行機(jī)構(gòu)在被施加了小的控制信號(hào)時(shí)響應(yīng)更快的原因之一，以下還會(huì)詳述。
彈簧和膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是隨時(shí)間增長(zhǎng)，磨擦特性不變。而氣缸式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的磨擦則隨“O”型圈磨損和潤(rùn)滑油的消耗很快增大。在實(shí)際使用中，氣缸式執(zhí)行機(jī)構(gòu)維修頻率高于彈簧和膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
無(wú)效行程通指松動(dòng)或機(jī)械機(jī)構(gòu)的不緊密連接，由于松動(dòng)導(dǎo)致機(jī)械反向動(dòng)作時(shí)呈現(xiàn)非連續(xù)性。無(wú)效行程通常產(chǎn)生于不同配置的齒輪驅(qū)動(dòng)器，導(dǎo)軌式和齒輪式執(zhí)行機(jī)構(gòu)尤其可能因?yàn)闊o(wú)效行程易產(chǎn)生死區(qū)，很多閥桿連接也存在死區(qū)，齒槽連接通常比螺桿連接和雙“D”型連接產(chǎn)生的死區(qū)小。
然而磨擦是難于*消除的現(xiàn)象，一個(gè)性能良好的工程用控制閥應(yīng)該能夠從本質(zhì)上消除因無(wú)效行程而產(chǎn)生的死區(qū)。
4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)－定位器設(shè)計(jì)
執(zhí)行機(jī)構(gòu)與定位器的設(shè)計(jì)必須一起考慮，這兩個(gè)部分的結(jié)合對(duì)控制閥組件靜態(tài)特性（死區(qū)）產(chǎn)生極大影響，也影響動(dòng)態(tài)響應(yīng)和整臺(tái)閥的儀表風(fēng)耗量。
一個(gè)好的定位器對(duì)于減少工藝波動(dòng)來(lái)說(shuō)zui重要的特點(diǎn)是二級(jí)設(shè)計(jì)，即氣源能量放大后信號(hào)再放大。
在傳統(tǒng)二級(jí)式氣動(dòng)定位器中，*級(jí)是典型的噴嘴－擋板機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)高放大倍數(shù)的功率預(yù)放大器，這個(gè)功率預(yù)放大器提高了定位器對(duì)一個(gè)非常小的輸入信號(hào)變化的敏感程度，而這對(duì)于減少工藝波動(dòng)又是非常重要的，該功率預(yù)放大器也允許定位器在動(dòng)態(tài)條件下在較寬范圍內(nèi)維持高放大倍數(shù)。因?yàn)?級(jí)預(yù)放大后能量非常小，必須緊接著進(jìn)行能量放大階段，這樣能量才足以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這種能量放大器是一個(gè)繼動(dòng)器或一個(gè)小滑閥。
單級(jí)滑閥式的定位器因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單近來(lái)頗為流行，該設(shè)計(jì)比二級(jí)式設(shè)計(jì)更易于持續(xù)工作且造價(jià)更低，缺點(diǎn)是，大多數(shù)滑閥式定位器取得一定的*性但犧牲了設(shè)計(jì)中的*級(jí)預(yù)放大。這個(gè)定位器的輸入是一個(gè)很簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換模塊，能夠?qū)⑤斎胄盘?hào)（電或氣）轉(zhuǎn)化為滑閥的動(dòng)作。這種結(jié)構(gòu)對(duì)小信號(hào)變化極不敏感，導(dǎo)致了控制閥組件死區(qū)的增加。
一些制造廠企圖使用增大滑閥口徑，減小閥氣門重疊來(lái)改善性能，這樣增加了調(diào)節(jié)設(shè)備能量的放大倍數(shù)，從一定程度上改善了性能，但也由于所謂的“高放大倍數(shù)”滑閥的存在而增大了氣源的消耗，許多“高放大倍數(shù)”的滑閥式定位器有比高性能的二級(jí)式定位器高出5倍的儀表風(fēng)耗量。
二級(jí)式定位器給幾乎每一臺(tái)閥提供的動(dòng)態(tài)性能，相比之下，單級(jí)式定位器限制了控制閥的動(dòng)態(tài)性能。
圖2 各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能響應(yīng)圖
圖2顯示了在小的控制范圍內(nèi)，彈簧和膜片式且?guī)в卸?jí)定位器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能優(yōu)于帶有單級(jí)定位器的氣缸式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這主要由2個(gè)因素造成：彈簧和膜片組件靈敏度愈來(lái)愈高且磨擦力??；二級(jí)定位器的動(dòng)態(tài)性能愈來(lái)愈好。在常規(guī)工藝控制應(yīng)用中，小的輸入信號(hào)的變化(2%)其響應(yīng)死區(qū)時(shí)間更短，響應(yīng)時(shí)間更快。筆者注意到帶有二級(jí)定位器的氣缸式執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能也優(yōu)于帶單級(jí)滑閥式定位器的氣缸式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，總之，帶有二級(jí)式定位器的彈簧和膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能。
5儀表供風(fēng)壓力
儀表供風(fēng)壓力對(duì)控制閥組件的動(dòng)態(tài)特性有重要影響，例如它可以顯著影響定位器的放大倍數(shù)和總儀表風(fēng)耗量。
固定放大倍數(shù)的定位器通常通過(guò)工作于特定的供風(fēng)壓力來(lái)優(yōu)化其性能，該放大倍數(shù)可以因?yàn)橐恍┮蛩兀ㄐ》秶L(fēng)壓波動(dòng)）而變化。例如，一個(gè)經(jīng)過(guò)優(yōu)化且由138kPa供風(fēng)壓力供風(fēng)的定位器，當(dāng)供風(fēng)壓力突升至241kPa時(shí)，發(fā)現(xiàn)放大倍數(shù)降了一半，一個(gè)可調(diào)放大倍數(shù)的定位器需要以實(shí)際供風(fēng)壓力、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣容、組件的摩擦力和控制閥的應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)優(yōu)化放大倍數(shù)以提高靈敏度。
供風(fēng)壓力決定了傳遞到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣體量，然后由它zui終決定行程速度，它與儀表風(fēng)的消耗指標(biāo)也直接相關(guān)。
6控制閥的種類和特性
控制閥的種類和口徑可以對(duì)系統(tǒng)中控制閥組件的特性產(chǎn)生很大的影響。許多人擔(dān)心是否在任伺可能的情況下控制閥的口徑都足以通過(guò)所需的流量，然而，對(duì)于特定應(yīng)用場(chǎng)合，閥口徑過(guò)大也對(duì)過(guò)程工藝優(yōu)化不利。
控制閥的流通能力與控制閥種類的固有特性相關(guān)。典型的閥特性有：“線性”，“等百分比”和“快開”。
在恒壓降的特定條件下，閥流量?jī)H與閥桿的行程及固有的閥芯形狀設(shè)計(jì)有關(guān)。這就是這些特性被稱為閥的固有特性的原因。
流量的微增量（輸出）與引起該變化的閥桿行程微增量（輸入）之比率定義為閥的放大倍數(shù)。
閥放大倍數(shù)=流量變化/行程變化=斜率
線性特性在整個(gè)行程范圍內(nèi)均有恒定的閥放大倍數(shù)，快開特性在小開度時(shí)有固定的zui大放大倍數(shù)。對(duì)等百分比閥而言，閥的zui大放大倍數(shù)產(chǎn)生于開度zui大時(shí)。
閥的特性是由閥流通件的幾何尺寸所造成，不會(huì)變化。對(duì)固有特性的了解是很有用的，但是更重要的是從工藝優(yōu)化角度所考慮的整個(gè)系統(tǒng)的工作流量特性，包括閥和回路中的所有設(shè)備，工作流量特性被定義為通過(guò)閥的流量與閥桿行程的關(guān)系，此時(shí)閥被裝于一個(gè)特定的系統(tǒng)中，閥的壓降允許自然變化而不是保持恒定，對(duì)工作流量特性的描述如圖3所示。
圖3 控制閥工作流量特性和可調(diào)范圍
7保持回路放大倍數(shù)
通過(guò)閥芯的設(shè)計(jì)而使閥放大倍數(shù)呈現(xiàn)各種特性，是對(duì)整個(gè)控制回路中其他環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)加以補(bǔ)償?shù)氖侄?。zui終目的是維持整個(gè)操作范圍內(nèi)回路放大倍數(shù)合理且一致。
一般而言，被控設(shè)備的放大倍數(shù)都隨流量變化而變，例如，若單體的放大倍數(shù)隨流量的增加而趨于減少，工藝控制工程師將很可能使用一個(gè)等百分比閥，該閥隨流量增大而放大倍數(shù)增大。理想狀態(tài)下，這兩個(gè)反向關(guān)系將相互平衡以提供更加線性化的工作流量特性。
理論上講，在某個(gè)特定的流量條件下，整定一個(gè)回路以取得優(yōu)化的性能。當(dāng)流量在設(shè)定值附近變化的時(shí)候，期望保持回路放大倍數(shù)為一個(gè)常數(shù)來(lái)盡可能維持優(yōu)化性能。如果回路放大倍數(shù)因固有閥流量特性的變化而發(fā)生變化，不能地補(bǔ)償被控單體的放大倍數(shù)的變化，則整個(gè)回路放大倍數(shù)的波動(dòng)將使過(guò)程優(yōu)化更加困難。另外，也存在因回路增益變化很大而致過(guò)程不穩(wěn)定，或影響其他動(dòng)態(tài)性能。
通常，可以接受的原則是使回路放大倍數(shù)變化不能超過(guò)4:1，否則，回路動(dòng)態(tài)性能將會(huì)不穩(wěn)定。這個(gè)比例并非隨便給定，是由許多自控專業(yè)人員認(rèn)可，這樣在大多數(shù)控制回路中，放大倍數(shù)的變化裕度是可以接受的。由于它普遍地被接受，該原則形成了以下公式的基礎(chǔ)。
回路過(guò)程放大倍數(shù)=1.0(對(duì)應(yīng)變送器量程，%)/(調(diào)節(jié)器輸出，%)
通常范圍為：0.5～2.0
注意，該“回路過(guò)程”概念包括除調(diào)節(jié)器外的回路中的每一個(gè)環(huán)節(jié)，例如，控制閥的放大倍數(shù)，被控設(shè)備和變送器，因?yàn)榭刂崎y是回路過(guò)程的一部分，它的類型和口徑選擇非常重要，這樣將在整個(gè)系統(tǒng)操作范圍的特定放大倍數(shù)限度內(nèi)，使系統(tǒng)工作流量特性足夠線性化。如果閥本身產(chǎn)生太大的放大倍數(shù)的變化，調(diào)節(jié)器可調(diào)節(jié)的靈活性就較小，經(jīng)驗(yàn)告訴人們保持調(diào)節(jié)器的回路放大倍數(shù)盡可能大。
當(dāng)4:1的回路放大倍數(shù)比己被廣泛接受時(shí)，并不是每個(gè)人都接受0.5～2.0的放大倍數(shù)幅度，一些過(guò)程專家實(shí)際使用的放大倍數(shù)幅度范圍為0.2～0.8，這也是4:1的比率。然而，使用小的比例范圍有一種潛在的危險(xiǎn)，那就是低限導(dǎo)致正常操作時(shí)控制閥大幅度振蕩。通常操作經(jīng)驗(yàn)是保持閥的振蕩小于5%。0.5～2.0的范圍是較合理的，除非因一些邏輯上的原因而有其他選擇。然而，zui重要的是，過(guò)程優(yōu)化仍需選擇合適閥類型及口徑以在zui寬可操作范圍內(nèi)使放大倍數(shù)保持在可選幅度內(nèi)。
圖3、4中的工作流量特性曲線是根據(jù)一個(gè)控制回路得到，在手動(dòng)狀態(tài)的調(diào)節(jié)器中（開環(huán)），正常操作條件下，隨著控制閥保持穩(wěn)定，流量也穩(wěn)定下來(lái)，在這種工況下，閥輸入信號(hào)在正常行程范圍內(nèi)變化且流量響應(yīng)也可測(cè)。
一旦工作流量特性被建立起來(lái)，每一行程對(duì)應(yīng)曲線的斜率都能確定，工作流量特性曲線的斜率稱為系統(tǒng)工作過(guò)程放大倍數(shù)。如圖4所示，可能回路放大倍數(shù)可接受范圍為0.5～2.0。
圖4控制閥的可調(diào)范圍因閥型而異
如圖4所示，特殊蝶閥安裝于特殊回路中，它只能在可接受的特定增益范圍內(nèi)操作，行程范圍（29%～50%）大約對(duì)應(yīng)為20°的變化。一個(gè)閥能在可接受范圍裕度內(nèi)工作，該范圍稱為閥的“可調(diào)比”。
閥的可調(diào)比隨閥的類型而顯著變化，柱塞閥的可調(diào)比比蝶閥寬，實(shí)際上，在控制閥的性能體系上，柱塞閥顯出zui寬的可調(diào)比，其次是V型球閥。偏心旋轉(zhuǎn)閥可調(diào)比與球閥和V型球閥相比更窄，蝶閥通常可調(diào)范圍zui窄且適用于流量固定的場(chǎng)合。此外，在定流量使用時(shí)，必須仔細(xì)選擇其口徑以用于過(guò)程性能優(yōu)化。
如果閥的固有特性是可選的，這樣可以隨流量變化對(duì)設(shè)備的放大倍數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，然后大家希望控制閥的工作流量特性幾乎是一條值為1.0的直線。
然而，這樣一個(gè)的數(shù)字是幾乎不可能的，因?yàn)橛袑?duì)數(shù)特性的限制而閥芯固定特性不能無(wú)限制變化，另外，一些類型的閥，例如蝶閥和球閥都不能改變閥芯而將閥固有特性改變。
通常希望通過(guò)定位器反饋機(jī)構(gòu)內(nèi)凸輪的非線性化來(lái)改變閥的固有特性以改善上述狀況。本質(zhì)上講，希望凸輪的非線性性能改變閥輸入信號(hào)和閥桿位置之間的關(guān)系，對(duì)于閥整體而言，可以得到一個(gè)固有特性，這樣可以替代簡(jiǎn)單地依靠閥芯設(shè)計(jì)改變特性的方法。
盡管使用定位器凸輪對(duì)改變閥的特性有相當(dāng)效果，但使用“凸輪特性”的效果在許多場(chǎng)合具有相當(dāng)?shù)木窒扌浴Ｒ驗(yàn)橥馆喴诧@著地改變了定位器回路的放大倍數(shù)，而該放大倍數(shù)又嚴(yán)格限制了定位器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。使用凸輪實(shí)現(xiàn)閥特性不如由閥芯實(shí)現(xiàn)*，但對(duì)于旋轉(zhuǎn)式閥對(duì)流量特性無(wú)法改變來(lái)說(shuō)己進(jìn)了一步。
一些電子設(shè)備可以改變閥特性，它們?cè)贗/P定位器輸入信號(hào)進(jìn)入定位器回路之前就電子“定位”。實(shí)際上，這種技術(shù)“重新整定”了閥的輸入信號(hào)，方法是將線性4～20mA調(diào)節(jié)器信號(hào)依據(jù)數(shù)值表預(yù)編程，用這種方式產(chǎn)生閥的輸入達(dá)到了希望獲得的閥的特性。這種技術(shù)有時(shí)與“前饋”或“設(shè)定點(diǎn)”特性有關(guān)。
因?yàn)檫@種特性的確發(fā)生于定位器反饋回路之外，這種“前饋”或“設(shè)定點(diǎn)”的特性與定位器凸輪定義的特性相比有相當(dāng)?shù)?性。它避兔了定位器回路放大倍數(shù)的變化，然而，這種方法并不總是有效，因?yàn)樗灿凶约旱膭?dòng)態(tài)限制。例如，閥的調(diào)節(jié)范圍可能有局限性，1.0%工藝信號(hào)的改變可能變得很窄，可能導(dǎo)致0.1%的閥信號(hào)的變化（例如在特性曲線的平坦區(qū)），許多閥在信號(hào)變化如此小時(shí)均無(wú)響應(yīng)。
的工藝性能是通過(guò)改變閥芯達(dá)到理想的流量性能，而不是使用凸輪或其他方式。在系統(tǒng)操作范圍內(nèi)，對(duì)所設(shè)計(jì)的控制閥合理選型使工作流量特性線性化可確保工藝性能優(yōu)化。
8閥的口徑
如果通過(guò)減小工藝過(guò)程的波動(dòng)來(lái)優(yōu)化過(guò)程性能，zui常見(jiàn)的問(wèn)題是閥口徑過(guò)大。這通常由于使用了線性特性的閥，尤其是使用了流通能力大的旋轉(zhuǎn)式閥，另外的原因是在工藝設(shè)計(jì)的不同階段對(duì)多種安全因素有保守的考慮。
擴(kuò)大閥的口徑在兩個(gè)方面導(dǎo)致了過(guò)程的波動(dòng)，首先，大閥的放大倍數(shù)過(guò)大，給調(diào)節(jié)器所留的靈活性較小，而大多數(shù)回路增益來(lái)自于調(diào)節(jié)器時(shí)性能總是。
其次，大口徑閥使工藝過(guò)程波動(dòng)的原因是大閥很可能在小開度頻繁動(dòng)作，這樣閥的密封摩擦?xí)?，尤其?duì)于旋轉(zhuǎn)式閥。
另外，不管閥實(shí)際流量特性是什么，一個(gè)超大口徑的閥的特性趨于快開，尤其在小流量場(chǎng)合且閥門放大倍數(shù)很高時(shí)尤為如此。這通常使閥操作偏離可接受的過(guò)程放大倍數(shù)幅度，導(dǎo)致對(duì)閥而言可調(diào)比較為狹窄。
zui后，因?yàn)橐粋€(gè)大口徑閥對(duì)于一個(gè)給定信號(hào)的微小增加卻導(dǎo)致不成比例地大流量變化，這種現(xiàn)象能擴(kuò)大由于摩擦等因素產(chǎn)生的死區(qū)導(dǎo)致的工藝過(guò)程的波動(dòng)。
9結(jié)論
整個(gè)回路的優(yōu)化始終貫穿工藝過(guò)程的優(yōu)化，包括回路的硬件和軟件，為了取得切實(shí)的過(guò)程優(yōu)化，控制閥組件必須正確設(shè)計(jì)和選型，應(yīng)當(dāng)注意多考慮回路的動(dòng)態(tài)性能而不是靜態(tài)性能。
當(dāng)大家重視以上所述時(shí)，過(guò)程優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)效益就在總的經(jīng)濟(jì)效益中體現(xiàn)出重要的地位
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