执行器的选择帮你解决

1、执行器的选择 执行器是过程控制系统的一个重要组成 部分，其特性好坏对控制质量的影响是 很大的。而由于其结构较简单又较粗糙， 所以往往不被人们所重视。本节从提高 过程控制质量和系统安全角度对执行器 的选择做进一步的介绍。 执行器由执行机构和调节机构构成。 在过程控制中，使用最多的执行机构是气动 执行器，其次是电动执行器，较少采用液动 执行器。 在过程控制中，调节机构大多采用阀的形式， 控制各种气体或液体的流量与流速。 在过程控制中，应用最广泛的执行器是气动 调节阀。 实践证明，在过程控制系统设计中，若调节 阀特性选用不当，阀门动作不灵活，口径大 小不合适，都会严重影响控制质量。 所以应根据生产过

2、程的特点、被控介质的情 况和安全运行需要，并从系统设计的总体考 虑，选用合适的执行器。 在过程控制系统设计中，调节阀的公称直径 Dg和阀座直径dg必须很好选择。 调节阀的公称直径Dg和阀座直径dg根据计算 所得的流通能力C值来选择。 调节阀口径选得过小，当系统受到较大扰动 时，调节阀可能运行在全开或接近全开的非 线性饱和工作状态，使系统暂时失控。 调节阀口径选得过大，系统运行中阀门会经 常处于小开度的工作状态，不但调节不灵敏， 而且易造成流体对阀芯、阀座的严重冲蚀， 在不平衡力作用下产生振荡现象，甚至引起 调节阀失灵。 在正常工况下要求调节阀开度处于1585 之间。 调节阀流量特性对控制质量的

3、影响是很大的， 下面从不同角度来分析调节阀流量特性选择 的基本原则。 调节阀的流量特性分理想流量特性和工作流 量特性。 制造厂出厂提供的流量特性是理想流量特性， 实际应用需要的是工作流量特性。 调节阀流量特性的选择一般采用两步法，即 分两步进行。首先根据过程控制系统的要求， 确定工作流量特性，然后根据流量特性曲线 的畸变程度，确定理想流量特性，以作为向 生产厂家订货的内容。 选择调节阀工作流量特性的依据是控制系统 稳定运行准则。 根据控制系统稳定运行准则，扰动或设定变 化时，控制系统静态稳定运行的条件是控制 系统各开环增益之积基本恒定；控制系统动 态稳定运行的条件是控制系统总开环传递函 数的模

4、基本恒定。 通过调节阀调节机构的增益来补偿因对象增 益变化而造成开环总增益变化的影响。即用 Kv的变化补偿Kp的变化，使K开KcKvKpKm 恒定。 这样，当对象增益Kp随负荷或设定变化时， 通过选择合适的调节阀流量特性，使调节阀 增益Kv与Kp之积保持基本不变。 从静态考虑，控制阀工作流量特性的选择依 据是使Kv与Kp之积保持基本不变。 下面的分析均假设控制器增益（或比例度）、 检测变送环节增益不随负荷或设定而变化， 且被控对象的增益为正。对被控对象增益为 负的情况可类似分析。 随动控制系统：设定值变化， 负荷不变，对象输入输出特性 上凸 负荷线不变，工作点从A移到B Q大时的Kp小， Q小

5、时的Kp大 应选Q大时Kv小， Q小时Kv大 调节阀工作流量特性应选等百分 比或抛物线型 随动控制系统：设定值变化， 负荷不变，对象输入输出特性 线性 负荷线不变，工作点从A移到B Q变化时的Kp不变 应选Q变化时Kv不变 调节阀工作流量特性应选线性型 随动控制系统：设定值变化， 负荷不变，对象输入输出特性 下凹 负荷线不变，工作点从A移到B Q大时的Kp大，Q小时的Kp小 应选Q大时Kv小，Q小时Kv大 调节阀工作流量特性应选快开型 定值控制系统：受负荷扰动 影响，设定值不变，对象输 入输出特性上凸 负荷线随负荷变化，工作点从 A点移到B点 Q大时的Kp小，Q小时的Kp大 应选Q大时Kv大，

6、Q小时Kv小 调节阀工作流量特性应选等百 分比或抛物线型 定值控制系统：受负荷扰动 影响，设定值不变，对象输 入输出特性线性 负荷线随负荷变化，工作点 从A点移到B点 Q变化时的Kp不变 应选Q变化时Kv不变 调节阀工作流量特性应选线 性型 定值控制系统：受负荷扰动 影响，设定值不变，对象输 入输出特性下凹 负荷线随负荷变化，工作点从 A点移到B点 Q大时的Kp大，Q小时的Kp小 应选Q大时Kv小，Q小时Kv大 调节阀工作流量特性应选快开 型 定值控制系统：受调节阀前压力扰动影响， 设定值不变，负荷也不变 负荷线不变，工作点也不变 流过调节阀的流量Q不变，但阀两端压力变化引 起最大流量Qmax

7、变化 对象增益Kp不变，应选择调节阀的增益Kv使之不 随Qmax变化 线性型调节阀的Kv随Qmax变化，等百分比型调节 阀的Kv不随Qmax变化 应选择等百分比流量特性的调节阀 例例：换热器定值控制系统中 控制阀工作流量特性的选择 根据热量平衡方程有 即 对象增益 12114322 ttCGttCG 143 11 22 2 ttt CG CG t 43 11 2 p tt CG C K 负荷G1变化 被控对象的负荷线随G1变 化 G2大时Kp小，G2小时Kp 大 应选调节阀流量特性，使 G2大时Kv大，G2小时Kv 大 选用等百分比特性 温度t1变化 被控对象的负荷线随t1变化 Kp不随G2大

8、小的变化而变 化，即Kp为常数 应选调节阀流量特性，使 Kv不随G2变化而变化 选用线性特性 扰动为调节阀前压力变化 设定值不变，负荷线也不变 工作点不变，即流过调节阀的流量Q不变， 因此，对象增益Kp不变 应选控制阀的增益Kv，使之不随Qmax变化 选择等百分比流量特性的调节阀 又例又例：某流量控制系统如图所示，采用孔板 测量流量，分析使用差压变送器和流量变送 器（或差压变送器加开方器）时，从静态考 虑调节阀工作流量特性的选择。 被控变量与操纵变量相同，为流量Q，流量 对象Kp1。 使用流量变送器 变送器输出与流量成正比，Km常数 为使系统稳定，选Kv恒定的调节阀，即线 性特性调节阀 使用差

9、压变送器 变送器输出与流量平方成正比，即 使KmKp与流量Q成正比，为补偿该非线性 关系，应选择Kv与流量Q的倒数成正比的 调节阀流量特性，即选快开特性控制阀。 实际应用时考虑压降比的影响，通常选用 线性特性调节阀。 2 m KQYKQ2 dQ dY K m 根据稳定运行准则，从动态考虑选择调节阀 工作特性时，应在工作频率下总开环幅频特 性和相频特性保持基本不变，尤其是幅值比 保持基本不变。 选择合适的调节阀工作流量特性可在一定程 度上补偿由于被控对象幅频和相频特性的非 线性造成的系统不稳定。 例：某液位控制系统的方框图如图示，控制 器采用PI控制规律。 根据动态稳定运行准则，应有 式中K为常

10、数。因KC可调，可设K1。 K sT1sT 1sTKKK iO iCVO 上式可改写为 与二阶系统标准形式 相比较，可得到 因此有 01sTKKKsT1sT iCVOiO 0s2s 22 1 T2 KKK1 O CVO iO CVO TT KKK CVO 2 CVO i O2 KKK KKK1 T T 4 当KOKVKC1时，有 即 当控制器、被控对象不变，即Ti、KC 、TO、 KO不变时，要使过渡过程的衰减比n固定不 变，即不变，则要求KV也不变，调节阀的 工作流量特性应选KV不变的线性特性。 CVO i O2 KKK T T 4 iCO O 2 V TKK T4 K 生产过程通常受到多种

11、扰动的影响，应找出 对控制系统有较大影响的主要扰动，并据此 选择调节阀工作流量特性。 被控对象的特性可以用图形方法分析，也可 用解析方法分析。当被控对象的特性用图形 描述时，宜用图解法选择调节阀流量特性； 当被控对象的特性用解析式描述时，宜用解 析法选择调节阀流量特性。 在考虑被控对象特性时，应从整个工作范围 考虑，而不能仅局限在工作点附近，因为， 在工作点附近的特性通常可近似为线性，从 而不能获得正确的分析结果。所用的被控对 象动态方程应是增量化前的方程。 由于被控对象的动态放大系数与静态放大系 数不相等，因此，在对控制质量要求高时， 应从动态考虑和分析。 流量特性的选择用于补偿广义被控对象

12、的非 线性特性，但有时被控对象的非线性并不能 够用选择调节阀的流量特性来补偿（例如pH 控制系统），这时可以通过选择检测变送器 或控制器的特性来满足补偿要求。 从动态考虑时，流量特性的选择用于使系统 总的幅频特性和相频特性保持恒定，但对某 些被控对象并不能够得到满意的结果，这时 可以通过选择检测变送器或控制器的特性来 满足要求。 由于调节阀制造厂提供的调节阀流量特性是 理想流量特性，因此，在确定调节阀工作流 量特性后，应根据被控变量类型和对象特性、 压降比S的影响等，确定调节阀理想流量特 性。 考虑工艺配管情况，确定压降比S后，可以从 所需的工作流量特性出发，根据系统压降比 确定理想流量特性。

13、 根据系统压降比确定理想流量特性的方法见 下表。 当S10.6时，理想流量特性与工作流量特 性几乎相同。 当S0.30.6时，调节阀流量特性无论是线 性的或对数的，均应选择对数的理想流量特 性。 当S0.3时，一般的调节阀已不宜用于自动 控制，这时应选用低S控制阀。 调节阀理想流量特性的确定，亦可采用经验 法，即根据被控变量类型和对象特性来确定 流量特性。 根据被控变量类型和对象特性确定流量特性 的经验方法见过程控制工程P.123表2-38。 调节阀气开、气关形式的选择主要是考虑工 艺过程的安全要求，即当过程控制系统发生 故障，如气源中断、控制器或调节阀损坏时， 调节阀应处于什么状态才是安全的

14、。 在选择调节阀气开、气关形式时，应考虑以 下情况 考虑事故状态时调节阀所处的状态不致影 响人身、工艺设备的安全。 考虑事故状态下减少经济损失，保证产品 质量。 考虑介质的性质，防止事故状态下物料结 晶、凝固和堵塞给重新开工带来麻烦，甚 至损坏设备。 通常，选择调节阀气开、气关形式的原则是 不使物料进入或流出设备或装置。 下面是几个常用选择规则： 进入设备或装置的原料或热源应切断，因此，选 择进料阀为气开阀。 设备或装置的出料应切断，因此，选择出料阀为 气开阀。 特殊场合，不应使高温高压物流切断或放空，因 此，选择保位阀。 示例一 锅炉供水调节阀一般采 用气关式，一旦事故发 生，可保证事故状态下 调节阀处于全开位置， 使锅炉不致因水中断而 烧干，甚至引起爆炸危 险。 示例二 进加热炉的燃料气或燃 料油的调节阀应采用气 开式，一旦事故发生， 调节阀处于全关状态， 切断进炉燃料，避免炉 温继续升高，烧坏炉管， 造成设备事故。 示例三 精馏塔的进料调节阀一般选 用气开式，这样，