1、过程控制工程 第六章 单回路控制系统,6.4 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。,执行器选择的意义,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。,执行器选择的意义,在过程控制中，应用最广泛的执行器是气动调节阀。,执行器选择的意义,实践证明，在过程控制系统设计中，若调节阀特性选用
2、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。,选择合适的 调节阀公称直径和阀座直径,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。,选择合适的 调节阀公称直径和阀座直径,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
3、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。,选择合适的流量特性,调节阀流量特性对控制质量的影响是很大的，下面从不同角度来分析调节阀流量特性选择的基本原则。,调节阀流量特性选择的方法,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,选择调节阀工作流量特性的依据是
4、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基本恒定。,选择调节阀工作流量特性的目的,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 选择控制阀的工作流量特性,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
5、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。,从静态考虑 选择控制阀的工作流量特性,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,从静态考虑 选择控制阀的工作流量特性,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,从静态考虑 选择控制阀的工作流量特性,随动控制系
6、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,从静态考虑 选择控制阀的工作流量特性,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，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,从静态考虑 选择控制阀的工作流量特性,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
7、变 调节阀工作流量特性应选线性型,从静态考虑 选择控制阀的工作流量特性,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,从静态考虑 选择控制阀的工作流量特性,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
8、选择等百分比流量特性的调节阀,从静态考虑 选择控制阀的工作流量特性,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,从静态考虑 选择控制阀的工作流量特性,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,从静态考虑 选择控制阀的工作流量特性,温度t1变化 被控对象的负荷线随t1变化 Kp不随G2大小的变化而变化，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,从静态考虑 选择控制阀的工作流量特性,扰动为调节阀前压力变化 设定值不变，负荷线也不
9、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,从静态考虑 选择控制阀的工作流量特性,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。,从静态考虑 选择控制阀的工作流量特性,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,从静态考虑 选择控制阀的工作流量特性,使用差压变送器 变送器输出与流量平方成正比，即使
10、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。,从动态考虑 选择控制阀的工作流量特性,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。,从动态考虑 选择控制阀的工作流量特性,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为常数。因KC可调，可设K1。,从
11、动态考虑 选择控制阀的工作流量特性,上式可改写为与二阶系统标准形式相比较，可得到因此有,从动态考虑 选择控制阀的工作流量特性,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。,选择调节阀工作流量特性 应注意事项,生产过程通常受到多种扰动的影响，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
12、用解析法选择调节阀流量特性。,选择调节阀工作流量特性 应注意事项,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。,选择调节阀工作流量特性 应注意事项,流量特性的选择用于补偿广义被控对象的非线性特性，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
13、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。,从调节阀的工作流量特性 选择调节阀的理想流量特性,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。,从调节阀的工作流量特性 选择调节阀的理想流量特性,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。 根据系统压降比确定理想流量特性的方法见下表。,从调节阀的工作流量特性 选择调节阀的理想流量特性,当S10.6
14、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。,从调节阀的工作流量特性 选择调节阀的理想流量特性,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,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。,
15、调节阀气开、气关形式的选择,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。,调节阀气开、气关形式的选择,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。,调节阀气开、气关形式的选择,示例一
16、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。,调节阀气开、气关形式的选择,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。,调节阀气开、气关形式的选择,示例三 精馏塔的进料调节阀一般选用气开式，这样，在事故状态下调节阀关闭，停止进料，以减少原料损耗； 而回流量调节阀一般选用气关式，在事故状态下使调节阀全开，保证回流量，以防止不合格产品的蒸出。,调节阀气开、气关形式的选择,示例四 易结晶、易凝固物料的加热装置，蒸汽流量调节阀需选用气关式。一旦事故发生，使其处于全开状态，保证有一定的温度，以防止物料结晶、凝固和堵塞。,
