控制阀的三个面

关键字 过程与高级控制 控制理论 过程分析 过程控制阀 栏: 线性化等百分比阀门

从本质上讲，流控制是相当宽容的，主要是通过非常快和自我调节。自我调节是指被控变量在阀门位置或工厂负荷发生任何变化后达到稳定状态，控制器手动操作。而且由于它的反应在几秒钟内完成，流量非常容易手动控制，因此很容易自动控制。虽然阀门特性会影响流动回路的性能，但除了在燃烧等关键过程中，很少需要特别注意。

在典型的炼油厂或化工厂中，近一半的控制回路是流动回路，其中许多是级联控制方案中的二级(内)回路，以控制温度或产品成分。较慢的主(外)回路通过二次流回路与控制阀及其行为绝缘。本文只关注直接移动阀门的回路。

有些回路无法级联为流量，因为主回路几乎与副回路一样快，或者因为无法获得准确的流量测量。例如，压气机压力回路和流量回路的谐振峰周期非常相似，振荡往往会增强，这就需要将控制器增益减小到级联不如单回路控制有效的程度。例如，在废水pH值控制中，必须在100:1或更大的范围内操纵试剂流量，这对大多数流量测量设备来说是一项艰巨的任务。对于这些类型的控制问题，阀门特性变得非常重要。

稳态阀特性

任何直接操纵阀门的回路都受到阀门稳态或固有特性的影响，这些特性被定义为控制器输出与产生的流量之间的关系。控制阀有两种一般特性:线性和等百分比。线性特性增加阀门的开度与施加到执行器的信号成正比。等百分比特性使阀杆位置有规律变化时的开度增加一倍。例如，一个等百分比阀，其范围为50:1，每增加17.7%的行程，其开度将增加一倍。等百分比阀门的增益与通过阀门的流量成正比。

当阀门上的压降一定时，其固有特性与安装特性相同。然而，在大多数安装中，由于相关泵或压缩机内部的损失以及与阀门串联的管道和容器的固定阻力，阀门上的压降随着流量的增加而减小。随着流量的增加，压降的减小导致线性阀的增益下降，使其特性随着压降变化越来越大而变得不线性。在相同的情况下，等百分比的阀变得更加线性。

然而，大多数阀门的尺寸可以在3:1的压降范围内工作，这使得这两个阀门在线性管道两侧的安装特性相等。只有当压降比异常高时，等百分比阀门的安装特性才会比传统的线性阀更线性。

当使用循环阀控制往复式压缩机时，
阀门必须是反向作用的(当输入信号增加时关闭)。

如果这还不够，选择具有线性安装特性的阀门并不总是保证线性控制回路。例如，当每小时100磅(45.36公斤)的蒸汽与每小时5000磅(2267.96公斤)的水混合时，水温将上升约20°F(10.56°C)。但如果水流量增加一倍，同样流量的蒸汽产生的温升将只有10华氏度(5摄氏度)。因此，温度对蒸汽流量的增益与水流量成反比，这种增益可以通过使用增益与蒸汽流量直接变化的蒸汽阀来补偿——等百分比阀。大多数温度回路需要等百分比特性，而大多数其他回路最好使用具有线性特性的阀门。

错误地描述了阀门

等容积输送系统，如等速往复式压缩机，对流量提供线性响应，因为压力是进入和退出系统的流量差的积分(见往复式压缩机图)。即使往复式压缩机配备了多级容量降低技术，如间隙袋和/或吸气阀卸载器，也需要一个回收阀来平衡各级之间的负载。

在定容输送应用中，排气压力是可控的，吸入压力通常是恒定的，或者可能是大气压。在阀门的两侧具有恒定的压力，产生相同的安装和固有特性;因此，定容系统再循环阀应具有线性特性。不幸的是，通常情况并非如此，并导致系统中阀门导致回路增益随负载变化而变化。(见“装有等百分比阀的往复式压缩机”图)

在整个图中，对第一步变化的压力响应是轻微阻尼的，可能是过于轻微的阻尼。第二步变化产生接近最优响应。当阀门关闭时，每个连续的阶跃变化都会导致更大的阻尼，并且其增益减小。因此，每个连续的压力峰值都更大，持续时间更长。安装线性阀将在整个范围内产生与第二种(最佳)相似的压力响应。

一个等百分比的阀门显示了随着负载变化回路增益的变化。

改变特性

有几种方法可以改变现有阀门的特性，但大多数都需要妥协。改变阀门特性的四种最常见的方法是:

• 更换阀内件以获得适当的特性。这始终是最好的解决方案，但是有时无法获得所需的阀内件特性，或者在不关闭工厂或过程的情况下无法将阀门从使用中拆卸下来;

• 更换气门定位器中的凸轮。这也是一个合乎逻辑的解决方案，但凸轮选择可能无法提供足够的曲率来将线性气门转换为等百分比气门，反之亦然;

• 对控制器的输出应用基于软件的特征符(见侧栏);或

• 使用智能阀门定位器，提供图形上x-y坐标的可编程定位，以形成任何所需的形状。

但是，似乎总是有一个但是，最迅速的解决方案可能不会产生最好的结果。例如，在实际应用中，在多级压缩机上安装智能阀门定位器，使等百分比阀门的性能与线性阀门一样，需要阀门在4秒内达到65%的行程并通过25%的流量。在同一阀体上安装线性阀内件，在1.5秒内产生25%的流量，只有25%的冲程。

控制回路能够处理一个小的(20%)负载扰动，但是
当遇到较大的负载扰动时，阀的行程时间(速度极限)成为主导因素。

速度极限，扩展循环

大多数控制阀，无论是由电动机还是气动执行器驱动，都以固定的速度运动。例如，一个阀门100%冲程需要10秒，通常在一秒钟内冲程为10%。这个速度极限在控制回路中表现为一个可变的时间常数。对于小扰动，动态响应可以忽略不计，但当一个大扰动冲击一个快速作用回路时，冲程时间可能成为主导因素。

这在多步压缩机安装中的回收阀中得到了证明。原来的气动定位器在两个方向上需要14秒的抚摸时间。实际上，受卸载器和间隙袋的影响，压缩机容量的变化幅度是不相等的，在14%到34%之间。(见控制回路与行程时间对比图)

图表显示，膨胀周期是由阀门无法按照控制器的输出速度进行集成引起的。输出波的速度随振幅和频率直接变化，超过一定振幅后，输出波的速度超过阀能跟随的速度。这导致了一个不断扩展的循环，直到达到极限——通常是控制器输出极限。这种不断扩大的循环只会在不寻常的情况下出现，一旦开始，即使其他一切都恢复正常，也不会停止。持续的极限循环可能是一个非常危险的情况，只有人工干预才能中断。紧调的流动回路对这种情况特别敏感。

防止膨胀循环可以通过将控制器的积分时间减慢到阀门的行程时间来实现。控制回路与冲程时间的对比图说明了一个压力控制器在5秒内操作一个控制阀，冲程时间为10秒。将积分时间加倍会使回路稳定到更大的扰动，但也会使响应曲线中的积分误差加倍。

一个可能的解决方案是在积分器的路径上放置一个速度限制器，设置为与阀门冲程时间相等。这将防止控制器的积分速度超过阀门的移动速度。然而，最好的解决办法是加速阀门。在多步压缩机安装中，在定位器和阀门电机之间安装了一个容积增压器。这将冲程时间缩短到两秒，但是当压力回路关闭时，由体积增压器引入的额外回路死区形成了一个极限循环。当在模拟阀门上添加死带后，压缩机的模拟表现完全相同时，这一点得到了证实。

为了获得更快的冲程速度，没有死带，气动定位器被智能阀门定位器取代，后来阀门内饰改为线性特性。

比例频带的加倍减小了极限环和的幅度
增加周期，但周期不变。比例频带也加倍
翻倒后的综合误差加倍，不建议作为解决方案。

死带会导致极限循环

死带是一种动态元件，它使阀门在其控制信号方向反转时停止，直到控制信号改变到一个阈值量时才反转其运动。2% - 5%的死区在阀门执行器中很常见，通常是由密封和导轨的摩擦引起的。定位器的主要用途是通过施加任何必要的压力，迫使阀杆跟随控制信号。气动定位器通常是具有10到20增益的比例装置，可以通过相同的因素减少死区。智能定位器速度更快，增加了积分和导数作用，通常包括非线性增益和自动调谐能力，使它们更有效地消除死区。

电平环由于其固有的非自调节特性，在存在死带的情况下总是会出现极限环。电平环极限环趋向于三角形，其幅度和周期是死带和控制器调谐的函数，与任何扰动的大小无关。在液位回路中，实际的极限环幅值增加与比例波段设置，所以失谐是没有帮助。为了保持稳定，液位回路需要一个阀门定位器，或者应该与流量回路级联。

压力回路经常显示类似于液位回路的极限循环趋势。使用控制回路与斯托克时间图中所示的相同压力控制器，引入了3%的死区;结果显示了“死带导致极限循环”图。

该图显示了一个自调节压力回路的高增益和滞后优势如何结合在一起，在存在死带的情况下创建一个极限环。将比例频带加倍会降低极限环幅度，但会增加周期。将比例频带加倍也会使负载变化后的综合误差加倍，因此不建议这样做。

并不是所有的控制环在存在死带流环的情况下都表现出极限环。在这些类型的环路死带的影响阻止了可重复的设定点响应。例如，有时测量值可能超过设定值，而在其他时候低于设定值，这取决于最后一次扰动的方向。结果是一个稳定的过程。这种类型的控制回路通常不需要阀门定位器，可以更好地控制没有阀门定位器。

记住这个

因此，为了帮助保持流循环的调整，请记住:

• 慢回路应级联流动，以消除阀门特性和动力学的贡献;

• 除流量回路外，任何直接驱动阀门的控制回路都应具有提供恒定回路增益的特性，而不仅仅是线性安装特性;

• 性能改进将抵消在所有此类关键回路上使用智能阀门定位器的额外费用;和

• 不要假设只需要低振幅的稳定性——确保快速环路在可能遇到的最大扰动之后也保持稳定。

请参阅本期相关的“产品焦点”。

作者信息

Francis Greg Shinskey是公认的权威，拥有超过44年的应用实际解决方案的经验，为杜邦等公司解决复杂的过程控制问题。Shinskey博士撰写了许多书籍和论文，并在世界各地举办了研讨会，帮助成千上万的过程控制工程师驯服行为不良的控制回路。

线性化等百分比阀门

要使等百分比阀线性化，通常需要建立由10-20个线段组成的互补曲线。另一种方法是使用双曲特征符，它使用单个参数分割器来获得所需的特征，而不是调整多个x-y坐标。

双曲特征器解决了这个方程:其中y是它的输出，x是0-1范围内的输入，L是可调参数。L设为1.0时，关系为线性;设置为5，它以50:1的范围模拟等百分比特性;设置为0.2，它将50:1相等百分比的阀门转换为线性。(注意，如果阀门是反向作用的，这些数字也会反过来。)中间设置可以纠正任何压降比的安装特性。

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