把问题循环变成执行循环

E每个控制系统的控制回路包含五个部分:传感元件、变送器、控制器、最终控制元件和过程。只有当所有五个元素都发挥最佳作用时，控制系统才会达到预期。

通常过程控制需要控制四个变量中的一个;流量、压力、温度或液位

今天可用的流量测量设备在安装要求上比五年前可用的设备更宽容;因此，根据流量测量装置在当前安装中的性能，更换流量测量装置是合理的。
在审核现有流量测量装置时，了解性能期望所需的信息包括:

• 全量程(0-100%)是通过测量点的最小和最大流量;

• 范围(降压)是最大和最小控制点之间的比率;

• 重复性，通常用百分比来描述，是指在提供来自同一方向的相同输入时实现相同输出的能力;和

• 准确性，通常用满量程的百分比或读数的百分比来表示。

例如，如果流量最初被控制在1,400 gpm(加仑每分钟)(5,300 lpm(升每分钟))

流量测量装置可分为两类:测量流量的装置和测量速度的装置。

测量流量的设备通常是头型设备，依赖于测量在线干涉(即孔板)之间的压力差，通常提供约3:1的量程。只要流动介质的压力和/或温度保持在设计(基本或标准)条件下，封头式装置就可以进行精确的流量测量。

基于速度的测量设备通常以质量、摩尔或体积为单位进行测量;并包括磁力计，旋涡计，质量计和涡轮计。速度类的装置依赖于基本公式质量

质量流量测量依赖于自然法则，即禁止水流积累或失去质量;因此，质量流量测量与温度、压力或管道尺寸的变化无关。用于质量流量测量的单位通常是磅或公斤，时间周期为秒、分或小时，如磅每小时(pph)或千克每秒(kg/s)。

在假设设计条件下进行体积测量时，会产生不准确的测量结果。克服这些误差需要对密度变化进行在线补偿。对于液体，这意味着温度补偿;对于蒸汽或气体，这意味着压力和温度的补偿。体积测量通常以立方英尺、立方米、立方升或加仑为单位，时间单位为秒、分或小时，即cfh(每小时立方英尺)、m3/s(每秒立方米)或gpm(每分钟加仑)。

摩尔流量测量由公式确定

量程=最大控制点

基于速度的流量计的范围正在改善，但几年前的经验法则是:磁力计(30:1)，涡流装置(15:1)，质量流量计(100:1)和涡轮流量计(10:1)。

流量安装的经验法则
流量计型	直管管径要求
	上游	加
磁力仪	5	2
质量流量计	1	1
涡流计	10	25
涡轮流量计	15	10
孔板与管径比为0.5	25	4
孔板与管径比为0.7	40	5
注意:管道直径必须与流量计尺寸匹配 来源:Control Engineering

流线型或湍流
奥斯本·雷诺兹(1842-1912)确定湍流影响获得可重复的流量测量。雷诺兹发展了一个公式，当为每个量分配基本单位时，比率是一个无量纲数(见雷诺兹数公式)。雷诺兹确定湍流基本上消失了，流动变成了流线(层流)在大约2000。在2000到4000之间的测量性能是有问题的。4000以上，乱流良好。

雷诺数=管道直径x速度x密度

产生湍流不足以进行精确的流量测量;湍流如何发展也会影响测量。靠近流量传感器的阀门、泵或管道配置可能会造成不必要的流量影响。

确定一个特定的流量计安装是否能提供所需的能力，最好参考特定的设备安装说明。当没有说明时，“经验法则”可能有助于确定是否安装了与流量计相同尺寸的管道的足够的上下游运行(参见流量安装经验法则)。

误差来源
主传感器通常连接到用作换能器的变送器上，接收一种形式的信息并将其转换为另一种形式。例如，RTD(电阻热检测器)主传感器提供以欧姆/度为单位的温度测量。连接到变送器(换能器)欧姆/度值转换为4-20 mA并传输到指示器，记录器或控制器。

当在电子设备上进行变送器校准时，不包括传感器，控制回路中的误差源就会发生。例如，发现旧的热电偶漂移几度是很常见的。替换热电偶输入的校准源不会显示不准确的热电偶。

传感器的互换性是温度测量误差的另一个来源。标准温度传感器允许在“理想”传感器曲线周围有合理的公差。匹配的温度传感器成本更高，但精度明显更高。请注意，一些制造商通过匹配传感器和变送器形成系统来提供高精度系统。在维护使用匹配传感器的系统时需要额外的注意，以保持“付费”能力。

主要传感器是影响控制回路性能的首要因素，但最终控制元件紧随其后。

最终控制要素
最终控制元件有各种形状和尺寸，包括变速驱动器，加热器和阀门。阀门包括截止阀、特征球阀、四分之一回转阀、蝶阀、偏心阀瓣和刀闸阀。

最终控制元素可以分为三个性能类;线性，等百分比，快速打开(参见最终元件性能类图)。线性元件包括截止阀和偏心阀，变速驱动器和加热器。等百分比元件包括截止阀、特征球阀和蝶阀。包括在快速打开类的球形，四分之一转球，刀闸，和阻尼器。

截止阀出现在所有三个类别中，因为它们可以安装各种插头，阀座和保持架设计，以满足广泛的应用;在进行过程审核和分析变更需求时，这一点值得记住。

控制阀长期以来一直是控制流量、温度、压力和液位的主要最终元件。经验表明，大约60%安装的控制回路达到100%的测量变量范围，只有30%的最终控制元件行程。这意味着许多企业购买的控制阀产能超过了所需。在确定尺寸和选择控制阀时，最好计算所有三种特性的最小、最大和正常流量(参见控制阀计算图表示例)。通过将结果并排放置，可以更容易地确定提供最均匀工艺增益的特性。太小的阀门将无法通过所需的流量，而太大的阀门则可能导致性能不稳定，因为它试图在非常低的行程增量下进行控制。

由于目标是减少过程可变性，因此确保控制阀的平稳运行是成功的关键。

对控制回路性能进行永久性改进需要验证数据是可重复的。不能重复数据的过程通常表明测量系统和/或控制阀存在问题。控制阀非线性响应的两个常见原因是过度迟滞和粘滑。

迟滞是当设备的输入重复时，设备无法返回到先前建立的位置。在控制阀中，滞回与死带的区别在于输入的小反转可能不会产生阀行程的反转。积分过程通常表现出由控制阀过度迟滞引起的振荡行为;自我调节过程很少这样做。

检查多余迟滞的来源包括:

• 阀门填料压盖密封性;

• 旋转阀密封摩擦;

• 连杆和联轴器磨损或松动;

• I/P(电流-气压)换能器有缺陷;

• 供气压力不足;

• 有缺陷的定位器;

• 阀门执行机构台设置不正确;和

• 矮小的致动器。

当控制器积分动作不断增加控制器输出而实际阀门位置(粘滞相位)没有相应变化时，就会发生粘滑循环。当阀门最终移动时，它“弹出”，过程变量超过设定值(滑移相位)。控制器积分动作驱动另一个方向的输出，形成独特的连续振荡。(参见侧栏文章控制回路循环的常见原因了解更多信息。)

控制阀流量特性
	最低	正常的	最大	变化幅度
快开	10%的开放	25%的开放	50%的开放	5:1
线性	10%的开放	50%开盘价	80%的开放	8:1
相等的比例	5%的开放	70%的开放	90%的开放	18:1
假设最小控制点为375 GPM，正常控制点为750 GPM，最大值为1,500 GPM。 来源:Control Engineering

控制器的影响
控制器的存在是为了保持被测量变量等于设定值。滤波对控制器性能的影响是一个很少被提及的话题。例如，变送器通常提供对测量变量进行“怠慢”的方法。通过使用传感管线中的可调节孔板(或部分关闭的隔离阀)来完成压井，以减少过程脉动到达传感元件。

有些发射机提供输出信号的电子滤波。许多数字控制系统允许用户在输入信号上应用一个或多个滤波器。

无论形式如何，滤波器都会增加信号的滞后，如果使用不当，可能会掩盖测量的可变性并造成不安全的条件。

如果对原始测量变量输入的检查表明不能在其源处消除的频繁随机尖峰，则在噪声源附近应用滤波器是合适的。滤波器的量应该是必要的最小值，以滤除过多的噪声，而不是所有的噪声。在对集成过程应用过滤器时要格外小心。由滤波器引入的额外滞后可以通过控制器的导数作用来抵消。

由于过程测量滞后，温度测量很少包含过多的噪声。如果在温度测量信号上发现高频噪声，原因可能是热电偶引线屏蔽不当。噪声源应该固定，而不是应用滤波器。当必须对温度测量信号应用滤波器时，它们应该是非常小的值。

控制器扫描周期可能是控制回路性能差的一个来源。根据经验，控制器扫描周期应该至少比循环时间常数快8倍(参见循环时间常数图)。

对现有控制回路的五个部分进行系统审核，可以在理解操作中可用的“旋钮”以及每个旋钮对过程可变性的影响方面带来很大的好处。

控制回路循环的常见原因

一个多达五分之一的控制回路在稳定状态下显示连续循环，当使用包括Lamda和Ziegler-Nichols在内的任何流行方法计算的最佳PI或PID调谐参数进行调谐时。在大多数情况下，循环可以直接追溯到气动驱动控制阀的非线性行为。两种最常见的非线性控制阀响应类型是带死带的滞后和粘滑。

在适当调谐的积分回路中，带死带的滞回会引起稳态循环，而在自调节回路中，粘滑也会引起稳态循环。

粘滑响应在使用气动定位器的气动驱动控制阀中很常见。

通过设计，气动定位器是非线性装置。当一个恒定的斜坡输入信号被应用于气动定位器时，增益很小，加载致动器的速度很慢。当斜坡输入超过预定值时，增益增加并以更快的速度加载致动器圆顶。

当控制器积分动作不断增加控制器输出而实际阀门位置没有相应的变化时，就会发生粘滑(见闭环粘滑循环插图)。当阀门最终移动时，它会爆裂，过程变量超过设定值。误差变为负值，控制器积分作用驱动输出向另一个方向运动。这就产生了独特的连续极限环，称为粘滑环。过程变量表现为围绕设定值振荡的方波。控制器输出显示为一个三角波，其频率取决于调谐参数、阀和过程增益。

对于粘滑循环问题，有三种传统的解决方案。

• 修理或更换阀门;

• 将控制器置于手动档;或

• 调整控制器积分设置。

失谐整定消除了粘滑循环，但也减慢了控制回路对设定值变化的响应能力。

Techmation公司(Scottsdale, arizona)开发了一种死带复位调度(DSR)算法，可以根据设定值和过程变量之间的误差大小来调整控制器积分设置。

大卫·安德，总裁，
Techmation Inc .)

近期控制工程相关文章 参考文献:www.globalelove.com
1997年11月	软件工具如何简化循环调优
1998年3月	如何控制停机时间较长的流程
1998年3月	比例-积分-导数控制的基础
1998年5月	回到最基本的:电子噪音——多么吵闹
1998年6月	回到基础:控制回路是自动化的本质
1998年6月	传感器匹配提高性能
1998年8月	回到基础:齐格勒-尼科尔斯方法促进循环调优
1998年10月	4-20毫安的发射机活跃运转
1998年11月	专注于阀门产品
1999年1月	设计六西格玛能力

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