時(shí)滯時(shí)間
死區(qū)，不管是源自閥體和執(zhí)行機(jī)構(gòu)里的摩擦力，還是來(lái)自定位器的，都能在很大程度上影響閥門組件的時(shí)滯時(shí)間。重要的是使得時(shí)滯時(shí)間盡可能地小，因?yàn)檫@會(huì)成為過(guò)程穩(wěn)定性的限制因素?？偟膩?lái)說(shuō)，時(shí)滯時(shí)間應(yīng)該不超過(guò)閥門總體響應(yīng)時(shí)間的三分之一。然而，時(shí)滯時(shí)間與過(guò)程時(shí)間常數(shù)之間的相對(duì)關(guān)系是關(guān)鍵的。如果閥門組件置于一個(gè)過(guò)程時(shí)間常數(shù)接近時(shí)滯時(shí)間的快速回路里，時(shí)滯時(shí)間會(huì)嚴(yán)重地影響回路的性能。在這些快速回路里，關(guān)鍵是要選擇時(shí)滯時(shí)間盡可能小的控制設(shè)備。
從回路整定的角度看，時(shí)滯時(shí)間在閥門的兩個(gè)行程動(dòng)作方向保持相對(duì)一致也是很重要的。有些閥門組件結(jié)構(gòu)在一個(gè)行程動(dòng)作方向比在另一個(gè)有3至5倍長(zhǎng)的時(shí)滯時(shí)間。這種特性通常是是由定位器設(shè)計(jì)的不對(duì)稱特性引起的。它會(huì)嚴(yán)重地限制把回路整定到最佳總體性能的能力。
動(dòng)態(tài)時(shí)間
一旦時(shí)滯時(shí)間已經(jīng)過(guò)去，且閥門開始響應(yīng)，閥門響應(yīng)時(shí)間的剩余部分來(lái)自閥門組件的動(dòng)態(tài)時(shí)間。這個(gè)動(dòng)態(tài)時(shí)間主要是由定位器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組合的動(dòng)態(tài)特性決定的。這兩個(gè)部件必須很好地匹配以減少閥門的總響應(yīng)時(shí)間。例如，在一個(gè)氣動(dòng)閥門組件里，定位器必須有一個(gè)高動(dòng)態(tài)增益以減小閥門組件的動(dòng)態(tài)時(shí)間。這個(gè)動(dòng)態(tài)增益主要由定位器里的動(dòng)力放大器提供。換言之，定位器放大器或滑閥能夠越快地提供大量的壓縮空氣給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，閥門的響應(yīng)時(shí)間也將越快。然而，這種高動(dòng)態(tài)增益動(dòng)力放大器對(duì)時(shí)滯時(shí)間有很小的影響，除非它有一些故意設(shè)計(jì)在其中的死區(qū)以減少靜態(tài)耗氣量。當(dāng)然，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)動(dòng)態(tài)時(shí)間有很大的影響。例如，需要充填的執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣室的容積越大，閥門的響應(yīng)時(shí)間就越慢。
解決方案
首先，似乎解決方案應(yīng)該是把執(zhí)行機(jī)構(gòu)容積減至最小，并把定位器的動(dòng)態(tài)動(dòng)力增益提高至最大，但是事實(shí)并非如此簡(jiǎn)單。從穩(wěn)定性角度看，這可能是多個(gè)因素的危險(xiǎn)組合。要知道定位器/執(zhí)行機(jī)構(gòu)組合組成了它自己的反饋回路。對(duì)于正在使用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使得定位器/執(zhí)行機(jī)構(gòu)回路的增益太高，可能會(huì)引導(dǎo)閥門組件進(jìn)入一個(gè)不穩(wěn)定的振蕩狀態(tài)。另外，減小執(zhí)行機(jī)構(gòu)容積對(duì)于推力/摩擦力比例有負(fù)面影響。這會(huì)增加閥門組件的死區(qū)，從而導(dǎo)致時(shí)滯時(shí)間的增加。
對(duì)于一個(gè)給定的應(yīng)用場(chǎng)合，如果沒有足夠的總體推力/摩擦力比例，一個(gè)選擇就是通過(guò)使用下一個(gè)較大尺寸的執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)增加執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推動(dòng)力、或增加給執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壓力。這個(gè)較高的推力/摩擦力比例會(huì)減小死區(qū)，有助于減少閥門組件的時(shí)滯時(shí)間。然而，這兩個(gè)選擇都意味著需要較大的壓縮空氣量供應(yīng)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。作為交換的是通過(guò)增加動(dòng)態(tài)時(shí)間而可能對(duì)閥門響應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生不利的影響。
減少執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣室容積的一個(gè)方法是使用活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)而非彈簧式薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)，但這不是靈丹妙藥?；钊麍?zhí)行機(jī)構(gòu)通常比彈簧式薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)有更大的推力，但是它們也有更高的摩擦力，這可能會(huì)導(dǎo)致閥門響應(yīng)時(shí)間問(wèn)題。為了獲得活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的推力，通常有必要使用比薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)更高的氣源壓力，因?yàn)榛钊ǔＳ懈〉氖軌好娣e。這意味著需要供應(yīng)更大量的空氣，隨之而產(chǎn)生的是對(duì)動(dòng)態(tài)時(shí)間的負(fù)面影響。另外，活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)有更多的導(dǎo)向表面。它們由于對(duì)準(zhǔn)方面的內(nèi)在困難以及與O型圈的摩擦，趨向于有更高的摩擦力。這些摩擦力的問(wèn)題也趨向于隨著時(shí)間而增加。不管最初這些O型圈是多么好，由于磨損或其它環(huán)境條件，這些彈性材料會(huì)隨時(shí)間而降低性能。類似地，導(dǎo)向表面的磨損會(huì)增加摩擦力，潤(rùn)滑程度也會(huì)降低。這些摩擦力問(wèn)題會(huì)產(chǎn)生更大的活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)死區(qū)。這會(huì)通過(guò)增加時(shí)滯時(shí)間而增加閥門的響應(yīng)時(shí)間。
供氣壓力
儀表供氣壓力也可能對(duì)閥門組件的動(dòng)態(tài)性能產(chǎn)生很大的影響。例如，它能顯著地影響定位器的增益和總耗氣量。
固定增益定位器通常已經(jīng)在某一特殊供氣壓力下進(jìn)行了優(yōu)化。然而，在較小的供應(yīng)壓力范圍內(nèi)，這個(gè)增益可能會(huì)成兩倍或更多倍地變化。例如，一個(gè)在20psig的供氣壓力下進(jìn)行優(yōu)化的定位器，能會(huì)被發(fā)現(xiàn)當(dāng)供氣壓力增加到35psig時(shí)，它的增益減少了一半。
供氣壓力也會(huì)影響供應(yīng)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)的空氣量，空氣量則決定動(dòng)作速度。它也與耗氣量直接相關(guān)。高增益滑閥定位器需要消耗5倍于在動(dòng)力放大階段使用放大器的更加高效的高性能二級(jí)定位器所需的氣量。
最小化時(shí)滯時(shí)間
最小化閥門組件的時(shí)滯時(shí)間需要最小化閥門組件的死區(qū)，不管這個(gè)死區(qū)是由于閥門密封結(jié)構(gòu)的摩擦力引起的，還是由于填料的摩擦力、閥軸的扭轉(zhuǎn)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)或者定位器的結(jié)構(gòu)引起的。正如先前指出的，摩擦力是造成控制閥死區(qū)的主要原因。對(duì)于旋轉(zhuǎn)式閥門，閥軸扭轉(zhuǎn)也是造成死區(qū)的重要起因。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型也對(duì)閥門組件的摩擦力有重要影響?？偟膩?lái)說(shuō)，在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，彈簧式薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)控制閥的摩擦力要比活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)小。如前面所提及的，這是由于活塞O型圈摩擦力增加、對(duì)中不佳問(wèn)題、以及潤(rùn)滑失效導(dǎo)致的。
采用高增益的定位器設(shè)計(jì)可以顯著降低死區(qū)。它也會(huì)對(duì)閥門組件的分辨率作出顯著的改善。死區(qū)和分辨率為1%或更小的閥門組件已經(jīng)不能滿足許多過(guò)程偏差度降低的需要。許多過(guò)程要求閥門組件要低至0.25%的死區(qū)和分辨率，尤其是閥門組件安裝于一個(gè)快速過(guò)程回路的場(chǎng)合。
閥門響應(yīng)時(shí)間
在對(duì)控制閥響應(yīng)時(shí)間的許多研究里有一件令人稱奇的事情。那就是對(duì)彈簧薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)與活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)的觀念上的變化。過(guò)程工業(yè)里長(zhǎng)期以來(lái)的一個(gè)誤解是活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作比彈簧薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)快。研究表明對(duì)于小信號(hào)改變，這是不正確的。
這個(gè)誤解來(lái)自于測(cè)試閥門動(dòng)作時(shí)間的多年經(jīng)驗(yàn)。動(dòng)作時(shí)間測(cè)試通常是這樣進(jìn)行的：讓閥門組件接受一個(gè)100%階躍改變的輸入信號(hào)，然后測(cè)量閥門組件在某一方向上完成一次全行程動(dòng)作所需要的時(shí)間。
盡管活塞驅(qū)動(dòng)的閥門通常比大部分彈簧薄膜驅(qū)動(dòng)的閥門有更快的動(dòng)作時(shí)間，但是這種測(cè)試并不能反映出閥門在實(shí)際的過(guò)程控制情況下性能。在正常的過(guò)程控制應(yīng)用場(chǎng)合里，閥門很少需要全行程的動(dòng)作。通常，閥門只要求在0.25%至2%的閥位變化范圍內(nèi)作出響應(yīng)。廣泛的閥門測(cè)試表明彈簧薄膜閥門組件在小信號(hào)改變方面的性能總是超過(guò)活塞驅(qū)動(dòng)的閥門，而小信號(hào)改變更能代表調(diào)節(jié)式過(guò)程控制應(yīng)用工況?；钊麍?zhí)行機(jī)構(gòu)里較高的摩擦力是使得它們比彈簧薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)于小信號(hào)的響應(yīng)更加慢的一個(gè)作用因素。
選擇正確的閥門、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和定位器組合不是容易的。這并不僅僅是一件找到在物理上匹配的組合的事情。良好的工程判斷必須融入閥門組件的計(jì)算和選型實(shí)踐，以取得回路的最佳動(dòng)態(tài)性能。附圖表示由于閥門組件結(jié)構(gòu)不同引起的時(shí)滯時(shí)間和總體T63響應(yīng)時(shí)間方面的巨大差別。
作者：懶人工控
相關(guān)閱讀
◆什么是被控對(duì)象時(shí)間常數(shù) 怎樣測(cè)定時(shí)間常數(shù)
