如何选择执行器（调节阀）？

执行器（调节阀）包括执行机构和调节机构两部分，它是过程控制系统中的一个重要环节。执行器的作用是接受调节器送来的控制信号，并转换成直线或角位移，改变管道中介质的流量，从而实现生产过程参数的自动调节。

1.根据所使用的能源分类

1）以压缩空气为能源的气动执行器（即气动调节阀），主要有薄膜式和活塞式两大类，在过程工业中气动薄膜式应用最广，气动执行器的输入信号为20～100kPa。气动调节阀结构简单、动作可靠、维护方便、输出力矩大、价格低廉，可以与气动调节仪表配套使用，也可通过电气转换器与工业控制计算机配套使用，因此广泛应用于化工、石油、冶金、电力等工业生产中。其缺点是动作时间长，不适合远距离传输。

2）以电为能源的电动执行器（即电动调节阀），其输入信号为直流0～10mA或4～20mA。电动调节阀可控性高，控制性能好，抗干扰能力强，但结构复杂、价格较贵，并且需要考虑防爆问题。

3）以高压液体为能源的液动执行器（即液动调节阀），在相同输出功率下，液压传动装置的体积大，管路较复杂，液体的可压缩性和易于泄漏影响了精确的定比控制。它不适应远距离的传动控制，在需要大功率、高精度控制的场合，可采用液压调节阀。

2.根据输出位移形式不同分类

根据输出位移形式不同，执行器分为转角型和直线型。

3.根据动作规律不同分类

根据动作规律不同，执行器分为开关型、积分型和比例型。

1）开关型执行器只具有全开和全关两种状态，用于开关式控制系统，常见于电磁阀。

2）积分型执行器具有正向等速运动、反向等速运动和停止三种状态，可实现任意阀门开度的调节。

3）比例型执行器的输出位移与输入信号为比例关系。

4.调节阀的流量特性

调节机构，也称调节阀、控制阀，它是一个局部阻力可变的节流元件。在执行机构输出力作用下，阀芯在阀体内移动，改变阀芯与阀座之间的流通面积，从而使被控介质的流量发生变化，达到改变操纵变量的目的。

从自动控制的角度来看，调节阀的流量特性对整个控制系统的动静态特性有很大的影响，而调节阀流量特性是指介质流过调节阀的相对流量与阀门的相对开度之间的关系。其数学表达式为

式中 q_v/q_vmax——相对流量，即调节阀某一开度流量与全开流量之比；

l/L——相对开度，即调节阀某一开度行程与全行程之比。

一般来说，改变调节阀阀芯与阀座间的流通截面积便可实现对流量的控制，但实际上流过调节阀的流量不仅与阀的开度有关，而且与阀门前后的压降有关。工作中的调节阀，当阀的开度改变时，不仅流量发生了变化，阀前后压差也发生了变化。

根据控制阀两端的压降，流量特性分为理想流量特性和工作流量特性。

（1）理想流量特性（固有流量特性）

当调节阀前后压降固定不变时，得到的流量特性称为理想流量特性。理想流量特性是调节阀所固有的特性，它完全取决于阀芯的形状。常见的理想流量特性有直线、对数（等百分比）、抛物线和快开四种，如图4-14所示。

1）直线流量特性：调节阀的相对流量与阀芯的相对开度成直线关系，即调节阀相对开度变化所引起的相对流量变化是常数。其数学表达式为

式中 K——调节阀的放大系数。

对式（4-10）进行积分得

式中 C——积分常数。

图4-14 理想流量特性

a）阀芯形状 b）理想流量特性

1—直线流量特性 2—对数流量特性 3—抛物线流量特性 4—快开流量特性

从直线流量特性的表达式看，阀芯相对开度变化所引起的流量变化是相等的。但是，它的流量相对变化量（流量变化量与原有流量之比）是不同的。直线流量特性控制阀在小开度时，流量相对变化量大，控制性能好，灵敏度高，控制作用强，易引起振荡；在大开度时，其流量相对变化最小，灵敏度低，控制作用弱，控制缓慢，不利于控制系统的正常运行。

2）对数（等百分比）流量特性：对数流量特性指调节阀的相对流量与相对开度之间为对数关系，即单位相对行程变化所引起的相对流量变化与该点的相对流量成正比。其数学表达式为

控制阀的放大系数K_x随相对流量的变化而变化。

积分式（4-12）得

对数流量特性的曲线斜率是随着流量地增大而增大的，但是相对开度变化引起的流量相对变化值是相等的。对数（等百分比）流量特性在调节阀为小开度时，放大系数较小，控制平稳缓和；而调节阀在大开度时，放大系数较大，控制及时有效。因此，对数流量特性对过程控制系统是有利的。

3）抛物线流量特性：抛物线流量特性指单位相对开度变化所引起的相对流量变化与该点的相对流量值的平方根成正比。其数学表达式为

其特性介于直线与对数流量特性之间，通常可用对数流量特性来近似代替。

4）快开流量特性：快开流量特性指调节阀的单位相对开度所引起的相对流量变化与该点相对流量值成反比。其数学表达式为

快开流量特性在小开度时流量就比较大，随着开度的增大，流量很快就达到最大。它主要适用于位式控制或程序控制系统。

（2）工作流量特性

实际应用时，调节阀与其他设备串联或并联安装在管道中，调节阀两端的压差是变化的，此时调节阀的相对流量与相对开度之间的关系称为工作流量特性。理想流量特性会因调节阀前后压差受阻力损失而畸变成工作流量特性。

为衡量调节阀实际工作流量特性相对于理想流量特性的变化程度，用阻力比系数S来表示。

图4-15 串联管道

1）串联管道（调节阀与设备串联）的工作流量特性：如图4-15为控制阀与其他设备串联工作。

如果外加压力P_t恒定，当调节阀开度加大时，随着流量的增加，设备及管道上的压降P_p将随着流量的增大而成平方增大，调节阀前后的压差P_v将逐渐减小。因此，在同样的阀芯位移下，流量变化与阀前后保持恒定压差的理想情况相比，流量特性发生畸变。

以S表示调节阀全开时阀上压差与系统总压差之比，称为全开阀阻比，即

当S＝1时，管道阻力损失为零，调节阀上的压差即为系统的总压差。其工作特性与理想特性一致，随着S值的减小，管道阻力损失增加，不仅控制阀全开时的流量减小，而且流量特性也发生畸变，如图4-16所示。随着S值的减小，工作特性与理想特性的偏离也越来越大，造成小开度时放大系数增大，控制系统不稳定；大开度时放大系数减小，控制迟缓，控制质量下降。实际系统中S应在0.3～0.5之间。

2）并联管道的工作流量特性：在实际过程控制中，调节阀一般都装有旁路阀，以备手动操作和维护调节阀用。生产量提高或其他原因使介质流量不能满足工艺生产要求时，可打开旁路，以满足生产所需。并联管道如图4-17所示。

并联管道中调节阀全开流量Q₁₀₀与总管最大流量Q_∑max之比定义为阀全开流量比S₁₀₀，即S₁₀₀＝1时，旁路关闭，并联管道工作流量特性为调节阀的理想流量特性。图4-18所示为并联管道在不同S₁₀₀值时的工作流量特性。随S₁₀₀值的减小，旁路阀逐渐开大，管路中可控的流量减小，严重时会使并联管路中的调节阀失去控制作用。并联工作时，根据现场使用经验，旁路流量只能为总流量的百分之十几，S₁₀₀值不能低于0.8。

图4-16 串联管道的工作流量特性

a）线性阀特性的畸变 b）对数阀特性的畸变

图4-17 并联管道

图4-18 并联管道调节阀的工作流量特性

a）线性调节阀流量特性 b）对数调节阀流量特性

总之，串、并联管道都会使调节阀的理想特性发生畸变，且管道串联时畸变程度更大；串、并联管道都会使系统控制阀的可调比下降，并联管道更为严重；串联管道使系统总流量减小，并联管道使总流量增加；串联管道控制阀小开度时放大系数增大，阀大开度时，放大系数减小；并联管道控制阀的放大系数在任何开度时都比原来的小。

实际系统中，调节阀既有旁路又有串联设备，因此它的理想流量特性畸变更严重，管道系统可调比下降更严重，调节阀甚至起不了作用。

图4-19 被控对象与调节阀特性的补偿

为了保持控制系统在整个工作范围内均具有较好的品质，应该使系统在整个工作范围的总放大倍数尽可能保持恒定。通常，测量变送器、控制器和执行机构的放大倍数为常数，但被控对象的特性往往是非线性的，为此选择调节阀的特性来补偿对象的非线性特性，如图4-19所示，从而保证整个系统在工作范围内都有较好的控制质量。例如，若被控对象的放大倍数随负荷的增大而减小，如果选用放大倍数随负荷增大而增加的调节阀，就可使两者互相补偿，从而保证系统具有较好的控制质量，具有对数特性的调节阀可以满足这种需要。若被控对象的特性是直线性的，则应选择具有直线流量特性的调节阀。另外，在确定调节阀时，还必须考虑管道、设备的连接情况以及其他装置的特性，并由工作流量特性推出需要的理想流量特性。

5.调节阀口径的选择

调节阀口径大小的选择直接决定着控制介质流过它的能力，同时影响控制质量及生产的经济效益。从控制角度看，调节阀门口径过小，一方面会增加系统的阻力，甚至会出现阀门口径100％开启时，系统仍无法达到设定的容量要求，在干扰大时，系统会因流量不足而失控，导致严重后果。另一方面阀门将需要通过系统提供较大的压差以维持足够的流量，阀门易受损害，对阀门的寿命影响很大。调节阀口径不能过大，选择的阀门口径过大，不仅增加工程成本，而且还会引起阀门经常运行在低百分比范围内，引起调节精度降低，使控制性能变差，而且易使系统受冲击和振荡。

调节阀口径根据工艺要求的流通能力确定，即根据提供的工艺条件（即给定的介质流量、调节阀两端的压差、系统要求的可调比等），计算出调节阀的流通能力，再依据其流通能力确定调节阀的口径，最后验证调节阀的开度和可调比。通常要求正常情况下最大流量时阀门开度为90％，最小流量时阀门开度为10％，并留有一定的余量，同时还要考虑控制阀的流量特性。但也必须防止过多地考虑余量，使阀口径选择过大，这不仅会造成经济损失、系统能耗大，而且阀门处于小开度时，系统可调比减小，调节性能变坏，严重时还会引起振荡，使阀的寿命缩短，特别是高压调节阀，更要注意这一点。

6.阀门定位器

阀门定位器是气动执行器的一种辅助装置，与控制阀配套使用，它利用负反馈原理，把从控制器来的信号作为输入信号。控制阀的阀杆位移信号作为反馈信号构成闭环系统，来改善控制阀的定位精度并提高灵敏度，从而使调节阀处于精确定位。阀门定位器的主要作用有：

（1）提高系统的控制精度

阀门定位器可有效地克服阀杆的摩擦并消除控制阀不平衡的影响，提高控制阀的精度和可靠性，实现控制阀准确定位。(www.xing528.com)

（2）改善调节阀的流量特性

阀门定位器可克服填料与阀杆的摩擦力，使调节阀的直线流量特性、对数流量特性互换使用。

（3）改善调节阀的动态特性

利用阀门定位器，克服介质压差对阀门不平衡力，提高阀门动作速度，有效地克服气压信号的传递滞后，加快阀杆移动速度。

（4）实现分程控制

阀门定位器可将控制信号分段，分别控制不同的执行机构，以实现分程控制。

（5）确保调节阀的准确定位

通过阀门定位器可以提高控制信号与执行机构输出位移之间的线性度，从而保证调节阀的准确定位。一般在快速响应系统中，采用电—气转换器；在慢速响应系统中，采用电—气阀门定位器。

7.调节阀气开与气关形式的选择

调节阀可分为气开阀和气关阀（气闭阀）两种作用方式。当输入信号压力增大、控制阀的开度也增大时，称气开阀，即信号压力大于某一值时，阀门开始打开，并且随着压力增大阀的开度也增大；反之，当输入信号压力增大时，控制阀开度减小，则称气关阀，即信号压力增大而阀门开度反而关小。

对于控制系统究竟选择气开阀还是气关阀，要根据具体的生产工艺要求来决定。一般来说，应从以下原则来考虑：

（1）生产的安全性

控制阀形式的确定首先从事故状态时人身、工艺设备的安全性来考虑。即当气源中断、设备原料短缺或控制器出现故障而无输出信号或控制阀膜片破裂而漏气等使控制阀无法正常工作时，应确保生产工艺、设备及人身的安全，确保不致发生安全事故。例如，图4-20所示锅炉锅筒液位控制系统，为避免当气源中断时锅炉锅筒被烧坏，控制阀应选择气关阀。

若要保证蒸汽中不带有液，以免损坏后续设备蒸汽透平，控制阀应选择气开阀。

图4-20 锅炉锅筒液位控制系统

可见，即使是同一个调节阀，由于从工艺或安全的不同角度考虑，其气开、气关形式也可能是不一样的。在这种情况下就要分清主要矛盾和次要矛盾，并权衡利弊来选择控制阀的形式。

（2）保证产品质量

当控制阀无法正常工作时，控制阀所处的状态不应降低产品的质量。例如，精馏塔系统的回流量控制阀常选择气关阀，因为系统一旦发生故障，控制阀全开，则生产处于全回流状态。这就防止了不合格产品的蒸发，从而保证了精馏塔塔顶产品的质量。

（3）事故状态下降低原料、成品、动力的损耗

考虑在事故状态下减少经济损失（降低原料、成品、动力的损耗）来考虑控制阀的形式。例如，精馏塔进料的控制阀常采用气开式，因为故障发生时，阀门处于全关状态，不再给精馏塔进料，以避免造成原料的浪费。

（4）从介质的特点考虑

如果被控制系统中的介质易于蒸发，为保证发生事故时不至于浪费原料，应选择气开阀；但是，如果介质是易结晶、易聚合、易凝结的液体，不允许停止供气时，则应选择气关阀。

8.控制器正、反作用的确定

控制器的正作用指当控制器输入的偏差增加时，控制器的输出也增加；反之，控制器的反作用指当控制器输入的偏差增加时，控制器的输出为减小。

控制器正、反作用的选择是控制系统是否正常运行与安全操作的重要问题。控制系统能够稳定运行的必要条件之一是构成负反馈系统，即被控变量偏离要求值时，控制作用应能产生相反的控制作用，使被控量回到设定值。控制器正、反作用方式的确定必须在控制阀的开、关形式确定之后。

控制器正、反作用确定的方法有两种：逻辑推理法和符号法。

（1）逻辑推理法

首先假设控制器的作用为正（或反）作用，再从系统的控制看其是否符合设计意图，即设计目的。若符合假设则控制器作用为正；若不符合假设则控制器为反作用。

逻辑推理法示意图如图4-21所示。

图4-21 逻辑推理法示意图

图4-22 加热炉温度控制系统

例如加热炉温度控制系统，如图4-22所示。

从生产工艺分析：在停气或原料油短缺时，燃料油应停止进入加热炉，燃料油阀选择为气开形式。

在控制阀选择为气开阀下，假设控制器为正作用，采用逻辑推论来看，出口温度如果高于设定值，比较产生的偏差增大，控制器正作用，控制信号增大，而控制阀为气开阀。所以阀门开度增大，燃料油输入量增加，加热炉温度升高，出口温度升高。这与控制系统设计意图相反，所以原假设不正确。控制器应为反作用。

（2）符号法

在此规定：

1）控制阀：若控制阀为气开式，取“+”号；控制阀为气关式，取“-”号。

2）控制器：控制器为正作用方式，取“+”号；控制器为反作用方式，取“-”号；

3）被控对象：当通过控制阀的物料或能量增加时，按工艺机理分析。若被控量随之增加则被控对象取“+”号。反之，若被控量随之减小则被控对象取“-”号。

4）变送器：一般情况下，变送器取“+”号为保证控制系统为负反馈的闭环系统来确定控制器的作用方式。

控制器正、反作用选择的判别式为：（控制器“±”）（控制阀“±”）（对象“±”）（变送器“+”）＝“-”。

例如，对于锅炉锅筒水位控制系统，为了避免在断气时锅炉供水中断而烧干爆炸，控制阀选择为气关式，符号为“-”；当进水量增加时，被控量水位是增加的，所以被控对象符号为“+”；变送器符号为“+”，则根据符号判别式得到控制器的符号为“+”，所以控制器选择为正作用方式。

9.调节器控制规律的选择

简单控制系统是由被控对象、控制器、执行器和测量变送装置构成的，通常将被控对象、执行器和测量变送器统称为控制系统的广义对象。在广义对象特性确定的情况下，要想提高控制系统的稳定性和控制的动态、静态质量只能通过选择合适的控制规律和控制器参数来完成。

控制规律的选择应根据对象特性、负荷变化、主要扰动和控制系统的性能指标要求等具体情况来考虑，同时还要考虑控制系统的经济性以及适用性等。

目前简单过程控制系统中常用的控制规律有位式控制、比例控制、比例积分控制、比例微分控制、比例积分微分控制等。

（1）位式控制

位式控制又称为开关控制，是最简单的一种控制方式。理想的位式控制如图4-23a所示。当偏差e（t）在零附近波动时，会引起执行机构的频繁动作，容易造成运动部件的损坏，而执行机构的输出反复高频率地变化也没必要。实际的位式控制器特性如图4-23b所示。控制器在偏差较小时有一个中间不灵敏区，使开和关的转换不在偏差的同一值上，这样避免了执行机构开关的频繁程度。

图4-23 位式控制

a）理想位式控制 b）实际位式控制

位式控制结构简单、成本较低、易于实现，因此应用很普遍。在工业过程生产中，如对控制质量要求不高，且允许进行位式控制时，可采用双位控制器构成双位控制系统。如空气压缩机贮罐的压力控制，恒温箱、电烘箱、管式加热炉的温度控制等就常采用双位控制系统。

双位控制的特点是，控制器只有最大与最小两个输出值；执行器只有“开”与“关”两个极限位置。因此，对象中物料量或能量总是处于严重的不平衡状态，被控变量总是剧烈振荡，得不到比较平稳的控制过程。为了改善这种特性，控制器的输出可以增加若干个中间值。即当被控变量在某一个范围内时，执行器可以处于某一中间位置，以使系统中物料量或能量的不平衡状态得到缓和，这就构成了多位式控制规律。

（2）比例控制

比例控制具有抗干扰能力较强、控制及时、过渡过程时间较短等优点，但纯比例控制无法消除余差，且负荷变化越大余差越大。所以当广义对象控制通道时间常数较小、负荷变化较小、工艺要求不高时，可选择比例控制规律，如中间贮罐的液位控制系统。

（3）比例积分控制

比例积分控制可以有效地降低偏差，甚至消除偏差，但积分的加入会使系统的稳定性降低。为保证系统的稳定性，在增加积分作用的同时加大比例度，使系统的稳定性基本保持不变，但系统的超调量、振荡周期、调节时间均会增大。所以，比例积分控制适用于广义对象控制通道时间常数较小、负荷变化也不大、工艺要求系统无余差的情况，如管道压力控制系统。

（4）比例微分控制

微分的引入能及时反映偏差的变化率，具有超前控制作用，对于广义对象具有较大滞后时，将会有效地改善系统的动态特性。但是微分对于频繁的干扰及测量信号中的高频噪声将比较灵敏，使得控制系统产生振荡，严重时会使系统不稳定。所以，对于广义对象控制通常时间常数较大或对象时滞较大时，可采用比例微分控制。但对于系统噪声较大的系统则不选择比例微分控制，如流量控制系统。

（5）比例积分微分控制

比例积分微分控制综合了比例、积分、微分控制各自的优点，对于广义对象控制通道时间常数较大或对象时滞较大、负荷变化较大、控制系统动态偏差较小和控制精度要求较高的系统采用比例积分微分控制，如温度控制、成分控制。

（6）复杂控制

当广义对象控制通道时间常数或对象滞后很大、负荷变化亦很大或对象有强干扰时，简单控制系统已不能满足要求，应设计复杂控制系统，如串级控制、前馈控制等。

除了上述根据广义被控对象特性来选择控制规律外，如果广义被控对象的传递函数可用G（s）＝Ke^-τs/（Ts+1）来近似表示，则控制规律的确定可根据对象的τ/T的比值来选择。

1）τ/T＜0.2时，选用比例或比例积分控制规律；

2）0.2≤τ/T＜1.0时，选用比例积分或比例积分微分控制规律；

3）τ/T≥1时，单回路反馈控制系统已不能满足控制要求，应根据具体情况，采用其他控制方式。

当被控对象的τ/T＝0.5时采用P、PI、PID控制规律的Simulink仿真图及响应曲线如图4-24所示。

当被控对象的τ/T＝0.1时采用P、PI、PID控制规律的Simulink仿真响应曲线如图4-25所示。

图4-24 τ/T＝0.5时P、PI、PID控制规律响应曲线

图4-25 τ/T＝0.1时P、PI、PID控制规律响应曲线