電動調節(jié)閥的輸入和輸出之間的關系
電動調節(jié)閥的輸入和輸出之間的關系
電動調節(jié)閥的輸出很難用一個準確的數字模型來描述，但可以準確地測量。針對這一特點步進式控制不直接對輸入信號進行響應，而是分若干個固定的步長，根據每次的測量結果使輸入指令信號一步一步地逼近設定量。通過合理的控制參數設置，該方法使控制對象運行平穩(wěn)適用于對響應速度要求不高的流量或壓力的跟隨或穩(wěn)定控制。
電動調節(jié)閥通常作為自動控制系統(tǒng)的一個組成部分，被用來對氣體的流量或壓力進行調節(jié)。但是電動調節(jié)閥的輸入和輸出之間的關系很難用一個準確的數字模型來描述。這不僅是由于閥門輸出特性的非線性，而其由于流過閥門氣體的流量和閥門前后的壓降互相影響難以計算。以流量控制為例，當閥門前后壓力固定時流量僅與閥門的開度有關，但在大多數情況下，當閥門的閥位變化時，閥門前后壓力也會隨之變化，這就時流量增益的計算十分困難。事實上由于閥門前后的壓力在擾動因素的作用下也會發(fā)生波動從而引起流量的變化，流過閥門氣體的流量與閥門的開度不存在一一對應的關系。由于數學模型的不確定，直接以閥板的開度作為操縱變量不能很好地滿足系統(tǒng)的要求，甚至可能導致事故的發(fā)生。然后盡管閥門的開度與流量或壓降之間的解析關系不易得到，但是借助測量儀表卻可以方便地對閥門在某一開度下的流量或壓降進行測量。
針對閥門的輸出易測量不宜計算的特點，步進式控制不直接對輸入信號進行響應，而是分若干個固定的步長，使輸入信號一步一步地逼近設定量。在閥板轉動一個步長之后都對閥門的流量或壓降進行一次測量，控制計算機根據測量值和設定值比較的結果確定下一步閥板轉動的方向直至測量值與設定值的差值小于規(guī)定誤差時為止。 步進式控制的程序設計不涉及數學模型的分析和求解因而相對比較簡單一般用梯形圖就可以實現(xiàn)。程序設計框圖見圖1。在程序設計中需要設定兩個參數及步長和采樣周期。這兩個參數對控制系統(tǒng)的精度和響應速度影響較大設定時應綜合考慮系統(tǒng)對控制精度和響應速度的要求。
電動執(zhí)行機構可簡化為由繼電環(huán)節(jié)和傳遞函數兩部分組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖2所示。這個閉環(huán)控制系統(tǒng)是以電壓信號 us（即 i/v 轉換后的信號）為輸入位置反饋信號 uf 為輸出。只要 |e|>h伺服電機就會得到大小為 ua 的供電電壓。這時的前向傳遞函數為： 式中，m為 |e|>h 開始的時刻n為 |e|>h 結束的時刻。
對式（1）進行拉氏反變換，可以得到位置反饋信號 uf即閥板位置的變化規(guī)律為 當步長較大一個步長所經歷的時間較長時式中的非線性項 e-（t-m） 和 e-（t-n） 對響應速度的影響較小。反之非線性因素對響應速度的影響較大。由此可見步長越小控制精度越高但響應速度越慢。步長的設定可以在系統(tǒng)的調試過程中根據對控制對象的測量結果進行閥板轉動一個步長所引起的流量或壓降的zui大變化量略小于系統(tǒng)允許余差的 2 倍即可。 采樣周期的設定取決于步長的設定。步長越大，閥板轉動一個步長使控制對象從一個穩(wěn)定狀態(tài)過渡到下一個穩(wěn)定狀態(tài)所經歷的時間越長，相應的也需要較長的采樣時間。采樣周期的設定也可以在系統(tǒng)的調試過程中進行，采樣周期應略長于閥板轉動一個步長所引起的閥門的輸出的變化達到穩(wěn)定值所需要的zui長時間。 步進控制法德余差與步長的設置有關。如果按照一個步長所引起的被空置量的zui大變化量略小于靜態(tài)允差的原則設置步長，則不論電動調節(jié)閥用于穩(wěn)定系統(tǒng)還是用于跟隨系統(tǒng)其輸出的余差都不會大于系統(tǒng)的靜態(tài)允差。由于計算機輸出的是固定的小增量并且對應于每一個這樣的小增量控制對象的變化量不大于靜態(tài)允差的 2 倍。故采用步進控制法閥門輸出的超調量在數值上不大于系統(tǒng)的靜態(tài)允差。 因為閥門執(zhí)行機構中慣性等因素的存在使閥門在開閉過程中存在非線性。按照常規(guī)的控制規(guī)律閥門每次在運動持續(xù)的時間較長，非線性的影響往往可以忽略不計。
在步進式控制中，閥門的輸出達到設定量需要通過若干步長才能完成。正是由于每一步中非線性項的累積影響，使得步進式控制的響應速度比其他控制方式慢過渡時間長。并且控制精度越高響應速度越慢。圖3是假定閥門增益為常量 3繼電環(huán)節(jié)輸出 ua 為0.01執(zhí)行機構傳遞函數為 1/n（s+1）選取步長為 0.01采樣周期為 8s步進式控制對單位階躍輸入的響應速度與直接響應法得到相同輸出穩(wěn)態(tài)值時的響應速度比較的 simulink 仿真圖（圖3）。從圖中可以看出前者的過渡時間約 260s而后者的過渡時間僅約 80s二者的響應速度相差 2 倍以上。 濟鋼 500t pd 環(huán)形套筒石灰窯使用轉爐煤氣生產煉鋼用活性石灰對應一定的生產率要求單位時間內進入石灰窯的煤氣的總發(fā)熱量基本保持恒定。由于煤氣的熱值波動范圍較大需要根據生產率和煤氣的熱值以及該生產率下單位產品的熱耗計算出對應的煤氣流量。通過控制煤氣流量來穩(wěn)定入窯煤氣的總發(fā)熱量。運用步進式控制方法通過煤氣總管電動調節(jié)閥對煤氣流量進行調節(jié)。首先根據工藝需要將煤氣流量偏差的允許值設定為 ±100m3/h煤氣流量在這個范圍內波動對石灰的焙燒工藝沒有明顯影響。然后按照 2.1 和 2.2 所述的方法將步長值設置為閥板總開度的 3%;將采樣周期設置為 5s。
上述方法實施后，燃燒室和循環(huán)氣體溫度的波動基本消除，石灰質量明顯提高。
此外，步進式控制法還應用于濟鋼（馬）中板廠加熱爐空然配比自動控制和濟鋼第三煉鋼廠 4 號連鑄機水處理水壓自動控制等系統(tǒng)中。步進控制法是根據對控制對象的測量結果來決定閥門開閉方向的，而且每次開閉的位移量是固定的，不需要借助數學模型來確定控制規(guī)律。適用于數學模型不宜求取或數學模型不確定的場合。該制法控制電動調節(jié)閥，由于每一次的位移量小產生的誤差也小。可以使對象運行平穩(wěn)，靜態(tài)誤差也可以控制在一個較小的范圍。與采用對輸入量直接響應的控制方法相比響應速度較慢，不適用于對響應速度要求較高的場合。但對一般的工業(yè)過程而言，其響應速度已經足夠。
閥門的腐蝕通常被理解為閥門金屬材料在化學的或電化學的環(huán)境作用下所受到的破壞。由于“腐蝕”現(xiàn)象出現(xiàn)于金屬與周圍環(huán)境自發(fā)的相互作用當中因此怎樣將金屬與周圍環(huán)境相隔絕或更多的使用非金屬合成材料則成為人們普通關注的問題。
*金屬的腐蝕破壞對閥門的作用期限可靠性和使用壽命有相當大的影響。機械和腐蝕的作用因素對金屬的作用大大地增加了接觸表面總的磨損量。閥門在操作過程中摩擦的表面總的磨損量。閥門在操作過程中摩擦的表面由于同時的機械作用和金屬與環(huán)境進行化學的或電化學的互相作用的結果產生磨損和破壞。對閥門而言其管道工作氣候條件的復雜石油、天然氣和油層水等介質中硫化氫、二氧化碳和某些有機酸的出現(xiàn)使其金屬表面的破壞力增大從而迅速失去工作能力。
由于金屬的化學腐蝕取決于溫度、磨擦零件的機械負荷、潤滑材料中所含的硫化物及其抗酸的穩(wěn)定性與介質接觸持續(xù)的時間和金屬對氮化過程的催化作用、腐蝕浸蝕性物質的分子對金屬的轉換速度等等。因此金屬閥門的防腐方法或措施及合成材料閥門的應用便成為目前閥門行業(yè)研究的主題之一。
一、 金屬閥門的防腐可理解為在金屬閥門上涂覆保護其不受腐蝕的條件保護層（如漆、顏料、潤滑材料等等），使閥門無論是在制造、保存、運輸還是在其使用的全部過程中都不受腐蝕
金屬閥門防腐的方法決定于所需求的保護期限、運輸和保存條件、閥門構造特點和材料當然適應考慮解除防腐的經濟效果。
金屬閥門及其零部件防腐的方法主要有4種：
將易揮發(fā)的腐蝕抑制劑放入蒸汽的大氣中用阻化紙包裹吹動抑制空氣通過制品腔室等等。
利用被阻化的水和酒精溶液
將防腐（保護）材料薄層涂于閥門及其零部件表面。
將被阻化的薄膜或聚合物的薄層涂于閥門及其零部件。
（注：目前的閥門生產企業(yè)廣泛應用潤滑材料和水阻化溶流來防腐。）
二、 材料閥門的應用
合成材料閥門，在許多腐蝕性工況中都優(yōu)于金屬閥門，首先是抗腐蝕性，其次是凈重，至于其強度，要取決于增強纖維的形狀、排列和數量。（一般來說纖維的百分比越大合成材料的強度越大。）在閥門應用中纖維的重量含量基本范圍為30%-40%而其化學穩(wěn)定性主要由在zui終產品中灌封纖維的樹脂本體特性決定。在合成材料閥門中其固態(tài)聚合物本體既可以是熱塑性塑料（如pvc-聚偏氟乙烯、pps-聚苯硫醚等），也可以是熱固性樹脂（如聚酯、乙烯其及環(huán)氧樹脂等）。熱固性樹脂在介溫狀態(tài)下保持其強度的性能優(yōu)于熱塑性塑料（即熱固性樹脂具有較高的熱變形溫度）。（注：在使用工況中合成材料的抗熱性能的測定被稱為熱變形溫度）。
目前，化工流程閥門zui常用的合成材料為乙烯基環(huán)氧樹脂（熱塑料材料），其增強纖維為切碎的玻璃纖維（1/4英寸長）和切碎的石墨纖維1/4英寸長。下表就zui廣泛使用的合成材料的性能與耐腐蝕金屬的性能作一比較。
玻璃增強型乙烯基 石墨增強型乙烯基 石墨增強型pps 316ss hast-c
拉伸強度psi  4000 6000 26000 85000 90000
彎曲強度（psi） 8000 12000 35000 na na
壓縮強度（psi） 14000 18000 21000 85000 90000
熱變形溫度°f 295 7320 520 na na
熱膨脹系數in/in/°f 15×10-6 15×10-6 13×10-6 6.3×10-6 9.9×10-6
注：na即不適用的（或無效的）
從表面分析，玻璃和石墨增強合成材料與金屬相比，其抗拉強度較低，因此，合成材料閥門受應力較大的部位應有較厚的截面并附有加強筋以達到與金屬相同的性能。
由于合成材料閥門的耐腐蝕性能、高強度和輕重量，使其成為在許多金屬或玻璃纖維增強塑料管道系統(tǒng)腐蝕性工況中，較經濟的可選閥門產品。在化工流程工況中合成材料閥門的使用前景。
在閥門工業(yè)中，有機材料和合成材料的使用，已不是傳統(tǒng)上金屬與非金屬閥門材料的概念。陶瓷（可以把閥門的使用溫度由400℃提高到1200℃以上）、塑料（具有防銹耐蝕的特點、合成材料）具有耐腐蝕、重量輕、強度高的特點、記憶合金，利用形狀記憶合金或溫度記憶合金的可逆性和高彈性來制造的閥門等。新型材料，正在開發(fā)出大批具有高性能的閥門新產品。新技術的發(fā)展，使各種工程材料應用于閥門制造業(yè)已成為可能。
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電動調節(jié)閥通常作為自動控制系統(tǒng)的一個組成部分，被用來對氣體的流量或壓力進行調節(jié)。但是電動調節(jié)閥的輸入和輸出之間的關系很難用一個準確的數字模型來描述。這不僅是由于閥門輸出特性的非線性，而其由于流過閥門氣體的流量和閥門前后的壓降互相影響難以計算。以流量控制為例，當閥門前后壓力固定時流量僅與閥門的開度有關，但在大多數情況下，當閥門的閥位變化時，閥門前后壓力也會隨之變化，這就時流量增益的計算十分困難。事實上由于閥門前后的壓力在擾動因素的作用下也會發(fā)生波動從而引起流量的變化，流過閥門氣體的流量與閥門的開度不存在一一對應的關系。由于數學模型的不確定，直接以閥板的開度作為操縱變量不能很好地滿足系統(tǒng)的要求，甚至可能導致事故的發(fā)生。然后盡管閥門的開度與流量或壓降之間的解析關系不易得到，但是借助測量儀表卻可以方便地對閥門在某一開度下的流量或壓降進行測量。
針對閥門的輸出易測量不宜計算的特點，步進式控制不直接對輸入信號進行響應，而是分若干個固定的步長，使輸入信號一步一步地逼近設定量。在閥板轉動一個步長之后都對閥門的流量或壓降進行一次測量，控制計算機根據測量值和設定值比較的結果確定下一步閥板轉動的方向直至測量值與設定值的差值小于規(guī)定誤差時為止。 步進式控制的程序設計不涉及數學模型的分析和求解因而相對比較簡單一般用梯形圖就可以實現(xiàn)。程序設計框圖見圖1。在程序設計中需要設定兩個參數及步長和采樣周期。這兩個參數對控制系統(tǒng)的精度和響應速度影響較大設定時應綜合考慮系統(tǒng)對控制精度和響應速度的要求。
電動執(zhí)行機構可簡化為由繼電環(huán)節(jié)和傳遞函數兩部分組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖2所示。這個閉環(huán)控制系統(tǒng)是以電壓信號 us（即 i/v 轉換后的信號）為輸入位置反饋信號 uf 為輸出。只要 |e|>h伺服電機就會得到大小為 ua 的供電電壓。這時的前向傳遞函數為： 式中，m為 |e|>h 開始的時刻n為 |e|>h 結束的時刻。
對式（1）進行拉氏反變換，可以得到位置反饋信號 uf即閥板位置的變化規(guī)律為 當步長較大一個步長所經歷的時間較長時式中的非線性項 e-（t-m） 和 e-（t-n） 對響應速度的影響較小。反之非線性因素對響應速度的影響較大。由此可見步長越小控制精度越高但響應速度越慢。步長的設定可以在系統(tǒng)的調試過程中根據對控制對象的測量結果進行閥板轉動一個步長所引起的流量或壓降的zui大變化量略小于系統(tǒng)允許余差的 2 倍即可。 采樣周期的設定取決于步長的設定。步長越大，閥板轉動一個步長使控制對象從一個穩(wěn)定狀態(tài)過渡到下一個穩(wěn)定狀態(tài)所經歷的時間越長，相應的也需要較長的采樣時間。采樣周期的設定也可以在系統(tǒng)的調試過程中進行，采樣周期應略長于閥板轉動一個步長所引起的閥門的輸出的變化達到穩(wěn)定值所需要的zui長時間。 步進控制法德余差與步長的設置有關。如果按照一個步長所引起的被空置量的zui大變化量略小于靜態(tài)允差的原則設置步長，則不論電動調節(jié)閥用于穩(wěn)定系統(tǒng)還是用于跟隨系統(tǒng)其輸出的余差都不會大于系統(tǒng)的靜態(tài)允差。由于計算機輸出的是固定的小增量并且對應于每一個這樣的小增量控制對象的變化量不大于靜態(tài)允差的 2 倍。故采用步進控制法閥門輸出的超調量在數值上不大于系統(tǒng)的靜態(tài)允差。 因為閥門執(zhí)行機構中慣性等因素的存在使閥門在開閉過程中存在非線性。按照常規(guī)的控制規(guī)律閥門每次在運動持續(xù)的時間較長，非線性的影響往往可以忽略不計。
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上述方法實施后，燃燒室和循環(huán)氣體溫度的波動基本消除，石灰質量明顯提高。
此外，步進式控制法還應用于濟鋼（馬）中板廠加熱爐空然配比自動控制和濟鋼第三煉鋼廠 4 號連鑄機水處理水壓自動控制等系統(tǒng)中。步進控制法是根據對控制對象的測量結果來決定閥門開閉方向的，而且每次開閉的位移量是固定的，不需要借助數學模型來確定控制規(guī)律。適用于數學模型不宜求取或數學模型不確定的場合。該制法控制電動調節(jié)閥，由于每一次的位移量小產生的誤差也小。可以使對象運行平穩(wěn)，靜態(tài)誤差也可以控制在一個較小的范圍。與采用對輸入量直接響應的控制方法相比響應速度較慢，不適用于對響應速度要求較高的場合。但對一般的工業(yè)過程而言，其響應速度已經足夠。
閥門的腐蝕通常被理解為閥門金屬材料在化學的或電化學的環(huán)境作用下所受到的破壞。由于“腐蝕”現(xiàn)象出現(xiàn)于金屬與周圍環(huán)境自發(fā)的相互作用當中因此怎樣將金屬與周圍環(huán)境相隔絕或更多的使用非金屬合成材料則成為人們普通關注的問題。
*金屬的腐蝕破壞對閥門的作用期限可靠性和使用壽命有相當大的影響。機械和腐蝕的作用因素對金屬的作用大大地增加了接觸表面總的磨損量。閥門在操作過程中摩擦的表面總的磨損量。閥門在操作過程中摩擦的表面由于同時的機械作用和金屬與環(huán)境進行化學的或電化學的互相作用的結果產生磨損和破壞。對閥門而言其管道工作氣候條件的復雜石油、天然氣和油層水等介質中硫化氫、二氧化碳和某些有機酸的出現(xiàn)使其金屬表面的破壞力增大從而迅速失去工作能力。
由于金屬的化學腐蝕取決于溫度、磨擦零件的機械負荷、潤滑材料中所含的硫化物及其抗酸的穩(wěn)定性與介質接觸持續(xù)的時間和金屬對氮化過程的催化作用、腐蝕浸蝕性物質的分子對金屬的轉換速度等等。因此金屬閥門的防腐方法或措施及合成材料閥門的應用便成為目前閥門行業(yè)研究的主題之一。
一、 金屬閥門的防腐可理解為在金屬閥門上涂覆保護其不受腐蝕的條件保護層（如漆、顏料、潤滑材料等等），使閥門無論是在制造、保存、運輸還是在其使用的全部過程中都不受腐蝕
金屬閥門防腐的方法決定于所需求的保護期限、運輸和保存條件、閥門構造特點和材料當然適應考慮解除防腐的經濟效果。
金屬閥門及其零部件防腐的方法主要有4種：
將易揮發(fā)的腐蝕抑制劑放入蒸汽的大氣中用阻化紙包裹吹動抑制空氣通過制品腔室等等。
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將防腐（保護）材料薄層涂于閥門及其零部件表面。
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（注：目前的閥門生產企業(yè)廣泛應用潤滑材料和水阻化溶流來防腐。）
二、 材料閥門的應用
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目前，化工流程閥門zui常用的合成材料為乙烯基環(huán)氧樹脂（熱塑料材料），其增強纖維為切碎的玻璃纖維（1/4英寸長）和切碎的石墨纖維1/4英寸長。下表就zui廣泛使用的合成材料的性能與耐腐蝕金屬的性能作一比較。
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拉伸強度psi  4000 6000 26000 85000 90000
彎曲強度（psi） 8000 12000 35000 na na
壓縮強度（psi） 14000 18000 21000 85000 90000
熱變形溫度°f 295 7320 520 na na
熱膨脹系數in/in/°f 15×10-6 15×10-6 13×10-6 6.3×10-6 9.9×10-6
注：na即不適用的（或無效的）
從表面分析，玻璃和石墨增強合成材料與金屬相比，其抗拉強度較低，因此，合成材料閥門受應力較大的部位應有較厚的截面并附有加強筋以達到與金屬相同的性能。
由于合成材料閥門的耐腐蝕性能、高強度和輕重量，使其成為在許多金屬或玻璃纖維增強塑料管道系統(tǒng)腐蝕性工況中，較經濟的可選閥門產品。在化工流程工況中合成材料閥門的使用前景。
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