過程優(yōu)化的一個重要考慮因素。旋轉(zhuǎn)閥經(jīng)常產(chǎn)生磨擦問題，因為閥腔容量大，需要一些密封處理使其密封，廠家通常在制造時就對旋轉(zhuǎn)閥的密封處進行潤滑，但是幾百次循環(huán)轉(zhuǎn)動后，潤滑層脫落，閥門的摩擦力增大至設計值的4倍或更多。
對直行程的閥而言，填料是主要的磨擦源，這類閥中，測得的摩擦力因閥門類型和填料不同而變化很大。
執(zhí)行機構(gòu)的種類也對控制閥組件的磨擦起著重要影響，通常，彈簧和膜片式執(zhí)行機構(gòu)對控制閥產(chǎn)生的磨擦小于氣缸式執(zhí)行機構(gòu)。這就是彈簧和膜片式執(zhí)行機構(gòu)比氣缸式執(zhí)行機構(gòu)在被施加了小的控制信號時響應更快的原因之一，以下還會詳述。
彈簧和膜片式執(zhí)行機構(gòu)另一個優(yōu)點是隨時間增長，磨擦特性不變。而氣缸式執(zhí)行機構(gòu)的磨擦則隨“O”型圈磨損和潤滑油的消耗很快增大。在實際使用中，氣缸式執(zhí)行機構(gòu)維修頻率高于彈簧和膜片式執(zhí)行機構(gòu)。
無效行程通指松動或機械機構(gòu)的不緊密連接，由于松動導致機械反向動作時呈現(xiàn)非連續(xù)性。無效行程通常產(chǎn)生于不同配置的齒輪驅(qū)動器，導軌式和齒輪式執(zhí)行機構(gòu)尤其可能因為無效行程易產(chǎn)生死區(qū)，很多閥桿連接也存在死區(qū)，齒槽連接通常比螺桿連接和雙“D”型連接產(chǎn)生的死區(qū)小。
然而磨擦是難于*消除的現(xiàn)象，一個性能良好的工程用控制閥應該能夠從本質(zhì)上消除因無效行程而產(chǎn)生的死區(qū)。
4 執(zhí)行機構(gòu)－定位器設計
執(zhí)行機構(gòu)與定位器的設計必須一起考慮，這兩個部分的結(jié)合對控制閥組件靜態(tài)特性（死區(qū)）產(chǎn)生極大影響，也影響動態(tài)響應和整臺閥的儀表風耗量。
一個好的定位器對于減少工藝波動來說zui重要的特點是二級設計，即氣源能量放大后信號再放大。
在傳統(tǒng)二級式氣動定位器中，*級是典型的噴嘴－擋板機構(gòu)，該機構(gòu)相當于一個高放大倍數(shù)的功率預放大器，這個功率預放大器提高了定位器對一個非常小的輸入信號變化的敏感程度，而這對于減少工藝波動又是非常重要的，該功率預放大器也允許定位器在動態(tài)條件下在較寬范圍內(nèi)維持高放大倍數(shù)。因為*級預放大后能量非常小，必須緊接著進行能量放大階段，這樣能量才足以驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，這種能量放大器是一個繼動器或一個小滑閥。
單級滑閥式的定位器因為結(jié)構(gòu)簡單近來頗為流行，該設計比二級式設計更易于持續(xù)工作且造價更低，缺點是，大多數(shù)滑閥式定位器取得一定的*性但犧牲了設計中的*級預放大。這個定位器的輸入是一個很簡單的轉(zhuǎn)換模塊，能夠?qū)⑤斎胄盘枺娀驓猓┺D(zhuǎn)化為滑閥的動作。這種結(jié)構(gòu)對小信號變化極不敏感，導致了控制閥組件死區(qū)的增加。
一些制造廠企圖使用增大滑閥口徑，減小閥氣門重疊來改善性能，這樣增加了調(diào)節(jié)設備能量的放大倍數(shù)，從一定程度上改善了性能，但也由于所謂的“高放大倍數(shù)”滑閥的存在而增大了氣源的消耗，許多“高放大倍數(shù)”的滑閥式定位器有比高性能的二級式定位器高出5倍的儀表風耗量。
二級式定位器給幾乎每一臺閥提供的動態(tài)性能，相比之下，單級式定位器限制了控制閥的動態(tài)性能。
圖2 各種執(zhí)行機構(gòu)性能響應圖
圖2顯示了在小的控制范圍內(nèi)，彈簧和膜片式且?guī)в卸壎ㄎ黄鞯膱?zhí)行機構(gòu)的性能優(yōu)于帶有單級定位器的氣缸式執(zhí)行機構(gòu)。這主要由2個因素造成：彈簧和膜片組件靈敏度愈來愈高且磨擦力?。欢壎ㄎ黄鞯膭討B(tài)性能愈來愈好。在常規(guī)工藝控制應用中，小的輸入信號的變化(2%)其響應死區(qū)時間更短，響應時間更快。筆者注意到帶有二級定位器的氣缸式執(zhí)行機構(gòu)性能也優(yōu)于帶單級滑閥式定位器的氣缸式執(zhí)行機構(gòu)，總之，帶有二級式定位器的彈簧和膜片式執(zhí)行機構(gòu)的性能。
5儀表供風壓力
儀表供風壓力對控制閥組件的動態(tài)特性有重要影響，例如它可以顯著影響定位器的放大倍數(shù)和總儀表風耗量。
固定放大倍數(shù)的定位器通常通過工作于特定的供風壓力來優(yōu)化其性能，該放大倍數(shù)可以因為一些因素（小范圍風壓波動）而變化。例如，一個經(jīng)過優(yōu)化且由138kPa供風壓力供風的定位器，當供風壓力突升至241kPa時，發(fā)現(xiàn)放大倍數(shù)降了一半，一個可調(diào)放大倍數(shù)的定位器需要以實際供風壓力、執(zhí)行機構(gòu)的氣容、組件的摩擦力和控制閥的應用場合來優(yōu)化放大倍數(shù)以提高靈敏度。
供風壓力決定了傳遞到執(zhí)行機構(gòu)的氣體量，然后由它zui終決定行程速度，它與儀表風的消耗指標也直接相關(guān)。
6控制閥的種類和特性
控制閥的種類和口徑可以對系統(tǒng)中控制閥組件的特性產(chǎn)生很大的影響。許多人擔心是否在任伺可能的情況下控制閥的口徑都足以通過所需的流量，然而，對于特定應用場合，閥口徑過大也對過程工藝優(yōu)化不利。
控制閥的流通能力與控制閥種類的固有特性相關(guān)。典型的閥特性有：“線性”，“等百分比”和“快開”。
在恒壓降的特定條件下，閥流量僅與閥桿的行程及固有的閥芯形狀設計有關(guān)。這就是這些特性被稱為閥的固有特性的原因。
流量的微增量（輸出）與引起該變化的閥桿行程微增量（輸入）之比率定義為閥的放大倍數(shù)。
閥放大倍數(shù)=流量變化/行程變化=斜率
線性特性在整個行程范圍內(nèi)均有恒定的閥放大倍數(shù)，快開特性在小開度時有固定的zui大放大倍數(shù)。對等百分比閥而言，閥的zui大放大倍數(shù)產(chǎn)生于開度zui大時。
閥的特性是由閥流通件的幾何尺寸所造成，不會變化。對固有特性的了解是很有用的，但是更重要的是從工藝優(yōu)化角度所考慮的整個系統(tǒng)的工作流量特性，包括閥和回路中的所有設備，工作流量特性被定義為通過閥的流量與閥桿行程的關(guān)系，此時閥被裝于一個特定的系統(tǒng)中，閥的壓降允許自然變化而不是保持恒定，對工作流量特性的描述如圖3所示。
圖3 控制閥工作流量特性和可調(diào)范圍
7保持回路放大倍數(shù)
通過閥芯的設計而使閥放大倍數(shù)呈現(xiàn)各種特性，是對整個控制回路中其他環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)加以補償?shù)氖侄?。zui終目的是維持整個操作范圍內(nèi)回路放大倍數(shù)合理且一致。
一般而言，被控設備的放大倍數(shù)都隨流量變化而變，例如，若單體的放大倍數(shù)隨流量的增加而趨于減少，工藝控制工程師將很可能使用一個等百分比閥，該閥隨流量增大而放大倍數(shù)增大。理想狀態(tài)下，這兩個反向關(guān)系將相互平衡以提供更加線性化的工作流量特性。
理論上講，在某個特定的流量條件下，整定一個回路以取得優(yōu)化的性能。當流量在設定值附近變化的時候，期望保持回路放大倍數(shù)為一個常數(shù)來盡可能維持優(yōu)化性能。如果回路放大倍數(shù)因固有閥流量特性的變化而發(fā)生變化，不能地補償被控單體的放大倍數(shù)的變化，則整個回路放大倍數(shù)的波動將使過程優(yōu)化更加困難。另外，也存在因回路增益變化很大而致過程不穩(wěn)定，或影響其他動態(tài)性能。
通常，可以接受的原則是使回路放大倍數(shù)變化不能超過4:1，否則，回路動態(tài)性能將會不穩(wěn)定。這個比例并非隨便給定，是由許多自控專業(yè)人員認可，這樣在大多數(shù)控制回路中，放大倍數(shù)的變化裕度是可以接受的。由于它普遍地被接受，該原則形成了以下公式的基礎。
回路過程放大倍數(shù)=1.0(對應變送器量程，%)/(調(diào)節(jié)器輸出，%)
通常范圍為：0.5～2.0
注意，該“回路過程”概念包括除調(diào)節(jié)器外的回路中的每一個環(huán)節(jié)，例如，控制閥的放大倍數(shù)，被控設備和變送器，因為控制閥是回路過程的一部分，它的類型和口徑選擇非常重要，這樣將在整個系統(tǒng)操作范圍的特定放大倍數(shù)限度內(nèi)，使系統(tǒng)工作流量特性足夠線性化。如果閥本身產(chǎn)生太大的放大倍數(shù)的變化，調(diào)節(jié)器可調(diào)節(jié)的靈活性就較小，經(jīng)驗告訴人們保持調(diào)節(jié)器的回路放大倍數(shù)盡可能大。
當4:1的回路放大倍數(shù)比己被廣泛接受時，并不是每個人都接受0.5～2.0的放大倍數(shù)幅度，一些過程專家實際使用的放大倍數(shù)幅度范圍為0.2～0.8，這也是4:1的比率。然而，使用小的比例范圍有一種潛在的危險，那就是低限導致正常操作時控制閥大幅度振蕩。通常操作經(jīng)驗是保持閥的振蕩小于5%。0.5～2.0的范圍是較合理的，除非因一些邏輯上的原因而有其他選擇。然而，zui重要的是，過程優(yōu)化仍需選擇合適閥類型及口徑以在zui寬可操作范圍內(nèi)使放大倍數(shù)保持在可選幅度內(nèi)。
圖3、4中的工作流量特性曲線是根據(jù)一個控制回路得到，在手動狀態(tài)的調(diào)節(jié)器中（開環(huán)），正常操作條件下，隨著控制閥保持穩(wěn)定，流量也穩(wěn)定下來，在這種工況下，閥輸入信號在正常行程范圍內(nèi)變化且流量響應也可測。
一旦工作流量特性被建立起來，每一行程對應曲線的斜率都能確定，工作流量特性曲線的斜率稱為系統(tǒng)工作過程放大倍數(shù)。如圖4所示，可能回路放大倍數(shù)可接受范圍為0.5～2.0。
圖4控制閥的可調(diào)范圍因閥型而異
如圖4所示，特殊蝶閥安裝于特殊回路中，它只能在可接受的特定增益范圍內(nèi)操作，行程范圍（29%～50%）大約對應為20°的變化。一個閥能在可接受范圍裕度內(nèi)工作，該范圍稱為閥的“可調(diào)比”。
閥的可調(diào)比隨閥的類型而顯著變化，柱塞閥的可調(diào)比比蝶閥寬，實際上，在控制閥的性能體系上，柱塞閥顯出zui寬的可調(diào)比，其次是V型球閥。偏心旋轉(zhuǎn)閥可調(diào)比與球閥和V型球閥相比更窄，蝶閥通?？烧{(diào)范圍zui窄且適用于流量固定的場合。此外，在定流量使用時，必須仔細選擇其口徑以用于過程性能優(yōu)化。
如果閥的固有特性是可選的，這樣可以隨流量變化對設備的放大倍數(shù)進行補償，然后大家希望控制閥的工作流量特性幾乎是一條值為1.0的直線。
然而，這樣一個的數(shù)字是幾乎不可能的，因為有對數(shù)特性的限制而閥芯固定特性不能無限制變化，另外，一些類型的閥，例如蝶閥和球閥都不能改變閥芯而將閥固有特性改變。
通常希望通過定位器反饋機構(gòu)內(nèi)凸輪的非線性化來改變閥的固有特性以改善上述狀況。本質(zhì)上講，希望凸輪的非線性性能改變閥輸入信號和閥桿位置之間的關(guān)系，對于閥整體而言，可以得到一個固有特性，這樣可以替代簡單地依靠閥芯設計改變特性的方法。
盡管使用定位器凸輪對改變閥的特性有相當效果，但使用“凸輪特性”的效果在許多場合具有相當?shù)木窒扌?。因為凸輪也顯著地改變了定位器回路的放大倍數(shù)，而該放大倍數(shù)又嚴格限制了定位器的動態(tài)響應。使用凸輪實現(xiàn)閥特性不如由閥芯實現(xiàn)*，但對于旋轉(zhuǎn)式閥對流量特性無法改變來說己進了一步。
一些電子設備可以改變閥特性，它們在I/P定位器輸入信號進入定位器回路之前就電子“定位”。實際上，這種技術(shù)“重新整定”了閥的輸入信號，方法是將線性4～20mA調(diào)節(jié)器信號依據(jù)數(shù)值表預編程，用這種方式產(chǎn)生閥的輸入達到了希望獲得的閥的特性。這種技術(shù)有時與“前饋”或“設定點”特性有關(guān)。
因為這種特性的確發(fā)生于定位器反饋回路之外，這種“前饋”或“設定點”的特性與定位器凸輪定義的特性相比有相當?shù)?性。它避兔了定位器回路放大倍數(shù)的變化，然而，這種方法并不總是有效，因為它也有自己的動態(tài)限制。例如，閥的調(diào)節(jié)范圍可能有局限性，1.0%工藝信號的改變可能變得很窄，可能導致0.1%的閥信號的變化（例如在特性曲線的平坦區(qū)），許多閥在信號變化如此小時均無響應。
的工藝性能是通過改變閥芯達到理想的流量性能，而不是使用凸輪或其他方式。在系統(tǒng)操作范圍內(nèi)，對所設計的控制閥合理選型使工作流量特性線性化可確保工藝性能優(yōu)化。
8閥的口徑
如果通過減小工藝過程的波動來優(yōu)化過程性能，zui常見的問題是閥口徑過大。這通常由于使用了線性特性的閥，尤其是使用了流通能力大的旋轉(zhuǎn)式閥，另外的原因是在工藝設計的不同階段對多種安全因素有保守的考慮。
擴大閥的口徑在兩個方面導致了過程的波動，首先，大閥的放大倍數(shù)過大，給調(diào)節(jié)器所留的靈活性較小，而大多數(shù)回路增益來自于調(diào)節(jié)器時性能總是。
其次，大口徑閥使工藝過程波動的原因是大閥很可能在小開度頻繁動作，這樣閥的密封摩擦會更大，尤其對于旋轉(zhuǎn)式閥。
另外，不管閥實際流量特性是什么，一個超大口徑的閥的特性趨于快開，尤其在小流量場合且閥門放大倍數(shù)很高時尤為如此。這通常使閥操作偏離可接受的過程放大倍數(shù)幅度，導致對閥而言可調(diào)比較為狹窄。
zui后，因為一個大口徑閥對于一個給定信號的微小增加卻導致不成比例地大流量變化，這種現(xiàn)象能擴大由于摩擦等因素產(chǎn)生的死區(qū)導致的工藝過程的波動。
9結(jié)論
整個回路的優(yōu)化始終貫穿工藝過程的優(yōu)化，包括回路的硬件和軟件，為了取得切實的過程優(yōu)化，控制閥組件必須正確設計和選型，應當注意多考慮回路的動態(tài)性能而不是靜態(tài)性能。
當大家重視以上所述時，過程優(yōu)化的經(jīng)濟效益就在總的經(jīng)濟效益中體現(xiàn)出重要的地位
