由于經(jīng)濟增長速度的降低和競爭的加劇迫使所有的制造業(yè)都要降低成本和提率。節(jié)能、提高質(zhì)量、減少排放的廢物是當前制造業(yè)提率和綜合效益所采取的某些措施。簡單地說，通過安裝能達到0.5%精度的*的控制室系統(tǒng)。得到的效果很小，優(yōu)化的控制策略由于現(xiàn)場儀表精度也只能達到5%的精度抵銷了一切努力?？刂圃O(shè)備制造商已經(jīng)在控制回路的傳感器一側(cè)做出了重大的改進；而在控制回路的另一側(cè)即終端控制元件一側(cè)做出的改進就很少?？刂苹芈返姆€(wěn)定性、精度和效率取決于其zui薄弱的環(huán)節(jié)，通常這個環(huán)節(jié)為終端控制元件。終端控制元件在它的尺寸、精度、工作范圍或調(diào)節(jié)速度任何方面一種不正確的選擇都會導致系統(tǒng)總效率的降低并且zui終導致生產(chǎn)過程的故障。
常規(guī)的定位系統(tǒng)終端控制元件通常都有一個氣動執(zhí)行機構(gòu)。它們都來自早期的氣動控制系統(tǒng)。當控制技術(shù)的發(fā)展由氣動到電動到數(shù)字的技術(shù)時，都保留氣動的執(zhí)行機構(gòu)。它被看作生產(chǎn)過程的一部分而不是控制回路的一部分。只有它們的接口設(shè)備(定位器)隨著技術(shù)的進步而發(fā)展。慢慢地控制工程師認識到執(zhí)行機構(gòu)才是控制元件；而接口設(shè)備并非控制元件，正在要求高精度定位以響應控制信號。氣動執(zhí)行機存在固有的弱點。空氣或者氣體的可壓縮性和摩擦是氣動定位系統(tǒng)不可避免的弱點。執(zhí)行機構(gòu)要運動就需要克服摩擦。這還不是一個大問題。問題是由于在開始運動的靜摩擦和運動時的摩擦系數(shù)之間有較大的差別。這種摩擦系數(shù)的大小取決于填料、閥桿和工藝過程的負荷。需要更大的執(zhí)行機構(gòu)的力來克服摩擦。這將導致閥位階躍地變化。這種階躍的程序決定了執(zhí)行機構(gòu)的定位分辨率。
閥門制造商們已經(jīng)采取步驟通過采用光潔度較高的閥桿、摩擦較小的填料和智能的定位器以降低“跳動效應”。然而客觀存在著緊密的填料、工藝過程的負荷和閥桿的摩損和積垢并且它們會明顯地使摩擦增大。
對于帶典型的活塞執(zhí)行機構(gòu)的2英寸行程的閥，執(zhí)行機構(gòu)的跳變?yōu)?.15英寸或行程的7.5%。在控制儀表系統(tǒng)要求精度達到0.5%的情況下，這種“跳動效應”由于定位器受到較大的不平衡力很容易引起振蕩，生產(chǎn)過程和調(diào)節(jié)器須要不斷地進行位置校正。
其它定位系統(tǒng)為了克服氣動執(zhí)行機構(gòu)的弱點，合乎邏輯的解決辦法是采用不可壓縮的流體。這樣曾產(chǎn)生了液壓系統(tǒng)。盡管它們解決了氣動執(zhí)行機構(gòu)所遇到的“跳動”問題，但是它們還有其它固有的特點。
液壓系統(tǒng)比氣動系統(tǒng)貴3到10倍，比氣動系統(tǒng)需要更多地維護并且會受到冷凝液和特殊介質(zhì)的污染需要經(jīng)常地監(jiān)視和維護。而液壓系統(tǒng)主要的特點是有可能由于液壓管線和液壓缸密封的斷裂或泄漏而造成環(huán)境的污染。
隨著技術(shù)的進步由于采用了執(zhí)行機構(gòu)自備的液壓系統(tǒng)已經(jīng)提高了液壓執(zhí)行機構(gòu)的可靠性。執(zhí)行機構(gòu)的定們?nèi)匀粫绊懙揭簤焊缀兔芊猓赡軙l(fā)生污染環(huán)境的泄漏并且要付出較高的維護費用。
電動定位系統(tǒng)具有較高調(diào)節(jié)性能的電動終端控制元件的采用將會改變這一切。電動的終端控制元件很快就變成了zui可靠的和實現(xiàn)優(yōu)化目標的方法的一種選擇。電動執(zhí)行機構(gòu)有一些超過傳統(tǒng)的氣動或液動控制元件*的優(yōu)點。它們是：■ 與電動的或數(shù)字的控制系統(tǒng)直接地兼容 ■ 能效高，能耗低 ■ 滯后小甚至沒有滯后 ■ 降低了維護的要求 ■ 安裝和操作費用較低 ■不需要外加的壓縮機或液壓能源 電動執(zhí)行機構(gòu)已經(jīng)能夠滿足控制室系統(tǒng)和它的儀表系統(tǒng)嚴格的精度要求。
為了實現(xiàn)這種精度要求，電動執(zhí)行機構(gòu)要不斷地重新定位從而達到由系統(tǒng)儀表所傳送的所預期的終端位置。為滿足了這種調(diào)節(jié)的要求，確定電動執(zhí)行機構(gòu)的技術(shù)規(guī)格就變成了要確定每小時啟動的次數(shù)(SPH)。當馬達啟動時它要流過較大的電流，這樣就產(chǎn)生熱。如果頻繁啟動就足以使馬達發(fā)熱。SPH就是防止馬達過熱所允許的zui多的定位動作。具有較高SPH的執(zhí)行機構(gòu)使控制回路能夠更加接近地跟隨過程變量(給定值—譯者注)。但是對SPH的要求多高才能符合控制室系統(tǒng)的要求呢？一種簡單地圖形分析方法有助于回答這個問題。
圖形分析比如說執(zhí)行機構(gòu)正在控制擋板或閥門。當過程變量沒變化時執(zhí)行機構(gòu)仍舊處在它原來的位置或0點?，F(xiàn)在我們?yōu)榱朔治鰡栴}假定過程變量以Rc的速度變化。為了使分析問題更為方便，假定這種變化速度是恒定的并且也是一致的?？刂苹芈穬x表系統(tǒng)會命令執(zhí)行機構(gòu)如圖1所示跟隨過程變量運動。當過程變量變化時，執(zhí)行機構(gòu)仍會保持在它的零位置直到變化大到超過死區(qū)Db時為止，或者由圖1中的Db/Rc點所批示出的伺服放大器的靈敏設(shè)定值為止。
由此點執(zhí)行機構(gòu)會啟動運動到它的命令位置。因為過程不斷地改變執(zhí)行機構(gòu)零點的位置會變?yōu)閳D1中的X1。執(zhí)行機構(gòu)達到新的零位所用的時間是由過程變化的速度和執(zhí)行機構(gòu)的速度或者說已知的移動時間所確定的。速度較慢的執(zhí)行機構(gòu)就很難地控制生產(chǎn)過程。當過程變量不斷地改變時這種作用就會反復出現(xiàn)。對執(zhí)行機構(gòu)會仍舊停留在零位直到變化大于死區(qū)，然后它會開始移動達到它新的命令位置。
圖2表示執(zhí)行機構(gòu)在一段時間內(nèi)動態(tài)過程的響應曲線。在命令位置線和執(zhí)行機構(gòu)響應線之間的距離是在過程中由實際計時而得到的偏差，它會累積并且不能夠予以補償。執(zhí)行機構(gòu)響應曲線的回歸分析會得到由此過程和執(zhí)行機構(gòu)的動態(tài)特性所產(chǎn)生的那種可以被稱為持久或動態(tài)誤差的曲線。用具有較高SPH的執(zhí)行機構(gòu)減小的正是這種誤差。在執(zhí)行機構(gòu)命令位置和動態(tài)誤差曲線之間的差就成為在此種工藝過程條件下執(zhí)行機構(gòu)所予期的zui高精度。
定量分析 ■ 為了得到執(zhí)行機構(gòu)zui高精度數(shù)量級的概念，我們假定： ■ 工藝過程的變化速率為Rc單位是每秒百分之幾 ■死區(qū)設(shè)定為Db單位% ■ 執(zhí)行機構(gòu)移動的時間St單位秒 ■ 執(zhí)行機構(gòu)命令點由RcX得到，其中X為時間單位為秒 ■執(zhí)行機構(gòu)實際位置由100/StX—N (100Db/StRc);式中N為啟動的次數(shù)。
然后用這些數(shù)據(jù)可以作出在市場zui常見的執(zhí)行機構(gòu)SPH的響應曲線。在不超過所給出執(zhí)行機構(gòu)的SPH的情況下，用這組數(shù)據(jù)還可以計算出一組過程變量盡可能小的死區(qū)。
對zui普通的可以使用的執(zhí)行機構(gòu)的SPH在幾組不同的工藝過程條件下做了進一步的分析。這些計算的結(jié)果如表1所示。如所看見的和予期的那樣，其精度并未隨著工藝過程條件的變化而產(chǎn)生明顯的變化，它是執(zhí)行機構(gòu)的固有的特性。
結(jié)論 執(zhí)行機構(gòu)有一個固有的zui高精度。由電動執(zhí)行機構(gòu)緊密跟蹤過程變量的能力來確定這種zui高精度。這種能力由已知的執(zhí)行機構(gòu)的每小時啟動次數(shù)(SPH)來確定。它是執(zhí)行機構(gòu)在溫度不超高的情況下所啟動的zui高次數(shù)。調(diào)節(jié)次數(shù)高的電動執(zhí)行機構(gòu)，SPH為2000或2000以上的執(zhí)行機構(gòu)，有能力與以微處理器為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)和*的策略地兼容，而這些系統(tǒng)和控制策略正是當前過程工業(yè)所普遍應用的。這些調(diào)節(jié)次數(shù)高的執(zhí)行機構(gòu)的應用能實現(xiàn)當前工業(yè)過程對高性能回路的要求，這也證明了用來增加過程精度和性能的投資是正確的。調(diào)節(jié)次數(shù)高的電動執(zhí)行機構(gòu)的另一項好處是降低業(yè)主的成本。由于調(diào)節(jié)次數(shù)高的電動執(zhí)行機構(gòu)需要比較堅固的組成部分，這樣就能在許多年之內(nèi)*地運行，這樣與其它類型定們系統(tǒng)或調(diào)節(jié)次數(shù)低的電動執(zhí)行機構(gòu)相關(guān)的運行中的維修費用就降低了。
