電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的輸入和輸出之間的關(guān)系
電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的輸出很難用一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)字模型來(lái)描述，但可以準(zhǔn)確地測(cè)量。針對(duì)這一特點(diǎn)步進(jìn)式控制不直接對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)，而是分若干個(gè)固定的步長(zhǎng)，根據(jù)每次的測(cè)量結(jié)果使輸入指令信號(hào)一步一步地逼近設(shè)定量。通過(guò)合理的控制參數(shù)設(shè)置，該方法使控制對(duì)象運(yùn)行平穩(wěn)適用于對(duì)響應(yīng)速度要求不高的流量或壓力的跟隨或穩(wěn)定控制。
電動(dòng)調(diào)節(jié)閥通常作為自動(dòng)控制系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，被用來(lái)對(duì)氣體的流量或壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。但是電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的輸入和輸出之間的關(guān)系很難用一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)字模型來(lái)描述。這不僅是由于閥門(mén)輸出特性的非線性，而其由于流過(guò)閥門(mén)氣體的流量和閥門(mén)前后的壓降互相影響難以計(jì)算。以流量控制為例，當(dāng)閥門(mén)前后壓力固定時(shí)流量?jī)H與閥門(mén)的開(kāi)度有關(guān)，但在大多數(shù)情況下，當(dāng)閥門(mén)的閥位變化時(shí)，閥門(mén)前后壓力也會(huì)隨之變化，這就時(shí)流量增益的計(jì)算十分困難。事實(shí)上由于閥門(mén)前后的壓力在擾動(dòng)因素的作用下也會(huì)發(fā)生波動(dòng)從而引起流量的變化，流過(guò)閥門(mén)氣體的流量與閥門(mén)的開(kāi)度不存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。由于數(shù)學(xué)模型的不確定，直接以閥板的開(kāi)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(dǎo)致事故的發(fā)生。然后盡管閥門(mén)的開(kāi)度與流量或壓降之間的解析關(guān)系不易得到，但是借助測(cè)量?jī)x表卻可以方便地對(duì)閥門(mén)在某一開(kāi)度下的流量或壓降進(jìn)行測(cè)量。
針對(duì)閥門(mén)的輸出易測(cè)量不宜計(jì)算的特點(diǎn)，步進(jìn)式控制不直接對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)，而是分若干個(gè)固定的步長(zhǎng)，使輸入信號(hào)一步一步地逼近設(shè)定量。在閥板轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步長(zhǎng)之后都對(duì)閥門(mén)的流量或壓降進(jìn)行一次測(cè)量，控制計(jì)算機(jī)根據(jù)測(cè)量值和設(shè)定值比較的結(jié)果確定下一步閥板轉(zhuǎn)動(dòng)的方向直至測(cè)量值與設(shè)定值的差值小于規(guī)定誤差時(shí)為止。 步進(jìn)式控制的程序設(shè)計(jì)不涉及數(shù)學(xué)模型的分析和求解因而相對(duì)比較簡(jiǎn)單一般用梯形圖就可以實(shí)現(xiàn)。程序設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)圖1。在程序設(shè)計(jì)中需要設(shè)定兩個(gè)參數(shù)及步長(zhǎng)和采樣周期。這兩個(gè)參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的精度和響應(yīng)速度影響較大設(shè)定時(shí)應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)對(duì)控制精度和響應(yīng)速度的要求。
電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可簡(jiǎn)化為由繼電環(huán)節(jié)和傳遞函數(shù)兩部分組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖2所示。這個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)是以電壓信號(hào) Us(即 I/V 轉(zhuǎn)換后的信號(hào))為輸入位置反饋信號(hào) Uf 為輸出。只要 |e|>h伺服電機(jī)就會(huì)得到大小為 Ua 的供電電壓。這時(shí)的前向傳遞函數(shù)為： 式中，m為 |e|>h 開(kāi)始的時(shí)刻n為 |e|>h 結(jié)束的時(shí)刻。
對(duì)式(1)進(jìn)行拉氏反變換，可以得到位置反饋信號(hào) Uf即閥板位置的變化規(guī)律為 當(dāng)步長(zhǎng)較大一個(gè)步長(zhǎng)所經(jīng)歷的時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)式中的非線性項(xiàng) e-(t-m) 和 e-(t-n) 對(duì)響應(yīng)速度的影響較小。反之非線性因素對(duì)響應(yīng)速度的影響較大。由此可見(jiàn)步長(zhǎng)越小控制精度越高但響應(yīng)速度越慢。步長(zhǎng)的設(shè)定可以在系統(tǒng)的調(diào)試過(guò)程中根據(jù)對(duì)控制對(duì)象的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行閥板轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步長(zhǎng)所引起的流量或壓降的最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(shè)定取決于步長(zhǎng)的設(shè)定。步長(zhǎng)越大，閥板轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步長(zhǎng)使控制對(duì)象從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)過(guò)渡到下一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)所經(jīng)歷的時(shí)間越長(zhǎng)，相應(yīng)的也需要較長(zhǎng)的采樣時(shí)間。采樣周期的設(shè)定也可以在系統(tǒng)的調(diào)試過(guò)程中進(jìn)行，采樣周期應(yīng)略長(zhǎng)于閥板轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步長(zhǎng)所引起的閥門(mén)的輸出的變化達(dá)到穩(wěn)定值所需要的最長(zhǎng)時(shí)間。 步進(jìn)控制法德余差與步長(zhǎng)的設(shè)置有關(guān)。如果按照一個(gè)步長(zhǎng)所引起的被空置量的最大變化量略小于靜態(tài)允差的原則設(shè)置步長(zhǎng)，則不論電動(dòng)調(diào)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(huì)大于系統(tǒng)的靜態(tài)允差。由于計(jì)算機(jī)輸出的是固定的小增量并且對(duì)應(yīng)于每一個(gè)這樣的小增量控制對(duì)象的變化量不大于靜態(tài)允差的 2 倍。故采用步進(jìn)控制法閥門(mén)輸出的超調(diào)量在數(shù)值上不大于系統(tǒng)的靜態(tài)允差。 因?yàn)殚y門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中慣性等因素的存在使閥門(mén)在開(kāi)閉過(guò)程中存在非線性。按照常規(guī)的控制規(guī)律閥門(mén)每次在運(yùn)動(dòng)持續(xù)的時(shí)間較長(zhǎng)，非線性的影響往往可以忽略不計(jì)。
在步進(jìn)式控制中，閥門(mén)的輸出達(dá)到設(shè)定量需要通過(guò)若干步長(zhǎng)才能完成。正是由于每一步中非線性項(xiàng)的累積影響，使得步進(jìn)式控制的響應(yīng)速度比其他控制方式慢過(guò)渡時(shí)間長(zhǎng)。并且控制精度越高響應(yīng)速度越慢。圖3是假定閥門(mén)增益為常量 3繼電環(huán)節(jié)輸出 Ua 為0.01執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳遞函數(shù)為 1/N(s+1)選取步長(zhǎng)為 0.01采樣周期為 8s步進(jìn)式控制對(duì)單位階躍輸入的響應(yīng)速度與直接響應(yīng)法得到相同輸出穩(wěn)態(tài)值時(shí)的響應(yīng)速度比較的 simulink 仿真圖(圖3)。從圖中可以看出前者的過(guò)渡時(shí)間約 260s而后者的過(guò)渡時(shí)間僅約 80s二者的響應(yīng)速度相差 2 倍以上。 濟(jì)鋼 500t pd 環(huán)形套筒石灰窯使用轉(zhuǎn)爐煤氣生產(chǎn)煉鋼用活性石灰對(duì)應(yīng)一定的生產(chǎn)率要求單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)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(dòng)范圍較大需要根據(jù)生產(chǎn)率和煤氣的熱值以及該生產(chǎn)率下單位產(chǎn)品的熱耗計(jì)算出對(duì)應(yīng)的煤氣流量。通過(guò)控制煤氣流量來(lái)穩(wěn)定入窯煤氣的總發(fā)熱量。運(yùn)用步進(jìn)式控制方法通過(guò)煤氣總管電動(dòng)調(diào)節(jié)閥對(duì)煤氣流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。首先根據(jù)工藝需要將煤氣流量偏差的允許值設(shè)定為 ±100m3/h煤氣流量在這個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)對(duì)石灰的焙燒工藝沒(méi)有明顯影響。然后按照 2.1 和 2.2 所述的方法將步長(zhǎng)值設(shè)置為閥板總開(kāi)度的 3%;將采樣周期設(shè)置為 5s。
上述方法實(shí)施后，燃燒室和循環(huán)氣體溫度的波動(dòng)基本消除，石灰質(zhì)量明顯提高。
此外，步進(jìn)式控制法還應(yīng)用于濟(jì)鋼(馬)中板廠加熱爐空然配比自動(dòng)控制和濟(jì)鋼第三煉鋼廠 4 號(hào)連鑄機(jī)水處理水壓自動(dòng)控制等系統(tǒng)中。步進(jìn)控制法是根據(jù)對(duì)控制對(duì)象的測(cè)量結(jié)果來(lái)決定閥門(mén)開(kāi)閉方向的，而且每次開(kāi)閉的位移量是固定的，不需要借助數(shù)學(xué)模型來(lái)確定控制規(guī)律。適用于數(shù)學(xué)模型不宜求取或數(shù)學(xué)模型不確定的場(chǎng)合。該制法控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，由于每一次的位移量小產(chǎn)生的誤差也小�？梢允箤�(duì)象運(yùn)行平穩(wěn)，靜態(tài)誤差也可以控制在一個(gè)較小的范圍。與采用對(duì)輸入量直接響應(yīng)的控制方法相比響應(yīng)速度較慢，不適用于對(duì)響應(yīng)速度要求較高的場(chǎng)合。但對(duì)一般的工業(yè)過(guò)程而言，其響應(yīng)速度已經(jīng)足夠。
閥門(mén)的腐蝕通常被理解為閥門(mén)金屬材料在化學(xué)的或電化學(xué)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(dāng)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(guān)注的問(wèn)題。
眾所周知金屬的腐蝕破壞對(duì)閥門(mén)的作用期限可靠性和使用壽命有相當(dāng)大的影響。機(jī)械和腐蝕的作用因素對(duì)金屬的作用大大地增加了接觸表面總的磨損量。閥門(mén)在操作過(guò)程中摩擦的表面總的磨損量。閥門(mén)在操作過(guò)程中摩擦的表面由于同時(shí)的機(jī)械作用和金屬與環(huán)境進(jìn)行化學(xué)的或電化學(xué)的互相作用的結(jié)果產(chǎn)生磨損和破壞。對(duì)閥門(mén)而言其管道工作氣候條件的復(fù)雜石油、天然氣和油層水等介質(zhì)中硫化氫、二氧化碳和某些有機(jī)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(xué)腐蝕取決于溫度、磨擦零件的機(jī)械負(fù)荷、潤(rùn)滑材料中所含的硫化物及其抗酸的穩(wěn)定性與介質(zhì)接觸持續(xù)的時(shí)間和金屬對(duì)氮化過(guò)程的催化作用、腐蝕浸蝕性物質(zhì)的分子對(duì)金屬的轉(zhuǎn)換速度等等。因此金屬閥門(mén)的防腐方法�；虼胧┆ぜ昂铣刹牧祥y門(mén)的應(yīng)用便成為目前閥門(mén)行業(yè)研究的主題之一。
一、 金屬閥門(mén)的防腐可理解為在金屬閥門(mén)上涂覆保護(hù)其不受腐蝕的條件保護(hù)層（如漆、顏料、潤(rùn)滑材料等等），使閥門(mén)無(wú)論是在制造、保存、運(yùn)輸還是在其使用的全部過(guò)程中都不受腐蝕
金屬閥門(mén)防腐的方法決定于所需求的保護(hù)期限、運(yùn)輸和保存條件、閥門(mén)構(gòu)造特點(diǎn)和材料當(dāng)然適應(yīng)考慮解除防腐的經(jīng)濟(jì)效果。
金屬閥門(mén)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(dòng)抑制空氣通過(guò)制品腔室等等。
利用被阻化的水和酒精溶液
將防腐（保護(hù)）材料薄層涂于閥門(mén)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(mén)及其零部件。
（注：目前的閥門(mén)生產(chǎn)企業(yè)廣泛應(yīng)用潤(rùn)滑材料和水阻化溶流來(lái)防腐。）
二、 材料閥門(mén)的應(yīng)用
合成材料閥門(mén)，在許多腐蝕性工況中都優(yōu)于金屬閥門(mén)，首先是抗腐蝕性，其次是凈重，至于其強(qiáng)度，要取決于增強(qiáng)纖維的形狀、排列和數(shù)量。（一般來(lái)說(shuō)纖維的百分比越大合成材料的強(qiáng)度越大。）在閥門(mén)應(yīng)用中纖維的重量含量基本范圍為30%-40%而其化學(xué)穩(wěn)定性主要由在最終產(chǎn)品中灌封纖維的樹(shù)脂本體特性決定。在合成材料閥門(mén)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(shù)脂（如聚酯、乙烯其及環(huán)氧樹(shù)脂等）。熱固性樹(shù)脂在介溫狀態(tài)下保持其強(qiáng)度的性能優(yōu)于熱塑性塑料（即熱固性樹(shù)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(cè)定被稱為熱變形溫度）。
目前，化工流程閥門(mén)最常用的合成材料為乙烯基環(huán)氧樹(shù)脂（熱塑料材料），其增強(qiáng)纖維為切碎的玻璃纖維（1/4英寸長(zhǎng)）和切碎的石墨纖維1/4英寸長(zhǎng)。下表就最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(qiáng)型乙烯基 石墨增強(qiáng)型乙烯基 石墨增強(qiáng)型PPS 316SS Hast-C
拉伸強(qiáng)度Psi  4000 6000 26000 85000 90000
彎曲強(qiáng)度(Psi) 8000 12000 35000 NA NA
壓縮強(qiáng)度(Psi) 14000 18000 21000 85000 90000
熱變形溫度°F 295 7320 520 NA NA
熱膨脹系數(shù)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(wú)效的）
從表面分析，玻璃和石墨增強(qiáng)合成材料與金屬相比，其抗拉強(qiáng)度較低，因此，合成材料閥門(mén)受應(yīng)力較大的部位應(yīng)有較厚的截面并附有加強(qiáng)筋以達(dá)到與金屬相同的性能。
由于合成材料閥門(mén)的耐腐蝕性能、高強(qiáng)度和輕重量，使其成為在許多金屬或玻璃纖維增強(qiáng)塑料管道系統(tǒng)腐蝕性工況中，較經(jīng)濟(jì)的可選閥門(mén)產(chǎn)品。在化工流程工況中合成材料閥門(mén)的使用前景極佳。
在閥門(mén)工業(yè)中，有機(jī)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(mén)材料的概念。陶瓷（可以把閥門(mén)的使用溫度由400℃提高到1200℃以上）、塑料（具有防銹耐蝕的特點(diǎn)、合成材料）具有耐腐蝕、重量輕、強(qiáng)度高的特點(diǎn)、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(lái)制造的閥門(mén)等。新型材料，正在開(kāi)發(fā)出大批具有高性能的閥門(mén)新產(chǎn)品。新技術(shù)的發(fā)展，使各種工程材料應(yīng)用于閥門(mén)制造業(yè)已成為可能。
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