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理想的控制系统过程度量从初始状态V0到达目标值V1的时间为t0,系统一般通过2个振荡周期基本能达到平衡状态,系统状态和目标值保持一致。这种理想情况在实际中是不存在的,但每位系统设计者都希望控制曲线逼近理想状态。对于调节阀控制而言,阀门口径的选择是影响控制线性度的关键因素。振荡较大的系统表示调节阀门过大而表现出来的过程变量V和时间t的关系。其特征是变量在目标之间的振幅较大,达到目标状态的时间较长,甚至系统一直在平衡态上振荡。这种振荡在调节阀上体现出来的特征是阀门处于不稳定状态,不但调节品质低,对设备本身也会存在不利影响。造成系统振荡的原因是多方面的,但主要的原因是没有对阀门的流量特性进行综合分析,选择阀门口径过大造成的。
目前控制系统软件通常采用微积方法,本文不讨论控制软件因素,只对调节阀的基本参数对控制品质的影响进行分析,从而提醒设计者在调节阀门的选择中进行综合考虑,保证系统的控制品质。
调节阀门对控制品质的主要影响因素
电动单座调节阀是暖通空调自控系统的一种具体执行机构,控制系统软件相当于系统的大脑,指挥执行机构工作。调节阀对系统控制品质的影响由多方面因素形成,有阀门本身固有的质量、阀门参数等,这些因素大多具有关联性。
2.1调节阀的种类
不同的工作场合,对调节阀的要求是不一样的(如精度),应根据不同的工作场合,合理选择阀门类型,否则影响系统的质量,甚至不能正常工作。国内常用的调节阀主要有:直通单座调节阀、直通双座调节阀(俗称平衡阀)、三通调节阀、蝶阀、隔膜调节阀等。不同的场合对调节阀的技术要求不同,在设计中首先应考虑选择合理的调节阀种类。
直通单座调节阀的特点是关闭严密,工作性能可靠,结构简单,造价低,但阀杆推力大,对执行器的力矩要求高,一般只适用于低压差的场合;直通双座阀由于其内部的双阀芯构造,在其关闭状态时,两个阀芯的受力可部分抵消,阀杆不平衡力小,对执行器的力矩要求也小。由于热胀冷缩效应,其同时关闭性较差,造价也较高。因此,只适用于压差较高但密闭要求不高的场合;三通阀有三个出入口与管道相连,总进入水量较恒定,适用于定水量系统中,并要求有固定的安装方向,不能反装,不适于温差较大场合;蝶阀的特点是体积小、重量轻、安装方便,并且开、关阀的允许压差较大,但其调节性能和关阀密闭性都较差,通常用于压差较大但调节性能要求不高的场所。
另外,阀门的内在品质和客户的需求及投资因素在阀门种类选择中应综合考虑。国内外厂家不同,其质量和价格差别较大。
因此,应根据调节系统的实际技术需求合理地选择阀门种类和生产厂家,以保证系统的控制品质。
2.2阀门的流量特征和阀门两侧压力降
阀门的流量特性和阀门参数是阀门的两个重要参数。
阀门的流量特征是通过阀门的流体速率和阀门行程从0%~100%变化之间的关系。由于阀门内部结构的区别,不同的阀门有不同的流量特征(如球阀的流量特征取决于柱塞的形状)。普通的阀门柱塞类型分为等百分比型、线性型和快开启型三种。由于等百分比阀门和盘管的组合特性接近线性,在空调系统中应用广泛的是等百分比特征阀门。图2是三种典型阀门的内在流量特性曲线。
在国内许多工程中发现设计者在电动双座调节阀的选择中,特别是选择阀门口径时存在随意性现象较为严重。有些设计者直接选择调节阀门口径与管径一致,有些简单地相对管径缩小一号。这些随意性的设计不仅造成投资浪费,同时降低了系统的调节品质,影响系统的寿命,应引起设计者高度重视。就阀门的选择而言,过小的阀门一方面达不到系统的容量要求,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,加重泵的负荷,阀门易受损害;阀门口径过大会使控制性能变差,易使系统受冲击和振荡,而且投资也会增加。阀门过大过小都会带来控制阀寿命缩短和维护不便的后果。因此,选择适当的控制阀口径,对系统的正常运转是非常重要的。
自控系统的调节品质
对于某一过程变量V(如暧通系统中盘管出水温度)的控制,系统中将会设定一个目标值。系统从初始状态到达控制目标会有一个过程,也就是说系统从初始状态到达平衡的目标状态需要一定的时间。对于调节系统而言,其品质一方面体现于系统达到目标值的时间长短,更重要的是系统达到目标值的精度和平衡度。达到目标值的时间短,振荡周期少,目标偏离值小,表明控制系统的品质好,反之,控制品质差。
图1中,两曲线表示理想控制系统和振荡较大的控制系统曲线。在实际的控制系统中,佳的控制曲线介于两者之间,即过程变量在较短时间内达到平衡态后在很小的范围内波动,在PI方式控制中,这种波动会越来越小,接近于理想状态。