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理想的控制系統過程度量從初始狀態V0到達目標值V1的時間為t0,系統一般通過2個振蕩周期基本能達到平衡狀態,系統狀態和目標值保持一致。這種理想情況在實際中是不存在的,但每位系統設計者都希望控制曲線逼近理想狀態。對于調節閥控制而言,閥門口徑的選擇是影響控制線性度的關鍵因素。振蕩較大的系統表示調節閥門過大而表現出來的過程變量V和時間t的關系。其特征是變量在目標之間的振幅較大,達到目標狀態的時間較長,甚至系統一直在平衡態上振蕩。這種振蕩在調節閥上體現出來的特征是閥門處于不穩定狀態,不但調節品質低,對設備本身也會存在不利影響。造成系統振蕩的原因是多方面的,但主要的原因是沒有對閥門的流量特性進行綜合分析,選擇閥門口徑過大造成的。
目前控制系統軟件通常采用微積方法,本文不討論控制軟件因素,只對調節閥的基本參數對控制品質的影響進行分析,從而提醒設計者在調節閥門的選擇中進行綜合考慮,保證系統的控制品質。
調節閥門對控制品質的主要影響因素
電動單座調節閥是暖通空調自控系統的一種具體執行機構,控制系統軟件相當于系統的大腦,指揮執行機構工作。調節閥對系統控制品質的影響由多方面因素形成,有閥門本身固有的質量、閥門參數等,這些因素大多具有關聯性。
2.1調節閥的種類
不同的工作場合,對調節閥的要求是不一樣的(如精度),應根據不同的工作場合,合理選擇閥門類型,否則影響系統的質量,甚至不能正常工作。國內常用的調節閥主要有:直通單座調節閥、直通雙座調節閥(俗稱平衡閥)、三通調節閥、蝶閥、隔膜調節閥等。不同的場合對調節閥的技術要求不同,在設計中首先應考慮選擇合理的調節閥種類。
直通單座調節閥的特點是關閉嚴密,工作性能可靠,結構簡單,造價低,但閥桿推力大,對執行器的力矩要求高,一般只適用于低壓差的場合;直通雙座閥由于其內部的雙閥芯構造,在其關閉狀態時,兩個閥芯的受力可部分抵消,閥桿不平衡力小,對執行器的力矩要求也小。由于熱脹冷縮效應,其同時關閉性較差,造價也較高。因此,只適用于壓差較高但密閉要求不高的場合;三通閥有三個出入口與管道相連,總進入水量較恒定,適用于定水量系統中,并要求有固定的安裝方向,不能反裝,不適于溫差較大場合;蝶閥的特點是體積小、重量輕、安裝方便,并且開、關閥的允許壓差較大,但其調節性能和關閥密閉性都較差,通常用于壓差較大但調節性能要求不高的場所。
另外,閥門的內在品質和客戶的需求及投資因素在閥門種類選擇中應綜合考慮。國內外廠家不同,其質量和價格差別較大。
因此,應根據調節系統的實際技術需求合理地選擇閥門種類和生產廠家,以保證系統的控制品質。
2.2閥門的流量特征和閥門兩側壓力降
閥門的流量特性和閥門參數是閥門的兩個重要參數。
閥門的流量特征是通過閥門的流體速率和閥門行程從0%~100%變化之間的關系。由于閥門內部結構的區別,不同的閥門有不同的流量特征(如球閥的流量特征取決于柱塞的形狀)。普通的閥門柱塞類型分為等百分比型、線性型和快開啟型三種。由于等百分比閥門和盤管的組合特性接近線性,在空調系統中應用廣泛的是等百分比特征閥門。圖2是三種典型閥門的內在流量特性曲線。
在國內許多工程中發現設計者在電動雙座調節閥的選擇中,特別是選擇閥門口徑時存在隨意性現象較為嚴重。有些設計者直接選擇調節閥門口徑與管徑一致,有些簡單地相對管徑縮小一號。這些隨意性的設計不僅造成投資浪費,同時降低了系統的調節品質,影響系統的壽命,應引起設計者高度重視。就閥門的選擇而言,過小的閥門一方面達不到系統的容量要求,另一方面閥門將需要通過系統提供較大的壓差以維持足夠的流量,加重泵的負荷,閥門易受損害;閥門口徑過大會使控制性能變差,易使系統受沖擊和振蕩,而且投資也會增加。閥門過大過小都會帶來控制閥壽命縮短和維護不便的后果。因此,選擇適當的控制閥口徑,對系統的正常運轉是非常重要的。
自控系統的調節品質
對于某一過程變量V(如曖通系統中盤管出水溫度)的控制,系統中將會設定一個目標值。系統從初始狀態到達控制目標會有一個過程,也就是說系統從初始狀態到達平衡的目標狀態需要一定的時間。對于調節系統而言,其品質一方面體現于系統達到目標值的時間長短,更重要的是系統達到目標值的精度和平衡度。達到目標值的時間短,振蕩周期少,目標偏離值小,表明控制系統的品質好,反之,控制品質差。
圖1中,兩曲線表示理想控制系統和振蕩較大的控制系統曲線。在實際的控制系統中,佳的控制曲線介于兩者之間,即過程變量在較短時間內達到平衡態后在很小的范圍內波動,在PI方式控制中,這種波動會越來越小,接近于理想狀態。