用调节次数较高的电动执行机构提高过程控制的精度

由于经济增长速度的降低和全球竞争的加剧迫使所有的制造业都要降低成本和提高效率。节能、提高质量、减少排放的废物是当前制造业提高效率和综合效益所采取的某些措施。
简单地说，通过安装能达到0.5精度的先进的控制室系统。得到的效果很小，优化的控制策略由于现场仪表精度最好也只能达到5的精度抵销了一切努力。控制设备制造商已经在控制回路的传感器一侧做出了重大的改进；而在控制回路的另一侧即终端控制元件一侧做出的改进就很少。

控制回路的稳定性、精度和效率取决于其最薄弱的环节，通常这个环节为终端控制元件。终端控制元件在它的尺寸、精度、工作范围或调节速度任何方面一种不正确的选择都会导致系统总效率的降低并且最终导致生产过程的故障。

常规的定位系统

终端控制元件通常都有一个气动执行机构。它们都来自早期的气动控制系统。当控制技术的发展由气动到电动到数字的技术时，都保留气动的执行机构。它被看作生产过程的一部分而不是控制回路的一部分。只有它们的接口设备(定位器)随着技术的进步而发展。

慢慢地控制工程师认识到执行机构才是控制元件；而接口设备并非控制元件，正在要求高精度定位以响应控制信号。

气动执行机存在固有的弱点。空气或者气体的可压缩性和摩擦是气动定位系统不可避免的弱点。执行机构要运动就需要克服摩擦。这还不是一个大问题。问题是由于在开始运动的静摩擦和运动时的摩擦系数之间有较大的差别。这种摩擦系数的大小取决于填料、阀杆和工艺过程的负荷。需要更大的执行机构的力来克服摩擦。这将导致阀位阶跃地变化。这种阶跃的程序决定了执行机构的定位分辨率。

阀门制造商们已经采取步骤通过采用光洁度较高的阀杆、摩擦较小的填料和智能的定位器以降低“跳动效应”。然而客观存在着紧密的填料、工艺过程的负荷和阀杆的摩损和积垢并且它们会明显地使摩擦增大。

对于带典型的活塞执行机构的2英寸行程的阀，执行机构的跳变为0.15英寸或行程的7.5。在控制仪表系统要求精度达到0.5的情况下，这种“跳动效应”由于定位器受到较大的不平衡力很容易引起振荡，生产过程和调节器须要不断地进行位置校正。

其它定位系统

为了克服气动执行机构的弱点，合乎逻辑的解决办法是采用不可压缩的流体。这样曾产生了液压系统。尽管它们解决了气动执行机构所遇到的“跳动”问题，但是它们还有其它固有的特点。

液压系统比气动系统贵3到10倍，比气动系统需要更多地维护并且会受到冷凝液和特殊介质的污染需要经常地监视和维护。而液压系统主要的特点是有可能由于液压管线和液压缸密封的断裂或泄漏而造成环境的污染。

随着技术的进步由于采用了执行机构自备的液压系统已经提高了液压执行机构的可靠性。执行机构的定们仍然会影响到液压缸和密封，可能会发生污染环境的泄漏并且要付出较高的维护费用。

电动定位系统

具有较高调节性能的电动终端控制元件的采用将会改变这一切。电动的终端控制元件很快就变成了最可靠的和实现优化目标的精确方法的一种选择。电动执行机构有一些超过传统的气动或液动控制元件特有的优点。它们是：

■与电动的或数字的控制系统直接地兼容
■能效高，能耗低
■滞后小甚至没有滞后
■降低了维护的要求
■安装和操作费用较低
■不需要外加的压缩机或液压能源

电动执行机构已经能够满足控制室系统和它的仪表系统严格的精度要求。
为了实现这种精度要求，电动执行机构要不断地重新定位从而达到由系统仪表所传送的所预期的终端位置。为满足了这种调节的要求，确定电动执行机构的技术规格就变成了要确定每小时启动的次数(SPH)。

当马达启动时它要流过较大的电流，这样就产生热。如果频繁启动就足以使马达发热。SPH就是防止马达过热所允许的最多的定位动作。

具有较高SPH的执行机构使控制回路能够更加接近地跟随过程变量(给定值—译者注)。但是对SPH的要求多高才能符合控制室系统的要求呢？一种简单地图形分析方法有助于回答这个问题。

图形分析

比如说执行机构正在控制挡板或阀门。当过程变量没变化时执行机构仍旧处在它原来的位置或0点。现在我们为了分析问题假定过程变量以Rc的速度变化。为了使分析问题更为方便，假定这种变化速度是恒定的并且也是一致的。控制回路仪表系统会命令执行机构如图1所示跟随过程变量运动。

当过程变量变化时，执行机构仍会保持在它的零位置直到变化大到超过死区Db时为止，或者由图1中的Db/Rc点所批示出的伺服放大器的灵敏设定值为止。

由此点执行机构会启动运动到它的命令位置。因为过程不断地改变执行机构零点的位置会变为图1中的X1。执行机构达到新的零位所用的时间是由过程变化的速度和执行机构的速度或者说已知的移动时间所确定的。速度较慢的执行机构就很难精确地控制生产过程。
当过程变量不断地改变时这种作用就会反复出现。对执行机构会仍旧停留在零位直到变化大于死区，然后它会开始移动达到它新的命令位置。

图2表示执行机构在一段时间内动态过程的响应曲线。在命令位置线和执行机构响应线之间的距离是在过程中由实际计时而得到的偏差，它会累积并且不能够予以补偿。执行机构响应曲线的回归分析会得到由此过程和执行机构的动态特性所产生的那种可以被称为持久或动态误差的曲线。用具有较高SPH的执行机构减小的正是这种误差。

在执行机构命令位置和动态误差曲线之间的差就成为在此种工艺过程条件下执行机构所予期的最高精度。

定量分析

■为了得到执行机构最高精度数量级的概念，我们假定：
■工艺过程的变化速率为Rc单位是每秒百分之几
■死区设定为Db单位
■执行机构移动的时间St单位秒
■执行机构命令点由RcX得到，其中X为时间单位为秒
■执行机构实际位置由100/StX—N(100Db/StRc);式中N为启动的次数。

然后用这些数据可以作出在市场最常见的执行机构SPH的响应曲线。在不超过所给出执行机构的SPH的情况下，用这组数据还可以计算出一组过程变量尽可能小的死区。

对最普通的可以使用的执行机构的SPH在几组不同的工艺过程条件下做了进一步的分析。这些计算的结果如表1所示。如所看见的和予期的那样，其精度并未随着工艺过程条件的变化而产生明显的变化，它是执行机构的固有的特性。

结论

执行机构有一个固有的最高精度。由电动执行机构紧密跟踪过程变量的能力来确定这种最高精度。

这种能力由已知的执行机构的每小时启动次数(SPH)来确定。它是执行机构在温度不超高的情况下所启动的最高次数。

调节次数高的电动执行机构，SPH为2000或2000以上的执行机构，有能力与以微处理器为基础的控制系统和先进的策略精确地兼容，而这些系统和控制策略正是当前过程工业所普遍应用的。这些调节次数高的执行机构的应用能实现当前工业过程对高性能回路的要求，这也证明了用来增加过程精度和性能的投资是正确的。

调节次数高的电动执行机构的另一项好处是降低业主的成本。由于调节次数高的电动执行机构需要比较坚固的组成部分，这样就能在许多年之内无故障地运行，这样与其它类型定们系统或调节次数低的电动执行机构相关的运行中的维修费用就降低了。