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上海水泵集团技术之控制系统分类

从最广泛的意义上来说,泵的控制给泵的使用者指出以下三方面:1. 如何取得所需要的压力、流量或液位;2. 怎样保护泵和系统免遭损坏,包括由于泵送液体引起的损坏;3. 为操作和维护提供方便。

控制系统分类  从复杂程度来看,泵的控制系统包括简单的手动阀门,直至极其先进的自动流量调节系统或泵的调速系统。泵的类型和驱动装置的类型是选择调节系统时必须考虑的因素。就离心泵而言,无论是用调速的办法或者是用改变阀门开度的办法,都能调节泵的压头或流量。不过对容积式泵来说,比如往复泵、转子泵、螺杆泵或其它类型泵,调节都是通过调速,改变旁路阀门开度或者改变柱塞行程来实现的。改变行程的办法适用于计量泵或液压驱动用泵。虽然本章所述调节系统,仅仅将调节阀视为决定性的控制元件,但以下要涉及的各种传感元件也适用于泵的调速控制系统。

可以不费力气地把泵的调节系统分为开—关型和调节型两种。前者只有两种状态,要么流量或压力是给定值,要么都是零,与之相应的阀门不是全开就是全闭,或者说泵的原动机开车或者停车。调节型系统则不然,根据需要,可随时调整阀门的开度或泵的转速。这两种系统都可以是自动的或手动的。

控制系统的诸要素  所有的控制系统应当有以下几个部分:

1. 传感元件或测量元件;

2. 能将测量值与给定值进行比较的装置;

3. 终端控制元件(如阀门),能对液体的被测参数给以必要的改变;

4. 执行机构,它移动终端控制元件使之达到所需位置;

5. 接力器或力放大器,它能将微弱的传感信号变为足够大的力来推动执行机构。

传感元件或测量元件往往与力放大器和比较装置分开来放置,比较与放大这两部分通常封装在一起称谓控制器。执行机构与阀门实际上是联结在一起的,而且可能与控制器作远距离连结。

简单的控制动作,比如根据生产管理上的要求,决定暂时停掉,并联运行中的一台小泵,上述五点中的某些条款就会反映在操作人员的头脑中或动作上,他们会转动阀门的手轮,并按动电动机停车按钮,不管怎样说,以上几个要素总是要以某种形式出现的。

变化率的影响  将被测量的各参数或所需数值的变化率,即其随时间而变化的性质如何,在泵的控制中作为基准是很方便的。变化的主要类型如下:

1.       缓慢变化(实际上处于稳定工况);

2.       突然变化,即从一种稳态突然变至另一稳态(或者是呈阶梯状作瞬态变化,或者是具有陡峭斜率式变化);

3.       处于波动状态,速率在变化,波动量也在变化。

缓慢变化时,遇到的问题简单,调节系统通过调整能够准确地达到所需之数值,而且在调节中不会出现滞后现象,从上偏差或者从下偏差调到新的参数值都有同样的准确性。

突然变化时,遇到的问题是调节系统要化费多长的时间才能达到新的参数值,不知道会不会调过头,会不会左右波动,而且也不知道这种波动要持续多久。

波动状态下,会遇到更严重的问题,调节系统是否会受到激励,即将某种波动加以放大导致完全失去控制的作用。这种调节系统的设计和操作都是很困难的,因为要考虑控制元件的惯性、系统中的液体量、每个元件以及各个元件组合在一起时的动力状态等诸因素。

开环控制  自动控制中最简单的一种方式是开环控制,可以对泵的转速(视泵的类型也可以是排量)或调节阀的开度加以调整来达到并保持在所需之计算值或校正值上,以取得所要求的流量、液位或压力。经过计算,控制过程的规律可以用凸轮形状曲线表示出来,用于控制器或定位器,也可以用来决定阀芯的实际调节特性。运行中只需要测量实地的输入值与整定值之间的偏差,控制系统就用来调节输入值以减少这种偏差。因为输出值不是测量值,所以计算或校正所依据的条件的变化,会使输出值产生许多误差。输入参数可以用手动或由另外的控制系统来加以改变,例如,泵可以用变阻器来升速,用气压控制阀的开度变化来改变气动阀门的执行机构的操作压力。与反馈系统或闭环系统相反,开环系统又称为前馈系统。开环控制系统比较稳定,简单而且反应灵敏。但在调节之后或所谓“下游”工况变化时容易产生误差。

闭环控制  闭环控制可以消除采用开环控制时的许多误差。在基本闭环控制系统或叫反馈系统中,输出变量是经过测量的量,而且与指定的量或整定值进行过比较。如果比较中发现误差。就会改变泵的转速或调节阀门的开度来纠正这一误差。除非设计时加以预防,否则水箱容量过大或控制系统本身的滞后特点,将推迟达到新的输出值,甚至系统会矫枉过正而上下振荡。

-关控制  最简单的闭环控制系统是在固定的限程之间作开-关控制,比如两个极限水位值和两个极限压力值。开关动作发生在控制范围的两个极端整定点上,范围的带可宽可窄,例如一个5英尺深的水箱水位控制,带宽可以整定在0.5英寸或±5英寸,而且可以定在任意水位处。

比例控制  这是闭环控制的一种基本类型。在输出变量值带宽之内(宽带或窄带),控制器的输入(例如执行机构的空气压力等)是与偏离带中间整定点或设定点的偏差成比例的。如果控制带很狭窄,比如在60英寸深的水箱中水位调节量为1英寸,那么水位在一个方向上偏离整定值 英寸时,控制器将用全压力的空气去推动阀门的执行机构,而在另一个方向上偏离 英寸时使用最低的空气压力。这种控制的效果很接近于开-关型控制。如果控制带再宽一点,比如说20英寸,则在20英寸范围内的空气压力要从最低值变到全压力,这样一来,控制系统就变得不怎么灵敏,而且对输出变量的某一微量变化,也难加以校正。灵敏度低反而使系统不致过调或产生振荡,因为对于某一给定的控制器输出量总是对应着一定的离开整定点的偏差值,所以如果按要求改变输出变量(如水箱要求放水),采用简单的比例控制系统就不会返回到原来的整定点。整定点与新的实际平衡值之间的差值称为残留偏差,将控制带变窄些会减少这种残留偏差,不过可能会引起振荡或波动,这是不容许的。

为要改善控制上的灵敏度和稳定性并获得更高的准确性,还需要精益求精。在简单的比例控制器上增加重调或积分动作,可以减少残留偏差,这就是比例加重调或比例加积分调节系统。就比例带宽而言,重调的意思是:带宽的改变方式要使校正量过大一点,然后再将输出变量反回到运行所需之数值。由于有了附加的调节作用,重调特性有可能会损害调节的稳定性。

增加微分动作可以改善调节的稳定性和反应灵敏度。这时候输出变量的变化速度正好是由控制器输出量确定下来的。被测变量的阶梯状变化或突变,将会使控制器输出变量产生很大的瞬时增量,并开始有所反应。当微分动作消失后,则基本比例加重调动作会恢复其原状。

开环控制系统,对输入变量的变化很敏感,并且有能给出快速反应的特点,与闭环(或反馈)控制系统相结合可以进一步得到利用。泵流量调节中用到的这种前馈反馈控制系统的例子是三元件锅炉给水调节器
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