由于經(jīng)濟(jì)增長速度的降低和全球競爭的加劇迫使所有的制造業(yè)都要降低成本和提高效率。節(jié)能、提高質(zhì)量、減少排放的廢物是當(dāng)前制造業(yè)提高效率和綜合效益所采取的某些措施。
簡單地說，通過安裝能達(dá)到0.5精度的先進(jìn)的控制室系統(tǒng)。得到的效果很小，優(yōu)化的控制策略由于現(xiàn)場儀表精度最好也只能達(dá)到5的精度抵銷了一切努力。控制設(shè)備制造商已經(jīng)在控制回路的傳感器一側(cè)做出了重大的改進(jìn)；而在控制回路的另一側(cè)即終端控制元件一側(cè)做出的改進(jìn)就很少。

控制回路的穩(wěn)定性、精度和效率取決于其最薄弱的環(huán)節(jié)，通常這個(gè)環(huán)節(jié)為終端控制元件。終端控制元件在它的尺寸、精度、工作范圍或調(diào)節(jié)速度任何方面一種不正確的選擇都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)總效率的降低并且最終導(dǎo)致生產(chǎn)過程的故障。

常規(guī)的定位系統(tǒng)

終端控制元件通常都有一個(gè)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它們都來自早期的氣動(dòng)控制系統(tǒng)。當(dāng)控制技術(shù)的發(fā)展由氣動(dòng)到電動(dòng)到數(shù)字的技術(shù)時(shí)，都保留氣動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它被看作生產(chǎn)過程的一部分而不是控制回路的一部分。只有它們的接口設(shè)備(定位器)隨著技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展。

慢慢地控制工程師認(rèn)識(shí)到執(zhí)行機(jī)構(gòu)才是控制元件；而接口設(shè)備并非控制元件，正在要求高精度定位以響應(yīng)控制信號(hào)。

氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)存在固有的弱點(diǎn)。空氣或者氣體的可壓縮性和摩擦是氣動(dòng)定位系統(tǒng)不可避免的弱點(diǎn)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)要運(yùn)動(dòng)就需要克服摩擦。這還不是一個(gè)大問題。問題是由于在開始運(yùn)動(dòng)的靜摩擦和運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦系數(shù)之間有較大的差別。這種摩擦系數(shù)的大小取決于填料、閥桿和工藝過程的負(fù)荷。需要更大的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的力來克服摩擦。這將導(dǎo)致閥位階躍地變化。這種階躍的程序決定了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的定位分辨率。

閥門制造商們已經(jīng)采取步驟通過采用光潔度較高的閥桿、摩擦較小的填料和智能的定位器以降低“跳動(dòng)效應(yīng)”。然而客觀存在著緊密的填料、工藝過程的負(fù)荷和閥桿的摩損和積垢并且它們會(huì)明顯地使摩擦增大。

對(duì)于帶典型的活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)的2英寸行程的閥，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的跳變?yōu)?.15英寸或行程的7.5。在控制儀表系統(tǒng)要求精度達(dá)到0.5的情況下，這種“跳動(dòng)效應(yīng)”由于定位器受到較大的不平衡力很容易引起振蕩，生產(chǎn)過程和調(diào)節(jié)器須要不斷地進(jìn)行位置校正。

其它定位系統(tǒng)

為了克服氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的弱點(diǎn)，合乎邏輯的解決辦法是采用不可壓縮的流體。這樣曾產(chǎn)生了液壓系統(tǒng)。盡管它們解決了氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所遇到的“跳動(dòng)”問題，但是它們還有其它固有的特點(diǎn)。

液壓系統(tǒng)比氣動(dòng)系統(tǒng)貴3到10倍，比氣動(dòng)系統(tǒng)需要更多地維護(hù)并且會(huì)受到冷凝液和特殊介質(zhì)的污染需要經(jīng)常地監(jiān)視和維護(hù)。而液壓系統(tǒng)主要的特點(diǎn)是有可能由于液壓管線和液壓缸密封的斷裂或泄漏而造成環(huán)境的污染。

隨著技術(shù)的進(jìn)步由于采用了執(zhí)行機(jī)構(gòu)自備的液壓系統(tǒng)已經(jīng)提高了液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可靠性。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的定們?nèi)匀粫?huì)影響到液壓缸和密封，可能會(huì)發(fā)生污染環(huán)境的泄漏并且要付出較高的維護(hù)費(fèi)用。

電動(dòng)定位系統(tǒng)

具有較高調(diào)節(jié)性能的電動(dòng)終端控制元件的采用將會(huì)改變這一切。電動(dòng)的終端控制元件很快就變成了最可靠的和實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)的精確方法的一種選擇。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有一些超過傳統(tǒng)的氣動(dòng)或液動(dòng)控制元件特有的優(yōu)點(diǎn)。它們是：

■與電動(dòng)的或數(shù)字的控制系統(tǒng)直接地兼容
■能效高，能耗低
■滯后小甚至沒有滯后
■降低了維護(hù)的要求
■安裝和操作費(fèi)用較低
■不需要外加的壓縮機(jī)或液壓能源

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)已經(jīng)能夠滿足控制室系統(tǒng)和它的儀表系統(tǒng)嚴(yán)格的精度要求。
為了實(shí)現(xiàn)這種精度要求，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)要不斷地重新定位從而達(dá)到由系統(tǒng)儀表所傳送的所預(yù)期的終端位置。為滿足了這種調(diào)節(jié)的要求，確定電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的技術(shù)規(guī)格就變成了要確定每小時(shí)啟動(dòng)的次數(shù)(SPH)。

當(dāng)馬達(dá)啟動(dòng)時(shí)它要流過較大的電流，這樣就產(chǎn)生熱。如果頻繁啟動(dòng)就足以使馬達(dá)發(fā)熱。SPH就是防止馬達(dá)過熱所允許的最多的定位動(dòng)作。

具有較高SPH的執(zhí)行機(jī)構(gòu)使控制回路能夠更加接近地跟隨過程變量(給定值—譯者注)。但是對(duì)SPH的要求多高才能符合控制室系統(tǒng)的要求呢？一種簡單地圖形分析方法有助于回答這個(gè)問題。

圖形分析

比如說執(zhí)行機(jī)構(gòu)正在控制擋板或閥門。當(dāng)過程變量沒變化時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍舊處在它原來的位置或0點(diǎn)。現(xiàn)在我們?yōu)榱朔治鰡栴}假定過程變量以Rc的速度變化。為了使分析問題更為方便，假定這種變化速度是恒定的并且也是一致的。控制回路儀表系統(tǒng)會(huì)命令執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖1所示跟隨過程變量運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)過程變量變化時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍會(huì)保持在它的零位置直到變化大到超過死區(qū)Db時(shí)為止，或者由圖1中的Db/Rc點(diǎn)所批示出的伺服放大器的靈敏設(shè)定值為止。

由此點(diǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)會(huì)啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)到它的命令位置。因?yàn)檫^程不斷地改變執(zhí)行機(jī)構(gòu)零點(diǎn)的位置會(huì)變?yōu)閳D1中的X1。執(zhí)行機(jī)構(gòu)達(dá)到新的零位所用的時(shí)間是由過程變化的速度和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度或者說已知的移動(dòng)時(shí)間所確定的。速度較慢的執(zhí)行機(jī)構(gòu)就很難精確地控制生產(chǎn)過程。
當(dāng)過程變量不斷地改變時(shí)這種作用就會(huì)反復(fù)出現(xiàn)。對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)會(huì)仍舊停留在零位直到變化大于死區(qū)，然后它會(huì)開始移動(dòng)達(dá)到它新的命令位置。

圖2表示執(zhí)行機(jī)構(gòu)在一段時(shí)間內(nèi)動(dòng)態(tài)過程的響應(yīng)曲線。在命令位置線和執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)線之間的距離是在過程中由實(shí)際計(jì)時(shí)而得到的偏差，它會(huì)累積并且不能夠予以補(bǔ)償。執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)曲線的回歸分析會(huì)得到由此過程和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性所產(chǎn)生的那種可以被稱為持久或動(dòng)態(tài)誤差的曲線。用具有較高SPH的執(zhí)行機(jī)構(gòu)減小的正是這種誤差。

在執(zhí)行機(jī)構(gòu)命令位置和動(dòng)態(tài)誤差曲線之間的差就成為在此種工藝過程條件下執(zhí)行機(jī)構(gòu)所予期的最高精度。

定量分析

■為了得到執(zhí)行機(jī)構(gòu)最高精度數(shù)量級(jí)的概念，我們假定：
■工藝過程的變化速率為Rc單位是每秒百分之幾
■死區(qū)設(shè)定為Db單位
■執(zhí)行機(jī)構(gòu)移動(dòng)的時(shí)間St單位秒
■執(zhí)行機(jī)構(gòu)命令點(diǎn)由RcX得到，其中X為時(shí)間單位為秒
■執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際位置由100/StX—N(100Db/StRc);式中N為啟動(dòng)的次數(shù)。

然后用這些數(shù)據(jù)可以作出在市場最常見的執(zhí)行機(jī)構(gòu)SPH的響應(yīng)曲線。在不超過所給出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的SPH的情況下，用這組數(shù)據(jù)還可以計(jì)算出一組過程變量盡可能小的死區(qū)。

對(duì)最普通的可以使用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的SPH在幾組不同的工藝過程條件下做了進(jìn)一步的分析。這些計(jì)算的結(jié)果如表1所示。如所看見的和予期的那樣，其精度并未隨著工藝過程條件的變化而產(chǎn)生明顯的變化，它是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的固有的特性。

結(jié)論

執(zhí)行機(jī)構(gòu)有一個(gè)固有的最高精度。由電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)緊密跟蹤過程變量的能力來確定這種最高精度。

這種能力由已知的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的每小時(shí)啟動(dòng)次數(shù)(SPH)來確定。它是執(zhí)行機(jī)構(gòu)在溫度不超高的情況下所啟動(dòng)的最高次數(shù)。

調(diào)節(jié)次數(shù)高的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，SPH為2000或2000以上的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，有能力與以微處理器為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)和先進(jìn)的策略精確地兼容，而這些系統(tǒng)和控制策略正是當(dāng)前過程工業(yè)所普遍應(yīng)用的。這些調(diào)節(jié)次數(shù)高的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的應(yīng)用能實(shí)現(xiàn)當(dāng)前工業(yè)過程對(duì)高性能回路的要求，這也證明了用來增加過程精度和性能的投資是正確的。

調(diào)節(jié)次數(shù)高的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的另一項(xiàng)好處是降低業(yè)主的成本。由于調(diào)節(jié)次數(shù)高的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要比較堅(jiān)固的組成部分，這樣就能在許多年之內(nèi)無故障地運(yùn)行，這樣與其它類型定們系統(tǒng)或調(diào)節(jié)次數(shù)低的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)相關(guān)的運(yùn)行中的維修費(fèi)用就降低了。