舒伯特&萨泽滑窗阀对提高控制系统调节品质的原理分析及实例

舒伯特·萨泽滑窗阀对提高控制系统调节品质的原理分析及实例

对于某一过程变量的控制，系统会设定一个目标值。系统从初始状态到达控制目标会有一个过程，即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，其品质一方面体现在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，目标偏差值小，表明控制系统的品质好，反之品质差。

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，最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状态后在很小的范围内波动，在PID方式控制中，这种波动会越来越小，接近于理想状态。

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。显然，这种理想情况在实际中是不存在的，但每位系统设计者和操作人员都希望控制曲线尽可能地逼近理想状态。

一个控制系统包括三个基本部分：控制器，执行机构，反馈（如下图所示）。在这样的系统中，控制器相当于人的大脑，各种反馈通过感觉器官传递给大脑，再由大脑向执行机构如四肢发出指令，完成一系列的动作。四肢的灵敏程度在很大程度上决定着动作的完成质量，这一点对运动员尤为重要。同样，对于控制系统来讲，要实现逼近于理想状态的控制曲线，执行机构响应速度的快慢，运行的稳定性，线性度的高低，将直接决定着控制系统的品质。

设定值 Set Point 控制器 Control 执行机构 Actuator 传感器 Feedback 图2 控制系统示意图

在流量以及压力、温度等控制系统中，调节阀是关键的执行机构，其控制性能决定着整个回路/系统的调节品质。因而，调节阀的选型至关重要。

需求非常明确了——用户需要的是具有高调节品质的控制系统，更进一步说，用户需要的调节阀是具备响应速度快、运行稳定、线性度高等特性的调节阀。那么，舒伯特·萨泽滑窗阀无疑是最终用户的最佳选择。接下来，我们将滑窗阀的这几个特性分别作介绍： 一、达到目标值的时间短

我们非常熟悉的时间计算公式为T＝S/V，即运行的时间取决于调节阀的行程（S）以用运行速度（V）。 1. 滑窗阀的行程短

行程对比

滑窗阀的行程仅为窗孔高度，其DN200的全行程仅为8.5mm。 滑窗阀口径行程详见下表 口径DN 行程mm 2. 滑窗阀的运行速度快

运行速度取决于以下几个方面：

——驱动力

2.1 滑窗阀所需的驱动力小

15 20 25 6 32 40 50

某进口品牌的球芯阀，DN200的全行程为60mm。

65 8 80 100 125 8.5 150 200 驱动力对比

滑窗阀驱动力的方向垂直于流体方向，因此，仅需克服两块阀板间的摩擦力即可动作，且两块阀板间均达到镜面加工，犹如是在光滑的平面上推箱子。而球芯阀的动力于方向与流体方向相反，需要较大的持续的驱动力来克服流体对阀塞的不平衡力（这一点，也不利于阀门的密封，往往会出现在关闭时仍然有流量的情况）。

——执行机构驱动行程及响应

2.2 滑窗阀套配执行机构驱动行程短，响应快

2.2.1 滑窗阀阀本体部分的行程短决定了执行机构的驱动行程短，也有利于减少阀杆和阀门的机械磨损，降低故障率，延长使用寿命。

2.2.2 滑窗阀阀杆运行所需的驱动力小，配套小膜片、小膜盒的气动执行机构，以及小功率的电动执行机构。气动滑窗阀配套的气动执行机构相应的弹簧压缩变形量小、膜片拉伸变形量小，响应更快。

配套气动执行的体积对比（由驱动力对比推导）

DN200滑窗阀

DN200球芯阀

2.2.3 滑窗阀执行机构有较小的膜片和膜盒能够快速地响应，滞后时间更短（由密封填料和膜盒大小所决定）。

动态响应曲线对比

二、目标偏差值小，线性度高

线性度是衡量过程调节阀控制性能的关键参数，其定义是：与两个变量有关的一条曲线与一条直线的接近程度，有时线性度也指相同的直线作用于向上和向下两个方向的偏差。

与线性度相关的另一个概念是死区，即输入信号改变方向，但不致于引起输出信号发生可以观察到的变化时，输入信号的可变化范围。通常，死区是用来描述一种适用于任何装置的通用现象的名词。对于以调节阀为执行机构的系统，控制器的输出（CO）是调节阀的输入，而过程变量（如流量控制的FV）是输出，如图3所示。如球芯阀两端的“死区”——通常在开度的10%以下，有的甚至为20%以下，以及开度的80%以上。

100% FV

100% CO 图3 过程死区 流量等于流通面积与流速的乘积。滑窗阀的截流结构，窗孔累积起来类似于矩形，其面积由窗孔的高度来决定，当阀杆带动滑动阀板动作时，行程与流通面积呈线性，从而增强了流通面积的可控性。同时，多通道的截流结构，对介质起到梳流作用，流速更加稳定，也有利于提高各类传感器的检测精度，提高系统的精度。而对于下进上出“S”形流道的球芯阀，介质的扰动很大。因此，滑窗阀在极宽的调节范围内都有着极高的线性度，从开度的2%-100％都能够稳定精确控制。

以下是几个滑窗阀的实际运行案例。

案例1 曲靖卷烟厂空调系统温度控制——介质为蒸汽

曲靖卷烟厂空调系统温度控制曲线（使用滑窗阀后）

曲靖卷烟厂空调系统温度控制曲线（使用滑窗阀前） 案例2 山东玲珑轮胎厂硫化机温度控制——介质为蒸汽

蓝色和红色的两条曲线分别表示右边热板温度和右边活络温度。从图上可以看到，两个温度控制非常平稳，波动非常小，精度可达到0.5%，而大多数硫化机模温控制精度仅为2.5%。

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