上海水泵集團技術之控制系統

從最廣泛的意義上來說，泵的控制給泵的使用者指出以下三方面：1.如何取得所需要的壓力、流量或液位；2.怎樣保護泵和系統免遭損壞，包括由于泵送液體引起的損壞；3.為操作和維護提供方便。

控制系統分類   從復雜程度來看，泵的控制系統包括簡單的手動閥門，直至極其先進的自動流量調節系統或泵的調速系統。泵的類型和驅動裝置的類型是選擇調節系統時必須考慮的因素。就離心泵而言，無論是用調速的辦法或者是用改變閥門開度的辦法，都能調節泵的壓頭或流量。不過對容積式泵來說，比如往復泵、轉子泵、螺桿泵或其它類型泵，調節都是通過調速，改變旁路閥門開度或者改變柱塞行程來實現的。改變行程的辦法適用于計量泵或液壓驅動用泵。雖然本章所述調節系統，僅僅將調節閥視為決定性的控制元件，但以下要涉及的各種傳感元件也適用于泵的調速控制系統。

可以不費力氣地把泵的調節系統分為開-關型和調節型兩種。前者只有兩種狀態，要么流量或壓力是給定值，要么都是零，與之相應的閥門不是全開就是全閉，或者說泵的原動機開車或者停車。調節型系統則不然，根據需要，可隨時調整閥門的開度或泵的轉速。這兩種系統都可以是自動的或手動的。

控制系統的諸要素   所有的控制系統應當有以下幾個部分：

1.傳感元件或測量元件；

2.能將測量值與給定值進行比較的裝置；

3.終端控制元件（如閥門），能對液體的被測參數給以必要的改變；

4.執行機構，它移動終端控制元件使之達到所需位置；

5.接力器或力放大器，它能將微弱的傳感信號變為足夠大的力來推動執行機構。

傳感元件或測量元件往往與力放大器和比較裝置分開來放置，比較與放大這兩部分通常封裝在一起稱謂控制器。執行機構與閥門實際上是聯結在一起的，而且可能與控制器作遠距離連結。

簡單的控制動作，比如根據生產管理上的要求，決定暫時停掉，并聯運行中的一臺小泵，上述五點中的某些條款就會反映在操作人員的頭腦中或動作上，他們會轉動閥門的手輪，并按動電動機停車按鈕，不管怎樣說，以上幾個要素總是要以某種形式出現的。

變化率的影響   將被測量的各參數或所需數值的變化率，即其隨時間而變化的性質如何，在泵的控制中作為基準是很方便的。變化的主要類型如下：

1.緩慢變化（實際上處于穩定工況）；

2.突然變化，即從一種穩態突然變至另一穩態（或者是呈階梯狀作瞬態變化，或者是具有陡峭斜率式變化）；

3.處于波動狀態，速率在變化，波動量也在變化。

緩慢變化時，遇到的問題簡單，調節系統通過調整能夠準確地達到所需之數值，而且在調節中不會出現滯后現象，從上偏差或者從下偏差調到新的參數值都有同樣的準確性。

突然變化時，遇到的問題是調節系統要花費多長的時間才能達到新的參數值，不知道會不會調過頭，會不會左右波動，而且也不知道這種波動要持續多久。

波動狀態下，會遇到更嚴重的問題，調節系統是否會受到激勵，即將某種波動加以放大導致完全失去控制的作用。這種調節系統的設計和操作都是很困難的，因為要考慮控制元件的慣性、系統中的液體量、每個元件以及各個元件組合在一起時的動力狀態等諸因素。

開環控制   自動控制中最簡單的一種方式是開環控制，可以對泵的轉速（視泵的類型也可以是排量）或調節閥的開度加以調整來達到并保持在所需之計算值或校正值上，以取得所要求的流量、液位或壓力。經過計算，控制過程的規律可以用凸輪形狀曲線表示出來，用于控制器或定位器，也可以用來決定閥芯的實際調節特性。運行中只需要測量實地的輸入值與整定值之間的偏差，控制系統就用來調節輸入值以減少這種偏差。因為輸出值不是測量值，所以計算或校正所依據的條件的變化，會使輸出值產生許多誤差。輸入參數可以用手動或由另外的控制系統來加以改變，例如，泵可以用變阻器來升速，用氣壓控制閥的開度變化來改變氣動閥門的執行機構的操作壓力。與反饋系統或閉環系統相反，開環系統又稱為前饋系統。開環控制系統比較穩定，簡單而且反應靈敏。但在調節之后或所謂“下游”工況變化時容易產生誤差。

閉環控制   閉環控制可以消除采用開環控制時的許多誤差。在基本閉環控制系統或叫反饋系統中，輸出變量是經過測量的量，而且與指定的量或整定值進行過比較。如果比較中發現誤差，就會改變泵的轉速或調節閥門的開度來糾正這一誤差。除非設計時加以預防，否則水箱容量過大或控制系統本身的滯后特點，將推遲達到新的輸出值，甚至系統會矯枉過正而上下振蕩。

開-關控制  最簡單的閉環控制系統是在固定的限程之間作開-關控制，比如兩個極限水位值和兩個極限壓力值。開關動作發生在控制范圍的兩個極端整定點上，范圍的帶可寬可窄，例如一個5英尺深的水箱水位控制，帶寬可以整定在±0.5英寸或±5英寸，而且可以定在任意水位處。

比例控制   這是閉環控制的一種基本類型。在輸出變量值帶寬之內（寬帶或窄帶），控制器的輸入（例如執行機構的空氣壓力等）是與偏離帶中間整定點或設定點的偏差成比例的。如果控制帶很狹窄，比如在60英寸深的水箱中水位調節量為1英寸，那么水位在一個方向上偏離整定值1/2英寸時，控制器將用全壓力的空氣去推動閥門的執行機構，而在另一個方向上偏離1/2英寸時使用最低的空氣壓力。這種控制的效果很接近于開-關型控制。如果控制帶再寬一點，比如說20英寸，則在20英寸范圍內的空氣壓力要從最低值變到全壓力，這樣一來，控制系統就變得不怎么靈敏，而且對輸出變量的某一微量變化，也難加以校正。靈敏度低反而使系統不致過調或產生振蕩，因為對于某一給定的控制器輸出量總是對應著一定的離開整定點的偏差值，所以如果按要求改變輸出變量（如水箱要求放水），采用簡單的比例控制系統就不會返回到原來的整定點。整定點與新的實際平衡值之間的差值稱為殘留偏差，將控制帶變窄些會減少這種殘留偏差，不過可能會引起振蕩或波動，這是不容許的。

為要改善控制上的靈敏度和穩定性并獲得更高的準確性，還需要精益求精。在簡單的比例控制器上增加重調或積分動作，可以減少殘留偏差，這就是比例加重調或比例加積分調節系統。就比例帶寬而言，重調的意思是：帶寬的改變方式要使校正量過大一點，然后再將輸出變量反回到運行所需之數值。由于有了附加的調節作用，重調特性有可能會損害調節的穩定性。

增加微分動作可以改善調節的穩定性和反應靈敏度。這時候輸出變量的變化速度正好是由控制器輸出量確定下來的。被測變量的階梯狀變化或突變，將會使控制器輸出變量產生很大的瞬時增量，并開始有所反應。當微分動作消失后，則基本比例加重調動作會恢復其原狀。

開環控制系統，對輸入變量的變化很敏感，并且有能給出快速反應的特點，與閉環（或反饋）控制系統相結合可以進一步得到利用。泵流量調節中用到的這種前饋-反饋控制系統的例子是三元件鍋爐給水調節器。