1.2.2　气动比例阀的死区效应

在电-气比例控制系统设计时，为了减少系统能耗，采用的气动比例阀大都带有阀口正遮盖量。当给定一个控制电压时，比例阀阀芯产生相应的位移，比例阀输出与控制电压成比例的流量，驱动气缸以相应的速度运动。由于该阀内部有位移反馈装置，可以保证阀芯位移不受摩擦力、气动力等因素的影响，与输入电压信号成比例关系。

静态死区存在的主要原因是阀芯遮盖量和摩擦力的影响。对于双向电磁铁，由于两个方向的摩擦力不一定相同，故两个方向的启动电压不同，均需要测定。设向左运动（U<5V）时的启动电压为U₀₁，相反方向的启动电压为U₀₂，则U₀₁～U₀₂区间即为死区。

实际比例阀的流量特性曲线如图1-8所示。阀芯通过中位时，执行机构将有一段时间不能响应指令信号，即此类阀存在一定中位死区。

图1-8　实际比例阀流量特性曲线

图1-9为一常规比例阀的流量特性曲线。在静止状态下，电压从5V开始，使控制电压以0.01V的增幅递增直到5.51V气缸才开始运动，这说明启动正向电磁铁动作需加电压5.51V。用同样的方法，可以测定比例阀电磁铁反向启动电压为4.48V。因此，比例阀的静态死区为4.48～5.51V。

图1-9　常规比例阀的流量特性曲线

一般中位死区占到额定输入值的10%～15%，而且其范围随工况的不同而变化，难以在线测量。对于以零位为工作点，或需要反复过零位的闭环系统，这种死区将严重影响控制品质，甚至无法工作。

控制阀的非线性是造成过程控制时变性的主要原因。其中最严重的非线性现象是静态摩擦和滞后。当然，在机械系统中，摩擦和滞后都存在。问题是在操作过程中，摩擦和滞后通常会逐渐增加，并且超过一定的时间后控制系统会出现粘-滑现象和震动。如果受到污染的话，控制阀的摩擦力会增加并引起一系列问题。由于摩擦和震动，机械系统的某些部位会引起滞后。

随时间和工作状况的不同，摩擦力的大小会发生变化。温度的变化也会引起摩擦力的变化。温度较高，物体会膨胀，因此摩擦力增加。外部介质造成污染也会引起摩擦力增加。外部介质形成的颗粒会导致阀的损坏。因为磨损通常是不均匀的，所以在阀的不同部位摩擦力也不同。