一、控制系统稳定运行准则
1、负反馈准则
控制系统稳定运行的必要条件是控制系统是负反馈系统。即控制系统开环放大系数为正，表示为：
K
开= Kc Kv Kp Km > 0 （1）
式中，Kc、Kv、Kp和Km分别是控制器、
控制阀、被控对象和检测变送环节的放大系数。
根据负反馈准则，控制系统设计步骤如下：
① 根据安全性要求，确定故障时控制阀的F
C（故障关）或F
O（故障开）。
② 根据被控对象的输入（操纵变量）增加时，被控对象的输出（被控变量）的增或减，确定被控对象放大系数的正或负。
③ 除了一些特殊的应用场合，一般情况下，检测变送环节的放大系数为正。
④ 根据负反馈准则，确定控制器的正、反作用。注意，正作用控制器的放大系数为负，反作用控制器的放大系数为正。
因此，负反馈准则的实现是通过调整控制器的正、反作用实现的。
2、稳定运行准则
控制系统稳定运行的充分条件是在工作条件下，控制系统的开环放大系数保持基本不变。表示为：
K
开= Kc Kv Kp Km = 常数 （2）
根据稳定运行准则，传统的控制系统设计步骤如下：
① 一般情况下认为控制器的放大系数不变，一些检测变送环节的放大系数可通过增加非线性环节使其成为线性。例如，采用孔板和差压变送器测量流体流量时，可增加开方器使检测变送环节的放大系数保持不变。
② 控制系统稳定运行的重任是通过控制阀工作
流量特性补偿被控对象的非线性。
③ 由于控制阀工作流量特性与控制阀固有流量特性不同。工作流量特性是控制阀在实际工况下，控制阀两端压降变化时的流量特性，固有流量特性是控制阀在工厂的理想工况下，控制阀两端的压降固定时的流量特性。为此，传统
控制阀设计根据尽量使工作流量特性接近固有流量特性的方法进行设计。其设计步骤如下：
● 为使控制阀两端压降ΔPv保持不变，设计方法是使ΔPv接近ΔPs，这里，ΔPs是控制系统压降，它是不变的。这表明压降比s应尽量接近1。压降比s表示为：
（3）
● 根据控制阀两端压降ΔPv，应用下列控制阀计算公式，计算控制阀
流量系数Kv。
（4）
需注意，这里的控制阀流量系数Kv并不是上述控制阀放大系数。N与所用工程单位有关。
二、传统控制阀设计的问题
传统控制系统中对控制阀的设计根据控制系统稳定性准则，使控制阀工作流量特性尽量接近固有流量特性，因此，该设计方法要尽量使控制阀两端压降接近控制系统压降，即使压降比s接近1。
传统控制阀设计存在的问题如下。
1、选用控制阀的流量系数小
由于控制阀设计时，要使控制系统的压降几乎全部由控制阀承担，因此，选用的控制阀两端压降ΔPv较大，根据（4）式，工艺过程要求的流量Q一定，流体密度ρ一定，ΔPv大，选用控制阀的流量系数Kv就小，从外部看，控制阀的接管直径一般要比工艺管径小一到二个等级。例如，工艺管径DN100时，控制阀接管直径通常在DN80或DN65等。
2、增加管件
由于，选用控制阀的流量系数小，控制阀的接管直径一般要比工艺管径小一到二个等级，因此，必须增加用于连接的缩径器和扩径器。不仅增加管路压降和成本，也对控制阀流量系数计算有影响。
3、能耗增大
控制阀两端压降增大，为满足工艺对压头的要求，必须增大控制系统的压降，使管路的压损所占的比例降低，因此，传统控制阀设计方法将使能耗增大，即供能设备要选用具有更大供能能力的设备，不仅增加初期成本，也不利于节能。
4、噪声增大
控制阀功率可如下计算：
不可压缩流体：
（5）
可压缩流体：
（6）
当控制阀两端压降增大时，控制阀的功率增大。而控制阀的总噪声（包括机械、液力学和气体动力学噪声）与控制阀功率有关，因此，控制阀的噪声增大。
从能量平衡观点看，控制阀两端压降被转换为声能，因此，两端压降越大，转换的声能越大，噪声也越大。
传统控制阀设计通过提高控制阀两端压降，使控制阀工作流量特性接近控制阀固有流量特性，使能耗增大，噪声增大。
5、容易进入阻塞流
如果控制阀前压力P1保持一定，逐步降低阀后压力P2，流过控制阀的流量会逐渐增加，但当阀后压力P2降低到某一数值后，再进一步降低阀后压力，不能使流量再增大，即流过控制阀的流量有一个最大极限值Qmax。称该流量为阻塞流量。采用传统控制阀设计方法，因控制阀两端压降较大，容易进入阻塞流，其结果是控制阀两端阻力增大，而流量并不能增大。
三、控制阀设计的逆方法
1、控制阀流量系数的设计
控制阀设计的逆方法以节能为设计依据，它从最有利于节能的角度出发，先确定控制阀流量系数，然后确定控制阀两端压降，并进行有关设计，其设计步骤与传统设计方法相反，因此，称为逆方法。控制阀设计逆方法的设计步骤如下：
① 选用控制阀，使其接管直径等于工艺管径，控制阀流量系数Kvm可选该接管直径系列中的大者。
② 根据工艺提供的最大流量Qmax，和选用的控制阀流量系数，采用（4）式，估算控制阀两端压降ΔPv。
③ 根据工艺设计的控制系统压降ΔPs，计算压降比s。
④ 根据下列公式计算该控制阀在压降比s工况下的最大流量Kv。
（7）
⑤ 转②，重新计算ΔPv，经多次迭代，得到最终压降比s和对应的控制阀两端压降ΔPv。
当工程单位采用国际单位制时，非阻塞流的不可压缩流体，控制阀流量系数的计算公式为：
（8）
因此，控制阀两端压降为：
（9）
将（3）和（7）式代入，可直接得到计算公式：
（10）
（11）
示例：某控制系统，工艺管径DN50，选用DN50系列控制阀，Kvm=40，ρ=0.616g/cm
3，Qmax=12m
3/h，系统压降ΔPs=40kPa。
根据（10）式，确定s=0.37。根据（11）式控制阀两端压降Δpv=14.98kPa。
根据传统设计方法，选用系统压降60kPa，控制阀两端压降55kPa，选用控制阀流量系数25。可见，采用控制阀设计的逆方法，控制阀两端压降从55kPa下降到15kPa。因此，工艺设计时可选用较小供能设备，降低了能耗。
2、使用控制阀设计逆方法的注意事项
使用控制阀设计逆方法的注意事项如下：
① 上述计算采用最大流量，如果采用正常流量计算，由于压降比在正常流量时造成的流量减少与所选控制阀流量特性有关，使计算复杂，因此，建议采用最大流量计算。
② 选用该控制阀接管直径系列中大的流量系数是考虑同样接管直径的控制阀有同样的价格，当流量系数大时，控制阀两端的压降小，有利于节能。
③ 对不同工作条件的其他流体，可根据（4）式选用合适的计算公式。
④ 压降比s不同时，控制阀最大流量的降低可用公式（7）计算，它与所选控制阀流量特性无关。
⑤ 控制阀不是节能设备，控制阀设计的逆方法是通过降低控制阀两端压降，使供能设备的供能能力降低来节能的。图1说明了控制阀设计的逆方法是如何实现节能的。
图中，曲线1是采用传统控制阀设计时，供能设备的流量特性，曲线3是传统控制阀设计时控制阀和管路的流量特性，交点A是控制阀全开，最大流量时的工作点。曲线2是根据控制阀设计的逆方法设计时，供能设备的流量特性，曲线4是逆方法设计的控制阀和管路的流量特性，交点B同样是控制阀全开时，最大流量时的工作点。可见，由于采用大流量系数的控制阀，为达到做需的最大流量，供能设备的供能能力可降低。
⑥ 由于流过控制阀的流速降低，流体不容易进入阻塞流，控制阀两端的压降下降使噪声下降，因此，根据控制阀设计的逆方法设计的控制阀噪声降低。从能量平衡观点看，由于控制阀两端压降下降，转换为噪声的能量下降。
3、控制阀流量特性的补偿方案
补偿的目的是满足控制系统稳定运行准则。控制阀流量特性的非线性补偿有多种方法。从控制系统框图分析可见，补偿环节可设置在控制系统前向通道的任何位置，但不能设置在反馈回路。
① 补偿环节设置在控制器输出到控制阀之间。这种补偿方案有多种实施方法。
● 在DCS中，直接将控制器模块输出与模拟量输入模块之间插入折线模块或类似的非线性模块。
● 在智能
调节阀定位器中，用折线模块实现非线性环节的补偿功能。
● 在模拟单元组合仪表中，可在控制器输出送非线性环节，并将其输出送控制阀。
② 补偿环节设置在控制器偏差后。这种补偿方案目前还没有，它需要在控制器内部实现非线性补偿功能，通常，可在智能控制器中编写非线性补偿环节的程序，例如，在可编程控制器中，编写用户功能块或程序，实现非线性补偿功能。
③ 补偿环节不能设置在反馈回路。例如，采用
阀门定位器实现非线性补偿时，如果，非线性补偿环节设置在反馈回路，根据控制系统稳定运行准则，不同工作点时副环开环放大系数将不能保持不变，从而使副环出现不稳定的工况。这是因为只有当副环前向放大系数无穷大时，才能使副环放大系数用反馈回路放大系数的倒数表示。
4、非线性补偿特性的确定
根据控制阀设计的逆方法，需要确定非线性补偿环节的特性，设计步骤如下：
① 确定控制阀的压降比s。根据节能条件下的最大流量系数，计算出对应的压降比s。
② 确定被控对象的特性。根据文献1，对被控对象进行分析，确定s=1时所需的补偿曲线，例如，根据换热器温度被控对象的特性，在定值控制系统中，干扰来自被加热物料流量，则应选用控制阀工作流量特性为等百分比特性进行补偿。
③ 由于压降比s小于1，因此，应在上述补偿位置插入补偿环节，补偿环节的设计原则是使被控对象放大系数与控制阀放大系数、非线性补偿环节放大系数三者之积保持不变，因此，非线性补偿环节的放大系数是被控对象放大系数的倒数与控制阀放大系数的倒数之积。下表列出当要求控制阀工作流量特性为等百分比特性时，不同s下非线性补偿环节的输入输出特性。
5、非线性补偿的特殊处理
对采用快开阀的应用场合，例如，为降低成本，或工艺管径大等，常常采用具有快开特性的控制阀作为节流控制，因快开阀流量特性在60%开度以内接近线性，因此，在这类应用场合，可采用分段非线性的处理。使经补偿后的控制阀流量特性在0~60%范围内满足所需的等百分比特性，在60~100%开度范围内与原快开特性相同。图2显示用快开特性增益与补偿环节特性增益相乘后获得的等百分比特性与快开特性的组合曲线。
