Effect of Valve and VSD Dynamics on Loop Performance Tips

The control valve and variable speed drive are the final control elements that directly affect the process by manipulating a flow. The expectation is that these elements do their job and do not adversely affect the tuning and performance of the loop. Most control text books do not include details of the final control elements in the analysis or solution. Until recently, most users were not aware of the potential problems. Here is a perspective, overview, and recommendations.


Prior to the 1980s, nearly all final control elements were control valves supplied by throttling valve manufacturers. Since these valves were originally designed for throttling service, backlash and stick-slip were minimal. Actuators and positioners with excellent threshold sensitivity were generally used. Since energy conservation and the possible use of variable speed drives were less of a motivation, the valve to system pressure drop ratio was large enough to provide a good installed flow characteristic and rangeability. The downside was that the positioners being pneumatic devices were out of calibration typically resulting in an offset between actual position and implied valve position based on the valve signal. Since there was no readback, the user was typically unaware of positioner problems. Fortunately, the main problem being simply an offset was automatically corrected by the control loop manipulating the valve to reach setpoint.

These control valves with a throttling valve heritage typically had a deadband less than 0.4%, stick-slip less than 0.2%, and an actuator-positioner resolution or threshold sensitivity of better than 0.1%. Unfortunately, this capability was taken for granted and never put on the valve specification as a requirement. The lack of understanding of valve dynamics and the missing link in terms of readback set the scenario for a disaster in valve performance for decades except where company and plant standards required the time proven valve solution despite a higher price tag.

The typical control valve specification had sizing information and a leakage specification. There was no information on installed characteristic or valve dynamics. Since the main goal was making sure the valve could pass the required flow and stop the flow as completely as possible, valves designed by on-off valve (e.g. piping and isolation valve) manufacturers met the specification with a significantly lower price tag. In many cases the valves were already in the piping spec and being used manually by operators or automatically by batch sequences and safety instrumentation systems (SIS).

The on-off valves had excessive deadband (e.g. 8%) from backlash associated with links and connections between shafts, stems, and internal flow elements (e.g. balls and discs). These valves also had excessive stick-slip (e.g. 4%) from the high seating-sealing friction and stem friction from packing designed for high temperatures and lower emissions. Poor resolution and threshold sensitivity (e.g. 2%) also originated in the accessories due to the use of piston actuators with O-rings or gear teeth instead of diaphragm actuators, high volume spool positioners and volume boosters instead of high gain relay positioners. Rotary valves were used with a nearly quick opening flow characteristic because these were a very low cost solution high capacity solution particularly attractive in larger line sizes. The steep slope of the flow characteristic near the closed position where the stick-slip was the highest from high seating-sealing friction associated with tight shutoff, caused larger amplitude limit cycles. The term "high performance" was often used for these valves because performance was judged in terms of tightness of shutoff and capacity. Who wouldn't want a "high performance" valve at a much lower cost?     

Some applications tried to take advantage of the control valve having low leakage by making it serve the dual purpose of isolation and throttling. The lack of position readback and the standard testing procedure of making 25% or 50% changes and eyeballing the stem position did not show the problem created by the use of on-off valves. The limit cycles in the process were often attributed to some other problem. 

While awareness has improved by the ISA standards Test Procedure for Control Valve Response Measurement from Step Inputs (ISA-75.25.01) and Control Valve Response Measurement from Step Inputs (ISA-75.25.02), many users still can get into trouble because there is very little response data published. What data does exist is from tests at mid position with hand tight packing to eliminate sealing and seating friction and minimize stem friction. Furthermore, original throttling valve manufacturers seeing the profits generated by on-off valve manufacturers have bought on-off valve companies. To become more cost competitive, throttling valve manufacturers may quote a control valve with an on-off heritage or use the smallest possible actuator size making the valve more susceptible to stick-slip particularly near the closed position or as packing is tightened.  

To make matters more confusing, the readback of actual valve position for on-off valves is from the shaft position instead of actual internal closure element position. Tests by the author in separate applications revealed smart positioners saw and reported only a 0.6% backlash in the test results when the use of a travel gage indicated 8% backlash in the ball or disk position. This deception caused by the backlash in the connections between the shaft, stem, and internal closure element is widespread.

Dampers on large gas flows tend to have even more backlash than on-off valves because of greater play (slop) in the linkages. On-off actuators and positioners are often used having a poor resolution and threshold sensitivity.

Variable speed drives do not have backlash or stick-slip. However, an excessive deadband and rate limiting is often introduced due to an over concern about hunting and motor load. Also, the standard input card receiving the PID output signal had a resolution of 0.35%. A special input card had to be requested from the VSD manufacturer to get the resolution as good as the resolution of the modern day DCS output card.

Before a valve can move, enough air must move into or out of the actuator to create a sufficient change in force. This time interval is called a pre-stroke dead time. Once the valve starts to move there is a stroking time (time for 100% stroke) with a lag. For small actuator volumes this dead time and lag is less than 0.2 seconds and the stroking time is less than 2 seconds. Note that the slewing rate is 100% divided by the stroking time. The ISA standards use 86% response time (T86) as a test criterion, which is the time to reach 86% of the final response. For extremely large actuators, these times can be much larger unless volume boosters are added to the positioner output. The ISA standard lump stick-slip and resolution and threshold sensitivity limits together simply as a resolution limit. Note that the response time includes the effect of threshold sensitivity limits.

Deadband, stick-slip, resolution and threshold sensitivity limits cause limit cycles and dead time in addition to the pre-stroke dead time. The limit cycles (sustained equal amplitude oscillations) develop from the integrating action in the process or control system. For deadband, two or more integrators are required to create a limit cycle. The additional dead time can be approximated as the largest of the deadband, stick-slip, and threshold sensitivity or resolution limit, divided by the rate of change of PID output.

The variable speed drive (VSD) is often thought to provide a change in flow that is linear with speed. For this case the rangeability and linearity is impressive. Often not recognized is that when the discharge head approaches the static head as the speed is lowered, the change in flow with speed becomes larger and erratic. If the discharge head becomes less than the static head a dangerous reversal in flow can occur. A check valve is advisable in this case if the check valve is reliable at operating conditions. As a result the installed characteristic becomes steep and a low speed limit is added both reducing the controllability and rangeability of the VSD.

While the inherent dead time in the VSD response is negligible, additional dead time is created by introduction of deadband in the drive setup or a resolution limit in the signal input card. The dead time created is the deadband or resolution limit, whichever is largest, divided by the rate of change of the PID output.

If the speed control is slowly tuned or moved from the field into the DCS, the speed loop is not sufficiently faster than the process loop. This violation of the cascade rule where the secondary loop is not 4 times faster than the primary loop causes poor performance. If external reset feedback is not enabled on the primary loop, an insidious burst of oscillations will occur for large disturbances or setpoint changes. This same problem can occur for valves when positioners are sluggishly tuned or volume boosters are not used on large actuators. See chapter 5 for more details on the use of external reset feedback to prevent the primary PID output from changing faster than the secondary controller process variable (speed or stroke) can respond.


If your company or plant has strong standards as to the use and testing and response of throttling control valves, you probably don't need to pay much attention to valve dynamics except for applications where a fast valve response is needed such as surge control or pressure control or where there are exceptionally large line sizes or high pressure drops.  If you don't have the protection of these standards, you are vulnerable to undersized actuators or the use of on-off valves posing as throttling valves. You need to become educated on all the gotchas.

Since the focus of variable speed drive manufacturers is on energy savings, there is very little understanding and guidance offered by the supplier on dynamic problems created by cascade control, deadband, speed rate limiting, and static head. Design and maintenance engineers must develop the knowledge and assume the responsibility for making sure the response of the VSD is fast and the installed flow characteristic is as linear as possible.


•1.      For surge control valves and for systems where the valve to system pressure drop ratio is greater than 0.8 use a linear inherent characteristic, otherwise use an inherent equal percentage characteristic.  

•2.       Ensure the valve to system pressure drop ratio is greater than 0.2 and large enough to meet rangeability requirements.

•3.      Select valve type and size to avoid operation on the upper flat portion of the installed flow characteristic.

•4.      Keep the largest of threshold sensitivity and resolution limit, stick-slip, and ½ the deadband less than 0.2% by valve, positioner, and actuator design.

•5.      Add a separate on-off valve for isolation and to minimize reagent injection delays (volume between tight shutoff valve and process pipe connection) that is coordinated with the opening and closing of the control valve.

•6.       Tune the positioner for a fast but non oscillatory response. Only use integral action in the positioner as a last resort to create a fast limit cycle completely attenuated out by a slow process response (e.g. temperature).

•7.      If a volume booster is needed for large actuators, put the booster on the positioner output and open the booster bypass just enough to stop the very fast oscillation.

•8.      Keep the speed control for a VSD in the field and tune the speed controller for a fast non-oscillatory response.

•9.      If the position or speed control is not fast enough, add a fast external reset feedback of actual valve position or VSD speed to the process PID.

•10.  Make sure the VSD deadband is less than 0.4% and the resolution limit of the input card is less than 0.2% and the speed rate limit is fast enough.

•11.  Make sure the lower speed limit will always prevent the pump or fan curve discharge head above the static head.

•12.  Ensure the static head is sufficiently less than the system pressure drop to meet rangeability requirements (add system resistance and pump head if necessary).     

For more details, see the May 2012 Control Talk Blogs "Checklist for Best Variable Speed Drive Performance" and "Checklist for Best Control Valve Performance"


Show Comments
Hide Comments

Join the discussion

We welcome your thoughtful comments.
All comments will display your user name.

Want to participate in the discussion?

Register for free

Log in for complete access.


  • Taki sklep proponuje wam calego profesjonalizm tudziez tajnosc dzieki z jakiej przyczyny nie bedziecie obawiac sie, ze ktokolwiek sie dowie o waszym zakupie. Taka napuszonosc prowadzi do przedluzyc fallusa do takich gabarytów jak to jest osiagalne. Musicie wiedziec, iz zakup takich pompek jest do zrobienia wobec tego o ile chcecie na taka inwestycje sobie zezwolic winniscie z takich ofert na wskros skorzystac. Musicie wiedziec, iz recenzji co do funkcjonowania takich pompek jest niezwykle wiele z tego powodu pozadane byloby sie z nimi równiez zwachac sie wysoce blizej. W rzeczy samej wobec tego nie czekaj wylacznie juz dzis wypróbuj oferty które dla ciebie sa przygotowane, a z jakich a nuz bedziesz zadowolonym szczególnie, iz warunki wam zapewniane sa dzis bardzo atrakcyjne i godne twojego zainteresowania. Nie oczekuj wobec tego wylacznie naprawde dzis wykorzystaj mozliwosci które przysparza wam internet. Nowoczesne mozliwosci dla moznowladców W dzisiejszych terminach nadzwyczaj calego szeregu jegomosci ma solenny kompleks do którego nie kazdy chce sie odznaczyc. I jak sie okazuje ten problem jest ostatecznie problemem dla nich tabu z tego powodu znaczna czesc magnatów nie wie jak sobie z takim oczywiscie problemem w ogóle podszepnac. Musicie wiedziec, ze dzisiaj po prawdzie niezwykle duza liczba facetów ma namaszczony ambaras z rozmiarem swojego czlonka. Wlasnie wobec tego winniscie wiedziec, iz bardzo czesto na ten problem sie rozmawia i dyskutuje równiez z kobietami które podmieniaja cenzurke czy rzeczywiscie kaliber oznacza,znaczy. Dlatego jak najbardziej o ile masz siostrzany agregat z którym nie wiesz jak sie uwinac powinienes wiedziec, ze istnieje sporo strategii z jakich to bedziesz zaspokojonym i otrzymasz wydajne intraty. Jak sie okazuje przykladowym z dosc modnych jest pompka do fallusa. Taka rzecz jasna [url=http://www.powiekszaj-zadowolenie.pl]pompka do penisa[/url] napelnia sie niezwykle wielkim zaciekawieniem posród calego szeregu postaci i nie ma w tym nic dziwnego bowiem mozecie ja zakupic w niezwykle przychylnych zaplatach, oraz w róznej pigmentacji, dzieki z jakiej przyczyny od ciebie w rzeczywistosci bedzie zalezec na jaki jej rodzaj dopuscisz sobie nabywac. Musicie wiedziec, ze taka pompka do penisa proponowana jest na pewno dzisiaj na calego szeregu przyszykowanych sklepach internetowych gdzie dostep do nich ma w wiekszosci wypadków kazdy panisko.Mezczyzni miewaja pelna mase caloksztaltów. Moga one dotyczyc równolegle wlasnosci cielesnych a takze psychicznych. Lekiem na jeden z najpopularniejszych caloksztaltów meskich jest takie male urzadzenie jak pompka do czlonka. Jest to dynks wykorzystywany poprzez panków, uzupelniajacy kondycje erotyczna. Pompki do penisa mozna nabyc dajac za przyklad za sprawa Internetu. Wykorzystaj wielorakiego typu gadzety.Mezczyzni, mimo iz sa ta prawdziwsza fizjonomia takze maja wlasne zasmucenia i kompleksy. Wydawac mogloby sie, iz caloksztalty to domena przewaznie dam. Jednakze wyjasnia sie, iz nie tylko. Mezczyzni takze maja wlasne chucherkowate strony, o których nieraz poniekad nie maja chetki rozmawiac albowiem sie wstydza. Jezeli idzie o elementarny meski agregat jest to nie ulega najmniejszej watpliwosci przyrost. Utarlo sie, ze kobiety wola strzelistych jegomosci. Kazdy facet, który nie jest za bardzo strzelisty, choc pare razy przenigdy pomyslal, ze przyrost jest jego witalna mara. Tymczasem okazuje sie, ze to nie wzrost oznacza,znaczy, a indywidualnosc klienty. W tych czasach niezwykle czesto istotnie to klienci maja kompleksy. Odmotaniem jednego z nich jest miedzy innymi taki dynks jak pompka do czlonka. A tak w ogólnosci rzecz biorac klienci wstydza sie wielu rzeczy dodatkowo dla przykladu tego, iz tego, ze za nieduzo zarabiaja, nie sa w mocy poteg przepychów swojej slubnej witalnej, ze nie sa dostatecznie mescy lub sa za slabi fizycznie. Maja kompleksy nawet na punkcie wlasnego wygladu, w glównej mierze kiedy konfrontuja sie do gwiazd i osób powszechnie znanych. A a wiec bez watpienia, ze gwiazdy i osoby znane maja pelen sztab ludzi przystajacych za ich wyglad i styl, a jesli zjawiaja sie na oprawach, ich zdjecia sa de facto pewnie zmieniane. Ale to nie wszystko. Jakims z wyjsc na kompleksy meskie jest taki gadzet jak pompka do czlonka, która usprawni zycie kazdego mezczyzny, z tego powodu pozadane byloby sie zainteresowac jej zakupem. Jest to dinks, który moze ulzyc na sporo wielorakich klopotów. Kompleksy meski sa z reguly silnie przegiete w ten sam sposób jak te kobiecie. Nalezaloby z kazdych z nich sie szczerze wykurowac.Facet przez caly czas koniecznie musi byc zlepiony i dojrzaly - tak bodaj zaszczepia mu sie juz od poczatkowych latek jego zycia. Mozna wiec powiedziec, ze oligarchowie egzystuja pod pewna presja, poniewaz bez ustanku musza dokonywac rózne regulacje i wstawiac sie do pewnych algorytmów. Oni na 100% bank winni miec problemów z dosieganiem wzwodów, a wprawdzie takie dalej wystepuja, dlatego w Necie nadal notorycznie mozna natknac na przewodniki, jak szybko powiekszyc czlonka. Kobiet moze od czasu do czasu nie miec nastroju na zblizenie, lecz osobnik musi szczedzic sie wprost opacznie, w przeciwnym razie nie bedzie oryginalnym facetom. Co wobec tego pomoze mu w sytuacjach, w których jego penis zastrzeze posluszenstwa?Jak szybko osiagnac wzwód?Najlepiej osiagnac erekcje poprzez prawdziwe podniecenie, które moze doprowadzic sporo rzeczy. Zwykle to w rzeczy samej bialoglowa dziala na facetów najmocniej, wskutek tego starczy od czasu do czasu poobserwowac ociupine dluzej swoja kobiete, powiem wiecej przyzwac ja o stworzenie striptizu. Doskonale moze tez zadzialac wykorzystanie dluzszej gry wstepnej, gdyz ona czasami przydatna jest nie tak wiele niewiastom, co oczywiscie mezczyznom. Oni pomimo pozorom równiez sa nadzwyczaj poruszajacy, wobec tego kochaja zwyczajnie poprzytulac sie do wlasnej damy, dlatego ze wówczas dopiero odzyskuja spokój i moga spokojnie osiagnac intensywny wzwód. Jesli jednak i taka gra wstepna w niby im nie wesprze, na sto procent nadal beda szukac instrumentu na to, jak ekspresowo powiekszyc czlonka, takze natkna na reklamowane dawniej, czarodziejskie, niebieskie tabletki. Viagra wciaz albowiem jest produkowana, z tego powodu dzisiaj tez mozna ja zaklepac, szwendajac sie po nia do apteki. Ma ona nie ulega watpliwosci efektywne funkcjonowanie, bowiem non stop przynosi ten sam wynik, a wiec umozliwia osiagnac przenikliwy wzwód, który utrzymuje sie w rzeczywistosci szmat czasu. Czy jednak po viagre jegomoscie moga tak bez nerwów czerpac? Na bank nie powinni aprobowac jej codziennie, poniewaz jezeli zawsze maja problem z sieganiem erekcji, jego racja moze byc podniosla. Wówczas z ambarasem powinno sie naprawde zglosic sie do doktora, czyli do urologa, który zdiagnozuje i nazwie racje dolegliwosci.Teraz w sklepach mozna natrafic na w rzeczywistosci kuriozalne i niezwykle nietypowe artykuly i przyrzady. Kiedy komus zamarzy sie jakiekolwiek narzedzie, bez wysilku je zdobedzie, o jak wiele zaledwie go nieco poszuka. Naprawde poniekad pompka do czlonka nie jest rynsztunkiem nieosiagalnym, albowiem przetwarza ja niewiele kompanii, a one zaopatruja najwieksze sklepy i markety. Które punkty sprzedazowe maja z tej przyczyny taka pompke w wlasnej ofercie?Najwieksze sklepy internetoweJak niewatpliwie, wybór sklepów stacjonarnych jest o wiele skromniejszy od asortymentu sklepów internetowych. A to znaczy, iz w tych drugich miejscach sie oplaca czynic zakupy. Tym wiecej, jesli maja to byc wlasnie wyszukane zakupy, w toku których ktos zaopatrzy sie w pompke, by z jej pomoca zwiekszyc sobie wlasnego fallusa. Na ten nietuzinkowy wrecz instrument wlasciwie nie napotka w sklepach stacjonarnych, albowiem one nadal unosza na rzeczy schematyczne i materialy zwykle. Markety internetowe niszcza jednak te bariery i obnizenia, wskutek tego nie lekaja sie zaproponowac swoim klientom czegos bezwzglednie innego. Niektóre z nich, które maja wsród swoich materialów pompke do czlonka, nie zajmuja sie nigdy erotyka, dlatego nie wypada wkraczac na strony sexshopów, by osiagniec taki przekaz. Starczy z kolei zaprzyjaznic sie z przekazami sklepów internetowych akumulujacych sie nade wszystko na nowoczesnych i stosowanych narzedziach czy tez przyrzadach. U nich winna byc naprawde dostepna chociaz jedna pompka do fallusa, jaka petent bedzie mógl wstepnie kupowac, aby po paru dniach pozyskac ja pionowo do swojego mieszkania lub domu. Poprzez to na sposób dyskretny zgotuje swoja potrzebe, albowiem dla niektórych nabycie takiej pompki w sklepie stacjonarnym byloby dosyc krepujaca sytuacja. A na pewno bynajmniej nie nalezy sie z nia zmagac, gdyz trzeba tylko "wybrac" sie na zakupy do Netu. Sklepy internetowe dobitnie ulatwily ludziom zycie, dlatego pozadane byloby raz na jakis czas skorzystac z ich oferty. To u nich mozna zdobyc nieziemskie materialy, a wiec w samej rzeczy te fantastycznie dzialajace pompki do fallusa. Kazdy klient powinien sie w nie podarowac.Apteke bodaj kazdy ma kedys pod reka wlasnego lokalu, bowiem jest to przykladowy z istotniejszych punktów sprzedazowych, w którym kazdy od czasu do czasu robi zakupy. Ludzie spiesza sie do aptek, aby osiagniec dla siebie panacea, z pomocna dlonia których zwalcza pewne przypadlosci wzglednie choroby. Pozadane byloby jednakze napomknac, iz apteka to nie tylko same srodki i apendyksy, jakkolwiek dodatkowo preparaty na powiekszenie czlonka i w duzej mierze wiecej atrakcyjnych rzeczy. nieraz z tej przyczyny wskazane jest do niej sie przejsc i obejrzec, co ona takiego w sobie ma, ze odwiedzaja ja wszyscy ludzie.Co ciekawego mozna odnalezc w aptece?Praktycznie kazda apteka jest naprawde posortowana na konkretne dzialy, a dla kazdego z nich przyszykowano chociaz pare pólek z wielorakimi srodkami. Jeden dzial na pewno bedzie zadedykowany na konserwacje ciala, a wiec podrzutkiem sie w nim preparaty pielegnacyjne tudziez standardowy kosmetyki. Wszelkie te rzeczy mozna nie ulega najmniejszym watpliwosciom kupic w drogerii, aczkolwiek wtedy nie ma sie pewnosci, ze beda one bezpieczne i urodziwe dla skóry. A alergicy musza sadzic na drogeryjne preparaty, bo one czesto ozywiaja obrazajace reakcje uczuleniowe i podrazniaja puszysty naskórek. Nie chcac miec klopotów z takimi rzeczami, po kosmetyki warto przebrac sie do apteki, poniewaz osiagalne w niej preparaty pielegnacyjne bez ustanku beda miec nieskomplikowany i bezpieczny dla ziemianina sklad. Takim samym, rzeczywistym zestawem moga zaakceptowac sie preparaty na powiekszenie penisa, które w aptekach zarówno coraz czesciej mozna wyszukac. Trzeba tylko zapytac o srodki dzialajace doskonale na otoczenia poufale, aby siegnac po preparat o rzadkim funkcjonowaniu i pierwszorzednych wlasnosciach. Dla kobiet apteki równiez przyrzadzily cos w tej dziedzinie, bowiem proponuja im juz nie tylko tampony i podpaski, natomiast zarówno malenkie kubeczki menstruacyjne. Sa one bardzo trendy i ergonomiczne, poniewaz tylko trzeba wetknac je do waginy, aby móc bez ograniczen korzystac z zycia nawet na przestrzeni ciezkich dni. Kubeczki sprawdza sie z tej przyczyny u niewiast wypracowanych i tych, które nie chca zrzekac sie ze zblizen wprost wcale. Nie musza tego na pewno wcale czynic.


RSS feed for comments on this page | RSS feed for all comments