調(diào)節(jié)閥定位器應(yīng)用原則的探討

 1 引言

  調(diào)節(jié)閥常用于燃?xì)饪刂葡到y(tǒng)，而定位器是調(diào)節(jié)閥常用的附件。許多控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)不佳，不少是由于定位器選用不當(dāng)引起的。20世紀(jì)20年代，氣動(dòng)閥門定位器就開始使用。長(zhǎng)期以來(lái)，許多人根據(jù)一些傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)原則來(lái)選用調(diào)節(jié)閥的定位器或繼動(dòng)器，認(rèn)為使用閥門定位器是確保閥芯位置與調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)成比例變化的佳方式。于是，閥門定位器得到廣泛應(yīng)用。盡管各種閥門定位器形狀各異，形式不同，工作原理也有差異，但功能都很相似。薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的定位器通常安裝在側(cè)面，而活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)的定位器則通常安裝在頂部。它們都有與閥桿或活塞的機(jī)械連接（即反饋桿），以便將閥桿的位置與調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)進(jìn)行比較。
（圖中所示為：氣動(dòng)閥門定位器）

    2定位器作用的分析

  閥門定位器與調(diào)節(jié)閥可以看作是一個(gè)閥桿位置的隨動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在整個(gè)控制系統(tǒng)中相當(dāng)于一個(gè)串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的副回路（閥位副回路）。串級(jí)控制系統(tǒng)的方框圖見圖1，單回路控制系統(tǒng)的方框圖見圖2。在控制理論上，串級(jí)系統(tǒng)主要是用來(lái)克服進(jìn)入副回路的二次干擾。 
 

   按圖1所示串級(jí)系統(tǒng)，可以寫出二次干擾D₂至主參數(shù)y₁的傳遞函數(shù)

       （1）

   與一個(gè)簡(jiǎn)單回路（無(wú)定位器）控制系統(tǒng)相比較，若令由圖2可得單回路控制下D₂至y₁的傳遞函數(shù)為

       （2）

   首先，假定G_c（s）=G_c1（s），且注意到單回路系統(tǒng)中的G_m（s）就是串級(jí)系統(tǒng)中的G_m1（s），可以看到，串級(jí)中Y₁（s）/D₂（s）的分母中多了一項(xiàng)，即G_c2（s）G_v（s）G_p2（s）G_m2（s）。在主環(huán)工作頻率下，這項(xiàng)乘積的數(shù)值一般比較大，而且隨著副調(diào)節(jié)器比例增益的增大而加大，副調(diào)節(jié)器（定位器）的比例增益是大于1的。因此，串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)使二次干擾D₂對(duì)主參數(shù)y₁這一通道的動(dòng)態(tài)增益明顯減小。當(dāng)二次干擾（直接對(duì)于閥位的干擾）出現(xiàn)時(shí)，很快就被副調(diào)節(jié)器（定位器）所克服。與單回路控制系統(tǒng)相比，被調(diào)量受二次干擾的影響可以減小1O~100倍，這主要視主環(huán)與副環(huán)中容積分布情況而定。

   其次，由于內(nèi)環(huán)起了改善對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的作用，因此可以加大主調(diào)節(jié)器的增益，提高系統(tǒng)的工作頻率。分析比較圖1，2，可以發(fā)現(xiàn)串級(jí)系統(tǒng)中的內(nèi)環(huán)似乎代替了單回路中的一部分對(duì)象，即可以把整個(gè)副回路看成是一個(gè)等效對(duì)象G′_p2（s），記作

       （3）

    假設(shè)副回路中各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為

    將上述各式代入式（3），可得

       （4）
   

    則式（4）改寫為

       （7）

    式中：K′_p2，T′_p2--等效對(duì)象的增益和時(shí)間常數(shù)。

   比較G_p2（s）和G′_p2（s），1+K_c2K_vK_p2K_m2>1這個(gè)不等式在任何情況下都是成立的，因此有

    T′_p2p2    （8）

   由于副回路起到改善動(dòng)態(tài)特性的作用，等效對(duì)象的時(shí)間常數(shù)縮小了1+K_c2K_vK_p2K_m2倍，而且隨著副調(diào)節(jié)器比例增益的增大而減小。就定位器而言，薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)或氣缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)是單容對(duì)象，如果閥桿潤(rùn)滑很理想，副調(diào)節(jié)器（定位器）的比例增益可以取得很大，這樣，等效時(shí)間常數(shù)可以減到很小的數(shù)值，從而加快了副環(huán)的響應(yīng)速度，提高了系統(tǒng)的工作頻率。這就是閥門定位器通常能夠改善調(diào)節(jié)系統(tǒng)品質(zhì)的原因。

    3 滯后和摩擦對(duì)定位器的影響

   實(shí)際情況并不總是理想的，例如調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有時(shí)有較大的容量滯后，閥桿與填料之間往往有較大的摩擦力。這時(shí)，定位器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的閥位副回路可看作一個(gè)積分環(huán)節(jié)加純遲延的對(duì)象和一個(gè)比例調(diào)節(jié)器，其開環(huán)頻率特性為

        （9）

   若副回路整定到4:1振幅衰減，且考慮到內(nèi)環(huán)接受主調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)，可以得到副回路相對(duì)T_d1/T_d2的開環(huán)頻率特性為

       （1O）

   式中：T_d1，T_d2分別為主回路和副回路的阻尼自然振蕩周期。

    由式（1O）可以很容易導(dǎo)出副回路的閉環(huán)頻率特性W_c2（jw）為

       （11）

   根據(jù)式（1O）和式（11），將副回路在開環(huán)和閉環(huán)下的頻率特性繪于圖3，圖中|W₂|，φ₂和|W₂|，φ_c2是副回路分別在開環(huán)和閉環(huán)下的幅頻相頻特性。可以看到，閉環(huán)副回路的相角滯后總是小于開環(huán)時(shí)的相角滯后，因此組成串級(jí)系統(tǒng)后就自然地提高了工作頻率，使控制品質(zhì)得到改善。

   由圖3可見，閉環(huán)副回路的增益可能大于或小于開環(huán)時(shí)的增益，這取決于輸入信號(hào)的周期。當(dāng)Td1/Td2較大時(shí)，閉環(huán)副回路增益將小于開環(huán)時(shí)的增益。此時(shí)若組成串級(jí)系統(tǒng)，可以加大主調(diào)節(jié)器的增益，應(yīng)當(dāng)指出，在T_d1/T_d2>5以后，閉環(huán)副回路增益接近1.O，相角接近O°，即當(dāng)1足夠大時(shí)，可以把副回路等效成為一個(gè)增益為1的放大環(huán)節(jié)，形成1:1的隨動(dòng)系統(tǒng)。也就是說(shuō)，對(duì)于慢速的系統(tǒng)，定位器的使用會(huì)取得令人滿意的效果。然而在T_d1減小時(shí)，閉環(huán)副回路的增益增加而開環(huán)時(shí)的增益卻要下降，此時(shí)若閉合副回路，主調(diào)節(jié)器的增益就不得不減少，在這種情況下組成串級(jí)控制系統(tǒng)將會(huì)降低系統(tǒng)的性能。因此，為了保持串級(jí)控制系統(tǒng)的控制性能，要避免閉環(huán)副回路的高增益區(qū)，即主、副回路自然振動(dòng)周期比T_d1/T_d2=1~3的區(qū)域。換言之，應(yīng)該使主回路周期T_d1小于T_d2或大于3倍的T_d2?？紤]到副環(huán)總是一個(gè)快速、靈敏的回路，T_d1不可能小于T_d2，因此上述條件可以用下列不等式來(lái)描述，即

   T_d1>3T_d2     （12）

   這個(gè)結(jié)論是從發(fā)揮串級(jí)系統(tǒng)特點(diǎn)的角度得到的。此外，還應(yīng)根據(jù)主、副回路之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系來(lái)分析。由于主、副回路是兩個(gè)相互獨(dú)立又密切相關(guān)的回路，在一定條件下，如果受到某種干擾的作用，主參數(shù)的變化進(jìn)入副環(huán)時(shí)會(huì)引起副環(huán)中副參數(shù)波動(dòng)振幅的增加，而副參數(shù)的變化傳送到主環(huán)后，又迫使主參數(shù)的變化幅度增加，如此循環(huán)往復(fù)，就會(huì)使主、副參數(shù)長(zhǎng)時(shí)間地大幅度地波動(dòng)，這就是所謂串級(jí)系統(tǒng)的共振現(xiàn)象。因此，為避免主、副回路之間的共振現(xiàn)象，也要求主、副回路的周期成一定的比例。串級(jí)系統(tǒng)的共振條件可以通過(guò)其幅頻特性來(lái)分析，先假定其主、副回路都是二階系統(tǒng)，結(jié)論與上述分析是一致的。為了確保串級(jí)系統(tǒng)不受共振現(xiàn)象的影響，一般地，取T_d1=（3~10）T_d2。

   上述結(jié)論雖然是在假定主、副回路均是二階系統(tǒng)的前提下得到的，但也不失其一般性。原因是系統(tǒng)經(jīng)過(guò)整定后，總有一對(duì)起主導(dǎo)作用的極點(diǎn)，整個(gè)回路的工作頻率由它們來(lái)決定，即可以把這個(gè)系統(tǒng)看作一個(gè)近似二階振蕩系統(tǒng)^[1]。

   應(yīng)用閥門定位器對(duì)提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)是有利的，但必須避免共振。解決的辦法是設(shè)法改善和提高閥門的性能，減小閥桿的摩擦，或改用增速繼動(dòng)器取代定位器。對(duì)于快速響應(yīng)的系統(tǒng)，或者改用增速繼動(dòng)器，或者采用響應(yīng)速度更快的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而拉開主副環(huán)的時(shí)間常數(shù)，避開共振區(qū)。   
（圖中所示為：電氣閥門定位器）

    4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

   國(guó)外曾對(duì)過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)原則進(jìn)行了研究，其結(jié)果與上述理論分析一致。這項(xiàng)研究工作包括對(duì)各種類型的過(guò)程控制回路采用模擬計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬，對(duì)計(jì)算機(jī)模擬所得的結(jié)論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)填料摩擦力引起閥桿行程的非線性變化進(jìn)行分析。研究過(guò)程中，選用不同類型的閥門定位器作為研究對(duì)象。  

   實(shí)驗(yàn)研究表明，對(duì)于快速響應(yīng)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如果為了抵消比較大的填料摩擦力而使用定位器，其效果是不理想的。定位器的精度越高，響應(yīng)越快，則系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)就越差。如果減小定位器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的增益，而有意降低定位器的性能，反而有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。此時(shí)，調(diào)節(jié)器給定愈嚴(yán)密，則系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)也就愈好。如果在系統(tǒng)里不采用定位器，而接入一個(gè)功率放大器，也稱增速繼動(dòng)器，即閥位副回路開環(huán)，則調(diào)節(jié)品質(zhì)還會(huì)更好。增速繼動(dòng)器在回路中是一個(gè)開環(huán)放大器，亦可以看成是定位精度極差的一種定位器，它和閥桿沒有機(jī)械上的連接，因此執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程速度不受它的影響，但它把調(diào)節(jié)器和大容量的執(zhí)行器加以隔離，降低了純滯后和慣性滯后，提高了廣義對(duì)象的響應(yīng)速度，所以使系統(tǒng)的性能明顯得到改善。
（圖中所示為：MC過(guò)濾減壓閥）

    計(jì)算機(jī)仿真研究還表明，對(duì)于響應(yīng)速度相對(duì)較慢的系統(tǒng)，定位器是明顯有益的，而對(duì)于響應(yīng)速度相對(duì)較快的系統(tǒng)，定位器是明顯有害的。是否采用閥門定位器，除個(gè)別實(shí)例外，完全不可根據(jù)那些經(jīng)驗(yàn)原則，如果閥的摩擦力和粘滯力相當(dāng)高，不按經(jīng)驗(yàn)原則而按系統(tǒng)是快速還是慢速響應(yīng)的原則來(lái)考慮定位器的應(yīng)用，顯得更為重要。計(jì)算機(jī)模擬研究所得到的這些結(jié)論，又通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證進(jìn)一步得到了證實(shí)，且與理論分析一致，從而進(jìn).步確定了閥門定位器應(yīng)用的新的指導(dǎo)原則。

    5 結(jié)論

   （1）對(duì)于大多數(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，只要正確選擇和計(jì)算彈簧膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)就能達(dá)到滿意的調(diào)節(jié)效果，并非一定采用閥門定位器或增速繼動(dòng)器。
   （2）對(duì)于一個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，定位器或增速繼動(dòng)器可以在需要進(jìn)行分程調(diào)節(jié)時(shí)、需要放大調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)以增加執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推力或剛度時(shí)和氣動(dòng)調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)管線較長(zhǎng)而需要盡快克服干擾或負(fù)荷變化時(shí)可以考慮選用。
   （3）究竟選用定位器還是增速繼動(dòng)器，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)速度來(lái)決定。假如系統(tǒng)是快速的，如液體壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、某些氣體壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)和大多數(shù)流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，都是典型的快速響應(yīng)系統(tǒng)，正確的選擇應(yīng)為增速繼動(dòng)器。假如系統(tǒng)是慢速的，如液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)、溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、混合過(guò)程的調(diào)節(jié)系統(tǒng)和某些反應(yīng)器的調(diào)節(jié)系統(tǒng)都是典型的慢速響應(yīng)系統(tǒng)，正確的選擇應(yīng)為定位器。
   （4）當(dāng)要求很大的輸出力時(shí)，往往采用無(wú)彈簧的活塞（雙作用氣缸活塞）執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由于它本身沒有復(fù)位機(jī)構(gòu)，需要安裝定位器。對(duì)于慢速系統(tǒng)，在這種情況下使用定位器是有好處的，一般不會(huì)有什么問(wèn)題。對(duì)于快速系統(tǒng)，本不應(yīng)采用定位器，但由于要獲得較大的輸出力又需要選用無(wú)彈簧執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)，那就只有將調(diào)節(jié)器的設(shè)定值控制得松一些，也就是說(shuō)特意將主回路的時(shí)間常數(shù)加大，稍許降低對(duì)調(diào)節(jié)品質(zhì)的要求，以避免共振。如果一定要求較高的調(diào)節(jié)品質(zhì)，那就必須采用響應(yīng)速度更快、穩(wěn)定性更好的電一液執(zhí)行機(jī)構(gòu)。