調節閥定位器應用原則的探討

 1 引言

  調節閥常用于燃氣控制系統，而定位器是調節閥常用的附件。許多控制系統的調節品質不佳，不少是由于定位器選用不當引起的。20世紀20年代，氣動閥門定位器就開始使用。長期以來，許多人根據一些傳統的經驗原則來選用調節閥的定位器或繼動器，認為使用閥門定位器是確保閥芯位置與調節器輸出信號成比例變化的佳方式。于是，閥門定位器得到廣泛應用。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。薄膜執行機構的定位器通常安裝在側面，而活塞執行機構的定位器則通常安裝在頂部。它們都有與閥桿或活塞的機械連接（即反饋桿），以便將閥桿的位置與調節器的輸出信號進行比較。
（圖中所示為：氣動閥門定位器）

    2定位器作用的分析

  閥門定位器與調節閥可以看作是一個閥桿位置的隨動調節系統，在整個控制系統中相當于一個串級調節系統的副回路（閥位副回路）。串級控制系統的方框圖見圖1，單回路控制系統的方框圖見圖2。在控制理論上，串級系統主要是用來克服進入副回路的二次干擾。 
 

   按圖1所示串級系統，可以寫出二次干擾D₂至主參數y₁的傳遞函數

       （1）

   與一個簡單回路（無定位器）控制系統相比較，若令由圖2可得單回路控制下D₂至y₁的傳遞函數為

       （2）

   首先，假定G_c（s）=G_c1（s），且注意到單回路系統中的G_m（s）就是串級系統中的G_m1（s），可以看到，串級中Y₁（s）/D₂（s）的分母中多了一項，即G_c2（s）G_v（s）G_p2（s）G_m2（s）。在主環工作頻率下，這項乘積的數值一般比較大，而且隨著副調節器比例增益的增大而加大，副調節器（定位器）的比例增益是大于1的。因此，串級控制系統的結構使二次干擾D₂對主參數y₁這一通道的動態增益明顯減小。當二次干擾（直接對于閥位的干擾）出現時，很快就被副調節器（定位器）所克服。與單回路控制系統相比，被調量受二次干擾的影響可以減小1O~100倍，這主要視主環與副環中容積分布情況而定。

   其次，由于內環起了改善對象動態特性的作用，因此可以加大主調節器的增益，提高系統的工作頻率。分析比較圖1，2，可以發現串級系統中的內環似乎代替了單回路中的一部分對象，即可以把整個副回路看成是一個等效對象G′_p2（s），記作

       （3）

    假設副回路中各環節傳遞函數為

    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--等效對象的增益和時間常數。

   比較G_p2（s）和G′_p2（s），1+K_c2K_vK_p2K_m2>1這個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態特性的作用，等效對象的時間常數縮小了1+K_c2K_vK_p2K_m2倍，而且隨著副調節器比例增益的增大而減小。就定位器而言，薄膜執行機構或氣缸執行機構是單容對象，如果閥桿潤滑很理想，副調節器（定位器）的比例增益可以取得很大，這樣，等效時間常數可以減到很小的數值，從而加快了副環的響應速度，提高了系統的工作頻率。這就是閥門定位器通常能夠改善調節系統品質的原因。

    3 滯后和摩擦對定位器的影響

   實際情況并不總是理想的，例如調節閥的執行機構有時有較大的容量滯后，閥桿與填料之間往往有較大的摩擦力。這時，定位器與執行機構組成的閥位副回路可看作一個積分環節加純遲延的對象和一個比例調節器，其開環頻率特性為

        （9）

   若副回路整定到4:1振幅衰減，且考慮到內環接受主調節器的輸出信號，可以得到副回路相對T_d1/T_d2的開環頻率特性為

       （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）可以很容易導出副回路的閉環頻率特性W_c2（jw）為

       （11）

   根據式（1O）和式（11），將副回路在開環和閉環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和閉環下的幅頻相頻特性。可以看到，閉環副回路的相角滯后總是小于開環時的相角滯后，因此組成串級系統后就自然地提高了工作頻率，使控制品質得到改善。

   由圖3可見，閉環副回路的增益可能大于或小于開環時的增益，這取決于輸入信號的周期。當Td1/Td2較大時，閉環副回路增益將小于開環時的增益。此時若組成串級系統，可以加大主調節器的增益，應當指出，在T_d1/T_d2>5以后，閉環副回路增益接近1.O，相角接近O°，即當1足夠大時，可以把副回路等效成為一個增益為1的放大環節，形成1:1的隨動系統。也就是說，對于慢速的系統，定位器的使用會取得令人滿意的效果。然而在T_d1減小時，閉環副回路的增益增加而開環時的增益卻要下降，此時若閉合副回路，主調節器的增益就不得不減少，在這種情況下組成串級控制系統將會降低系統的性能。因此，為了保持串級控制系統的控制性能，要避免閉環副回路的高增益區，即主、副回路自然振動周期比T_d1/T_d2=1~3的區域。換言之，應該使主回路周期T_d1小于T_d2或大于3倍的T_d2。考慮到副環總是一個快速、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描述，即

   T_d1>3T_d2     （12）

   這個結論是從發揮串級系統特點的角度得到的。此外，還應根據主、副回路之間的動態關系來分析。由于主、副回路是兩個相互獨立又密切相關的回路，在一定條件下，如果受到某種干擾的作用，主參數的變化進入副環時會引起副環中副參數波動振幅的增加，而副參數的變化傳送到主環后，又迫使主參數的變化幅度增加，如此循環往復，就會使主、副參數長時間地大幅度地波動，這就是所謂串級系統的共振現象。因此，為避免主、副回路之間的共振現象，也要求主、副回路的周期成一定的比例。串級系統的共振條件可以通過其幅頻特性來分析，先假定其主、副回路都是二階系統，結論與上述分析是一致的。為了確保串級系統不受共振現象的影響，一般地，取T_d1=（3~10）T_d2。

   上述結論雖然是在假定主、副回路均是二階系統的前提下得到的，但也不失其一般性。原因是系統經過整定后，總有一對起主導作用的極點，整個回路的工作頻率由它們來決定，即可以把這個系統看作一個近似二階振蕩系統^[1]。

   應用閥門定位器對提高系統的調節品質是有利的，但必須避免共振。解決的辦法是設法改善和提高閥門的性能，減小閥桿的摩擦，或改用增速繼動器取代定位器。對于快速響應的系統，或者改用增速繼動器，或者采用響應速度更快的執行機構，從而拉開主副環的時間常數，避開共振區。   
（圖中所示為：電氣閥門定位器）

    4 實驗結果

   國外曾對過去的經驗原則進行了研究，其結果與上述理論分析一致。這項研究工作包括對各種類型的過程控制回路采用模擬計算機進行模擬，對計算機模擬所得的結論進行實驗驗證，對填料摩擦力引起閥桿行程的非線性變化進行分析。研究過程中，選用不同類型的閥門定位器作為研究對象。  

   實驗研究表明，對于快速響應的調節系統，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，響應越快，則系統的調節品質就越差。如果減小定位器與執行機構之間的增益，而有意降低定位器的性能，反而有利于系統的穩定。此時，調節器給定愈嚴密，則系統的調節品質也就愈好。如果在系統里不采用定位器，而接入一個功率放大器，也稱增速繼動器，即閥位副回路開環，則調節品質還會更好。增速繼動器在回路中是一個開環放大器，亦可以看成是定位精度極差的一種定位器，它和閥桿沒有機械上的連接，因此執行機構的行程速度不受它的影響，但它把調節器和大容量的執行器加以隔離，降低了純滯后和慣性滯后，提高了廣義對象的響應速度，所以使系統的性能明顯得到改善。
（圖中所示為：MC過濾減壓閥）

    計算機仿真研究還表明，對于響應速度相對較慢的系統，定位器是明顯有益的，而對于響應速度相對較快的系統，定位器是明顯有害的。是否采用閥門定位器，除個別實例外，完全不可根據那些經驗原則，如果閥的摩擦力和粘滯力相當高，不按經驗原則而按系統是快速還是慢速響應的原則來考慮定位器的應用，顯得更為重要。計算機模擬研究所得到的這些結論，又通過實驗驗證進一步得到了證實，且與理論分析一致，從而進.步確定了閥門定位器應用的新的指導原則。

    5 結論

   （1）對于大多數調節系統，只要正確選擇和計算彈簧膜片式執行機構就能達到滿意的調節效果，并非一定采用閥門定位器或增速繼動器。
   （2）對于一個調節系統，定位器或增速繼動器可以在需要進行分程調節時、需要放大調節器輸出信號超過標準信號以增加執行機構的推力或剛度時和氣動調節器輸出信號管線較長而需要盡快克服干擾或負荷變化時可以考慮選用。
   （3）究竟選用定位器還是增速繼動器，應根據系統的響應速度來決定。假如系統是快速的，如液體壓力調節系統、某些氣體壓力調節系統和大多數流量調節系統，都是典型的快速響應系統，正確的選擇應為增速繼動器。假如系統是慢速的，如液位調節系統、溫度調節系統、混合過程的調節系統和某些反應器的調節系統都是典型的慢速響應系統，正確的選擇應為定位器。
   （4）當要求很大的輸出力時，往往采用無彈簧的活塞（雙作用氣缸活塞）執行機構，由于它本身沒有復位機構，需要安裝定位器。對于慢速系統，在這種情況下使用定位器是有好處的，一般不會有什么問題。對于快速系統，本不應采用定位器，但由于要獲得較大的輸出力又需要選用無彈簧執行機構時，那就只有將調節器的設定值控制得松一些，也就是說特意將主回路的時間常數加大，稍許降低對調節品質的要求，以避免共振。如果一定要求較高的調節品質，那就必須采用響應速度更快、穩定性更好的電一液執行機構。