调节阀定位器应用原则的探讨

 1 引言

  调节阀常用于燃气控制系统，而定位器是调节阀*常用的附件。许多控制系统的调节品质不佳，不少是由于定位器选用不当引起的。20世纪20年代， 气动阀门定位 器就开始使用。长期以来，许多人根据一些传统的经验原则来选用调节阀的定位器或继动器，认为使用阀门定位器是确保阀芯位置与调节器输出信号成比例变化的*佳方式。于是，阀门定位器得到广泛应用。尽管各种阀门定位器形状各异，形式不同，工作原理也有差异，但功能都很相似。薄膜执行机构的定位器通常安装在侧面，而活塞执行机构的定位器则通常安装在顶部。它们都有与阀杆或活塞的机械连接（即反馈杆），以便将阀杆的位置与调节器的输出信号进行比较。
（图中所示为：气动阀门定位器）

    2定位器作用的分析

  阀门定位器与调节阀可以看作是一个阀杆位置的随动调节系统，在整个控制系统中相当于一个串级调节系统的副回路（阀位副回路）。串级控制系统的方框图见图1，单回路控制系统的方框图见图2。在控制理论上，串级系统主要是用来克服进入副回路的二次干扰。 
 

   按图1所示串级系统，可以写出二次干扰D₂至主参数y₁的传递函数

       （1）

   与一个简单回路（无定位器）控制系统相比较，若令由图2可得单回路控制下D₂至y₁的传递函数为

       （2）

   首先，假定G_c（s）=G_c1（s），且注意到单回路系统中的G_m（s）就是串级系统中的G_m1（s），可以看到，串级中Y₁（s）/D₂（s）的分母中多了一项，即G_c2（s）G_v（s）G_p2（s）G_m2（s）。在主环工作频率下，这项乘积的数值一般比较大，而且随着副调节器比例增益的增大而加大，副调节器（定位器）的比例增益是大于1的。因此，串级控制系统的结构使二次干扰D₂对主参数y₁这一通道的动态增益明显减小。当二次干扰（直接对于阀位的干扰）出现时，很快就被副调节器（定位器）所克服。与单回路控制系统相比，被调量受二次干扰的影响可以减小1O~100倍，这主要视主环与副环中容积分布情况而定。

   其次，由于内环起了改善对象动态特性的作用，因此可以加大主调节器的增益，提高系统的工作频率。分析比较图1，2，可以发现串级系统中的内环似乎代替了单回路中的一部分对象，即可以把整个副回路看成是一个等效对象G′_p2（s），记作

       （3）

    假设副回路中各环节传递函数为

    将上述各式代入式（3），可得

       （4）
   

    则式（4）改写为

       （7）

    式中：K′_p2，T′_p2--等效对象的增益和时间常数。

   比较G_p2（s）和G′_p2（s），1+K_c2K_vK_p2K_m2>1这个不等式在任何情况下都是成立的，因此有

    T′_p2p2    （8）

   由于副回路起到改善动态特性的作用，等效对象的时间常数缩小了1+K_c2K_vK_p2K_m2倍，而且随着副调节器比例增益的增大而减小。就定位器而言，薄膜执行机构或气缸执行机构是单容对象，如果阀杆润滑很理想，副调节器（定位器）的比例增益可以取得很大，这样，等效时间常数可以减到很小的数值，从而加快了副环的响应速度，提高了系统的工作频率。这就是阀门定位器通常能够改善调节系统品质的原因。

    3 滞后和摩擦对定位器的影响

   实际情况并不总是理想的，例如调节阀的执行机构有时有较大的容量滞后，阀杆与填料之间往往有较大的摩擦力。这时， 定位器 与执行机构组成的阀位副回路可看作一个积分环节加纯迟延的对象和一个比例调节器，其开环频率特性为

        （9）

   若副回路整定到4:1振幅衰减，且考虑到内环接受主调节器的输出信号，可以得到副回路相对T_d1/T_d2的开环频率特性为

       （1O）

   式中：T_d1，T_d2分别为主回路和副回路的阻尼自然振荡周期。

    由式（1O）可以很容易导出副回路的闭环频率特性W_c2（jw）为

       （11）

   根据式（1O）和式（11），将副回路在开环和闭环下的频率特性绘于图3，图中|W₂|，φ₂和|W₂|，φ_c2是副回路分别在开环和闭环下的幅频相频特性。可以看到，闭环副回路的相角滞后总是小于开环时的相角滞后，因此组成串级系统后就自然地提高了工作频率，使控制品质得到改善。

   由图3可见，闭环副回路的增益可能大于或小于开环时的增益，这取决于输入信号的周期。当Td1/Td2较大时，闭环副回路增益将小于开环时的增益。此时若组成串级系统，可以加大主调节器的增益，应当指出，在T_d1/T_d2>5以后，闭环副回路增益接近1.O，相角接近O°，即当1足够大时，可以把副回路等效成为一个增益为1的放大环节，形成1:1的随动系统。也就是说，对于慢速的系统，定位器的使用会取得令人满意的效果。然而在T_d1减小时，闭环副回路的增益增加而开环时的增益却要下降，此时若闭合副回路，主调节器的增益就不得不减少，在这种情况下组成串级控制系统将会降低系统的性能。因此，为了保持串级控制系统的控制性能，要避免闭环副回路的高增益区，即主、副回路自然振动周期比T_d1/T_d2=1~3的区域。换言之，应该使主回路周期T_d1小于T_d2或大于3倍的T_d2。考虑到副环总是一个快速、灵敏的回路，T_d1不可能小于T_d2，因此上述条件可以用下列不等式来描述，即

   T_d1>3T_d2     （12）

   这个结论是从发挥串级系统特点的角度得到的。此外，还应根据主、副回路之间的动态关系来分析。由于主、副回路是两个相互独立又密切相关的回路，在一定条件下，如果受到某种干扰的作用，主参数的变化进入副环时会引起副环中副参数波动振幅的增加，而副参数的变化传送到主环后，又迫使主参数的变化幅度增加，如此循环往复，就会使主、副参数长时间地大幅度地波动，这就是所谓串级系统的共振现象。因此，为避免主、副回路之间的共振现象，也要求主、副回路的周期成一定的比例。串级系统的共振条件可以通过其幅频特性来分析，先假定其主、副回路都是二阶系统，结论与上述分析是一致的。为了确保串级系统不受共振现象的影响，一般地，取T_d1=（3~10）T_d2。

   上述结论虽然是在假定主、副回路均是二阶系统的前提下得到的，但也不失其一般性。原因是系统经过整定后，总有一对起主导作用的极点，整个回路的工作频率由它们来决定，即可以把这个系统看作一个近似二阶振荡系统^[1]。

   应用阀门定位器对提高系统的调节品质是有利的，但必须避免共振。解决的办法是设法改善和提高阀门的性能，减小阀杆的摩擦，或改用增速继动器取代定位器。对于快速响应的系统，或者改用增速继动器，或者采用响应速度更快的执行机构，从而拉开主副环的时间常数，避开共振区。   
（图中所示为：电气阀门定位器）

    4 实验结果

   国外曾对过去的经验原则进行了研究，其结果与上述理论分析一致。这项研究工作包括对各种类型的过程控制回路采用模拟计算机进行模拟，对计算机模拟所得的结论进行实验验证，对填料摩擦力引起阀杆行程的非线性变化进行分析。研究过程中，选用不同类型的阀门定位器作为研究对象。  

   实验研究表明，对于快速响应的调节系统，如果为了抵消比较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，响应越快，则系统的调节品质就越差。如果减小定位器与执行机构之间的增益，而有意降低定位器的性能，反而有利于系统的稳定。此时，调节器给定愈严密，则系统的调节品质也就愈好。如果在系统里不采用定位器，而接入一个功率放大器，也称增速继动器，即阀位副回路开环，则调节品质还会更好。增速继动器在回路中是一个开环放大器，亦可以看成是定位精度极差的一种定位器，它和阀杆没有机械上的连接，因此执行机构的行程速度不受它的影响，但它把调节器和大容量的执行器加以隔离，降低了纯滞后和惯性滞后，提高了广义对象的响应速度，所以使系统的性能明显得到改善。
（图中所示为：MC过滤减压阀）

    计算机仿真研究还表明，对于响应速度相对较慢的系统，定位器是明显有益的，而对于响应速度相对较快的系统，定位器是明显有害的。是否采用阀门定位器，除个别实例外，完全不可根据那些经验原则，如果阀的摩擦力和粘滞力相当高，不按经验原则而按系统是快速还是慢速响应的原则来考虑 定位器 的应用，显得更为重要。计算机模拟研究所得到的这些结论，又通过实验验证进一步得到了证实，且与理论分析一致，从而进.步确定了阀门定位器应用的新的指导原则。

    5 结论

   （1）对于大多数调节系统，只要正确选择和计算弹簧膜片式执行机构就能达到满意的调节效果，并非一定采用阀门定位器或增速继动器。
   （2）对于一个调节系统，定位器或增速继动器可以在需要进行分程调节时、需要放大调节器输出信号超过标准信号以增加执行机构的推力或刚度时和气动调节器输出信号管线较长而需要尽快克服干扰或负荷变化时可以考虑选用。
   （3）究竟选用定位器还是增速继动器，应根据系统的响应速度来决定。假如系统是快速的，如液体压力调节系统、某些气体压力调节系统和大多数流量调节系统，都是典型的快速响应系统，正确的选择应为增速继动器。假如系统是慢速的，如液位调节系统、温度调节系统、混合过程的调节系统和某些反应器的调节系统都是典型的慢速响应系统，正确的选择应为定位器。
   （4）当要求很大的输出力时，往往采用无弹簧的活塞（双作用气缸活塞）执行机构，由于它本身没有复位机构，需要安装定位器。对于慢速系统，在这种情况下使用定位器是有好处的，一般不会有什么问题。对于快速系统，本不应采用定位器，但由于要获得较大的输出力又需要选用无弹簧执行机构时，那就只有将调节器的设定值控制得松一些，也就是说特意将主回路的时间常数加大，稍许降低对调节品质的要求，以避免共振。如果一定要求较高的调节品质，那就必须采用响应速度更快、稳定性更好的电一液执行机构。