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調(diào)節(jié)閥定位器應(yīng)用原則的探討

日期:2024-12-23 01:34
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摘要:

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,氣動閥門定位器就開始使用。長期以來,許多人根據(jù)一些傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)原則來選用調(diào)節(jié)閥的定位器或繼動器,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)器的輸出信號進(jìn)行比較。

    2定位器作用的分析

  閥門定位器與調(diào)節(jié)閥可以看作是一個閥桿位置的隨動調(diào)節(jié)系統(tǒng),在整個控制系統(tǒng)中相當(dāng)于一個串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的副回路(閥位副回路)。串級控制系統(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,串級系統(tǒng)主要是用來克服進(jìn)入副回路的二次干擾。 
 

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

       (1)

   與一個簡單回路(無定位器)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Gc(s)=Gc1(s),且注意到單回路系統(tǒng)中的Gm(s)就是串級系統(tǒng)中的Gm1(s),可以看到,串級中Y1(s)/D2(s)的分母中多了一項(xiàng),即Gc2(s)Gv(s)Gp2(s)Gm2(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,串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)使二次干擾D2對主參數(shù)y1這一通道的動態(tài)增益明顯減小。當(dāng)二次干擾(直接對于閥位的干擾)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)起了改善對象動態(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)串級系統(tǒng)中的內(nèi)環(huán)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(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--等效對象的增益和時(shí)間常數(shù)。

   比較Gp2(s)和G′p2(s),1+Kc2KvKp2Km2>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(tài)特性的作用,等效對象的時(shí)間常數(shù)縮小了1+Kc2KvKp2Km2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)是單容對象,如果閥桿潤滑很理想,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積分環(huán)節(jié)加純遲延的對象和一個比例調(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,可以得到副回路相對Td1/Td2的開環(huán)頻率特性為

       (1O)

   式中:Td1,Td2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Wc2(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|,φc2是副回路分別在開環(huán)和閉環(huán)下的幅頻相頻特性??梢钥吹?,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)若組成串級系統(tǒng),可以加大主調(diào)節(jié)器的增益,應(yīng)當(dāng)指出,在Td1/Td2>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增益為1的放大環(huán)節(jié),形成1:1的隨動系統(tǒng)。也就是說,對于慢速的系統(tǒng),定位器的使用會取得令人滿意的效果。然而在Td1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控制系統(tǒng)將會降低系統(tǒng)的性能。因此,為了保持串級控制系統(tǒng)的控制性能,要避免閉環(huán)副回路的高增益區(qū),即主、副回路自然振動周期比Td1/Td2=1~3的區(qū)域。換言之,應(yīng)該使主回路周期Td1小于Td2或大于3倍的Td2??紤]到副環(huán)總是一個快速、靈敏的回路,Td1不可能小于Td2,因此上述條件可以用下列不等式來描述,即

   Td1>3Td2     (12)

   這個結(jié)論是從發(fā)揮串級系統(tǒng)特點(diǎn)的角度得到的。此外,還應(yīng)根據(jù)主、副回路之間的動態(tài)關(guān)系來分析。由于主、副回路是兩個相互獨(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)會引起副環(huán)中副參數(shù)波動振幅的增加,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),就會使主、副參數(shù)長時(shí)間地大幅度地波動,這就是所謂串級系統(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。串級系統(tǒng)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(tǒng),結(jié)論與上述分析是一致的。為了確保串級系統(tǒng)不受共振現(xiàn)象的影響,一般地,取Td1=(3~10)Td2。

   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)過整定后,總有一對起主導(dǎo)作用的極點(diǎn),整個回路的工作頻率由它們來決定,即可以把這個系統(tǒng)看作一個近似二階振蕩系統(tǒng)[1]

   應(yīng)用閥門定位器對提高系統(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,或改用增速繼動器取代定位器。對于快速響應(yīng)的系統(tǒng),或者改用增速繼動器,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)。   

    4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

   國外曾對過去的經(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)研究工作包括對各種類型的過程控制回路采用模擬計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬,對計(jì)算機(jī)模擬所得的結(jié)論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,對填料摩擦力引起閥桿行程的非線性變化進(jìn)行分析。研究過程中,選用不同類型的閥門定位器作為研究對象。  

   實(shí)驗(yàn)研究表明,對于快速響應(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,而接入一個功率放大器,也稱增速繼動器,即閥位副回路開環(huán),則調(diào)節(jié)品質(zhì)還會更好。增速繼動器在回路中是一個開環(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,提高了廣義對象的響應(yīng)速度,所以使系統(tǒng)的性能明顯得到改善。

    計(jì)算機(jī)仿真研究還表明,對于響應(yīng)速度相對較慢的系統(tǒng),定位器是明顯有益的,而對于響應(yīng)速度相對較快的系統(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器。
   (2)對于一個調(diào)節(jié)系統(tǒng),定位器或增速繼動器可以在需要進(jìn)行分程調(diào)節(jié)時(shí)、需要放大調(diào)節(jié)器輸出信號超過標(biāo)準(zhǔn)信號以增加執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推力或剛度時(shí)和氣動調(diào)節(jié)器輸出信號管線較長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器,應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)速度來決定。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,一般不會有什么問題。對于快速系統(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,也就是說特意將主回路的時(shí)間常數(shù)加大,稍許降低對調(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)。

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