閥門定位器的原理

閥門定位器的原理、功能及智能化分析控制閥安裝閥門定位器后可以通過選擇不同形狀的凸輪，改變閥的流量特性，改變控制閥氣開或氣關(guān)形式。本文分析了調(diào)節(jié)閥定位器的功能，表明通過選擇不同形狀的凸輪，可改變閥的流量特性，但使控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。智能電氣閥門定位器將是今后用于控制閥，提高控制系統(tǒng)性能的主要設(shè)備。一、控制系統(tǒng)的運行準則反饋控制系統(tǒng)是最常用的形式。為使控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，需要滿足下列準則。（1）負反饋準則：控制系統(tǒng)成為負反饋的條件是該控制系統(tǒng)各開環(huán)增益之積為正。（2）穩(wěn)定運行準則：在擾動或設(shè)定變化時，控制系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定運行條件是控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)增益之積恒定；控制系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定運行條件是控制系統(tǒng)總開環(huán)傳遞函數(shù)的模恒定。二、閥門定位器的工作原理根據(jù)所使用的輸入信號，閥門定位器分為氣動閥門定位器和電氣閥門定位器兩類，電氣閥門定位器又分為普通和智能兩類。電氣閥門定位器除了有氣動閥門定位器的功能外，還有電氣轉(zhuǎn)換功能，智能電氣閥門定位器采用微處理器實現(xiàn)數(shù)字控制，具有更強補償功能。圖1是氣動閥門定位器的原理示意圖。沒有使用氣動閥門定位器時，輸入信號P1直接進入膜頭5,在推力作用下閥桿向下，使閥芯移動，改變流通截面，從而使流量變化。由于閥桿受到摩擦力，因此，在一定輸入信號作用下，閥桿可能沒有移動不能使閥桿移動的最小輸入信號稱為死區(qū)。為此，采用閥門定位器。使用閥門定位器后，輸入信號先進入波紋管1,使杠桿2靠近噴嘴3，噴嘴的背壓增大，經(jīng)放大器4后輸出的信號送膜頭5，閥桿移動的反饋信號經(jīng)連桿傳遞，轉(zhuǎn)換為凸輪6的轉(zhuǎn)動，并使杠桿2離開噴嘴3，達到新的平衡點，如果閥桿與輸入信號不對應，則在負反饋作用下，會改變進入膜頭的氣壓，直到新平衡點建立。圖2是閥門定位器的原理框圖。可以看到，這是一個負反饋控制系統(tǒng)，除反饋信號直接來自閥桿外與氣動壓力變送器的部分結(jié)構(gòu)十分相似。電氣閥門定位器的工作原理與氣動閥門定位器也很相似，但輸入信號是電信號，其工作原理與電動壓力變送器也十分相似。三、閥門定位器的功能加入閥門定位器后，組成以閥桿位移為副被控變量的副環(huán)控制回路，它與原有單回路控制系統(tǒng)組成串級控制系統(tǒng)，原有的被控變量成為串級控制系統(tǒng)的主被控變量。因此，根據(jù)串級控制系統(tǒng)的功能分析，添加閥門定位器可改善控制系統(tǒng)功能。閥門定位器的主要功能如下。（1）對于進入副回路的干擾，例如，摩擦力、不平衡力和回差的變化等，該系統(tǒng)具有較強的克服能力。這是使用閥門定位器的重要原因。因此，閥門定位器常被用于干摩擦較大的場合來減小回差影響；用于補償高壓差工況下不平衡力的效應，減小不平衡力對閥桿的影響；可以用于介質(zhì)有較大阻力，例如，懸浮液控制等場合，用以減小介質(zhì)造成的回差等影響。（2）由于采用凸輪作為反饋環(huán)節(jié)，因此，改變凸輪的形狀能改變副環(huán)外特性的增益，補償被控對象的非線性特性；此外，改變凸輪形狀還可使對應于閥桿全行程的輸入信號范圍改變，從而被用于分程控制。（3）組成閥桿行程副環(huán)，可使副回路等效時間常數(shù)大大減小，同時，因波紋管的氣容較控制閥膜頭的氣容小得多，也使系統(tǒng)時間常數(shù)減小，從而改善控制閥動態(tài)特性。需要說明，安裝閥門定位器后，可以通過選擇不同形狀的凸輪，改變閥的流量特性，改變控制閥氣開或氣關(guān)形式。從上述分析可知，控制閥的氣開和氣關(guān)是確定其增益為正或為負，而串級副環(huán)的外特性可近似為1:1線性環(huán)節(jié)（采用線性反饋），因此，通過選擇閥門定位器的凸輪形狀，及改變噴嘴位置或電流端子反接，可改變副環(huán)外特性的增益符號。選擇不同形狀凸輪可改變控制閥的流量特性（通常改為等百分比特性），但因副環(huán)總開環(huán)增益變化，根據(jù)穩(wěn)定運行準則，這會使系統(tǒng)不穩(wěn)定。四、閥門定位器的振蕩安裝閥門定位器后，控制系統(tǒng)易發(fā)生振蕩，其原因如下。（1）由于組成串級控制系統(tǒng)，因此，添加閥門定位器后可能出現(xiàn)串級控制系統(tǒng)的共振現(xiàn)象。從副環(huán)頻率特性看，當副控制回路按隨動控制系統(tǒng)整定成衰減振蕩狀態(tài)時，等效副回路可近似為一個二階振蕩環(huán)節(jié)，圖3顯示了等效副環(huán)的頻率特性。工作在低頻段時，可近似為1:1比例環(huán)節(jié)，但工作頻率提高時，可使系統(tǒng)諧振，這時，相位移為180°，即成為正反饋。添加閥門定位器后，由于原被控對象時間常數(shù)較小，組成串級控制系統(tǒng)后，廣義對象時間常數(shù)匹配不當會造成系統(tǒng)輸出振蕩。例如，有些流量和快速壓力控制系統(tǒng)中添加閥門定位器后出現(xiàn)系統(tǒng)輸出的振蕩現(xiàn)象。（2）采用凸輪改變控制閥流量特性時，在串級系統(tǒng)的副環(huán)引入了非線性環(huán)節(jié)，如果凸輪形狀不合適，或氣動放大器不穩(wěn)定（增益較大），都會使副環(huán)的開環(huán)總增益變化，從而使控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。通常出現(xiàn)小流量時反而振蕩的現(xiàn)象，這也是造成振蕩的重要原因。經(jīng)驗表明，更換定位器凸輪或放大器后，控制系統(tǒng)可不再振蕩，這是因改變了副環(huán)總增益所造成。五、智能電氣閥門定位器智能電氣閥門定位器針對L述問題，提出如下改進。圖4是其原理框圖（1）消除副環(huán)非線性特性：非線性補償環(huán)節(jié)設(shè)置在前向通道，不設(shè)置在反饋通道，反饋通道采用線性環(huán)節(jié)，不采用非線性的凸輪，從而保證副環(huán)主要用于克服閥桿的死區(qū)、摩擦等擾動影響，充分發(fā)揮串級副環(huán)回路能有效克服進入副環(huán)擾動的優(yōu)點。（2）非線性補償范圍擴大：非線性補償環(huán)節(jié)設(shè)置在前向通道后，可有效地補償被控過程的非線性，補償范圍可根據(jù)被控過程由人工設(shè)定。例如，pH等非線性過程也可采用智能閥門定位器進行補償，而這是一般閥門定位器無法實現(xiàn)的；對于壓降比小于1造成的流量特性畸變，也可采用人工設(shè)定的非線性環(huán)節(jié)補償。（3）消除串級共振：在副環(huán)中，可調(diào)整前向通道放大