調(diào)節(jié)閥智能定位器脈沖控制策略研究

揭其良 郭軼娜 孫哲

摘?要：本文介紹了調(diào)節(jié)閥定位器的類(lèi)別，分析了智能定位器重要的設(shè)計(jì)理念，圍繞調(diào)節(jié)閥智能定位器的總體設(shè)計(jì)方案，同時(shí)提出了具體的脈沖控制策略，旨在對(duì)從業(yè)人員提供工作上有效的參考。

關(guān)鍵詞：調(diào)節(jié)閥;定位器;脈沖控制;PID控制器

1 閥門(mén)定位器概述

閥門(mén)定位器本身就是調(diào)節(jié)閥門(mén)比較核心的控制附件，其反饋信號(hào)實(shí)際上也是閥桿產(chǎn)生的位移信號(hào)。它以熱工控制器實(shí)際的輸出信號(hào)為目標(biāo)值，比較二者的差值。若存在偏差，則調(diào)整閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)具體的輸出指令，使其開(kāi)大或是減小。在閥桿位移信號(hào)以及控制器輸出指令雙方，形成一種明晰的對(duì)應(yīng)關(guān)系。正因?yàn)檫@樣，閥桿位移可作為閥門(mén)定位器最為直接的測(cè)量信號(hào)，從而建立閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)中的操縱變量，實(shí)際上是將閥門(mén)定位器當(dāng)作是執(zhí)行機(jī)構(gòu)最終的輸出指令。顯然，閥門(mén)定位器可以提高調(diào)節(jié)閥本身的輸出功率，防止傳遞出現(xiàn)慣性滯后，促使閥桿順著正向或是反向上進(jìn)行移動(dòng)，提高閥門(mén)線性度，減小閥桿摩擦力。在不影響不平衡力的基礎(chǔ)上，使調(diào)節(jié)閥維持在合適的位置上。智能閥門(mén)定位器無(wú)需要人工進(jìn)行額外地調(diào)校，利用按鍵觸發(fā)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)校、智能檢測(cè)。通過(guò)測(cè)定出和目標(biāo)位置之間的不同，有效控制脈沖的大小。

2 閥門(mén)定位器的分類(lèi)

根據(jù)不同的輸入信號(hào)，我們可以對(duì)閥門(mén)定位器進(jìn)行劃分：氣動(dòng)閥門(mén)、電-氣閥門(mén)以及智能閥門(mén)定位器。對(duì)氣動(dòng)閥門(mén)定位器而言，其輸入信號(hào)均屬于標(biāo)準(zhǔn)氣信號(hào)，如20～100kPa。與此同時(shí)，它的輸出信號(hào)同樣也可作為標(biāo)準(zhǔn)氣信號(hào)。而電氣閥門(mén)定位器，它的輸入信號(hào)實(shí)際上是一種標(biāo)準(zhǔn)電流（也可以是電壓信號(hào)），如4～20mA或是1～5V電壓信號(hào)。電氣閥門(mén)定位器中，我們可以對(duì)電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其變成電磁力。第三類(lèi)定位器，實(shí)際上是對(duì)控制室中發(fā)出的電流信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其變成氣信號(hào)。工作實(shí)，閥桿摩擦力在很大程度上能夠成功地對(duì)不平衡力進(jìn)行抵消，確保閥門(mén)開(kāi)度可以與電流信號(hào)之間相互對(duì)稱。同時(shí)，能夠?qū)χ悄芙M態(tài)形成具體的參數(shù)，以優(yōu)化閥門(mén)定位器的整體性能。

根據(jù)不同的動(dòng)作方向，我們同樣也可分成單向、雙向閥門(mén)定位器兩大類(lèi)。前者，在活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作實(shí)僅能對(duì)單個(gè)方向發(fā)生作用。而雙向閥門(mén)定位器，則能夠?qū)飧纂p側(cè)同時(shí)起效，其作用十分明顯。

根據(jù)閥門(mén)定位器輸出/入信號(hào)各自產(chǎn)生的增益符號(hào)，我們可將其分成正、反作用閥門(mén)定位器兩種。前者的輸入信號(hào)擴(kuò)大時(shí)，其輸出信號(hào)相對(duì)也會(huì)有所擴(kuò)增。所以，增益為正。而如果后者的輸入信號(hào)擴(kuò)增，其輸出信號(hào)則有所下降，即增益為負(fù)。

根據(jù)輸入信號(hào)的不同類(lèi)別，我們可以將閥門(mén)定位器分成兩種，一是普通，二是現(xiàn)場(chǎng)總線電氣閥門(mén)定位器。前者，重點(diǎn)是對(duì)氣壓以及電壓信號(hào)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)模擬;后者，基本上是將現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)當(dāng)作是輸入信號(hào)。

根據(jù)閥門(mén)定位器有無(wú)攜帶CPU，我們可以將其劃分成普通、智能電氣閥門(mén)定位器這兩類(lèi)。前者并未裝置CPU，故無(wú)法智能，難以對(duì)智能運(yùn)算進(jìn)行處理。第二種定位器自身攜帶了CPU，能夠?qū)χ悄苓\(yùn)算進(jìn)行處理。如非線性補(bǔ)償。除上述外，現(xiàn)場(chǎng)總線電氣閥門(mén)定位器同時(shí)還支持PID等功能，能夠自如、精準(zhǔn)地運(yùn)算。

3 調(diào)節(jié)閥脈沖控制總體設(shè)計(jì)

目前的火力發(fā)電廠，也設(shè)置了多款不同的自動(dòng)控制儀表。如電動(dòng)單元組合、單回路調(diào)節(jié)器或者是組裝組件。其中，多數(shù)均選擇分散控制系統(tǒng)（DCS）。該類(lèi)儀表均為模擬或是數(shù)字型，其PID調(diào)節(jié)單元均為連續(xù)量調(diào)節(jié)器，輸出信號(hào)大多是4-20mA。在對(duì)一級(jí)伺服進(jìn)行擴(kuò)大后，利用執(zhí)行回路來(lái)對(duì)閥門(mén)實(shí)施定位控制。1980年代，我國(guó)就從前蘇聯(lián)采購(gòu)了10臺(tái)左右的火力發(fā)電機(jī)組。該機(jī)組的核心，都是自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。如1994年研發(fā)的2臺(tái)300MW機(jī)組（廠家為華能南京電廠），就成功搭載了蘇產(chǎn)AK3CP-M系列組合儀表。該儀表最核心的元件為線性運(yùn)算放大器，基本功能：PID脈沖調(diào)節(jié)、電流電壓轉(zhuǎn)換單元，動(dòng)態(tài)單元（積分、阻尼或是微分），同時(shí)包括運(yùn)算（負(fù)責(zé)加減乘除）、偏差報(bào)警以及非線性函數(shù)發(fā)生單元。脈沖調(diào)節(jié)單元，重點(diǎn)是對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行接收。開(kāi)關(guān)脈沖序列，實(shí)際上是本套儀表中非常重要的一大部件，運(yùn)用了脈沖寬度調(diào)制技術(shù)。結(jié)合輸入信號(hào)的變化，對(duì)脈沖寬度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，且頻率相對(duì)固定。不論瞬態(tài)特性還是魯棒性，都有明顯的短板之處。同時(shí)，輸出電壓紋波相對(duì)明顯。不論國(guó)產(chǎn)機(jī)組還是國(guó)產(chǎn)DCS，脈沖調(diào)節(jié)器均沒(méi)有太多的應(yīng)用。我國(guó)很多的研究機(jī)構(gòu)以及DCS廠家，并未對(duì)脈沖調(diào)節(jié)器作出過(guò)系統(tǒng)而全面地研究。

DCS應(yīng)用技術(shù)在穩(wěn)步創(chuàng)新，前蘇聯(lián)備品備件則逐漸地消逝。之前的蘇產(chǎn)脈沖調(diào)節(jié)閥伺服系統(tǒng)，很多都已經(jīng)更改為模擬量連續(xù)調(diào)節(jié)器。不過(guò)，少數(shù)電廠中的控制閥仍在沿用脈沖調(diào)節(jié)模式。但是，脈沖調(diào)節(jié)閥早就滿足不了DCS控制精度及其發(fā)電需求。

4 調(diào)節(jié)閥脈沖控制策略研制

對(duì)調(diào)節(jié)閥而言，脈沖調(diào)節(jié)控制方法遵從了下列原理：開(kāi)關(guān)周期開(kāi)啟時(shí)，調(diào)節(jié)器可以對(duì)調(diào)節(jié)閥所在的位置進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，結(jié)合現(xiàn)行的PID控制輸出指令和實(shí)際的反饋信號(hào)誤差，從中挑選某個(gè)脈沖當(dāng)作本周期相應(yīng)的控制信號(hào)。使用時(shí)，應(yīng)考慮系統(tǒng)內(nèi)部的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析其中的參數(shù)占空比，購(gòu)置合適的開(kāi)關(guān)脈沖。根據(jù)控制脈沖的不同變化，靈活地調(diào)節(jié)脈沖開(kāi)關(guān)。這里，列舉詳細(xì)的控制策略：（1）調(diào)節(jié)閥位置指令，主要特征：類(lèi)似于常規(guī)模擬量調(diào)節(jié)器背后的組態(tài)原理，由模擬量手操器以PID組建成單回路控制邏輯，得到偏差值控制回路。（2）手操器輸出指令值以及位置反饋信號(hào)之間產(chǎn)生偏差值，根據(jù)該偏差值可以對(duì)各級(jí)開(kāi)關(guān)脈沖進(jìn)行控制。（3）控制系統(tǒng)投入運(yùn)行。按照被調(diào)量記錄的實(shí)時(shí)值或是調(diào)節(jié)閥實(shí)際的特性曲線，對(duì)控制回路上的PID、脈沖頻率或是調(diào)節(jié)死區(qū)等基本參數(shù)進(jìn)行在線整定，使其符合最佳的控制效果。

5 結(jié)論

現(xiàn)實(shí)實(shí)際中，可以將智能定位器脈沖調(diào)節(jié)閥用于對(duì)脈沖開(kāi)關(guān)量的大小進(jìn)行控制。該控制方式，適應(yīng)了發(fā)電行業(yè)當(dāng)前的工藝需求。具體運(yùn)行結(jié)果顯示：多級(jí)脈沖控制法在調(diào)試中比較簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，能夠作出快速而精準(zhǔn)的響應(yīng)，且擁有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力。

作者簡(jiǎn)介：揭其良（1979-），男，江西上饒人，碩士研究生，高級(jí)工程師，從事發(fā)電廠熱工自動(dòng)化研究與應(yīng)用。