不少資料介紹，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。本文分析了閥門定位器的功能，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。

    1 控制系統(tǒng)的運行準(zhǔn)則

    反饋控制系統(tǒng)是*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(zhǔn)則。

    （1）負(fù)反饋準(zhǔn)則：控制系統(tǒng)成為負(fù)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(zhǔn)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。

    2 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(jìn)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*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(dá)到新的平衡點，如果閥桿與輸入信號不對應(yīng)，則在負(fù)反饋作用下，會改變進(jìn)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�？梢钥吹�，這是一個負(fù)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。

    3 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(jìn)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(yīng)，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(yīng)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(fù)，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(zhǔn)則，這會使系統(tǒng)不穩(wěn)定。

    4 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(dāng)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(dāng)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。

    5 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(jìn)。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(jìn)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(jìn)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)整前向通道放大器，或在主環(huán)中，可改變非線性補償環(huán)節(jié)的增益，使主副被控對象的時間常數(shù)錯開，消除串級控制系統(tǒng)的共振。

    由于智能電氣閥門定位器的強大功能，因此，為提高控制系統(tǒng)的控制性能，降低系統(tǒng)的偏離度，智能電氣閥門定位器的應(yīng)用將會越來越廣泛，并被用戶所認(rèn)識。

原創(chuàng)作者：浙江金鋒自動化儀表有限公司