一種基于軟伺服放大器的自動控制系統*

魏金輝 姜海罡 王松軍 李海峰

(河鋼集團承鋼公司)

一種基于軟伺服放大器的自動控制系統*

魏金輝 姜海罡 王松軍 李海峰

(河鋼集團承鋼公司)

介紹軟伺服放大器控制系統的組成及其控制方法。實際應用結果表明：軟伺服放大器控制系統的靈敏區、遲鈍區和死區可以任意設定，且死區可以設定很小，控制精度高達0.1%，解決了長期困擾自動控制系統的硬伺服放大器死區大、控制精度低的問題。

軟伺服放大器 自動控制系統 調節閥 遲鈍區

伺服放大器是控制電動調節閥的關鍵設備，其作用是將輸入指令信號(電壓)與系統反饋信號(電壓)進行比較、放大和運算，然后輸出一個與偏差電壓信號成比例的控制電流或正反轉信號給調節閥的電動執行機構，達到控制調節閥開度的目的，并起限幅保護作用。死區是伺服放大器的主要指標，若死區數值過小，則由于調節閥動作時的慣性，調節閥從靈敏區到死區后無法停止，致使調節閥發生振蕩。同時，死區也是造成伺服放大器偏差大的主要原因，伺服放大器偏差大會造成調節閥偏差增大、控制精度降低，尤其是大口徑調節閥，其輸入與閥位反饋信號偏差將達到4%～5%。國外伺服放大器雖然精度高，但是價格昂貴、檢維修成本高；國內伺服放大器成本低廉，但死區大、偏差大。因此，伺服放大器成為制約自動控制系統正常運行和控制精度的主要因素。在此，筆者介紹一種軟伺服放大器及其控制方法，以解決目前國產伺服放大器死區大、控制精度低、控制系統無法正常自動運行的問題。

1 軟伺服放大器控制系統組成

基于軟伺服放大器的自動控制系統(圖1)主要包括軟伺服放大器、正轉繼電器、反轉繼電器、電動調節閥(不帶伺服放大器)、調節器、CPU及變送器等[1]。其中，軟伺服放大器由運算器、計數器、變量采集控制器、靈敏區控制器、遲鈍區控制器和死區控制器組成，用于控制調節閥。變送器用于檢測被控對象的過程變量，其電信號經轉換后輸出至調節器。正、反轉繼電器分別控制調節閥的正、反向轉動。調節閥用于控制被控對象的被控參數。CPU處理后的控制輸出信號與調節器和變量采集控制器的相應輸入端連接。變量采集控制器分別與運算器、靈敏區控制器、遲鈍區控制器和死區控制器雙向連接。運算器輸出端分別連接靈敏區控制器、遲鈍區控制器和死區控制器的相應輸入端。計數器輸入端分別連接靈敏區控制器、遲鈍區控制器和死區控制器的相應輸出端，其輸出端返回變量采集器。

操作器的輸入端分別接正轉繼電器、反轉繼電器和調節閥的相應輸出端，其輸出端接調節閥的輸入端。電源模件為調節器、CPU控制器件、軟伺服放大器、輸入模件和輸出模件提供電源。CPU控制器件、輸入模件、輸出模件和電源模件分別安裝在總線底板模件的相應底座上，并通過插針傳遞信號。輸入模件的輸入端分別接變送器和操作器的相應輸出端，其輸出端經總線底板模件連接至調節器的相應輸入端。輸出模件的輸入端經總線底板模件連接至軟伺服放大器的輸出端，其輸出端分別接正轉繼電器和反轉繼電器的相應輸入端。接口模件為工業交換機、以太網模板和現場總線中的一種。

圖1 基于軟伺服放大器的自動控制系統框圖

2 軟伺服放大器控制方法

軟伺服放大器控制方法流程如圖2所示[2]。

3 實例分析

軟伺服放大器控制系統接線圖如圖3所示。

圖2 軟伺服放大器控制方法流程

操作器型號WZD-1200DC；調節器型號HSPID；變送器為環形孔板配差壓變送器，孔板型號LGH，差壓變送器型號EJA110A；調節閥為ZKJW-0.6S型電動調節蝶閥，DN1000mm；輸入模件型號FM148A；輸出模件型號FM171；電源模件型號FM910；CPU控制器件型號FM801；接口模件型號DFE530TXK和DES-1008；總線底板模件型號FM300；操作員站為研華IPC-610H型工控機。以上器件均為市場上成型的儀表設備、PLC或DCS系統成熟產品。

圖3 軟伺服放大器控制系統接線

本實例中被控對象為煤氣管道，焊接鋼管規格φ1020mm×10mm，流量范圍0～84 000Nm3/h。現場調試時，流量設定值為60 000Nm3/h，對應的閥位設定值百分比SP=62%。流量波動為±60Nm3/h(即流量實際值控制在59 940～60 060Nm3/h)，對應的閥位波動為±0.1%(即實際閥位值控制在61.9%～62.1%)。DI=0.1%，現場調試時MC=10，MP=20，則MC×DI=10×0.1=1.0。

閥位設定值SP來自調節器的輸出，量程0～100%。DV來自輸出模件，量程0～1。RV量程0～1。操作員站的人工輸入值有：DI初值=0.1%，量程0～100%；MC初值=2，量程0～100；MP初值=4，表示輸出1拍，停4拍。

調節閥的動作區域分為3部分：

a. 靈敏區，即調節閥的動作區。缺省指兩倍的死區外，由MC值確定。

b. 遲鈍區，即調節閥的時動時停區。缺省指在一倍死區到兩倍死區之間，輸出1拍，停4拍，停的拍數由MP值確定。

c. 死區，即調節閥的停止區。死區內不輸出，由DI值確定。

利用運算器的比較運算結果，通過伺服放大器的靈敏區控制器、遲鈍區控制器和死區控制器分別控制調節DV、RV和X，過程如下：

a. 在靈敏區內，一直有輸出，由靈敏區控制器控制。當WD≥MC×DI時，反轉RV有輸出，X=0；當WD≤-MC×DI時，正轉DV有輸出，X=0。

b. 在遲鈍區內，輸出1拍，停MP拍，由遲鈍區控制器控制。當DI≤WD

c. 在死區內，由死區控制器控制。當-DI

當WD≥MC×DI，即WD=PV-SP=PV-62≥1.0，流量偏差不小于600Nm3/h時，反轉RV=1，即關調節閥，流量減小，當流量偏差減小到60～600Nm3/h時，即0.1

當WD≤-MC×DI，即WD=PV-SP=PV-62≤-1.0，流量偏差不大于-600Nm3/h時，正轉DV=1，即開調節閥，流量增大，當流量偏差減小到-600～-60Nm3/h時，即-1.0

4 結束語

在硬伺服放大器控制系統的基礎上增加一個遲鈍區，可以使調節閥的閥位設定與閥位反饋信號在大偏差下，即靈敏區內，一直有輸出，并快速動作，消除偏差。進入遲鈍區后，調節閥動作是輸出1拍、停MP拍，這樣可以平穩進入死區，克服了調節閥動作的慣性。進入死區后，調節閥停止動作，此時調節閥閥位反饋值非常接近設定值。靈敏區、遲鈍區和死區的區域可以任意設定，且死區可以設定很小，如此調節閥便能準確地停在死區內，控制精度高達0.1%。本方法已在多種控制設備上使用，效果良好，解決了長期困擾自動控制系統的硬伺服放大器死區大、控制精度低的技術難題，創造了可觀的經濟效益。

[1] 魏金輝,楊中方,姜海罡,等.一種伺服放大器控制系統[P].中國:ZL201621265145.5,2017-06-09.

[2] 魏金輝,楊中方,姜海罡,等.一種伺服放大器控制系統及控制方法[P].中國:ZL201611043634.0,2017-03-22.

2017-07-19)

(Continued from Page 928)

the BP neural network. Simulation results of applying BP network model to predict 28-day cement strength show that, the effect of grey BP forecasting model is more accurate than that of BP.

Keywordsgrey BP neural network, cement strength, grey model GM (1,N), BP neural network, prediction model

AnAutomaticControlSystemBasedonSoftServoAmplifier

WEI Jin-hui, JIANG Hai-gang, WANG Song-jun, LI Hai-feng

(HBISGroupChengsteelCompany)

Both structure and control method of a soft servo amplifier was introduced. The application results show that, the control system’s sensitive region (work area) , slow region and dead zone (stop area) of this soft servo amplifier can be set at will and the dead zone can be set smaller with a 0.1% control precision and the hard servo amplifier’s large dead zone and poor control accuracy which bothering the auto-control system for long time can be eradicated in practical application.

soft servo amplifier, auto-control system, control valve, slow region

魏金輝(1968-)，教授級高級工程師，從事儀表檢測、DCS系統與高級控制算法的應用與研究，mynamewjh@163.com。

TH862;TP214

B

1000-3932(2017)10-0929-04