調節閥智能定位器脈沖控制策略研究

揭其良 郭軼娜 孫哲

摘?要：本文介紹了調節閥定位器的類別，分析了智能定位器重要的設計理念，圍繞調節閥智能定位器的總體設計方案，同時提出了具體的脈沖控制策略，旨在對從業人員提供工作上有效的參考。

關鍵詞：調節閥;定位器;脈沖控制;PID控制器

1 閥門定位器概述

閥門定位器本身就是調節閥門比較核心的控制附件，其反饋信號實際上也是閥桿產生的位移信號。它以熱工控制器實際的輸出信號為目標值，比較二者的差值。若存在偏差，則調整閥門執行機構具體的輸出指令，使其開大或是減小。在閥桿位移信號以及控制器輸出指令雙方，形成一種明晰的對應關系。正因為這樣，閥桿位移可作為閥門定位器最為直接的測量信號，從而建立閉環反饋控制系統。本系統中的操縱變量，實際上是將閥門定位器當作是執行機構最終的輸出指令。顯然，閥門定位器可以提高調節閥本身的輸出功率，防止傳遞出現慣性滯后，促使閥桿順著正向或是反向上進行移動，提高閥門線性度，減小閥桿摩擦力。在不影響不平衡力的基礎上，使調節閥維持在合適的位置上。智能閥門定位器無需要人工進行額外地調校，利用按鍵觸發可以實現自動調校、智能檢測。通過測定出和目標位置之間的不同，有效控制脈沖的大小。

2 閥門定位器的分類

根據不同的輸入信號，我們可以對閥門定位器進行劃分：氣動閥門、電-氣閥門以及智能閥門定位器。對氣動閥門定位器而言，其輸入信號均屬于標準氣信號，如20～100kPa。與此同時，它的輸出信號同樣也可作為標準氣信號。而電氣閥門定位器，它的輸入信號實際上是一種標準電流（也可以是電壓信號），如4～20mA或是1～5V電壓信號。電氣閥門定位器中，我們可以對電信號進行轉換，使其變成電磁力。第三類定位器，實際上是對控制室中發出的電流信號進行轉換，使其變成氣信號。工作實，閥桿摩擦力在很大程度上能夠成功地對不平衡力進行抵消，確保閥門開度可以與電流信號之間相互對稱。同時，能夠對智能組態形成具體的參數，以優化閥門定位器的整體性能。

根據不同的動作方向，我們同樣也可分成單向、雙向閥門定位器兩大類。前者，在活塞式執行機構工作實僅能對單個方向發生作用。而雙向閥門定位器，則能夠對氣缸雙側同時起效，其作用十分明顯。

根據閥門定位器輸出/入信號各自產生的增益符號，我們可將其分成正、反作用閥門定位器兩種。前者的輸入信號擴大時，其輸出信號相對也會有所擴增。所以，增益為正。而如果后者的輸入信號擴增，其輸出信號則有所下降，即增益為負。

根據輸入信號的不同類別，我們可以將閥門定位器分成兩種，一是普通，二是現場總線電氣閥門定位器。前者，重點是對氣壓以及電壓信號進行現場模擬;后者，基本上是將現場總線傳輸的數字信號當作是輸入信號。

根據閥門定位器有無攜帶CPU，我們可以將其劃分成普通、智能電氣閥門定位器這兩類。前者并未裝置CPU，故無法智能，難以對智能運算進行處理。第二種定位器自身攜帶了CPU，能夠對智能運算進行處理。如非線性補償。除上述外，現場總線電氣閥門定位器同時還支持PID等功能，能夠自如、精準地運算。

3 調節閥脈沖控制總體設計

目前的火力發電廠，也設置了多款不同的自動控制儀表。如電動單元組合、單回路調節器或者是組裝組件。其中，多數均選擇分散控制系統（DCS）。該類儀表均為模擬或是數字型，其PID調節單元均為連續量調節器，輸出信號大多是4-20mA。在對一級伺服進行擴大后，利用執行回路來對閥門實施定位控制。1980年代，我國就從前蘇聯采購了10臺左右的火力發電機組。該機組的核心，都是自動調節系統。如1994年研發的2臺300MW機組（廠家為華能南京電廠），就成功搭載了蘇產AK3CP-M系列組合儀表。該儀表最核心的元件為線性運算放大器，基本功能：PID脈沖調節、電流電壓轉換單元，動態單元（積分、阻尼或是微分），同時包括運算（負責加減乘除）、偏差報警以及非線性函數發生單元。脈沖調節單元，重點是對偏差信號進行接收。開關脈沖序列，實際上是本套儀表中非常重要的一大部件，運用了脈沖寬度調制技術。結合輸入信號的變化，對脈沖寬度進行實時調節，且頻率相對固定。不論瞬態特性還是魯棒性，都有明顯的短板之處。同時，輸出電壓紋波相對明顯。不論國產機組還是國產DCS，脈沖調節器均沒有太多的應用。我國很多的研究機構以及DCS廠家，并未對脈沖調節器作出過系統而全面地研究。

DCS應用技術在穩步創新，前蘇聯備品備件則逐漸地消逝。之前的蘇產脈沖調節閥伺服系統，很多都已經更改為模擬量連續調節器。不過，少數電廠中的控制閥仍在沿用脈沖調節模式。但是，脈沖調節閥早就滿足不了DCS控制精度及其發電需求。

4 調節閥脈沖控制策略研制

對調節閥而言，脈沖調節控制方法遵從了下列原理：開關周期開啟時，調節器可以對調節閥所在的位置進行自動檢測，結合現行的PID控制輸出指令和實際的反饋信號誤差，從中挑選某個脈沖當作本周期相應的控制信號。使用時，應考慮系統內部的拓撲結構，分析其中的參數占空比，購置合適的開關脈沖。根據控制脈沖的不同變化，靈活地調節脈沖開關。這里，列舉詳細的控制策略：（1）調節閥位置指令，主要特征：類似于常規模擬量調節器背后的組態原理，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之間產生偏差值，根據該偏差值可以對各級開關脈沖進行控制。（3）控制系統投入運行。按照被調量記錄的實時值或是調節閥實際的特性曲線，對控制回路上的PID、脈沖頻率或是調節死區等基本參數進行在線整定，使其符合最佳的控制效果。

5 結論

現實實際中，可以將智能定位器脈沖調節閥用于對脈沖開關量的大小進行控制。該控制方式，適應了發電行業當前的工藝需求。具體運行結果顯示：多級脈沖控制法在調試中比較簡單，易于實現，能夠作出快速而精準的響應，且擁有很強的自適應能力。

作者簡介：揭其良（1979-），男，江西上饒人，碩士研究生，高級工程師，從事發電廠熱工自動化研究與應用。