化工機械控制閥動力學與驅動系統分析研究

靳向東

（天脊煤化工集團股份有限公司， 山西 長治 047507）

引言

如今，任何工業部門，為了在市場上保持高水平的競爭力，必須不斷調查和研究最新的技術。旨在提高生產靈活性和效率，同時減少浪費、資源和能源消耗。也是在這種環境下，先進控制、性能退化監測和診斷的概念應運而生，解決了目前工業領域所面臨的主要關鍵問題[1-3]。從控制的角度，一種開發自動化工具的新基礎結構，減少過時組件，重新設計成本，自動化和簡化操作可以帶來更高的可靠性和更低的成本。因此，產生的不連續操作服務需要專門的解決方案，以優化調節策略。實時調整控制參數是一種具體的解決方案，通過防止不穩定問題，使生產最大化。ST的控制直接關系到它的控制閥系統和部署的驅動技術。整個裝配體受到機器控制要求的響應性和準確性的高度挑戰，特別是對于那些機器調節至關重要的應用程序[4-6]。

因此，本文旨在從動態和靜態兩個角度對ST 控制閥進行詳細研究。提出了控制裝配體運動的方程，并提出了一種實現它們的模型方法。對作為整個控制回路一部分的電流- 壓力轉換器（CPC）和液壓- 機械系統進行了描述，并提出了將它們的仿真模塊連接起來的整體仿真模型。

1 建模方法

由于驅動系統的復雜性和陳舊性，如現有的傳統系統，需要對其可能導致的故障模式進行分析，并針對每種情況采取一致的糾正措施。即使ST 的管理正朝著更可靠和準確的解決方案發展，在許多應用程序中，過去傳統系統的部署需要詳細的服務解決方案，以防止系統停止，從而避免損失寶貴的生產時間。傳統的驅動系統的運行是基于潤滑油和控制油控制臺的供油，由于其結構的分析超出了工作范圍，故不在模型中。由于主油由油臺恒壓供應，因此在模型中引入了一個壓力源作為簡化。來自潤滑油和控制油對這類驅動系統起著重要的作用，既移動與執行器連接的伺服缸內的閥芯（二次油），又進入液壓執行器室（一次油）。二次油壓由I/H 轉換器設定，將當前命令信號（4-20 mA）轉換為油壓。4-20 mA 命令直接來自控制系統，分別對應于閥門的關閉和打開位置。伺服缸中閥芯的運動由二次油調節；或者打開連接孔，讓一次油流入液壓缸的上腔或下腔。在彈簧的幫助下，杠桿將執行機構的運動直接傳遞到閥門上，彈簧的主要功能是在液壓執行機構故障的情況下保持閥門關閉。這個機械系統的最終目標是調節通過閥門的蒸汽通道和提升一個閥門導管，依次打開四個或五個快門，這些快門依次給料機器的不同部分，從而實現精細的調節。

2 結果與討論

傳感器是由伺服缸、液壓執行機構、彈簧和機械杠桿組成的總成，如下頁圖1 所示?？梢钥吹蕉ㄎ挥谝簤簣绦衅飨侣撦S節的負載銷式稱重傳感器。一旦控制閥系統與ST 重新集成，測試平臺就完成了，可以執行油路連接，并配備額外的傳感器和合適的數據采集系統。為了提高整個調節的效率，這款ST 的控制閥還進行了驅動系統的升級，從而有可能對傳統EHA 系統和新EHA 系統的性能進行具體比較。特別是，用前者進行的測試提供了詳細的數據，適用于模型驗證和系統表征。為了實現這一目標，傳統系統配備了一個特定的試驗臺，一個位置傳感器（線性變差變壓器LVDT），給出液壓執行器的位移，一個測力傳感器測量控制閥運動所需的制動力。主油路和副油路上也安裝了兩個壓力傳感器，為模型提供直接輸入以進行驗證，主油路和I/H 轉換器電子不在分析范圍之內。此外，還需要一個動態數據采集系統，能夠以0.5 ms（2 kHz）的間隔對實驗數據進行采樣，以快速表征閥門運動。

圖1 在測試過程中部署的制閥系統

通過保持緊急截止閥處于關閉狀態，使沒有蒸汽能夠到達控制閥快門前面的蒸汽箱，進行了測試活動。通過這種方法，可以忽略蒸汽力的貢獻，對機械系統進行校準，并對模型進行驗證。該系統在靜態條件和動態閥門運動（如斜坡和臺階）下進行了分析，以實現完整的表征。如圖2 所示描述了用傳統系統進行的測試。展示了通過降低主油壓到大氣壓力并保持執行器命令在閥門關閉位置來執行的汽缸去電程序。通過這樣的程序，就有可能將由測壓元件記錄的系統重量的貢獻從氣缸腔內的主油壓力中分離出來，主油壓力是空的，即在大氣水平上的壓力值。為了達到這個目的，閥門命令應該保持在閥門關閉位置，以便二次油壓水平保持恒定，并保持同樣的杠桿位置。該測試旨在根據測壓元件讀取的趨勢值確定總成的質量，作為以下測量值的偏移量。測量到的力，對應于一次油壓突然下降，顯示出一個階躍變化，約為1 800 N。該力值的符號為負，確認其向上的方向，與系統的質量相等且相反。

圖2 對傳統系統的測試：汽缸去電程序

如圖3 和圖4 所示分別表示了仿真結果與實驗數據在驅動器位置和力方面的對應關系。這兩個信號在調控器命令的連續斜坡測試的同一時間框架中繪制。來自調速器的4~20 mA 信號已經在沖程上重新縮放，以便能夠比較命令和響應信號。圖3 中，虛線所示的趨勢是模擬采集到的紅色信號作為命令時的趨勢，與測量位置在精度和動態響應上都很匹配，表示為位移。這個結果是實現系統動態特性的基礎。因此，在評估新的驅動技術時，對動態需求的主要認識。特別是，由于Legacy 驅動系統僅依賴內部機械反饋，而不需要任何位置傳感器設備，因此使用模型支持對控制閥位置的監測。

圖3 對傳統系統的測試結果：連續斜坡測試中執行器位置匹配

圖4 傳統系統的測試結果：連續斜坡測試中執行器的力匹配

將這兩個信號與稱重傳感器數據進行比較，這種比較進一步強調了模型的一致性（圖4）。除了模型的明顯可靠性，內在系統的非線性難以捕獲，依賴于不同的因素，這是不容易控制的。因此，與測量數據相比，模擬的動態行為顯示出更多的線性趨勢。在閥門關閉階段，模型和實驗測量之間的差異（圖4）尤其明顯，其中摩擦力現象是導致可見非線性產生的因素之一。它的貢獻是通過一個能夠模擬靜態和動態條件下的摩擦的模型來估計的。然而，該模型要求輸入參數受高度不確定性的影響，因為摩擦現象顯示出難以預測的行為。

從兩種不同驅動技術之間的比較可以明顯看出，EHA 在達到所要求的位置方面要準確得多，在控制閥精度和蒸汽進口特性方面的不確定性更小。當沿著沖程等距離移動時，傳統系統顯示出與命令位置出現差異，這主要在中間位置體現出來，其中傳統系統的非線性連接到伺服缸機械反饋返回更明顯。產生這些非線性的原因主要是伺服缸彈簧壓縮，壓縮發生在兩邊，即機械反饋側和閥芯側，而系統校準程序沒有考慮前者的貢獻。EHA 技術明顯克服了上述問題，由于其內部位置控制回路和快速響應，可以保證更高的性能，當然有助于更準確的蒸汽進口特性。這是由于進入機器的蒸汽流量和系統所達到的閥門升程之間的直接關系，閥門系統的精度越高，對蒸汽流量的估計就越精確，從而產生的功率也就越精確。

在運行條件下，驗證提供了一致的結果，但通過應用模擬能力分析驅動系統的失效模式，可以獲得額外的值。系統故障原因的詳細研究和采取的糾正措施可以在現場支持預防控制閥系統的意外行為。當通過傳統的驅動系統執行時，機器的調節中不受控制的波動會產生異常事件。

采用的測試程序包括通過改變CPC 控制參數和一次油壓水平來驗證系統在不同運行情況下的操作，并記錄執行器活塞的后續位置。CPC 是一種將來自控制系統的命令信號轉換為相應的（1.5~4.5）×105Pa的壓力級別的裝置，其動作的響應性可以通過修改變頻器的控制參數來調節，典型的特征是僅使用比例和積分參數。試驗表明，一次油壓的下降與CPC 的高積分參數相結合，會導致二次油壓的顯著振蕩，直接導致執行器位置的不確定性。

3 結論

本文描述了一項針對ST 控制閥系統的廣泛研究工作，重點關注其預測模型和驅動系統技術升級的機會。該研究旨在提供不含蒸汽的控制閥系統的實體模型，這為進一步開發該系統提供了堅實的基礎，包括蒸汽力貢獻分析和模型實現。當蒸汽壓差產生額外的力時，需要進行專門的分析，以便深入理解發生在閥門快門周圍的現象。當與蒸汽一起操作時，模擬控制閥響應行為的能力伴隨著執行關鍵ST 調節階段模擬，通過與總邏輯和機器滾筒模型的集成。這將代表一個數字儀器，用于分析它們在整個控制回路中的交互作用，可以嵌入到ST 調控器中，以執行先進的診斷和分析，從而檢查調節性能退化。