進(jìn)口氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)波動(dòng)原因分析

進(jìn)口氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥是化工生產(chǎn)中最常見的執(zhí)行元件，在控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥是最薄弱的環(huán)節(jié)，為了實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的控制，大部分都裝有閥門定位器。從本質(zhì)上講閥門定位器是一臺(tái)控制器，和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成一個(gè)簡(jiǎn)單控制回路，以克服介質(zhì)的不平衡力和摩擦力等擾動(dòng)。

本文所指的調(diào)節(jié)閥波動(dòng)，指在遠(yuǎn)程給定信號(hào)不變的情況下，調(diào)節(jié)閥的閥位在一定范圍內(nèi)變化的異?，F(xiàn)象。調(diào)節(jié)閥波動(dòng)不但會(huì)造成過程波動(dòng)，調(diào)節(jié)閥本身也會(huì)出現(xiàn)閥桿磨損、填料泄漏等危害。調(diào)節(jié)閥的波動(dòng)是調(diào)節(jié)閥使用中最棘手的問題之一，隨著智能定位器的大量應(yīng)用，調(diào)節(jié)閥的波動(dòng)現(xiàn)象更加常見。長(zhǎng)期的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，大部分的波動(dòng)并不是由于定位器本身問題造成的，而是由于控制對(duì)象和定位器不匹配引起的，更多的是由于廣義對(duì)象的問題造成。本文將從控制系統(tǒng)的角度來分析調(diào)節(jié)閥波動(dòng)的常見原因。

在調(diào)節(jié)閥選型正確、氣路配置合理、工藝狀況簡(jiǎn)單的情況下，定位器的控制對(duì)象是簡(jiǎn)單的，容易控制的。對(duì)直行程調(diào)節(jié)閥，其輸入是非線性的；而角行程的調(diào)節(jié)閥，輸入是線性的。但如果廣義對(duì)象和控制器存在不匹配，就容易造成系統(tǒng)的波動(dòng)。

一、廣義對(duì)象的純滯后（時(shí)滯）過大

純滯后在過程控制中普遍存在，小的時(shí)滯對(duì)系統(tǒng)影響不大，當(dāng)過程的純滯后時(shí)間與對(duì)象的時(shí)間常數(shù)之比大于013時(shí)，稱為大時(shí)滯過程。對(duì)大時(shí)滯過程，常規(guī)的控制算法很難達(dá)到滿意的控制效果，最常見的現(xiàn)象為系統(tǒng)的震蕩，對(duì)于調(diào)節(jié)閥對(duì)象，造成反饋時(shí)滯大的常見原因如下：

1、反饋桿（臂）上的彈簧松動(dòng)或失去彈性

氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥波動(dòng)原因分析

正常情況下，反饋桿被偏置彈簧壓在反饋臂的上沿，當(dāng)彈簧安裝不正確或彈簧失去彈性時(shí)，在一定的區(qū)間內(nèi)，閥門和反饋桿動(dòng)作，但反饋臂不動(dòng)作。對(duì)控制器來說，表現(xiàn)為存在較大的時(shí)滯，造成定位器的輸出不斷波動(dòng)，相應(yīng)的閥位也波動(dòng)。

2、摩擦力太大

克服摩擦力是閥門定位器的主要功能之一。調(diào)節(jié)閥的摩擦力主要來自兩個(gè)部件：填料和套筒閥的密封環(huán)。如果閥桿不光滑或填料壓得太緊，就會(huì)使閥桿和填料之間的摩擦力過大。在高溫場(chǎng)合，通常用石墨環(huán)與套筒的過盈配合使調(diào)節(jié)閥達(dá)到設(shè)計(jì)的密封要求，如果過盈量太大或套筒的橢圓度太大，就會(huì)使閥芯和套筒的摩擦力太大。由于靜摩擦力遠(yuǎn)大于動(dòng)摩擦力，遠(yuǎn)程給定大幅度動(dòng)作時(shí)表現(xiàn)為閥門跳動(dòng)，也稱爬行。波動(dòng)的機(jī)理如下：當(dāng)遠(yuǎn)程信號(hào)在突然變化時(shí)（即階躍信號(hào)），由于摩擦力大使負(fù)偏差太大，定位器的積分作用使輸出不斷增大，當(dāng)增大到足夠克服靜摩擦力時(shí)閥門動(dòng)作，由于靜摩擦力大于動(dòng)摩擦力，閥門超調(diào)，負(fù)偏差變?yōu)檎?，反?fù)超調(diào)，系統(tǒng)很難穩(wěn)定下來。針對(duì)摩擦力的問題，一些定位器廠商設(shè)計(jì)出了高摩擦力算法，這種算法大大減小調(diào)節(jié)閥波動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生。

二、對(duì)象的上行程和下行程特性不對(duì)稱

上行程和下行程不對(duì)稱是調(diào)節(jié)閥對(duì)象中非常普遍的現(xiàn)象，廣泛應(yīng)用的氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的一側(cè)為彈簧驅(qū)動(dòng)，另一側(cè)為氣壓驅(qū)動(dòng)，這會(huì)造成上下行程不對(duì)稱。正常情況下，這種不對(duì)稱是輕微的，不會(huì)造成波動(dòng)現(xiàn)象，當(dāng)出現(xiàn)膜片泄漏等異常時(shí)，這種不對(duì)稱加劇，造成閥位的波動(dòng)。一些定位器廠商針對(duì)這種特性，設(shè)計(jì)出了上下不對(duì)稱的PID算法，這種算法中上下行程的增益、積分時(shí)間、微分可以分別調(diào)節(jié)。比較嚴(yán)重的不對(duì)稱主要是由于一些氣動(dòng)元件的進(jìn)氣和排氣速度不一樣造成的，常見的元件有升壓繼動(dòng)器和快速排放閥。

1、升壓繼動(dòng)器

升壓繼動(dòng)器本質(zhì)上是一種氣動(dòng)的流量放大器，用來提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作速度，典型應(yīng)用如圖2所示。升壓繼動(dòng)器造成不對(duì)稱的原因有：①進(jìn)氣速度受氣源壓力和膜頭（氣缸）壓差的影響，而排氣速度受膜頭壓力的影響，兩個(gè)壓差之間有時(shí)差別很大；②定位器在小流量時(shí)排氣和進(jìn)氣的不對(duì)稱被放大。

2、快速排放閥

快速排放閥一般用于對(duì)閥一個(gè)方向的動(dòng)作速度有特殊要求的場(chǎng)合，要求電磁閥動(dòng)作時(shí)閥在1s之內(nèi)全開或全關(guān)，這樣造成開和關(guān)的動(dòng)作嚴(yán)重不對(duì)稱，很容易造成調(diào)節(jié)閥的波動(dòng)。例如某裝置蒸汽減壓閥（如圖3），離線校驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)波動(dòng)問題，通過減小高性能增益可以消除波動(dòng)；某次檢修后調(diào)校時(shí)發(fā)現(xiàn)，波動(dòng)非常嚴(yán)重，用各種常規(guī)的方法均無法消除，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，快速排放閥不動(dòng)作，造成上行速度慢，下行速度快。

三、控制器的增益太大

對(duì)于一個(gè)單回路控制系統(tǒng)，增益太小會(huì)造成響應(yīng)速度慢，余差增大，而增益太大則會(huì)造成系統(tǒng)等幅振蕩甚至發(fā)散振蕩。增益太大造成閥波動(dòng)比較常見，多數(shù)情況能夠在離線調(diào)校時(shí)發(fā)現(xiàn)，并進(jìn)行相應(yīng)處理。

對(duì)傳統(tǒng)定位器控制的調(diào)節(jié)閥，由于控制器的增益不可調(diào)節(jié)，很少會(huì)因?yàn)樵鲆嫣笤斐砷y的波動(dòng)。在智能定位器中為了提高控制精度，提高控制的靈活性，幾乎所有品牌的定位器增益都是可調(diào)的。所以，在智能定位器控制的調(diào)節(jié)閥中，增益太大造成的調(diào)節(jié)閥波動(dòng)比較常見。

解決的辦法是通過HART協(xié)議的手操器改變定位器的設(shè)置，增加短步區(qū)的范圍，減小最小脈寬，使控制器的增益減小，調(diào)整后在壓力穩(wěn)定的情況下閥位的偏差在0.2％以下，在壓力波動(dòng)時(shí)閥位的變化不到1％，而且很快恢復(fù)穩(wěn)定。

四、閥的流通量選擇太大

流通量選擇太大是調(diào)節(jié)閥選型時(shí)最常見的錯(cuò)誤，如果CV值選得太小，閥全開時(shí)也達(dá)不到需要的流量，容易使調(diào)節(jié)閥成為整個(gè)裝置的生產(chǎn)瓶頸。為了盡量避免CV值過小的風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)盡量將CV裕量放大，這是調(diào)節(jié)閥流通量選擇太大的最常見的原因，這樣保守的設(shè)計(jì)造成遠(yuǎn)程控制器的調(diào)節(jié)范圍很小，更大的危害是調(diào)節(jié)閥容易波動(dòng)。波動(dòng)的原因是閥門開度在25％以下工作時(shí)，過程的增益非常高，很容易使過程進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)，造成過程的振蕩，而引起閥門的波動(dòng)。

五、調(diào)節(jié)閥的流量特性選擇不合適

調(diào)節(jié)閥流量特性選擇的目標(biāo)是使閥的特性正好能夠補(bǔ)償對(duì)象特性的非線性，使廣義對(duì)象的特性為線性。由于管道的壓降比一般小于1，使閥的流量特性發(fā)生畸變，實(shí)際流量特性和理想流量特性之間存在差異。流量特性選擇時(shí)最常見的問題是沒有考慮管路阻力對(duì)實(shí)際流量特性的影響，理想流量特性選擇為線性，實(shí)際流量特性為快開，如圖6所示，閥在小開度時(shí)增益很大，而大開度時(shí)增益減小。造成小開度時(shí)容易波動(dòng)，波動(dòng)的機(jī)理和流通量選擇太大一樣。

例如，某裝置防喘振閥，流量特性為線性，在小開度時(shí)容易發(fā)生波動(dòng)，擴(kuò)能改造時(shí)對(duì)該閥進(jìn)行了更新，選型過程中引入了壓降比，將閥的特性選為改進(jìn)的等百分比，改造后未發(fā)生小開度波動(dòng)現(xiàn)象。

六、結(jié)論

調(diào)節(jié)閥是簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的實(shí)例，波動(dòng)也遵守簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)振蕩、發(fā)散的一般規(guī)律。認(rèn)真研究對(duì)象特性，根據(jù)對(duì)象特性相應(yīng)調(diào)整定位器的參數(shù)，或者對(duì)難控對(duì)象進(jìn)行改造，波動(dòng)可以得到消除。