调节阀智能定位器脉冲控制策略研究

揭其良 郭轶娜 孙哲

摘 要：本文介绍了调节阀定位器的类别，分析了智能定位器重要的设计理念，围绕调节阀智能定位器的总体设计方案，同时提出了具体的脉冲控制策略，旨在对从业人员提供工作上有效的参考。

关键词：调节阀;定位器;脉冲控制;PID控制器

1 阀门定位器概述

阀门定位器本身就是调节阀门比较核心的控制附件，其反馈信号实际上也是阀杆产生的位移信号。它以热工控制器实际的输出信号为目标值，比较二者的差值。若存在偏差，则调整阀门执行机构具体的输出指令，使其开大或是减小。在阀杆位移信号以及控制器输出指令双方，形成一种明晰的对应关系。正因为这样，阀杆位移可作为阀门定位器最为直接的测量信号，从而建立闭环反馈控制系统。本系统中的操纵变量，实际上是将阀门定位器当作是执行机构最终的输出指令。显然，阀门定位器可以提高调节阀本身的输出功率，防止传递出现惯性滞后，促使阀杆顺着正向或是反向上进行移动，提高阀门线性度，减小阀杆摩擦力。在不影响不平衡力的基础上，使调节阀维持在合适的位置上。智能阀门定位器无需要人工进行额外地调校，利用按键触发可以实现自动调校、智能检测。通过测定出和目标位置之间的不同，有效控制脉冲的大小。

2 阀门定位器的分类

根据不同的输入信号，我们可以对阀门定位器进行划分：气动阀门、电-气阀门以及智能阀门定位器。对气动阀门定位器而言，其输入信号均属于标准气信号，如20～100kPa。与此同时，它的输出信号同样也可作为标准气信号。而电气阀门定位器，它的输入信号实际上是一种标准电流（也可以是电压信号），如4～20mA或是1～5V电压信号。电气阀门定位器中，我们可以对电信号进行转换，使其变成电磁力。第三类定位器，实际上是对控制室中发出的电流信号进行转换，使其变成气信号。工作实，阀杆摩擦力在很大程度上能够成功地对不平衡力进行抵消，确保阀门开度可以与电流信号之间相互对称。同时，能够对智能组态形成具体的参数，以优化阀门定位器的整体性能。

根据不同的动作方向，我们同样也可分成单向、双向阀门定位器两大类。前者，在活塞式执行机构工作实仅能对单个方向发生作用。而双向阀门定位器，则能够对气缸双侧同时起效，其作用十分明显。

根据阀门定位器输出/入信号各自产生的增益符号，我们可将其分成正、反作用阀门定位器两种。前者的输入信号扩大时，其输出信号相对也会有所扩增。所以，增益为正。而如果后者的输入信号扩增，其输出信号则有所下降，即增益为负。

根据输入信号的不同类别，我们可以将阀门定位器分成两种，一是普通，二是现场总线电气阀门定位器。前者，重点是对气压以及电压信号进行现场模拟;后者，基本上是将现场总线传输的数字信号当作是输入信号。

根据阀门定位器有无携带CPU，我们可以将其划分成普通、智能电气阀门定位器这两类。前者并未装置CPU，故无法智能，难以对智能运算进行处理。第二种定位器自身携带了CPU，能够对智能运算进行处理。如非线性补偿。除上述外，现场总线电气阀门定位器同时还支持PID等功能，能够自如、精准地运算。

3 调节阀脉冲控制总体设计

目前的火力发电厂，也设置了多款不同的自动控制仪表。如电动单元组合、单回路调节器或者是组装组件。其中，多数均选择分散控制系统（DCS）。该类仪表均为模拟或是数字型，其PID调节单元均为连续量调节器，输出信号大多是4-20mA。在对一级伺服进行扩大后，利用执行回路来对阀门实施定位控制。1980年代，我國就从前苏联采购了10台左右的火力发电机组。该机组的核心，都是自动调节系统。如1994年研发的2台300MW机组（厂家为华能南京电厂），就成功搭载了苏产AK3CP-M系列组合仪表。该仪表最核心的元件为线性运算放大器，基本功能：PID脉冲调节、电流电压转换单元，动态单元（积分、阻尼或是微分），同时包括运算（负责加减乘除）、偏差报警以及非线性函数发生单元。脉冲调节单元，重点是对偏差信号进行接收。开关脉冲序列，实际上是本套仪表中非常重要的一大部件，运用了脉冲宽度调制技术。结合输入信号的变化，对脉冲宽度进行实时调节，且频率相对固定。不论瞬态特性还是鲁棒性，都有明显的短板之处。同时，输出电压纹波相对明显。不论国产机组还是国产DCS，脉冲调节器均没有太多的应用。我国很多的研究机构以及DCS厂家，并未对脉冲调节器作出过系统而全面地研究。

DCS应用技术在稳步创新，前苏联备品备件则逐渐地消逝。之前的苏产脉冲调节阀伺服系统，很多都已经更改为模拟量连续调节器。不过，少数电厂中的控制阀仍在沿用脉冲调节模式。但是，脉冲调节阀早就满足不了DCS控制精度及其发电需求。

4 调节阀脉冲控制策略研制

对调节阀而言，脉冲调节控制方法遵从了下列原理：开关周期开启时，调节器可以对调节阀所在的位置进行自动检测，结合现行的PID控制输出指令和实际的反馈信号误差，从中挑选某个脉冲当作本周期相应的控制信号。使用时，应考虑系统内部的拓扑结构，分析其中的参数占空比，购置合适的开关脉冲。根据控制脉冲的不同变化，灵活地调节脉冲开关。这里，列举详细的控制策略：（1）调节阀位置指令，主要特征：类似于常规模拟量调节器背后的组态原理，由模拟量手操器以PID组建成单回路控制逻辑，得到偏差值控制回路。（2）手操器输出指令值以及位置反馈信号之间产生偏差值，根据该偏差值可以对各级开关脉冲进行控制。（3）控制系统投入运行。按照被调量记录的实时值或是调节阀实际的特性曲线，对控制回路上的PID、脉冲频率或是调节死区等基本参数进行在线整定，使其符合最佳的控制效果。

5 结论

现实实际中，可以将智能定位器脉冲调节阀用于对脉冲开关量的大小进行控制。该控制方式，适应了发电行业当前的工艺需求。具体运行结果显示：多级脉冲控制法在调试中比较简单，易于实现，能够作出快速而精准的响应，且拥有很强的自适应能力。

作者简介：揭其良（1979-），男，江西上饶人，硕士研究生，高级工程师，从事发电厂热工自动化研究与应用。