化工机械控制阀动力学与驱动系统分析研究

靳向东

（天脊煤化工集团股份有限公司， 山西 长治 047507）

引言

如今，任何工业部门，为了在市场上保持高水平的竞争力，必须不断调查和研究最新的技术。旨在提高生产灵活性和效率，同时减少浪费、资源和能源消耗。也是在这种环境下，先进控制、性能退化监测和诊断的概念应运而生，解决了目前工业领域所面临的主要关键问题[1-3]。从控制的角度，一种开发自动化工具的新基础结构，减少过时组件，重新设计成本，自动化和简化操作可以带来更高的可靠性和更低的成本。因此，产生的不连续操作服务需要专门的解决方案，以优化调节策略。实时调整控制参数是一种具体的解决方案，通过防止不稳定问题，使生产最大化。ST的控制直接关系到它的控制阀系统和部署的驱动技术。整个装配体受到机器控制要求的响应性和准确性的高度挑战，特别是对于那些机器调节至关重要的应用程序[4-6]。

因此，本文旨在从动态和静态两个角度对ST 控制阀进行详细研究。提出了控制装配体运动的方程，并提出了一种实现它们的模型方法。对作为整个控制回路一部分的电流- 压力转换器（CPC）和液压- 机械系统进行了描述，并提出了将它们的仿真模块连接起来的整体仿真模型。

1 建模方法

由于驱动系统的复杂性和陈旧性，如现有的传统系统，需要对其可能导致的故障模式进行分析，并针对每种情况采取一致的纠正措施。即使ST 的管理正朝着更可靠和准确的解决方案发展，在许多应用程序中，过去传统系统的部署需要详细的服务解决方案，以防止系统停止，从而避免损失宝贵的生产时间。传统的驱动系统的运行是基于润滑油和控制油控制台的供油，由于其结构的分析超出了工作范围，故不在模型中。由于主油由油台恒压供应，因此在模型中引入了一个压力源作为简化。来自润滑油和控制油对这类驱动系统起着重要的作用，既移动与执行器连接的伺服缸内的阀芯（二次油），又进入液压执行器室（一次油）。二次油压由I/H 转换器设定，将当前命令信号（4-20 mA）转换为油压。4-20 mA 命令直接来自控制系统，分别对应于阀门的关闭和打开位置。伺服缸中阀芯的运动由二次油调节；或者打开连接孔，让一次油流入液压缸的上腔或下腔。在弹簧的帮助下，杠杆将执行机构的运动直接传递到阀门上，弹簧的主要功能是在液压执行机构故障的情况下保持阀门关闭。这个机械系统的最终目标是调节通过阀门的蒸汽通道和提升一个阀门导管，依次打开四个或五个快门，这些快门依次给料机器的不同部分，从而实现精细的调节。

2 结果与讨论

传感器是由伺服缸、液压执行机构、弹簧和机械杠杆组成的总成，如下页图1 所示。可以看到定位于液压执行器下联轴节的负载销式称重传感器。一旦控制阀系统与ST 重新集成，测试平台就完成了，可以执行油路连接，并配备额外的传感器和合适的数据采集系统。为了提高整个调节的效率，这款ST 的控制阀还进行了驱动系统的升级，从而有可能对传统EHA 系统和新EHA 系统的性能进行具体比较。特别是，用前者进行的测试提供了详细的数据，适用于模型验证和系统表征。为了实现这一目标，传统系统配备了一个特定的试验台，一个位置传感器（线性变差变压器LVDT），给出液压执行器的位移，一个测力传感器测量控制阀运动所需的制动力。主油路和副油路上也安装了两个压力传感器，为模型提供直接输入以进行验证，主油路和I/H 转换器电子不在分析范围之内。此外，还需要一个动态数据采集系统，能够以0.5 ms（2 kHz）的间隔对实验数据进行采样，以快速表征阀门运动。

图1 在测试过程中部署的制阀系统

通过保持紧急截止阀处于关闭状态，使没有蒸汽能够到达控制阀快门前面的蒸汽箱，进行了测试活动。通过这种方法，可以忽略蒸汽力的贡献，对机械系统进行校准，并对模型进行验证。该系统在静态条件和动态阀门运动（如斜坡和台阶）下进行了分析，以实现完整的表征。如图2 所示描述了用传统系统进行的测试。展示了通过降低主油压到大气压力并保持执行器命令在阀门关闭位置来执行的汽缸去电程序。通过这样的程序，就有可能将由测压元件记录的系统重量的贡献从气缸腔内的主油压力中分离出来，主油压力是空的，即在大气水平上的压力值。为了达到这个目的，阀门命令应该保持在阀门关闭位置，以便二次油压水平保持恒定，并保持同样的杠杆位置。该测试旨在根据测压元件读取的趋势值确定总成的质量，作为以下测量值的偏移量。测量到的力，对应于一次油压突然下降，显示出一个阶跃变化，约为1 800 N。该力值的符号为负，确认其向上的方向，与系统的质量相等且相反。

图2 对传统系统的测试：汽缸去电程序

如图3 和图4 所示分别表示了仿真结果与实验数据在驱动器位置和力方面的对应关系。这两个信号在调控器命令的连续斜坡测试的同一时间框架中绘制。来自调速器的4~20 mA 信号已经在冲程上重新缩放，以便能够比较命令和响应信号。图3 中，虚线所示的趋势是模拟采集到的红色信号作为命令时的趋势，与测量位置在精度和动态响应上都很匹配，表示为位移。这个结果是实现系统动态特性的基础。因此，在评估新的驱动技术时，对动态需求的主要认识。特别是，由于Legacy 驱动系统仅依赖内部机械反馈，而不需要任何位置传感器设备，因此使用模型支持对控制阀位置的监测。

图3 对传统系统的测试结果：连续斜坡测试中执行器位置匹配

图4 传统系统的测试结果：连续斜坡测试中执行器的力匹配

将这两个信号与称重传感器数据进行比较，这种比较进一步强调了模型的一致性（图4）。除了模型的明显可靠性，内在系统的非线性难以捕获，依赖于不同的因素，这是不容易控制的。因此，与测量数据相比，模拟的动态行为显示出更多的线性趋势。在阀门关闭阶段，模型和实验测量之间的差异（图4）尤其明显，其中摩擦力现象是导致可见非线性产生的因素之一。它的贡献是通过一个能够模拟静态和动态条件下的摩擦的模型来估计的。然而，该模型要求输入参数受高度不确定性的影响，因为摩擦现象显示出难以预测的行为。

从两种不同驱动技术之间的比较可以明显看出，EHA 在达到所要求的位置方面要准确得多，在控制阀精度和蒸汽进口特性方面的不确定性更小。当沿着冲程等距离移动时，传统系统显示出与命令位置出现差异，这主要在中间位置体现出来，其中传统系统的非线性连接到伺服缸机械反馈返回更明显。产生这些非线性的原因主要是伺服缸弹簧压缩，压缩发生在两边，即机械反馈侧和阀芯侧，而系统校准程序没有考虑前者的贡献。EHA 技术明显克服了上述问题，由于其内部位置控制回路和快速响应，可以保证更高的性能，当然有助于更准确的蒸汽进口特性。这是由于进入机器的蒸汽流量和系统所达到的阀门升程之间的直接关系，阀门系统的精度越高，对蒸汽流量的估计就越精确，从而产生的功率也就越精确。

在运行条件下，验证提供了一致的结果，但通过应用模拟能力分析驱动系统的失效模式，可以获得额外的值。系统故障原因的详细研究和采取的纠正措施可以在现场支持预防控制阀系统的意外行为。当通过传统的驱动系统执行时，机器的调节中不受控制的波动会产生异常事件。

采用的测试程序包括通过改变CPC 控制参数和一次油压水平来验证系统在不同运行情况下的操作，并记录执行器活塞的后续位置。CPC 是一种将来自控制系统的命令信号转换为相应的（1.5~4.5）×105Pa的压力级别的装置，其动作的响应性可以通过修改变频器的控制参数来调节，典型的特征是仅使用比例和积分参数。试验表明，一次油压的下降与CPC 的高积分参数相结合，会导致二次油压的显著振荡，直接导致执行器位置的不确定性。

3 结论

本文描述了一项针对ST 控制阀系统的广泛研究工作，重点关注其预测模型和驱动系统技术升级的机会。该研究旨在提供不含蒸汽的控制阀系统的实体模型，这为进一步开发该系统提供了坚实的基础，包括蒸汽力贡献分析和模型实现。当蒸汽压差产生额外的力时，需要进行专门的分析，以便深入理解发生在阀门快门周围的现象。当与蒸汽一起操作时，模拟控制阀响应行为的能力伴随着执行关键ST 调节阶段模拟，通过与总逻辑和机器滚筒模型的集成。这将代表一个数字仪器，用于分析它们在整个控制回路中的交互作用，可以嵌入到ST 调控器中，以执行先进的诊断和分析，从而检查调节性能退化。