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电动调节阀的输入和输出之间的关系

日期：2013-04-28

电动调节阀的输出很难用一个精确的数字模型来描绘，但能够精确地丈量。针对这一特性，步进式控制不直接对输入信号停止响应，而是分若干个固定的步长，依据每次的丈量结果使输入指令信号一步一步地迫近设定量。经过合理的控制参数设置，该办法使控制对象运转平稳，适用于对响应速度请求不高的流量或压力的跟随或稳定控制。

 电动调节阀通常作为自动控制系统的一个组成局部，被用来对气体的流量或压力停止调节。但是电动调节阀的输入和输出之间的关系很难用一个精确的数字模型来描绘。这不只是由于阀门输出特性的非线性，而其由于流过阀门气体的流量和阀门前后的压降相互影响难以计算。以流量控制为例，当阀门前后压力固定时流量仅与阀门的开度有关，但在大多数状况下，当阀门的阀位变化时，阀门前后压力也会随之变化，这就时流量增益的计算非常艰难。事实上，由于阀门前后的压力在扰动要素的作用下也会发作动摇从而惹起流量的变化，流过阀门气体的流量与阀门的开度不存在逐个对应的关系。由于数学模型的不肯定，直接以阀板的开度作为支配变量不能很好地满足系统的请求，以至可能招致事故的发作。然后虽然阀门的开度与流量或压降之间的解析关系不易得到，但是借助丈量仪表却能够便当地对阀门在某一开度下的流量或压降停止丈量。

 针对阀门的输出易丈量不宜计算的特性，步进式控制不直接对输入信号停止响应，而是分若干个固定的步长，使输入信号一步一步地迫近设定量。在阀板转动一个步长之后都对阀门的流量或压降停止一次丈量，控制计算机依据丈量值和设定值比拟的结果，肯定下一步阀板转动的方向，直至丈量值与设定值的差值小于规则误差时为止。 步进式控制的程序设计不触及数学模型的剖析和求解，因此相比照较简单，普通用梯形图就能够完成。程序设计框图见图1。在程序设计中需求设定两个参数，及步长和采样周期。这两个参数对控制系统的精度和响应速度影响较大，设定时应综合思索系统对控制精度和响应速度的请求。

 电动执行机构可简化为由继电环节和传送函数两局部组成的闭环控制系统，如图2所示。这个闭环控制系统是以电压信号 Us(即 I/V 转换后的信号)为输入，位置反应信号 Uf 为输出。只需 |e|>h，伺服电机就会得到大小为 Ua 的供电电压。这时的前向传送函数为：

 式中，m为 |e|>h 开端的时辰，n为 |e|>h 完毕的时辰。

 对式(1)停止拉氏反变换，能够得到位置反应信号 Uf，即阀板位置的变化规律为：

 当步长较大，一个步长所阅历的时间较长时，式中的非线性项 e-(t-m) 和 e-(t-n) 对响应速度的影响较小。反之非线性要素对响应速度的影响较大。由此可见，步长越小，控制精度越高，但响应速度越慢。步长的设定能够在系统的调试过程中依据对控制对象的丈量结果停止，阀板转动一个步长所惹起的流量或压降的最大变化量略小于系统允许余差的 2 倍即可。 采样周期的设定取决于步长的设定。步长越大，阀板转动一个步长使控制对象从一个稳定状态过渡到下一个稳定状态所阅历的时间越长，相应的也需求较长的采样时间。采样周期的设定也能够在系统的调试过程中停止，采样周期应略善于阀板转动一个步长所惹起的阀门的输出的变化到达稳定值所需求的最长时间。 步进控制法德余差与步长的设置有关。假如依照一个步长所惹起的被空置量的最大变化量略小于静态允差的准绳设置步长，则不管电动调节阀用于稳定系统还是用于跟随系统，其输出的余差都不会大于系统的静态允差。 由于计算机输出的是固定的小增量，并且对应于每一个这样的小增量控制对象的变化量不大于静态允差的 2 倍。故采用步进控制法阀门输出的超调量在数值上不大于系统的静态允差。 由于阀门执行机构中惯性等要素的存在，使阀门在开闭过程中存在非线性。依照常规的控制规律阀门每次在运动持续的时间较长，非线性的影响常常能够疏忽不计。

 在步进式控制中，阀门的输出到达设定量需求经过若干步长才干完成。正是由于每一步中非线性项的累积影响，使得步进式控制的响应速度比其他控制方式慢，过渡时间长。并且控制精度越高响应速度越慢。图3是假定阀门增益为常量 3，继电环节输出 Ua 为0.01，执行机构传送函数为 1/N(s+1)，选取步长为 0.01，采样周期为 8s，步进式控制对单位阶跃输入的响应速度与直接响应法得到相同输出稳态值时的响应速度比拟的 simulink 仿真图(图3)。从图中能够看出前者的过渡时间约 260s，然后者的过渡时间仅约 80s，二者的响应速度相差 2 倍以上。

 济钢 500t pd 环形套筒石灰窑运用转炉煤气消费炼钢用活性石灰，对应一定的消费率，请求单位时间内进入石灰窑的煤气的总发热量根本坚持恒定。由于煤气的热值动摇范围较大，需求依据消费率和煤气的热值以及该消费率下单位产品的热耗计算出对应的煤气流量。经过控制煤气流量来稳定入窑煤气的总发热量。运用步进式控制办法，经过煤气总管电动调节阀对煤气流量停止调节。首先依据工艺需求将煤气流量偏向的允许值设定为 ±100m3/h，煤气流量在这个范围内动摇对石灰的焙烧工艺没有明显影响。然后依照 2.1 和 2.2 所述的办法将步长值设置为阀板总开度的 3%;将采样周期设置为 5s。

 上述办法施行后，熄灭室和循环气体温度的动摇根本消弭，石灰质量明显进步。

 此外，步进式控制法还应用于济钢(马)中板厂加热炉空然配比自动控制和济钢第三炼钢厂 4 号连铸机水处置水压自动控制等系统中。 步进控制法是依据对控制对象的丈量结果来决议阀门开闭方向的，而且每次开闭的位移量是固定的，不需求借助数学模型来肯定控制规律。适用于数学模型不宜求取或数学模型不肯定的场所。该制法控制电动调节阀，由于每一次的位移量小，产生的误差也小。能够使对象运转平稳，静态误差也能够控制在一个较小的范围。与采用对输入量直接响应的控制办法相比响应速度较慢，不适用于对响应速度请求较高的场所。但对普通的工业过程而言，其响应速度曾经足够。