進(jìn)口氣動(dòng)調節閥出現波動(dòng)原因分析

進(jìn)口氣動(dòng)調節閥是化工生產(chǎn)中最常見(jiàn)的執行元件，在控制系統中，調節閥是最薄弱的環(huán)節，為了實(shí)現更準確的控制，大部分都裝有閥門(mén)定位器。從本質(zhì)上講閥門(mén)定位器是一臺控制器，和執行機構組成一個(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)。

本文所指的調節閥波動(dòng)，指在遠程給定信號不變的情況下，調節閥的閥位在一定范圍內變化的異?，F象。調節閥波動(dòng)不但會(huì )造成過(guò)程波動(dòng)，調節閥本身也會(huì )出現閥桿磨損、填料泄漏等危害。調節閥的波動(dòng)是調節閥使用中最棘手的問(wèn)題之一，隨著(zhù)智能定位器的大量應用，調節閥的波動(dòng)現象更加常見(jiàn)。長(cháng)期的應用中發(fā)現，大部分的波動(dòng)并不是由于定位器本身問(wèn)題造成的，而是由于控制對象和定位器不匹配引起的，更多的是由于廣義對象的問(wèn)題造成。本文將從控制系統的角度來(lái)分析調節閥波動(dòng)的常見(jiàn)原因。

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

一、廣義對象的純滯后（時(shí)滯）過(guò)大

純滯后在過(guò)程控制中普遍存在，小的時(shí)滯對系統影響不大，當過(guò)程的純滯后時(shí)間與對象的時(shí)間常數之比大于013時(shí)，稱(chēng)為大時(shí)滯過(guò)程。對大時(shí)滯過(guò)程，常規的控制算法很難達到滿(mǎn)意的控制效果，最常見(jiàn)的現象為系統的震蕩，對于調節閥對象，造成反饋時(shí)滯大的常見(jiàn)原因如下：

1、反饋桿（臂）上的彈簧松動(dòng)或失去彈性

氣動(dòng)調節閥波動(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，當彈簧安裝不正確或彈簧失去彈性時(shí)，在一定的區間內，閥門(mén)和反饋桿動(dòng)作，但反饋臂不動(dòng)作。對控制器來(lái)說(shuō)，表現為存在較大的時(shí)滯，造成定位器的輸出不斷波動(dòng)，相應的閥位也波動(dòng)。

2、摩擦力太大

克服摩擦力是閥門(mén)定位器的主要功能之一。調節閥的摩擦力主要來(lái)自?xún)蓚€(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(guò)大。在高溫場(chǎng)合，通常用石墨環(huán)與套筒的過(guò)盈配合使調節閥達到設計的密封要求，如果過(guò)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。由于靜摩擦力遠大于動(dòng)摩擦力，遠程給定大幅度動(dòng)作時(shí)表現為閥門(mén)跳動(dòng)，也稱(chēng)爬行。波動(dòng)的機理如下：當遠程信號在突然變化時(shí)（即階躍信號），由于摩擦力大使負偏差太大，定位器的積分作用使輸出不斷增大，當增大到足夠克服靜摩擦力時(shí)閥門(mén)動(dòng)作，由于靜摩擦力大于動(dòng)摩擦力，閥門(mén)超調，負偏差變?yōu)檎?，反復超調，系統很難穩定下來(lái)。針對摩擦力的問(wèn)題，一些定位器廠(chǎng)商設計出了高摩擦力算法，這種算法大大減小調節閥波動(dòng)現象的發(fā)生。

二、對象的上行程和下行程特性不對稱(chēng)

上行程和下行程不對稱(chēng)是調節閥對象中非常普遍的現象，廣泛應用的氣動(dòng)薄膜執行機構的一側為彈簧驅動(dòng)，另一側為氣壓驅動(dòng)，這會(huì )造成上下行程不對稱(chēng)。正常情況下，這種不對稱(chēng)是輕微的，不會(huì )造成波動(dòng)現象，當出現膜片泄漏等異常時(shí)，這種不對稱(chēng)加劇，造成閥位的波動(dòng)。一些定位器廠(chǎng)商針對這種特性，設計出了上下不對稱(chēng)的PID算法，這種算法中上下行程的增益、積分時(shí)間、微分可以分別調節。比較嚴重的不對稱(chēng)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(jiàn)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(lái)提高執行機構的動(dòng)作速度，典型應用如圖2所示。升壓繼動(dòng)器造成不對稱(chēng)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)氣的不對稱(chēng)被放大。

2、快速排放閥

快速排放閥一般用于對閥一個(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之內全開(kāi)或全關(guān)，這樣造成開(kāi)和關(guān)的動(dòng)作嚴重不對稱(chēng)，很容易造成調節閥的波動(dòng)。例如某裝置蒸汽減壓閥（如圖3），離線(xiàn)校驗時(shí)出現波動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)減小高性能增益可以消除波動(dòng)；某次檢修后調校時(shí)發(fā)現，波動(dòng)非常嚴重，用各種常規的方法均無(wú)法消除，經(jīng)檢查發(fā)現，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

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

對傳統定位器控制的調節閥，由于控制器的增益不可調節，很少會(huì )因為增益太大造成閥的波動(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的。所以，在智能定位器控制的調節閥中，增益太大造成的調節閥波動(dòng)比較常見(jiàn)。

解決的辦法是通過(guò)HART協(xié)議的手操器改變定位器的設置，增加短步區的范圍，減小最小脈寬，使控制器的增益減小，調整后在壓力穩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％，而且很快恢復穩定。

四、閥的流通量選擇太大

流通量選擇太大是調節閥選型時(shí)最常見(jiàn)的錯誤，如果CV值選得太小，閥全開(kāi)時(shí)也達不到需要的流量，容易使調節閥成為整個(gè)裝置的生產(chǎn)瓶頸。為了盡量避免CV值過(guò)小的風(fēng)險，設計時(shí)盡量將CV裕量放大，這是調節閥流通量選擇太大的最常見(jiàn)的原因，這樣保守的設計造成遠程控制器的調節范圍很小，更大的危害是調節閥容易波動(dòng)。波動(dòng)的原因是閥門(mén)開(kāi)度在25％以下工作時(shí)，過(guò)程的增益非常高，很容易使過(guò)程進(jìn)入不穩定區，造成過(guò)程的振蕩，而引起閥門(mén)的波動(dòng)。

五、調節閥的流量特性選擇不合適

調節閥流量特性選擇的目標是使閥的特性正好能夠補償對象特性的非線(xiàn)性，使廣義對象的特性為線(xiàn)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(jiàn)的問(wèn)題是沒(méi)有考慮管路阻力對實(shí)際流量特性的影響，理想流量特性選擇為線(xiàn)性，實(shí)際流量特性為快開(kāi)，如圖6所示，閥在小開(kāi)度時(shí)增益很大，而大開(kāi)度時(shí)增益減小。造成小開(kāi)度時(shí)容易波動(dòng)，波動(dòng)的機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(xiàn)性，在小開(kāi)度時(shí)容易發(fā)生波動(dòng)，擴能改造時(shí)對該閥進(jìn)行了更新，選型過(guò)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(kāi)度波動(dòng)現象。

六、結論

調節閥是簡(jiǎn)單控制系統的實(shí)例，波動(dòng)也遵守簡(jiǎn)單控制系統振蕩、發(fā)散的一般規律。認真研究對象特性，根據對象特性相應調整定位器的參數，或者對難控對象進(jìn)行改造，波動(dòng)可以得到消除。