1 引言

    過(guò)程控制儀表主要包括變送器、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行器及多種輔助控制儀表和裝置，閥門(mén)定位器是調(diào)節(jié)閥（最常見(jiàn)的執(zhí)行器）的主要附件，用于提高和改善調(diào)節(jié)閥的性能。近年，來(lái)自調(diào)節(jié)閥市場(chǎng)的消息大多與調(diào)節(jié)閥本身無(wú)關(guān)，而與定位器的先進(jìn)性有關(guān)，西門(mén)子、費(fèi)希爾-羅斯蒙特等國(guó)外大公司，相繼研制成功了智能型兩線(xiàn)制，或配有HART總線(xiàn)、FF總線(xiàn)等現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)接口的智能型閥門(mén)定位器^[1]。本文詳細(xì)介紹了一種通過(guò)改變智能型閥門(mén)定位器的性能特性來(lái)改變調(diào)節(jié)閥靜態(tài)特性的方法。

    2 定位器的基本原理

    要理解閥門(mén)定位器在一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)中所扮演的角色，參看圖1。圖中r為被調(diào)量的設(shè)定值；y為被調(diào)量；y為被調(diào)量的測(cè)量值；u為調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)（與執(zhí)行器即調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度成一定的關(guān)系）；f為定位器的輸出信號(hào)；c為閥門(mén)位置信號(hào)。定位器在此系統(tǒng)中的主要作用就是將從調(diào)節(jié)器來(lái)的調(diào)節(jié)信號(hào)（4~20mA或3~15psi）與從執(zhí)行器來(lái)的閥門(mén)位置信號(hào)相比較，判斷它們是否與預(yù)期的關(guān)系相匹配，如果相匹配，則定位器將使執(zhí)行器維持在此位置，否則將使執(zhí)行器動(dòng)作直至兩信號(hào)相匹配。此外定位器的主要作用還包括改變閥的作用方式、靜態(tài)特性、實(shí)現(xiàn)分程控制等。

    3 調(diào)節(jié)閥的靜態(tài)特性

    調(diào)節(jié)閥的靜態(tài)特性可以表示為^[2]

    式（1）可改寫(xiě)成下面形式：

    式中：

    dL/L_max--閥桿相對(duì)位移；
    du/u_max--控制信號(hào)的相對(duì)變化；
    dQ/Q_max--流量的相對(duì)變化。

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    K₁表示閥行程與到閥控制信號(hào)之間的關(guān)系，K₂表示通過(guò)調(diào)節(jié)閥的物料流量與閥行程之間的關(guān)系，即調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)特性（又稱(chēng)固有流量特性），一旦閥已選定它就不能再改變了。調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)特性，即，如圖2所示主要有線(xiàn)性、對(duì)數(shù)、拋物線(xiàn)和快開(kāi)等，用數(shù)學(xué)式表達(dá)為：

    （1）線(xiàn)性特性（曲線(xiàn)1）

    （2）等百分比（對(duì)數(shù)）特性（曲線(xiàn)2）

    （3）快開(kāi)特性（曲線(xiàn)3）

    （4）拋物線(xiàn)特性（曲線(xiàn)4）

    式中R為調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比，即

    4 改變調(diào)節(jié)閥靜態(tài)特性的方法

    在沒(méi)安裝定位器的情況下，K₁為一常數(shù)即閥行程與到閥控制信號(hào)成線(xiàn)性關(guān)系，此時(shí)調(diào)節(jié)閥的靜態(tài)特性即為其結(jié)構(gòu)特性，無(wú)法改變；如果安裝了定位器，則K₁即為定位器的性能特性。對(duì)于機(jī)械力平衡式定位器來(lái)說(shuō)可以通過(guò)更換反饋凸輪來(lái)加以改變，而對(duì)于智能型定位器由于預(yù)先進(jìn)行了程序設(shè)置，因此只需要通過(guò)功能鍵進(jìn)行選擇就可以任意改變K₁，從而改變調(diào)節(jié)閥的靜態(tài)特性。當(dāng)現(xiàn)有調(diào)節(jié)閥的流量特性符合需要時(shí)，只需將定位器特性設(shè)置為線(xiàn)性。

    否則將根據(jù)需要和現(xiàn)有閥的流量特性進(jìn)行選擇。例如若現(xiàn)有閥的結(jié)構(gòu)特性為直線(xiàn)特性，所需的流量特性為對(duì)數(shù)特性，即：

    將式（3）左式代入上式，得：
    
       

    將式（3）右式代入，積分后代入邊界條件（u=u_min；I=0，u=u_max，I=L），得：

    其中，式（9）表示所需的定位器的性能特性，即閥門(mén)相對(duì)開(kāi)度與相對(duì)控制信號(hào)的關(guān)系，如圖3中的曲線(xiàn)D。同理，若所需流量特性為直線(xiàn)、快開(kāi)和拋物線(xiàn)，則分別將式（1-8）中等式右邊改為，并將式（3）右式代入，積分后代入邊界條件分別得到：

    其曲線(xiàn)分別如圖3中的曲線(xiàn)A、B和C所示。在代入邊界條件時(shí)必須注意在整個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)中所需的定位器與調(diào)節(jié)閥的總體增益的正負(fù)。當(dāng)所需的總體增益為負(fù)時(shí)，相應(yīng)的邊界條件應(yīng)為u=u_min；I=0，u=u_max，I=L。

    其他各種情況也可以按照此步驟代入相應(yīng)條件得出相應(yīng)的關(guān)系式，在此就不再一一推導(dǎo)。

    5 結(jié)論

    通過(guò)安裝智能型定位器來(lái)改變調(diào)節(jié)閥的流量特性使得企業(yè)能充分利用現(xiàn)有資源來(lái)適應(yīng)多變的市場(chǎng)需求，且調(diào)整方便，易于維護(hù)，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

    參考文獻(xiàn)

    [1] 解懷仁.智能型電氣閥門(mén)定位器[J].化工自動(dòng)化及儀表，1995，2：51-55.
    [2] 翁維勤，等.過(guò)程控制系統(tǒng)及工程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1996，8.

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