一種用智能型閥門定位器改變調(diào)節(jié)閥靜態(tài)特性的方法

    1 引言

   過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，閥門定位器是調(diào)節(jié)閥（*常見的執(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，來自調(diào)節(jié)閥市場的消息大多與調(diào)節(jié)閥本身無關(guān)，而與定位器的先進(jìn)性有關(guān)，西門子、費(fèi)希爾-羅斯蒙特等國外大公司，相繼研制成功了智能型兩線制，或配有HART總線、FF總線等現(xiàn)場總線接口的智能型閥門定位器^[1]。本文詳細(xì)介紹了一種通過改變智能型閥門定位器的性能特性來改變調(diào)節(jié)閥靜態(tài)特性的方法。

    2 定位器的基本原理

   要理解閥門定位器在一個(gè)過程控制系統(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)量的測量值；u為調(diào)節(jié)器的輸出信號（與執(zhí)行器即調(diào)節(jié)閥的開度成一定的關(guān)系）；f為定位器的輸出信號；c為閥門位置信號。定位??在此系統(tǒng)中的主要作用就是將從調(diào)節(jié)器來的調(diào)節(jié)信號（4~20mA或3~15psi）與從執(zhí)行器來的閥門位置信號相比較，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)行器動作直至兩信號相匹配。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]

        （1）

    式（1）可改寫成下面形式：

             （2）

    式中：

    dL/L_max--閥桿相對位移；
    du/u_max--控制信號的相對變化；
    dQ/Q_max--流量的相對變化。

   K₁表示閥行程與到閥控制信號之間的關(guān)系，K₂表示通過調(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所示主要有線性、對數(shù)、拋物線和快開等，用數(shù)學(xué)式表達(dá)為：

    （1）線性特性（曲線1）

            （3）

    （2）等百分比（對數(shù)）特性（曲線2）

              （4）

    （3）快開特性（曲線3）

    （4）拋物線特性（曲線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成線性關(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，無法改變；如果安裝了定位器，則K₁即為定位器的性能特性。對于機(jī)械力平衡式定位器來說可以通過更換反饋凸輪來加以改變，而對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)特性為直線特性，所需的流量特性為對數(shù)特性，即：

        （7）

    將式（3）左式代入上式，得：
    
        （8）

   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：

        （9）

    其中，式（9）表示所需的定位器的性能特性，即閥門相對開度與相對控制信號的關(guān)系，如圖3中的曲線D。同理，若所需流量特性為直線、快開和拋物線，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：

   其曲線分別如圖3中的曲線A、B和C所示。在代入邊界條件時(shí)必須注意在整個(gè)過程控制系統(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

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