王献忠 赵付涛 徐义亨 杜 维
(浙江大学化工系教十3015,杭州,310027)
摘要 介绍如何通过计算机软件补偿来改变调节阀的流量特性,使其满足控制要求,从而提高控制精度。
关键词: 调节阀 软件补偿 流量特性
1 问题的提出
过程控制中应用的调节阀的流量特性主要有三种类型:快开、线性和等百分比。不考虑泄漏量,其静态特性曲线如图1所示,曲线1为快开特性,曲线2为线性特性,曲线3为等百分比特性。对于改变相同大小的流量Δq,特性曲线斜率愈平坦,则要求阀门行程或开度的变化量Δφ也愈大;特性曲线斜率愈大,则要求阀门行程的变化量就愈小。
由图1可知,快开特性调节阀的可调范围较小,即开度在70%左右时,流量已接近最大。在大口径气体管路上安装的蝶阀和翻板均属此例。能否通过计算机软件补偿将快开阀的快开特性转变为线性特性或等百分比特性。再广而推之,能否把调节阀的实际特性通过软件补偿转变为期望特性。本文就此进行讨论
2 调节阀流量特性的软件补偿原理
本文所谓的软件补偿是在控制器和调节阀之间插入一个软件补偿环节,其结构如图2所示,图中u为控制器输出量,φ为阀门开度,q为阀门输出的流量。u,q,φ均为0至100%的相对量。
调节阀流量特性的软件补偿原理如图3所示。图中调节阀的实际特性函数为q=f(φ),期望特性函数为q=F(u),补偿函数为φ=h(u)。软件补偿的原理可归结为如何根据已知的阀门实际特性函数和期望特性函数来求取补偿函数。
由调节阀的实际特性可知:
q=f(φ)(1
另外,由调节阀的期望特性可知
q=F(u)(2)
由(1)、(2)式联立可求得φ与u的函数关系即补偿函数φ=h(u)。
3 工程应用中的一个引例
已知某蝶阀的开度和相对风量的数据如表1所示。由表1可以看出,此蝶阀在开度为68%时,风量已接近最大,此后继续增大阀门开度,风量增大很小,也就是说,在开度区间68%至100%上,开度对风量调节作用很弱。
画出阀门开度与风量的关系曲线即阀门实际特性曲线如图4所示。
设期望特性函数为线性即:
q=F(u)=u(3)
下面用图解和解析两种方法求补偿函数
φ=h(u)。
3.1 图解法
补偿过程用图形描述如图5所示。第一象限内的曲线为阀门实际特性曲线,其来自图4,第二象限内的曲线为期望特性曲线,并根据式(3)绘出。
用图解法求校正曲线就是根据调节阀的实际特性和期望特性求出与控制器输出量u相对应的阀门开度φ。因此在u的区间0%至100%上依次选取若干点。设某点处控制器输出控制量为u 1,由期望特性曲线求得阀门期望输出流量为q 1(如图5中A点所示),为了使阀门输出这个期望的流量,由阀门实际特性曲线可知开度为φ 1(如图5中B点所示)。由u 1,φ 1可在图5的第四象限内确定唯一的一点(如图5中C点所示)。对其它点仍用上面的方法作图,最后在第四象限用描点法求得补偿特性曲线φ=h(u)
把实际特性曲线、补偿特性曲线及期望特性曲线画在同一象限内,如图6所示,从图6可以看出实际特性曲线和补偿特性曲线关于期望特性曲线对称。
工程应用中一般对图解法求得的补偿特性曲线用折线段近似。
3.2 解析法
对图4中的曲线用曲线拟合的方法可求得阀门实际特性函数,但工程应用中为了简单起见,一般用折线段近似的方法求阀门实际特性函数,如图7所示,这里用三条线段近似,其函数关系如式(4)所示。
(4)式与(3)式联立求得φ与u的函数关系即补偿函数φ=h(u)如下
把阀门实际特性曲线的近似曲线f′(φ)和根据其用解析法求取的补偿特性曲线h′(u)及期望特性曲线F′(u)画在同一象限内,如图8所示,从图8可以看出实际特性曲线的近似曲线和根据其用解析法求取的补偿特性曲线是相对于期望特性曲线对称的。
用图解法求解,思路清晰,易于理解。若用解析法求解,不用作图,求解过程简单方便。两种求解方法所得的结果是相同的。
4 阀位反馈反补偿处理
在工程实践中,计算机控制器的跟踪环节应接受手操器的输出信号或执行机构的反馈信号作为跟踪信号,以实现手/自动的无扰动切换,其简化的SAMA图如图9所示。
在对调节阀特性进行软件补偿时,相当于在跟踪环节后加一个阀门特性补偿函数h(·)环节。此时,阀位反馈也应作相应的调整,即对其作反补偿处理,阀位反馈反补偿函数应为阀门特性补偿函数h(·)的逆函数,即h-1(·),这样才能实现手操时控制器输出自动跟踪手操器输出,其简化的SAMA图如图10所示,目标风量q在自动时等于控制输出u,手动时等于跟踪信号q。
5 软件实现
前面解析法求解中为了分析的完整性用三条线段近似阀门实际特性曲线,工程应用中考虑到阀门开度在大于68%后对风量几乎无调节作用,因此实际控制中把阀门开度与相对风量的关系简化成表2所示的二个线性区间,再对照图10利用解析法求得阀门特性补偿函数h(·)为(6)式和(7)式,阀位反馈反补偿函数h -1(·)为(8)式和(9)式。
图10中阀门特性补偿函数h(·)软件编制框图如图11所示。当目标风量q小于或等于71%时,把q代入式(6)求阀门控制开度φ;当目标风量大于71%时,把q代入式(7)求控制开度φ。
图10中阀位反馈反补偿函数h-1(·)软件编制框图如图12所示。当阀位反馈信号φ小于或等于40%时,把φ代入式(8),求跟踪信号q;当阀位反馈信号φ大于40%时把φ代入式(9),求跟踪信号q。
上述方法在宁波某电厂炉膛负压控制中得到应用,引风机阀门开度和风量数据由西安热工所测定,这里把风量转换成相对风量,程序用Tisoft特殊功能函数(SF)编写。未进行补偿时,引风机阀门动作幅度过大,控制质量差,加入补偿后控制质量明显提高。
6 结束语
快开阀在开度区间70%至100%上对流量基本无调节作用,即其实际可用的调节区间在0至70%之间。本文通过对非线性特性的阀门作线性特性的软件补偿,改善阀门的调节特性,从而提高系统的控制质量。此方案已在宁波某电厂锅炉的DCS系统中得到应用。
