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                上海滬工閥門▅廠(集團)有限公司

                English
                滬工閥門

                神彩争霸(集團)有限公司

                摘要:電動調節閥的輸出很難用一←個準確的數字模型來描述,但可以準確地測量。針對這一特點,步進式控制不直接對輸入信號進行響應,而是分若幹個固定↑的步長,根據〗每次的測量結果使輸入指令信號一步一步地逼近設定量。通過合理的控制參數設置,該方法使控制對象運行平穩,適用於對響應々速度要求不高的流量或壓力的跟隨或穩定控制。

                關鍵詞:電動調節閥;步進式控制;步長;采樣周期;響應速度

                1 前言

                電動調節閥通常作為自動控制系統的一個組成部分,被用來對氣體的流量或壓力進行調節。但☆是電動調節閥的輸入和輸出之間的關系很難用一個準確的■數字模型來描述。這不僅是由於閥門輸出特性的非線性,而其由於流過閥門氣體的流量和閥門前後的壓降互相影響難以計◥算。以流量ㄨ控制為例,當※閥門前後壓力固定時流量僅與閥門的開度有關,但在大多數情況下,當閥門的閥位變化時,閥門前後壓力也會隨之變化№,這就時流量增益的計↘算十分困難。事實上,由於閥門前♂後的壓力在擾動因素的作用下也會發生波動從而引起流量的變化,流過閥門氣體的流量與閥門的開度不存在一一對應的關系。由於數學模型√的不確定,直接以閥板的開度作為操縱變量→不能很好地滿足系㊣ 統的要求,甚至可能導致事故的發生。然後盡管閥門的開度與流量或壓降之間的解析關系不易得到,但是借助測量儀表卻¤可以方便地對閥門在某一★開度下的流量或壓降進行測量。

                針對閥門的輸出易測量不宜計算】的特點,步進式控制不直接對輸入信號進行響應,而是分若幹個固定的步長,使輸入信號一步一步地逼近設定量。在閥板轉動一個步長之後都對閥ξ門的流量或壓降進々行一次測量,控制計算〓機根據測量值和設定值比較的結果,確定下一步閥板轉動的方向,直至測量值與設定值的差值小於規定誤差時為止。

                2 步進式控制的程序設計和參數設定

                步進式控制的程序設計不涉及ζ 數學模型的♀分析和求解,因而相對比較簡單,一般用梯形圖就可以實現。程序設計框圖見圖1。在程序設計中需要Ψ設定兩個參數,及步□長和采樣周期。這兩個參數對控制系統的精度◇和響應速度影響較大,設定時應綜合考慮系統對控制精度和響應速度的要求。

                步進式控制的程序框∮圖
                圖1 步進式控制▓的程序框圖

                2.1 步長的設定

                電動執行機構可簡化為由繼電環節和傳遞函數兩部分組成的閉環控制系統,如圖2所示。這個閉「環控制系統是以電壓信號 Us(即 I/V 轉換後的信№號)為輸入,位置※反饋信號 Uf 為輸出。只要 |e|>h,伺服電機就會得到大小為 Ua 的供電電壓。這時的前向傳↓遞函數為:

                前向▅傳遞函數
                式中,m 為 |e|>h 開始的▲時刻,n 為 |e|>h 結束的時刻。

                對式(1)進行拉氏反變換,可以得到位置反饋╲信號 Uf,即閥板位置的變化規律為:

                電動』執行機構原理
                圖2 電動執行機構原理

                當步長較大,一個步長所經歷的時間較長時,式⌒ 中的非線性項 e-(t-m) 和 e-(t-n) 對響應速度的影響ω 較小。反之非線性因素對響應速度的影響較大。由此可見,步長越小,控制精度越高,但響應速度越慢。步長的設定可』以在系統的調試過程中根據對控制對象的測量結果進行,閥板轉動一個步長所引起的▽流量或壓降的最大變化○量略小於系統允許余差的 2 倍即可。

                2.2 采樣周期的設定

                采樣周期的設定取決於步長的設定。步長越大,閥板轉動一個步長使控制對象從一個穩定狀態過渡到下一≡個穩定狀態所經︾歷的時間越長,相應的也需要較長的采樣時間。采樣周期的設定也可以在系統的調試過程中進行,采樣周期應略長於閥板轉動一個步∏長所引起的閥門的輸出的變化達到穩定值所需◥要的最長時間。

                3 步進¤式控制的控制性能分析

                3.1 余差

                步進控制法德余差與步長的設置有關。如果按照一個步長所引起的被空置量的最大變化量略小於靜態允差的原▂則設置步長,則不論電動調節閥用於穩◤定系統還是用於跟隨系統,其輸出的余差都不會大於系統的靜態允差。

                3.2 超調

                由於計算機輸出的是固定的小增量,並且對應於每一個這△樣的小增量控制對象的變化量不大於靜態允差的 2 倍。故采用步進控制法閥門輸出的超調∩量在數值上不大於系統的靜態允差。

                3.3 響應速度和過渡時間

                因為閥門執行機構中慣性等因素的存在,使閥門在開閉過程中存在非線性。按照常規的№控制規律閥門每次在運動持續的時間較長,非線性的影響往往可以忽略不計。

                在步進式控制中,閥門的輸出達到設定量需要通過若幹步長才能完成【。正是由於每一步中非線性項的累積影響,使得步進式控制的響應速度比其他控制方式慢,過渡時間長。並且控制精度越高響應速度越慢。圖3是假定閥門增益為常量 3,繼電︻環節輸出 Ua 為0.01,執行機構傳遞函數為 1/N(s+1),選取步長為 0.01,采樣周期為 8s,步進式控制對單位階躍輸入的響應速度與直接響應法得〖到相同輸出穩態值時的響應速度比較的 simulink 仿真圖(圖3)。從圖中可√以看出前者的過渡時間約 260s,而後者的過渡時間僅約 80s,二者的響應速度相差 2 倍以上。

                步進式控制響應速度的●比較
                圖3 步進式控制響應速度的比較

                4 步進式控制的應用

                濟鋼 500t pd 環形套筒石灰窯使用轉爐煤氣生產煉鋼用活性石灰,對應一定的生產率,要求單位⊙時間內進入石灰窯的煤氣的總ㄨ發熱量基本保持恒定。由於煤氣的熱值波動範圍ξ較大,需要根據生產率和煤氣的熱值以及該生產率下單位產品的熱耗計算出對應的煤氣流量。通過控制煤氣流量來穩定入窯煤氣的總發熱量。運用步進式控制方法,通過煤氣總管電動調節閥對煤氣流量進行調節。首先根據工藝需要將煤氣流量偏差的允許值設定♀為 ±100m3/h,煤氣流量在這個範圍內波動對石灰的焙燒◥工藝沒有明顯影響。然後按照 2.1 和 2.2 所述的方法將步長值設置為閥板總開度的 3%;將采樣周期設置為 5s。

                上述方法實施後,燃燒室和循環氣體溫度的波動基本消除,石灰質量明顯ぷ提高。

                此外,步進式控制法還應用於濟鋼(馬)中板廠加熱爐空然配比自動控制和濟鋼第三煉鋼廠 4 號連鑄機水處理水壓自動控制等系統中。

                5 結語

                步進控制法是根據對控制㊣對象的測量結果來決定閥門開閉方向的,而且每次開閉的位移量是》固定的,不需要借助數學模型來確定控制規律。適用於數學模型不宜求取或數學模型不確定的場合。該制法控制電動調節閥,由於每一次的位◢移量小,產生的誤差也小。可以使對象運行平穩,靜態誤差也可以控制在一個較小的範圍。與采用對輸入量直接響應的控制方法相比響↑應速度較慢,不適用於對響應速度要求較高的場合。但對一般的工業過程而言,其響應速度已經足夠。


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