调节阀滞后和摩擦对定位器的影响

调节阀滞后和摩擦对定位器的影响

如调节阀的执行机构有时有较大的容量滞后，阀杆与填料之间往往有较大的摩擦力。这时，定位器与执行机构组成的阀位副回路可看作一个积分环节加纯迟延的对象和一个比例调节器，其开环频率特性为

        （9）

   若副回路整定到4:1振幅衰减，且考虑到内环接受主调节器的输出信号，可以得到副回路相对T_d1/T_d2的开环频率特性为

       （1O）

   式中：T_d1，T_d2分别为主回路和副回路的阻尼自然振荡周期。

    由式（1O）可以很容易导出副回路的闭环频率特性W_c2（jw）为

       （11）

   根据式（1O）和式（11），将副回路在开环和闭环下的频率特性绘于图3，图中|W₂|，φ₂和|W₂|，φ_c2是副回路分别在开环和闭环下的幅频相频特性。可以看到，闭环副回路的相角滞后总是小于开环时的相角滞后，因此组成串级系统后就自然地提高了工作频率，使控制品质得到改善。

   由图3可见，闭环副回路的增益可能大于或小于开环时的增益，这取决于输入信号的周期。当Td1/Td2较大时，闭环副回路增益将小于开环时的增益。此时若组成串级系统，可以加大主调节器的增益，应当指出，在T_d1/T_d2>5以后，闭环副回路增益接近1.O，相角接近O°，即当1足够大时，可以把副回路等效成为一个增益为1的放大环节，形成1:1的随动系统。也就是说，对于慢速的系统，定位器的使用会取得令人满意的效果。然而在T_d1减小时，闭环副回路的增益增加而开环时的增益却要下降，此时若闭合副回路，主调节器的增益就不得不减少，在这种情况下组成串级控制系统将会降低系统的性能。因此，为了保持串级控制系统的控制性能，要避免闭环副回路的高增益区，即主、副回路自然振动周期比T_d1/T_d2=1~3的区域。换言之，应该使主回路周期T_d1小于T_d2或大于3倍的T_d2。考虑到副环总是一个快速、灵敏的回路，T_d1不可能小于T_d2，因此上述条件可以用下列不等式来描述，即

   T_d1>3T_d2     （12）

   这个结论是从发挥串级系统特点的角度得到的。此外，还应根据主、副回路之间的动态关系来分析。由于主、副回路是两个相互独立又密切相关的回路，在一定条件下，如果受到某种干扰的作用，主参数的变化进入副环时会引起副环中副参数波动振幅的增加，而副参数的变化传送到主环后，又迫使主参数的变化幅度增加，如此循环往复，就会使主、副参数长时间地大幅度地波动，这就是所谓串级系统的共振现象。因此，为避免主、副回路之间的共振现象，也要求主、副回路的周期成一定的比例。串级系统的共振条件可以通过其幅频特性来分析，先假定其主、副回路都是二阶系统，结论与上述分析是一致的。为了确保串级系统不受共振现象的影响，一般地，取T_d1=（3~10）T_d2。

   上述结论虽然是在假定主、副回路均是二阶系统的前提下得到的，但也不失其一般性。原因是系统经过整定后，总有一对起主导作用的极点，整个回路的工作频率由它们来决定，即可以把这个系统看作一个近似二阶振荡系统^[1]。

   应用阀门定位器对提高系统的调节品质是有利的，但必须避免共振。解决的办法是设法改善和提高阀门的性能，减小阀杆的摩擦，或改用增速继动器取代定位器。对于快速响应的系统，或者改用增速继动器，或者采用响应速度更快的执行机构，从而拉开主副环的时间常数，避开共振区。   

（图中所示：EP8000阀门定位器）