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气动薄膜调节阀工作特性对调节系统的影响

气动薄膜调节阀工作特性对调节系统的影响

 气动薄膜调节阀是一种常见的调节机构,由于其安全、可靠的工作性能,在发电厂中得到广泛的应用。但调节阀存在死区和回程误差较大的问题,它会造成调节阀流量特性的变化,使调节阀的调节性能下降。如果它的流量特性恶化到一定的程度,可能导致控制回路失去控制能力。在实际调试中,可经过分析和研究,采取一些处理办法,较好地解决该问题。下面将就调节阀误差的原因和其工作特性对控制回路的影响进行探讨。

   一、调节阀工作原理及误差原因

    气动薄膜调节阀的种类很多,下面以FisherControlValve公司的667MO-EHF型气动簿膜调节阀为例来进行讨论。

    1、气动薄膜调节阀的组成和工作原理

   该阀门的工作行程为22.23mm,气关式工作,带电、气信号(I/P)转换器和气动

      2、 阀门定位器和反馈机构

   假设阀门本身无摩擦阻力,则阀门本身将无回程误差。在这种情况下,工作气源压力与阀门的行程是线性关系。但是,由于反馈机构连杆的弹性变形及间隙的存在,以及阀门定位器的转换与平衡机构的机械连接等原因,因此不可避免地会存在回程误差。

   假设在控制气源压力为P′时,阀门下行程为d1,工作气源压力为P1;上行程为d2,工作气源压力为P2,有(8)式存在:

   AP=kθ=k′k(d+Δd1)=k′k(d-Δd2)    (8)

   式中θ-阀门定位器拐臂的转角;k′-阀门行程对转角的转换系数;Δd1、Δd2-位移补偿量。

   位移补偿量用来补偿变形和间隙等,使阀门定位器的转换机构达到乎衡。因此,反馈机构和定位器所产生的回程误差为:

    Δd=Δd1+Δd2    (9)

   在上面的关系中,如果反馈机构的连杆强度高、刚性大,连接部分的间隙小,则上、下行程的位移补偿量Δd1+Δd2也小,所造成的回程误差也小。

   从阀门定位器和位反装置与反馈机构连杆的连接情况看,它们连接在同一根反馈连杆上。反馈杆受到X和Z方向的扭力矩,迫使反馈杆弯曲变形。在X,Z方向的扭力矩分别为从Nx=F1a+F2lx,Nz=F2b+F1lz。F1、F2:可由(10)式确定:

    F1=N1/r1;F2=N2/r2    (10)

   N1,N2从是定位器和反馈装置的阻力矩,决定于定位器和反馈装置的性能。可知,由于阀门的行程小,需要减小拐臂的半径;r1、r2以增大定位器和反馈装置的放大系数时,F1、F2将成反比增加。如果r1缩小为原来的n1r1、r2缩小为原来的n2r2时,则:

   Nx=aN1/n1r1+N2(lx+(1-n2)r2)/n2r2      (11)

   Nz=bN2/n2r2+N1(lz+(1-n1)r1)/n1r1      (12)

   从(11),(12)式可以看出。扭力矩的增加不只是原来的1/n1、1/n2,而是要大。这就是在调试当中,当我们移动连杆位置以增大拐臂的转角时,阀门的动作死区和回程误差大大增加的原因。实际上这种误差也是阀门误差的主要因素。因此,为了减小误差,(1)连杆机构应尽量短,把定位器和位置反馈装置分开,用2根反馈杆分别连接,以减小反馈杆的扭力矩;(2)采用刚度大、不易挠曲的材料,在扭力矩较大时,反馈杆产生的弯曲变形量小;(3)可以采取加固反馈杆的方法来实现减小变形量的目的。

  二、气动薄膜调节阀产生误差的因素

   1、 阀门本身的因素

   假设工作气源的压力为P1,阀门下行程时的开度为d1,而上行程时的开度为d2,则阀门在平衡状态下有关系如式(1),(2)所示:

   下行程时:AP=Kd1+f+aΔP1    (1)
   上行程时:AP=Kd2+f+aΔP2    (2)

    式中A-膜片的面积;
        K-弹簧的弹性系数;
        f-阀杆与密封套之间的摩擦力;
        a-阀芯的有效面积;

    ΔP1、ΔP2-阀芯的上、下压差。

    则有:

   K(d2-d1)=2f+(ΔP1-ΔP2)    (3)

    因此阀门上、下行程的回程误差:

   Δd=(d2-d1)=(2f+ΔP1-ΔP2)/K    (4)

   如果阀芯的上、下行程压差在d2、d1变化很小时,上式可简化为:

    Δd=2f/ K     (5)

   但是一般说来,ΔP不随阀门开度的变化而变化,它只是阀门的1种理想的流量特性,在阀门实际的工作流量特性下,ΔP是随阀门开度的变化而改变的。因此,阀门的回程误差还要大一些。

    弹簧的弹性系数由(6)式确定:

   K=(πr2Pmax-f)/dmax    (6)

    代入(5)式得:

   Δd=2fdmax/(πr2Pmax-f)             (7)

    当阀门行程dmax=21mm,膜片半径r=200mm,Pmax=0.196MPa,则

    e=Δd/dmax

   从上式可以看出,阀杆的摩擦力越小,阀芯的上、下压差越小,则阀门的回程误差越小。所以,在实际调试中,应尽量保持阀门动作的灵活性,把阀门的自身阻力减小到最小程度。

    三、电-气信号转换器(I/P)所产生的误差

   I/P转换器是把4~20mA控制信号转换为41.34~206.70kPa控制气源信号的装置,它是一个线性转换装置。虽然因线圈铁芯、气动喷嘴和力平衡机构等因素而存在一些非线性误差,但是这种误差很小,转换器的转换精确度可达到0.25%以上。通过实际试验,I/P转换器的回程误差对整个阀门的综合误差影响很小。

    四、流量特性对调节回路的影响

   控制系统中的非线性环节,有饱和特性、死区特性、继电器特性、间隙特性等4种类型。典型的非线性环节不能进行线性化处理,它们对控制系统的性能会带来不利的影响。间隙特性可以引起系统不稳定,死区特性会使系统产生稳态误差等。就气动薄膜调节阀的工作特性来看,它具有死区、滞环的非线性特性在内。一般说来,阀门的非线性成分较小,因此可以用近似的比例环节来分析线性阀门特性。在控制回路的分析和校正计算中,作为调节机构的阀门就以比例环节来表示。但是,如果阀门的死区和回程误差很大时,这种近似会产生很大的误差,会严重恶化控制系统的调节品质,因此必须认真对待。

   在使用的薄膜调节阀中,一般都是直线流量特性的调节阀,其相对流量与相对开度是线性关系,即单位相对开度变化所引起的相对流量变化是常数,其微分方程为:

   dq/du=kf             (13)

    积分可得:

   q=kfu+C              (14)

    利用边界条件,可以得出C和kf的值:

   C=Qmin/Qmax                (15)

   Kf=1-Qmin/Qmax             (16)

    所以:

   q=[1+(R-1)u]/R         (17)

    式中R-调节阀的可调范围。

    (17)式中:

   R=Qmax/Qmin     (18)

   如果调节阀的可调最小流量为最大流量的2%~4%,则R的取值为25~50。当R=40时,流量特性方程为:

   q=0.024+0.975u       (19)

   在调节阀的工作特性上,一方面因通流面积的变化会使阀芯前、后的压差发生变化,另一方面阀门存在回程误差及阀门响应迟缓,都会使阀门的工作流量特性发生畸变,在流量特性中包含非线性成分。因此,调节阀的实际特性应是线性环节和1个非线性环节的综合。其控制系统的组成框图如图2所示。

    由于死区和回程误差的存在,流量特性由实线部分畸变成虚线部分,存在滞环特性,如图3所示。

   非线性系统的分析方法有描述函数法和相平面分析法。描述函数法是频率分析法在非线性系统上的延伸,可以确定控制系统的稳定性和是否存在极限环,但不能提供确切的时间响应特性。对于确定系统的稳定性来说,描述函数法还是很有帮助的。

   就薄膜调节阀来说,G(s)相当于阀门的线性流量特性,N(E)是死区和回程误差所产生的非线性环节。线性部分的传递函数可表示为:

    G(s)=K/[s(s+1)]     (20)

   非线性部分N(E)可用一个间隙特性来表示,它的正弦输入:X(t)=Esinωt的输出y(t)为:

   
    k--斜率;
    E--输入幅值;
    Δ--死区;
    ω--角频率。

   由y(t)方程,利用傅立叶变换展开式,我们可以求出滞环间隙特性的描述函数N(E),利用根轨迹分析法,由-1/N(E)和G(jω)的2条根轨迹之间的相对位置来分析N(E)对闭环系统稳定性的影响。如果-1/N(E)的轨迹不被G(jω)的轨迹所包围,系统就是稳定的;如果-1/N(E)的轨迹被G(jω)的轨迹所包围,系统是不稳定的;如果存在轨迹交点,系统可能产生持续振荡。阀门的流量特性在S平面的开环频率特性曲线是1条在第3象限以R=K为渐近线的抛物线,它不包含(-1,j0)点,系统是稳定的。在有滞环间隙特性存在后,当斜率k和E/Δ不合适的情况下,可能会出现-1/N(E)曲线与G(jω)曲线的交点,使系统出现振荡。因此,非线性成分的存在,会恶化控制系统的稳定性。 (作者:张新闻  来源:互联网)

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