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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（最常見的執(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)，而與定位器的先進性有關(guān)，西門子、費希爾-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。定位器在此系統(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]

    式（1）可改寫成下面形式：

    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。

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    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)式表達為：

    （1）線性特性（曲線1）

    （2）等百分比（對數(shù)）特性（曲線2）

    （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)先進行了程序設(shè)置，因此只需要通過功能鍵進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，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：

    將式（3）左式代入上式，得：
    
       

    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：

    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。在代入邊界條件時必須注意在整個過程控制系統(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，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，具有較高的經(jīng)濟效益。

    參考文獻

    [1] 解懷仁.智能型電氣閥門定位器[J].化工自動化及儀表，1995，2：51-55.
    [2] 翁維勤，等.過程控制系統(tǒng)及工程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1996，8.

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