氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥是化工生產(chǎn)中最常見(jiàn)的執(zhí)行元件，在控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥是最薄弱的環(huán)節(jié)，為了實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的控制，大部分都裝有閥門(mén)定位器。從本質(zhì)上講閥門(mén)定位器是一臺(tái)控制器，和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成一個(gè)簡(jiǎn)單控制回路，以克服介質(zhì)的不平衡力和摩擦力等擾動(dòng)。
本文所指的調(diào)節(jié)閥波動(dòng)，指在遠(yuǎn)程給定信號(hào)不變的情況下，調(diào)節(jié)閥的閥位在一定范圍內(nèi)變化的異?，F(xiàn)象。調(diào)節(jié)閥波動(dòng)不但會(huì)造成過(guò)程波動(dòng)，調(diào)節(jié)閥本身也會(huì)出現(xiàn)閥桿磨損、填料泄漏等危害。調(diào)節(jié)閥的波動(dòng)是調(diào)節(jié)閥使用中最棘手的問(wèn)題之一，隨著智能定位器的大量應(yīng)用，調(diào)節(jié)閥的波動(dòng)現(xiàn)象更加常見(jiàn)。長(zhǎng)期的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，大部分的波動(dòng)并不是由于定位器本身問(wèn)題造成的，而是由于控制對(duì)象和定位器不匹配引起的，更多的是由于廣義對(duì)象的問(wèn)題造成。本文將從控制系統(tǒng)的角度來(lái)分析調(diào)節(jié)閥波動(dòng)的常見(jiàn)原因。
在調(diào)節(jié)閥選型正確、氣路配置合理、工藝狀況簡(jiǎn)單的情況下，定位器的控制對(duì)象是簡(jiǎn)單的，容易控制的。對(duì)直行程調(diào)節(jié)閥，其輸入是非線性的；而角行程的調(diào)節(jié)閥，輸入是線性的。但如果廣義對(duì)象和控制器存在不匹配，就容易造成系統(tǒng)的波動(dòng)。
1　廣義對(duì)象的純滯后（時(shí)滯）過(guò)大
純滯后在過(guò)程控制中普遍存在，小的時(shí)滯對(duì)系統(tǒng)影響不大，當(dāng)過(guò)程的純滯后時(shí)間與對(duì)象的時(shí)間常數(shù)之比大于013時(shí)，稱(chēng)為大時(shí)滯過(guò)程。對(duì)大時(shí)滯過(guò)程，常規(guī)的控制算法很難達(dá)到滿意的控制效果，最常見(jiàn)的現(xiàn)象為系統(tǒng)的震蕩，對(duì)于調(diào)節(jié)閥對(duì)象，造成反饋時(shí)滯大的常見(jiàn)原因如下。
1.1　反饋桿（臂）上的彈簧松動(dòng)或失去彈性

圖1所示為Fisher5010定位器的反饋臂，反饋臂上裝有偏置彈簧。正常情況下，反饋桿被偏置彈簧壓在反饋臂的上沿，當(dāng)彈簧安裝不正確或彈簧失去彈性時(shí)，在一定的區(qū)間內(nèi)，閥門(mén)和反饋桿動(dòng)作，但反饋臂不動(dòng)作。對(duì)控制器來(lái)說(shuō)，表現(xiàn)為存在較大的時(shí)滯，造成定位器的輸出不斷波動(dòng)，相應(yīng)的閥位也波動(dòng)。
1.2　摩擦力太大
克服摩擦力是閥門(mén)定位器的主要功能之一。調(diào)節(jié)閥的摩擦力主要來(lái)自兩個(gè)部件：填料和套筒閥的密封環(huán)。如果閥桿不光滑或填料壓得太緊，就會(huì)使閥桿和填料之間的摩擦力過(guò)大。在高溫場(chǎng)合，通常用石墨環(huán)與套筒的過(guò)盈配合使調(diào)節(jié)閥達(dá)到設(shè)計(jì)的密封要求，如果過(guò)盈量太大或套筒的橢圓度太大，就會(huì)使閥芯和套筒的摩擦力太大。由于靜摩擦力遠(yuǎn)大于動(dòng)摩擦力，遠(yuǎn)程給定大幅度動(dòng)作時(shí)表現(xiàn)為閥門(mén)跳動(dòng)，也稱(chēng)爬行。波動(dòng)的機(jī)理如下：當(dāng)遠(yuǎn)程信號(hào)在突然變化時(shí)（即階躍信號(hào)），由于摩擦力大使負(fù)偏差太大，定位器的積分作用使輸出不斷增大，當(dāng)增大到足夠克服靜摩擦力時(shí)閥門(mén)動(dòng)作，由于靜摩擦力大于動(dòng)摩擦力，閥門(mén)超調(diào)，負(fù)偏差變?yōu)檎?，反?fù)超調(diào)，系統(tǒng)很難穩(wěn)定下來(lái)。針對(duì)摩擦力的問(wèn)題，一些定位器廠商設(shè)計(jì)出了高摩擦力算法，這種算法大大減小調(diào)節(jié)閥波動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生。
2　對(duì)象的上行程和下行程特性不對(duì)稱(chēng)
上行程和下行程不對(duì)稱(chēng)是調(diào)節(jié)閥對(duì)象中非常普遍的現(xiàn)象，廣泛應(yīng)用的氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的一側(cè)為彈簧驅(qū)動(dòng)，另一側(cè)為氣壓驅(qū)動(dòng)，這會(huì)造成上下行程不對(duì)稱(chēng)。正常情況下，這種不對(duì)稱(chēng)是輕微的，不會(huì)造成波動(dòng)現(xiàn)象，當(dāng)出現(xiàn)膜片泄漏等異常時(shí)，這種不對(duì)稱(chēng)加劇，造成閥位的波動(dòng)。一些定位器廠商針對(duì)這種特性，設(shè)計(jì)出了上下不對(duì)稱(chēng)的PID算法，這種算法中上下行程的增益、積分時(shí)間、微分可以分別調(diào)節(jié)。比較嚴(yán)重的不對(duì)稱(chēng)主要是由于一些氣動(dòng)元件的進(jìn)氣和排氣速度不一樣造成的，常見(jiàn)的元件有升壓繼動(dòng)器和快速排放閥。
2.1　升壓繼動(dòng)器
升壓繼動(dòng)器本質(zhì)上是一種氣動(dòng)的流量放大器，用來(lái)提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作速度，典型應(yīng)用如圖2所示。升壓繼動(dòng)器造成不對(duì)稱(chēng)的原因有：①進(jìn)氣速度受氣源壓力和膜頭（氣缸）壓差的影響，而排氣速度受膜頭壓力的影響，兩個(gè)壓差之間有時(shí)差別很大；②定位器在小流量時(shí)排氣和進(jìn)氣的不對(duì)稱(chēng)被放大。

2.2　快速排放閥
快速排放閥一般用于對(duì)閥一個(gè)方向的動(dòng)作速度有特殊要求的場(chǎng)合，要求電磁閥動(dòng)作時(shí)閥在1s之內(nèi)全開(kāi)或全關(guān)，這樣造成開(kāi)和關(guān)的動(dòng)作嚴(yán)重不對(duì)稱(chēng)，很容易造成調(diào)節(jié)閥的波動(dòng)。例如某裝置蒸汽減壓閥（如圖3），離線校驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)波動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)減小高性能增益可以消除波動(dòng)；某次檢修后調(diào)校時(shí)發(fā)現(xiàn)，波動(dòng)非常嚴(yán)重，用各種常規(guī)的方法均無(wú)法消除，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，快速排放閥不動(dòng)作，造成上行速度慢，下行速度快。

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3　控制器的增益太大
對(duì)于一個(gè)單回路控制系統(tǒng)，增益太小會(huì)造成響應(yīng)速度慢，余差增大，而增益太大則會(huì)造成系統(tǒng)等幅振蕩甚至發(fā)散振蕩。增益太大造成閥波動(dòng)比較常見(jiàn)，多數(shù)情況能夠在離線調(diào)校時(shí)發(fā)現(xiàn)，并進(jìn)行相應(yīng)處理。如某裝置工藝?yán)淠哼M(jìn)料閥在調(diào)校過(guò)程中發(fā)現(xiàn)閥在10%范圍內(nèi)波動(dòng)，該閥的定位器為Fisher5010智能定位器，對(duì)其重新初始化后仍然波動(dòng)，檢查組態(tài)參數(shù)發(fā)現(xiàn)其動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)設(shè)在H，將該參數(shù)改為E后，波動(dòng)消除，余差在0.2%以內(nèi)。
對(duì)傳統(tǒng)定位器控制的調(diào)節(jié)閥，由于控制器的增益不可調(diào)節(jié)，很少會(huì)因?yàn)樵鲆嫣笤斐砷y的波動(dòng)。在智能定位器中為了提高控制精度，提高控制的靈活性，幾乎所有品牌的定位器增益都是可調(diào)的。所以，在智能定位器控制的調(diào)節(jié)閥中，增益太大造成的調(diào)節(jié)閥波動(dòng)比較常見(jiàn)。
如某裝置高壓放空閥在離線校驗(yàn)時(shí)，動(dòng)作正常，投運(yùn)后開(kāi)始波動(dòng)，該閥用Siemens Sipart 2定位器，控制原理如圖4所示。根據(jù)偏差的大小，將控制方式分為快速移動(dòng)區(qū)、短步區(qū)、死區(qū)。在較大的偏差時(shí)，位于快速移動(dòng)區(qū)，定位器中的壓電閥打開(kāi)，使閥位快速接近設(shè)定值，進(jìn)入短步區(qū)；在短步區(qū)，用脈沖寬度調(diào)節(jié)的方式控制，脈沖的寬度由最小脈沖和偏差的乘積得到，短步區(qū)實(shí)際上是比例區(qū)；在短步區(qū)相當(dāng)于一個(gè)純比例控制器。

該高壓放空閥在管道內(nèi)沒(méi)有壓力的情況下，能夠完成初始化，精度達(dá)到要求；由于該閥為單座閥，前后壓差高達(dá)12MPa，所以不平衡力很大，而且壓力波動(dòng)較大，即閥投用后對(duì)以定位器為控制器的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，干擾較大；向上的不平衡力使對(duì)象向上的增益和向下的增益發(fā)生改變，如果某一時(shí)間向下的擾動(dòng)使定位器進(jìn)入下快速移動(dòng)區(qū)，而過(guò)大的增益使閥又進(jìn)入上快速移動(dòng)區(qū)，控制系統(tǒng)的衰減比太小，克服一次擾動(dòng)的波動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，擾動(dòng)頻繁造成該閥頻繁波動(dòng)。
解決的辦法是通過(guò)HART協(xié)議的手操器改變定位器的設(shè)置，增加短步區(qū)的范圍，減小最小脈寬，使控制器的增益減小，調(diào)整后在壓力穩(wěn)定的情況下閥位的偏差在0.2%以下，在壓力波動(dòng)時(shí)閥位的變化不到1%，而且很快恢復(fù)穩(wěn)定。
4　閥的流通量選擇太大
流通量選擇太大是調(diào)節(jié)閥選型時(shí)最常見(jiàn)的錯(cuò)誤，如果CV值選得太小，閥全開(kāi)時(shí)也達(dá)不到需要的流量，容易使調(diào)節(jié)閥成為整個(gè)裝置的生產(chǎn)瓶頸。為了盡量避免CV值過(guò)小的風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)盡量將CV裕量放大，這是調(diào)節(jié)閥流通量選擇太大的最常見(jiàn)的原因，這樣保守的設(shè)計(jì)造成遠(yuǎn)程控制器的調(diào)節(jié)范圍很小，更大的危害是調(diào)節(jié)閥容易波動(dòng)。波動(dòng)的原因是閥門(mén)開(kāi)度在25%以下工作時(shí)，過(guò)程的增益非常高，很容易使過(guò)程進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)，造成過(guò)程的振蕩，而引起閥門(mén)的波動(dòng)。
如某裝置調(diào)節(jié)閥，安裝在尿素溶液泵的出口，正常工況下，開(kāi)度在15%左右，與之對(duì)應(yīng)的控制器（DCS中的控制點(diǎn)）的增益只有0.1，可見(jiàn)過(guò)程的增益很高。該閥在停車(chē)時(shí)調(diào)校正常，正常生產(chǎn)時(shí)有時(shí)進(jìn)入振蕩狀態(tài)，用手輪強(qiáng)行使閥位小于振蕩區(qū)后，再退出手輪，閥門(mén)恢復(fù)穩(wěn)定，能正常運(yùn)行。閥的波動(dòng)機(jī)理如圖5，如果某種擾動(dòng)引起閥位的增加，由于過(guò)程的高增益，較小的閥位增加引起了流量的大幅增加，管道壓力突然下降，閥芯受力突然下降，而這時(shí)定位器為了克服擾動(dòng)輸出減小，執(zhí)行機(jī)構(gòu)向下的力增加；兩種力方向相同，使閥位迅速減小，管道壓力增加，閥芯受力突然增加。這其中存在兩個(gè)波動(dòng)：過(guò)程的波動(dòng)和定位器的波動(dòng)，如果兩個(gè)波動(dòng)互相耦合，就會(huì)造成閥的波動(dòng)。

根據(jù)實(shí)際工況對(duì)流通量進(jìn)行核算，閥全開(kāi)時(shí)CV值為63，即可滿足要求，而原設(shè)計(jì)該閥的CV值為430。該閥為套筒閥，制造商最小的CV值只能做到175，將原套筒更換為CV值為175的套筒后，閥的運(yùn)行非常穩(wěn)定。
5　調(diào)節(jié)閥的流量特性選擇不合適
調(diào)節(jié)閥流量特性選擇的目標(biāo)是使閥的特性正好能夠補(bǔ)償對(duì)象特性的非線性，使廣義對(duì)象的特性為線性。由于管道的壓降比一般小于1，使閥的流量特性發(fā)生畸變，實(shí)際流量特性和理想流量特性之間存在差異。流量特性選擇時(shí)最常見(jiàn)的問(wèn)題是沒(méi)有考慮管路阻力對(duì)實(shí)際流量特性的影響，理想流量特性選擇為線性，實(shí)際流量特性為快開(kāi)，如圖6所示，閥在小開(kāi)度時(shí)增益很大，而大開(kāi)度時(shí)增益減小。造成小開(kāi)度時(shí)容易波動(dòng)，波動(dòng)的機(jī)理和流通量選擇太大一樣。

例如，某裝置防喘振閥，流量特性為線性，在小開(kāi)度時(shí)容易發(fā)生波動(dòng)，擴(kuò)能改造時(shí)對(duì)該閥進(jìn)行了更新，選型過(guò)程中引入了壓降比，將閥的特性選為改進(jìn)的等百分比，改造后未發(fā)生小開(kāi)度波動(dòng)現(xiàn)象。
6　結(jié)論
調(diào)節(jié)閥是簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的實(shí)例，波動(dòng)也遵守簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)振蕩、發(fā)散的一般規(guī)律。認(rèn)真研究對(duì)象特性，根據(jù)對(duì)象特性相應(yīng)調(diào)整定位器的參數(shù)，或者對(duì)難控對(duì)象進(jìn)行改造，波動(dòng)可以得到消除。