氣動調(diào)節(jié)閥是化工生產(chǎn)中最常見的執(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)，為了實現(xiàn)更準(zhǔn)確的控制，大部分都裝有閥門定位器。從本質(zhì)上講閥門定位器是一臺控制器，和執(zhí)行機構(gòu)組成一個簡單控制回路，以克服介質(zhì)的不平衡力和摩擦力等擾動。
本文所指的調(diào)節(jié)閥波動，指在遠程給定信號不變的情況下，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)閥波動不但會造成過程波動，調(diào)節(jié)閥本身也會出現(xiàn)閥桿磨損、填料泄漏等危害。調(diào)節(jié)閥的波動是調(diào)節(jié)閥使用中最棘手的問題之一，隨著智能定位器的大量應(yīng)用，調(diào)節(jié)閥的波動現(xiàn)象更加常見。長期的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，大部分的波動并不是由于定位器本身問題造成的，而是由于控制對象和定位器不匹配引起的，更多的是由于廣義對象的問題造成。本文將從控制系統(tǒng)的角度來分析調(diào)節(jié)閥波動的常見原因。
在調(diào)節(jié)閥選型正確、氣路配置合理、工藝狀況簡單的情況下，定位器的控制對象是簡單的，容易控制的。對直行程調(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。但如果廣義對象和控制器存在不匹配，就容易造成系統(tǒng)的波動。
1　廣義對象的純滯后（時滯）過大
純滯后在過程控制中普遍存在，小的時滯對系統(tǒng)影響不大，當(dāng)過程的純滯后時間與對象的時間常數(shù)之比大于013時，稱為大時滯過程。對大時滯過程，常規(guī)的控制算法很難達到滿意的控制效果，最常見的現(xiàn)象為系統(tǒng)的震蕩，對于調(diào)節(jié)閥對象，造成反饋時滯大的常見原因如下。
1.1　反饋桿（臂）上的彈簧松動或失去彈性

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，在一定的區(qū)間內(nèi)，閥門和反饋桿動作，但反饋臂不動作。對控制器來說，表現(xiàn)為存在較大的時滯，造成定位器的輸出不斷波動，相應(yīng)的閥位也波動。
1.2　摩擦力太大
克服摩擦力是閥門定位器的主要功能之一。調(diào)節(jié)閥的摩擦力主要來自兩個部件：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，就會使閥桿和填料之間的摩擦力過大。在高溫場合，通常用石墨環(huán)與套筒的過盈配合使調(diào)節(jié)閥達到設(shè)計的密封要求，如果過盈量太大或套筒的橢圓度太大，就會使閥芯和套筒的摩擦力太大。由于靜摩擦力遠大于動摩擦力，遠程給定大幅度動作時表現(xiàn)為閥門跳動，也稱爬行。波動的機理如下：當(dāng)遠程信號在突然變化時（即階躍信號），由于摩擦力大使負偏差太大，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閥門動作，由于靜摩擦力大于動摩擦力，閥門超調(diào)，負偏差變?yōu)檎?，反?fù)超調(diào)，系統(tǒng)很難穩(wěn)定下來。針對摩擦力的問題，一些定位器廠商設(shè)計出了高摩擦力算法，這種算法大大減小調(diào)節(jié)閥波動現(xiàn)象的發(fā)生。
2　對象的上行程和下行程特性不對稱
上行程和下行程不對稱是調(diào)節(jié)閥對象中非常普遍的現(xiàn)象，廣泛應(yīng)用的氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)的一側(cè)為彈簧驅(qū)動，另一側(cè)為氣壓驅(qū)動，這會造成上下行程不對稱。正常情況下，這種不對稱是輕微的，不會造成波動現(xiàn)象，當(dāng)出現(xiàn)膜片泄漏等異常時，這種不對稱加劇，造成閥位的波動。一些定位器廠商針對這種特性，設(shè)計出了上下不對稱的PID算法，這種算法中上下行程的增益、積分時間、微分可以分別調(diào)節(jié)。比較嚴重的不對稱主要是由于一些氣動元件的進氣和排氣速度不一樣造成的，常見的元件有升壓繼動器和快速排放閥。
2.1　升壓繼動器
升壓繼動器本質(zhì)上是一種氣動的流量放大器，用來提高執(zhí)行機構(gòu)的動作速度，典型應(yīng)用如圖2所示。升壓繼動器造成不對稱的原因有：①進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，兩個壓差之間有時差別很大；②定位器在小流量時排氣和進氣的不對稱被放大。

2.2　快速排放閥
快速排放閥一般用于對閥一個方向的動作速度有特殊要求的場合，要求電磁閥動作時閥在1s之內(nèi)全開或全關(guān)，這樣造成開和關(guān)的動作嚴重不對稱，很容易造成調(diào)節(jié)閥的波動。例如某裝置蒸汽減壓閥（如圖3），離線校驗時出現(xiàn)波動問題，通過減小高性能增益可以消除波動；某次檢修后調(diào)校時發(fā)現(xiàn)，波動非常嚴重，用各種常規(guī)的方法均無法消除，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，快速排放閥不動作，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
對于一個單回路控制系統(tǒng)，增益太小會造成響應(yīng)速度慢，余差增大，而增益太大則會造成系統(tǒng)等幅振蕩甚至發(fā)散振蕩。增益太大造成閥波動比較常見，多數(shù)情況能夠在離線調(diào)校時發(fā)現(xiàn)，并進行相應(yīng)處理。如某裝置工藝冷凝液進料閥在調(diào)校過程中發(fā)現(xiàn)閥在10%范圍內(nèi)波動，該閥的定位器為Fisher5010智能定位器，對其重新初始化后仍然波動，檢查組態(tài)參數(shù)發(fā)現(xiàn)其動態(tài)響應(yīng)參數(shù)設(shè)在H，將該參數(shù)改為E后，波動消除，余差在0.2%以內(nèi)。
對傳統(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)，很少會因為增益太大造成閥的波動。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)閥波動比較常見。
如某裝置高壓放空閥在離線校驗時，動作正常，投運后開始波動，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區(qū)、短步區(qū)、死區(qū)。在較大的偏差時，位于快速移動區(qū)，定位器中的壓電閥打開，使閥位快速接近設(shè)定值，進入短步區(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)實際上是比例區(qū)；在短步區(qū)相當(dāng)于一個純比例控制器。

該高壓放空閥在管道內(nèi)沒有壓力的情況下，能夠完成初始化，精度達到要求；由于該閥為單座閥，前后壓差高達12MPa，所以不平衡力很大，而且壓力波動較大，即閥投用后對以定位器為控制器的系統(tǒng)來說，干擾較大；向上的不平衡力使對象向上的增益和向下的增益發(fā)生改變，如果某一時間向下的擾動使定位器進入下快速移動區(qū)，而過大的增益使閥又進入上快速移動區(qū)，控制系統(tǒng)的衰減比太小，克服一次擾動的波動時間較長，擾動頻繁造成該閥頻繁波動。
解決的辦法是通過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，在壓力波動時閥位的變化不到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)閥選型時最常見的錯誤，如果CV值選得太小，閥全開時也達不到需要的流量，容易使調(diào)節(jié)閥成為整個裝置的生產(chǎn)瓶頸。為了盡量避免CV值過小的風(fēng)險，設(shè)計時盡量將CV裕量放大，這是調(diào)節(jié)閥流通量選擇太大的最常見的原因，這樣保守的設(shè)計造成遠程控制器的調(diào)節(jié)范圍很小，更大的危害是調(diào)節(jié)閥容易波動。波動的原因是閥門開度在25%以下工作時，過程的增益非常高，很容易使過程進入不穩(wěn)定區(qū)，造成過程的振蕩，而引起閥門的波動。
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，開度在15%左右，與之對應(yīng)的控制器（DCS中的控制點）的增益只有0.1，可見過程的增益很高。該閥在停車時調(diào)校正常，正常生產(chǎn)時有時進入振蕩狀態(tài)，用手輪強行使閥位小于振蕩區(qū)后，再退出手輪，閥門恢復(fù)穩(wěn)定，能正常運行。閥的波動機理如圖5，如果某種擾動引起閥位的增加，由于過程的高增益，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，而這時定位器為了克服擾動輸出減小，執(zhí)行機構(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。這其中存在兩個波動：過程的波動和定位器的波動，如果兩個波動互相耦合，就會造成閥的波動。

根據(jù)實際工況對流通量進行核算，閥全開時CV值為63，即可滿足要求，而原設(shè)計該閥的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償對象特性的非線性，使廣義對象的特性為線性。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。流量特性選擇時最常見的問題是沒有考慮管路阻力對實際流量特性的影響，理想流量特性選擇為線性，實際流量特性為快開，如圖6所示，閥在小開度時增益很大，而大開度時增益減小。造成小開度時容易波動，波動的機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，在小開度時容易發(fā)生波動，擴能改造時對該閥進行了更新，選型過程中引入了壓降比，將閥的特性選為改進的等百分比，改造后未發(fā)生小開度波動現(xiàn)象。
6　結(jié)論
調(diào)節(jié)閥是簡單控制系統(tǒng)的實例，波動也遵守簡單控制系統(tǒng)振蕩、發(fā)散的一般規(guī)律。認真研究對象特性，根據(jù)對象特性相應(yīng)調(diào)整定位器的參數(shù)，或者對難控對象進行改造，波動可以得到消除。