1 前言
電(dian)動(dong)調(tiao)節(jie)閥(fa)通(tong)常(chang)作(zuo)為(wei)自(zi)動(dong)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)的(de)一(yi)個(ge)組(zu)成(cheng)部(bu)分(fen)，被(bei)用(yong)來(lai)對(dui)氣(qi)體(ti)的(de)流(liu)量(liang)或(huo)壓(ya)力(li)進(jin)行(xing)調(tiao)節(jie)。但(dan)是(shi)電(dian)動(dong)調(tiao)節(jie)閥(fa)的(de)輸(shu)入(ru)和(he)輸(shu)出(chu)之(zhi)間(jian)的(de)關(guan)係(xi)很(hen)難(nan)用(yong)一(yi)個(ge)準(zhun)確(que)的(de)數(shu)字(zi)模(mo)型(xing)來(lai)描(miao)述(shu)。這(zhe)不(bu)僅(jin)是(shi)由(you)於(yu)閥(fa)門(men)輸(shu)出(chu)特(te)性(xing)的(de)非(fei)線(xian)性(xing)，而(er)其(qi)由(you)於(yu)流(liu)過(guo)閥(fa)門(men)氣(qi)體(ti)的(de)流(liu)量(liang)和(he)閥門前(qian)後(hou)的(de)壓(ya)降(jiang)互(hu)相(xiang)影(ying)響(xiang)難(nan)以(yi)計(ji)算(suan)。以(yi)流(liu)量(liang)控(kong)製(zhi)為(wei)例(li)，當(dang)閥(fa)門(men)前(qian)後(hou)壓(ya)力(li)固(gu)定(ding)時(shi)流(liu)量(liang)僅(jin)與(yu)閥(fa)門(men)的(de)開(kai)度(du)有(you)關(guan)，但(dan)在(zai)大(da)多(duo)數(shu)情(qing)況(kuang)下(xia)，當(dang)閥(fa)門(men)的(de)閥(fa)位(wei)變(bian)化(hua)時(shi)，閥(fa)門(men)前(qian)後(hou)壓(ya)力(li)也(ye)會(hui)隨(sui)之(zhi)變(bian)化(hua)，這(zhe)就(jiu)時(shi)流(liu)量(liang)增(zeng)益(yi)的(de)計(ji)算(suan)十(shi)分(fen)困(kun)難(nan)。事(shi)實(shi)上(shang)，由(you)於(yu)閥(fa)門(men)前(qian)後(hou)的(de)壓(ya)力(li)在(zai)擾(rao)動(dong)因(yin)素(su)的(de)作(zuo)用(yong)下(xia)也(ye)會(hui)發(fa)生(sheng)波(bo)動(dong)從(cong)而(er)引(yin)起(qi)流(liu)量(liang)的(de)變(bian)化(hua)，流(liu)過(guo)閥(fa)門(men)氣(qi)體(ti)的(de)流(liu)量(liang)與(yu)閥(fa)門(men)的(de)開(kai)度(du)不(bu)存(cun)在(zai)一(yi)一(yi)對(dui)應(ying)的(de)關(guan)係(xi)。由(you)於(yu)數(shu)學(xue)模(mo)型(xing)的(de)不(bu)確(que)定(ding)，直(zhi)接(jie)以(yi)閥(fa)板(ban)的(de)開(kai)度(du)作(zuo)為(wei)操(cao)縱(zong)變(bian)量(liang)不(bu)能(neng)很(hen)好(hao)地(di)滿(man)足(zu)係(xi)統(tong)的(de)要(yao)求(qiu)，甚(shen)至(zhi)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)事(shi)故(gu)的(de)發(fa)生(sheng)。然(ran)後(hou)盡(jin)管(guan)閥(fa)門(men)的(de)開(kai)度(du)與(yu)流(liu)量(liang)或(huo)壓(ya)降(jiang)之(zhi)間(jian)的(de)解(jie)析(xi)關(guan)係(xi)不(bu)易(yi)得(de)到(dao)，但(dan)是(shi)借(jie)助(zhu)測(ce)量(liang)儀(yi)表(biao)卻(que)可(ke)以(yi)方(fang)便(bian)地(di)對(dui)閥(fa)門(men)在(zai)某(mou)一(yi)開(kai)度(du)下(xia)的(de)流(liu)量(liang)或(huo)壓(ya)降(jiang)進(jin)行(xing)測(ce)量(liang)。
針(zhen)對(dui)閥(fa)門(men)的(de)輸(shu)出(chu)易(yi)測(ce)量(liang)不(bu)宜(yi)計(ji)算(suan)的(de)特(te)點(dian)，步(bu)進(jin)式(shi)控(kong)製(zhi)不(bu)直(zhi)接(jie)對(dui)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)響(xiang)應(ying)，而(er)是(shi)分(fen)若(ruo)幹(gan)個(ge)固(gu)定(ding)的(de)步(bu)長(chang)，使(shi)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)一(yi)步(bu)一(yi)步(bu)地(di)逼(bi)近(jin)設(she)定(ding)量(liang)。在(zai)閥(fa)板(ban)轉(zhuan)動(dong)一(yi)個(ge)步(bu)長(chang)之(zhi)後(hou)都(dou)對(dui)閥(fa)門(men)的(de)流(liu)量(liang)或(huo)壓(ya)降(jiang)進(jin)行(xing)一(yi)次(ci)測(ce)量(liang)，控(kong)製(zhi)計(ji)算(suan)機(ji)根(gen)據(ju)測(ce)量(liang)值(zhi)和(he)設(she)定(ding)值(zhi)比(bi)較(jiao)的(de)結(jie)果(guo)，確(que)定(ding)下(xia)一(yi)步(bu)閥(fa)板(ban)轉(zhuan)動(dong)的(de)方(fang)向(xiang)，直(zhi)至(zhi)測(ce)量(liang)值(zhi)與(yu)設(she)定(ding)值(zhi)的(de)差(cha)值(zhi)小(xiao)於(yu)規(gui)定(ding)誤(wu)差(cha)時(shi)為(wei)止(zhi)。
2 步進式控製的程序設計和參數設定
步進式控製的程序設計不涉及數學模型的分析和求解，因而相對比較簡單，一般用梯形圖就可以實現。程序設計框圖見圖1。在(zai)程(cheng)序(xu)設(she)計(ji)中(zhong)需(xu)要(yao)設(she)定(ding)兩(liang)個(ge)參(can)數(shu)，及(ji)步(bu)長(chang)和(he)采(cai)樣(yang)周(zhou)期(qi)。這(zhe)兩(liang)個(ge)參(can)數(shu)對(dui)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)的(de)精(jing)度(du)和(he)響(xiang)應(ying)速(su)度(du)影(ying)響(xiang)較(jiao)大(da)，設(she)定(ding)時(shi)應(ying)綜(zong)合(he)考(kao)慮(lv)係(xi)統(tong)對(dui)控(kong)製(zhi)精(jing)度(du)和(he)響(xiang)應(ying)速(su)度(du)的(de)要(yao)求(qiu)。
圖1 步進式控製的程序框圖
2.1 步長的設定
電動執行機構可簡化為由繼電環節和傳遞函數兩部分組成的閉環控製係統，如圖2所示。這個閉環控製係統是以電壓信號Us（即I/V轉換後的信號）為輸入，位置反饋信號Uf為輸出。隻要|e|>h，伺服電機就會得到大小為Ua的供電電壓。這時的前向傳遞函數為：
式中，m為|e|>h開始的時刻，n為|e|>h結束的時刻。
對式(1)進行拉氏反變換，可以得到位置反饋信號 Uf，即閥板位置的變化規律為：
圖2 電動執行機構原理
當步長較大，一個步長所經曆的時間較長時，式中的非線性項e-(t-m) 和e-(t-n) 對dui響xiang應ying速su度du的de影ying響xiang較jiao小xiao。反fan之zhi非fei線xian性xing因yin素su對dui響xiang應ying速su度du的de影ying響xiang較jiao大da。由you此ci可ke見jian，步bu長chang越yue小xiao，控kong製zhi精jing度du越yue高gao，但dan響xiang應ying速su度du越yue慢man。步bu長chang的de設she定ding可ke以yi在zai係xi統tong的de調tiao試shi過guo程cheng中zhong根gen據ju對dui控kong製zhi對dui象xiang的de測ce量liang結jie果guo進jin行xing，閥fa板ban轉zhuan動dong一yi個ge步bu長chang所suo引yin起qi的de流liu量liang或huo壓ya降jiang的de最zui大da變bian化hua量liang略lve小xiao於yu係xi統tong允yun許xu餘yu差cha的de 2 倍即可。
2.2 采樣周期的設定
caiyangzhouqideshedingqujueyubuchangdesheding。buchangyueda，fabanzhuandongyigebuchangshikongzhiduixiangcongyigewendingzhuangtaiguodudaoxiayigewendingzhuangtaisuojinglideshijianyuechang，xiangyingdeyexuyaojiaochangdecaiyangshijian。caiyangzhouqideshedingyekeyizaixitongdetiaoshiguochengzhongjinxing，caiyangzhouqiyinglvechangyufabanzhuandongyigebuchangsuoyinqidefamendeshuchudebianhuadadaowendingzhisuoxuyaodezuichangshijian。
3 步進式控製的控製性能分析
3.1 餘差
步(bu)進(jin)控(kong)製(zhi)法(fa)德(de)餘(yu)差(cha)與(yu)步(bu)長(chang)的(de)設(she)置(zhi)有(you)關(guan)。如(ru)果(guo)按(an)照(zhao)一(yi)個(ge)步(bu)長(chang)所(suo)引(yin)起(qi)的(de)被(bei)空(kong)置(zhi)量(liang)的(de)最(zui)大(da)變(bian)化(hua)量(liang)略(lve)小(xiao)於(yu)靜(jing)態(tai)允(yun)差(cha)的(de)原(yuan)則(ze)設(she)置(zhi)步(bu)長(chang)，則(ze)不(bu)論(lun)電(dian)動(dong)調(tiao)節(jie)閥(fa)用(yong)於(yu)穩(wen)定(ding)係(xi)統(tong)還(hai)是(shi)用(yong)於(yu)跟(gen)隨(sui)係(xi)統(tong)，其(qi)輸(shu)出(chu)的(de)餘(yu)差(cha)都(dou)不(bu)會(hui)大(da)於(yu)係(xi)統(tong)的(de)靜(jing)態(tai)允(yun)差(cha)。
3.2 超調
由於計算機輸出的是固定的小增量，並且對應於每一個這樣的小增量控製對象的變化量不大於靜態允差的2倍。故采用步進控製法閥門輸出的超調量在數值上不大於係統的靜態允差。
3.3 響應速度和過渡時間
因(yin)為(wei)閥(fa)門(men)執(zhi)行(xing)機(ji)構(gou)中(zhong)慣(guan)性(xing)等(deng)因(yin)素(su)的(de)存(cun)在(zai)，使(shi)閥(fa)門(men)在(zai)開(kai)閉(bi)過(guo)程(cheng)中(zhong)存(cun)在(zai)非(fei)線(xian)性(xing)。按(an)照(zhao)常(chang)規(gui)的(de)控(kong)製(zhi)規(gui)律(lv)閥(fa)門(men)每(mei)次(ci)在(zai)運(yun)動(dong)持(chi)續(xu)的(de)時(shi)間(jian)較(jiao)長(chang)，非(fei)線(xian)性(xing)的(de)影(ying)響(xiang)往(wang)往(wang)可(ke)以(yi)忽(hu)略(lve)不(bu)計(ji)。
zaibujinshikongzhizhong，famendeshuchudadaoshedingliangxuyaotongguoruoganbuchangcainengwancheng。zhengshiyouyumeiyibuzhongfeixianxingxiangdeleijiyingxiang，shidebujinshikongzhidexiangyingsudubiqitakongzhifangshiman，guodushijianchang。bingqiekongzhijingduyuegaoxiangyingsuduyueman。tu3是假定閥門增益為常量3，繼電環節輸出Ua為0.01，執行機構傳遞函數為1/N(s+1)，選取步長為0.01，采樣周期為8s，步進式控製對單位階躍輸入的響應速度與直接響應法得到相同輸出穩態值時的響應速度比較的simulink仿真圖（圖3）。從圖中可以看出前者的過渡時間約260s，而後者的過渡時間僅約80s，二者的響應速度相差2倍以上。
圖3 步進式控製響應速度的比較
4 步進式控製的應用
濟鋼500t pd環huan形xing套tao筒tong石shi灰hui窯yao使shi用yong轉zhuan爐lu煤mei氣qi生sheng產chan煉lian鋼gang用yong活huo性xing石shi灰hui，對dui應ying一yi定ding的de生sheng產chan率lv，要yao求qiu單dan位wei時shi間jian內nei進jin入ru石shi灰hui窯yao的de煤mei氣qi的de總zong發fa熱re量liang基ji本ben保bao持chi恒heng定ding。由you於yu煤mei氣qi的de熱re值zhi波bo動dong範fan圍wei較jiao大da，需xu要yao根gen據ju生sheng產chan率lv和he煤mei氣qi的de熱re值zhi以yi及ji該gai生sheng產chan率lv下xia單dan位wei產chan品pin的de熱re耗hao計ji算suan出chu對dui應ying的de煤mei氣qi流liu量liang。通tong過guo控kong製zhi煤mei氣qi流liu量liang來lai穩wen定ding入ru窯yao煤mei氣qi的de總zong發fa熱re量liang。運yun用yong步bu進jin式shi控kong製zhi方fang法fa，通tong過guo煤mei氣qi總zong管guan電dian動dong調tiao節jie閥fa對dui煤mei氣qi流liu量liang進jin行xing調tiao節jie。首shou先xian根gen據ju工gong藝yi需xu要yao將jiang煤mei氣qi流liu量liang偏pian差cha的de允yun許xu值zhi設she定ding為wei ±100m3/h，煤氣流量在這個範圍內波動對石灰的焙燒工藝沒有明顯影響。然後按照2.1和2.2所述的方法將步長值設置為閥板總開度的3%；將采樣周期設置為5s。
上述方法實施後，燃燒室和循環氣體溫度的波動基本消除，石灰質量明顯提高。
此外，步進式控製法還應用於濟鋼（馬）中板廠加熱爐空然配比自動控製和濟鋼第三煉鋼廠4號連鑄機水處理水壓自動控製等係統中。
5 結語
步(bu)進(jin)控(kong)製(zhi)法(fa)是(shi)根(gen)據(ju)對(dui)控(kong)製(zhi)對(dui)象(xiang)的(de)測(ce)量(liang)結(jie)果(guo)來(lai)決(jue)定(ding)閥(fa)門(men)開(kai)閉(bi)方(fang)向(xiang)的(de)，而(er)且(qie)每(mei)次(ci)開(kai)閉(bi)的(de)位(wei)移(yi)量(liang)是(shi)固(gu)定(ding)的(de)，不(bu)需(xu)要(yao)借(jie)助(zhu)數(shu)學(xue)模(mo)型(xing)來(lai)確(que)定(ding)控(kong)製(zhi)規(gui)律(lv)。適(shi)用(yong)於(yu)數(shu)學(xue)模(mo)型(xing)不(bu)宜(yi)求(qiu)取(qu)或(huo)數(shu)學(xue)模(mo)型(xing)不(bu)確(que)定(ding)的(de)場(chang)合(he)。該(gai)製(zhi)法(fa)控(kong)製(zhi)電(dian)動(dong)調(tiao)節(jie)閥(fa)，由(you)於(yu)每(mei)一(yi)次(ci)的(de)位(wei)移(yi)量(liang)小(xiao)，產(chan)生(sheng)的(de)誤(wu)差(cha)也(ye)小(xiao)。可(ke)以(yi)使(shi)對(dui)象(xiang)運(yun)行(xing)平(ping)穩(wen)，靜(jing)態(tai)誤(wu)差(cha)也(ye)可(ke)以(yi)控(kong)製(zhi)在(zai)一(yi)個(ge)較(jiao)小(xiao)的(de)範(fan)圍(wei)。與采用對輸入量直接響應的控製方法相比響應速度較慢，不適用於對響應速度要求較高的場合。但對一般的工業過程而言，其響應速度已經足夠。
