自力式调节阀型号及工作原理

[摘 要]基于采用单纯流体力学的方法产生大量的较为复杂和困难的计算（建模过程），输气站场一线员工无法真正掌握自力式调压阀的工作原理和调节规律。采用《工程控制论》这一经典理论作为研究方法，避开繁杂的具体物理量（能量、质量、动量）计算。

[关键词]PID整定 比例放大器 积分放大器 比例积分调节器

中图分类号：V235.14 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）12-0357-01

采用PID整定分析的基础是，《工程控制论》研究的对象是平衡和建立平衡的基本方法。自力式调压阀设计时即使没有采取PID整定而是采取流体力学计算或者实验的方法，其工作规律也一定符合PID 整定的调节规律。而采取PID整定分析法相对流体力学的方法省去了大量复杂的测量计算。

1.直接作用式调压阀的缺点

1.1 径向直接作用的调压阀的缺点。1）抗干扰能力差。2）稳态误差无法消除，精度差。3）系统灵敏度低（图1）。

1.2 轴流式调压阀可以避免系统非线性干扰，适合在大口径、高压力的场合。

但直接作用式的轴流调压阀仍然有一些致命缺点，造成其无实用价值。1）结构上的缺点。设定弹簧必须直接作用于膜片，增加了膜片破裂情况下的泄漏风险。由于直接作用式调压阀膜片面积大、设定弹簧倔强系数大（同时弹簧长度也要增大，原因是要保证阀芯与阀垫的行程在弹簧的线性范围内），造成设备几何尺寸过大。与直接作用的径向式调压阀相比由于其更适用于高压、大口径，造成的设备几何尺寸增大是不可接受的是其无实用价值的最主要原因。2）和徑向式直接作用调压阀系统相同，设定弹簧倔强系数较大，设备的灵敏度较低。若要获得较高的比例作用Kp就要进一步加大设备几何尺寸。3）和径向式直接作用调压阀系统相同，没有积分环节无法消除稳态误差，既系统的精度依旧不高。（如曲线2）。4）综上所述，一个精度低、灵敏度低、操作不方便、有外漏可能的调压系统是不能被接受的。若加大膜片面积增大设备几何尺寸，将会造成设备重量增加、设备成本提高、维护难度增加膜片容易破损的问题。这种做法没有实用性。解决这些问题就必须增加一个比例放大器对主阀比例调节进行放大。增加了外部比放大器，成为间接作用式调压阀。

2.加入积分放大器组成PI调节器

限制级的上模腔的压力为调节级喷嘴的背压，此时的限制级喷嘴与活塞运动方向正好与调节级的喷嘴与活塞运动方向相一致。使限制级流向调节级的先导气的变化量逐步抵消了调节级所需先导气的变化量。系统达到稳态时调节级的活塞基本保持在原有位置。从而使调节级下模腔的设定弹簧保持原有的设定压力，这就意味着测量压力也保持原有测量压力。这就实现了限制级消除稳态误差的积分放大作用。要指出的是此时限制级的喷嘴与活塞的位置发生了较大变化先导气在这一节流处发生的变化量非常显著，这个变化量完全吸收了调节级所需变化量。这时，得到了如曲线4的输出可见△P被消除掉了，系统稳态误差消除掉了。只要存在偏差限制级就会一直起作用。系统一出现偏差比例放大器（调节级）就迅速工作，偏差越大比例作用就越明显。积分放大器（限制级）只要存在偏差就会起作用直至偏差消除。稳态后积分放大器（限制级）的积分作用保持不变，比例放大器（调节级）停止比例作用。即稳定后限制级保持活塞与喷嘴变化量不变，而调节级活塞与喷嘴的变化量"归零"。这是一个典型的PI调节器了，是一个纯机械式的PI调节器。系统此时的灵敏度和精确度都达到了理想的效果是我们可以接受的系统。当然作为更为理想的系统要达到"稳""准""快"的要求， "压力"这一物理量滞后不明显，PI调节器在大多数情况下可以满足用户的需要不必加入微分环节。引入微分环节后，可减少系统的调节时间提高系统的动态稳定性。

3.加入微分放大器组成PID调节器

微分放大器没有增加机械装置而是在积分环节设置（限制级）上增加了一根反馈管。限制级既是一个积分环节又是一个微分环节。较PI调节器更换了一根倔强系数更小的弹簧（减小后设定弹簧减小的势能由测量管的压力势能来补充，确保了设定弹簧变化量△L在喷嘴与活塞行程之间由此构成的微分环节）。微分调节是根据偏差变化速度进行调节，与偏差的变化速度成正比。偏差变化时下模腔的压力变化较上模腔压力变化先行建立，此时双膜片结构响应位移有阻止PI调节的作用且有超前调节的作用。偏差变化越快下模腔压力变化量较上模腔压力变化量越大调节作用越大。当偏差变化速度变小时上模腔的压力变化量与下模腔压力变化量趋于相同。上模腔的压力值变化量的建立滞后于下模腔压力值得变化量的建立，是因为上模腔的压力变化量，要经过调节级双膜片调节后使喷嘴和活塞的节流建立背压。而背压的建立是一个滞后的积分过程。换言之，下模腔压力的变化量阻碍一切被调参数的变化，从而提高系统的动态稳定性和系统响应时间。将微分环节设在测量通道只对测量值有微分作用，而对设定压力不直接微分。这种微分先行的方式不会使指挥器在调整设定压力时产生跳变。可以得到如曲线5的输出曲线。需要指出的是此时的限制级设定弹簧的倔强系数要小很多，产生的压力P在2-3 bar左右即可。而没有微分环节的限制级的设定弹簧要产生的压力P，在输出压力的基础上加上5-10 bar，P=Pa+5 bar。

4.自力调压设备运行中的PID调节

4.1间接作用的调压设备在设计时，无论采用哪种PID整定方法其基本比例、积分、微分参数根据输出压力的高低已经整定在一定范围内。参数的整定调节只是一个微调，两根设定弹簧的调整和调节级节流针阀的调整都会影响比例、积分、微分参数整定，而不是单一影响某一个整定参数。

4.2 对于PI调节器，由调节级设定弹簧预紧力，决定比例调节作用Kp的大小 （位移量△L要在喷嘴与活塞行程范围内以及弹簧线性范围内）预紧力越小比例作用Kp越大。由限制级的设定弹簧预紧力，决定积分调节作用的大小（预紧力越小要高于输出压力0.2～0.3bar，防止出现积分过饱和）预紧力越小，积分作用越大Ti越小。

4.3 调节级节流针阀旋紧增加节流效应，使系统比例作用Kp增大。此时，由于Kp的增大使设备的灵敏度增大。高灵敏度动作，降低系统态动稳定性，增加了各元件的疲劳程度。反之，灵敏度降低，动态稳定性提高。自力式调压阀多用于被用作监控调压设备，因此节流针阀在正常生产情况下不需要调整。在投产时由于压力小进出口压差低，可在调节级设定弹簧压紧（适度压紧防止破坏设定弹簧的倔强系数）的情况下旋紧节流针阀。可获得较大的比例作用Kp，提高灵敏限。

结论

《工程控制论》指出能量、热量、效率物理量（能量、热量、效率）因素可不加考虑。通过PID整定的方法可以全面透彻的理解自力式调压阀的工作原理掌握其性能，从而更好地使用

参考文献

[1] 钱学森，宋健.工程控制论[M].北京：科学出版社，1983.

[2] 仇慎谦.PID调节规律和过程控制[M] 江苏科学技术出版社，1986.

作者简介

李勇，工程师，1976年生，2009年毕业于河南理工大学电气工程及其自动化专业，现主要从事天然气管道运行管理工作。