閥門定位器對氣動調節閥靜特性的改善
國營樂山造紙廠計量處黃偉
日前工業上常用的調節閱有氣動， 電動
和液動等類型， 而相對用得多的則是氣動調
節閱。因為它和閥門定位器配合， 不僅可以
克服閥桿的摩擦力和消除一部分被調介質壓
力變化的影響， 便調節閥能按調節器的控制
信號實現對閥門位置的正確定位， 而且對讕
節闐的靜特勝還有顯著地改善作用。
一
、氣動調節聞夏奠靜特性
氣動讕節閥： 由氣動執行機構和閥體組
成的。氣動執行機構接受來自調節器或電氣
轉換器輸出的氣壓信號，獲得能量使閥桿帶
著闊芯移動。閥體是通過閥門的開度變化來
改變流體流量大小的。氣動調節嗣的特性一
般可以用傳遞函數Kv／(Tvs+1)的型式來
表示， 其中放大系數Kv是閥的靜特性(也
即固有流量特性)， 時間常數 、v是閾的動
特性。在沒有使用閣門定位器的情況下， 調
節閑的放大系數Kv主要由閾休米決定， 這
時Kv也叫閥體放大系數。閥體放大系數是
指流過闋的流體流量與闊芯移動的距離之
比， 也即閥的靜特性。
目前生產上廣泛使用的調節閱的靜特性
有線性， 等百分比及快開特性三種。調節閥
靜特性的選擇主要是根據被調對象放大系數
K。所需的匹配而定， 匹配的日的是使兩個
放大系數的乘積K?！v等于常數。在系統
設計時， 調節閑靜特性一般是根據計算數據
或經驗來選擇的。若系統在整個調節過程
中， 對象的放大系數不隨負荷及其它因素的
影響而改變， 或者變化較小， 那么按計算數
據或經驗選擇的調節閥是完全可以滿足系統
控制質量的要求。然而在實際使用過程中，
往往同調節閥一起串聯著設備、閥門和管道
阻力等， 使調節閥前后壓差處于變動狀態，
因而使調節閥的工作流量特性與靜特性嚴重
不符。也就是說， 由于被調對象放大系數
K。的變化引起丁調節閩靜特性的改變， 為
了保證系統的調節質量， ⋯般要求調節闐能
對K。的變化進行補償。
二、閥門定位囂作用原理及其對調節閥
靜特性的改善
由上面的討論知道， 在系統運行中應盡量保證K?！v的值不變或變化很小。但實
際上K。是變化的， 這種變化輕剛影響系統
的控制精度，_嚴 螢齄使系統不穩定，l所以必
須使Kv有相反的變化來進行補償。這個補
償我們可以用閥門定位器來實現。
閥門定位器的作用原理如圖1。它的作
用就是接受調節器或電氣轉換器的輸出信
號， 然后再以它的輸出信號去控制氣動執行
器， 以實現對調節閥的定位作用。當氣動執
行器動作時， 閻桿的位移又通過機械裝置反
饋到閥門定位器， 因此閥門定位器和執行器
就組成了一個閉環回路如圖2。
圖l 氣動閥門定位器原理瞄
l一醴垃督， 2一托柱} 8一擋板I 4～ 噴唏
5一放大器} B一反饋凸輪} 7一匣憤軒I
8一一桿J 9一膜頭
圖2 定位器柞用圖
由調節閥和定位器的結構和作用原理我
們知道t對于已出廠的閥門，其靜特性是一
定的(除非用戶還訂有與之配套的閥芯)，
這時Kv的變化就必須用閥門定位器的反饋
凸輪的變化來實現?，F在大多數調節閥制造
廠為適應用戶不同要求設計制造丁包括實現
*17卷
線性，快開和等百分比作用的各種凸輪。為
了說明問題， 我們在此僅討論常用的三種凸
輪對不同調節閣靜特性的改變， 它們是線性
凸輪，快開凸輪和對數凸輪(等百分比特
性)，下面簡稱為A、B、c。
閾門定位器是怎樣改變調節閥靜特性的
呢?如圖3所示，通常調節閥特性是指閥桿
位移變化的百分數與流量變化的百分數之
比。當氣壓變化與閥桿移動成正比時，那么
氣壓信號與流量的關系也代表了閥的特性，
如圖4。囝4也是加了閥門定位器后在不珂
情況下氣壓與閥桿變化的關系。
氣 1a寸 ·％ ，
圈4
接入閥門定位器后若用氣壓、位移、流
量三者的關系來表示調節閥的特性， 可得闐
的放大系數為Kv的數學關系式如下：
I ．Q
一手×年 。
P． -『
式中， 詈 ／÷代表了閥的特性，它與
閥的閥芯、形狀和工作情況有關?！獇／
口一是包含了閥門定位器在內的反饋特性。用更換不同曲線的反饋凸輪的辦法，就
可以改變閣門定位器的反饋作用，反饋情況
的變化使氣壓信號與閔桿間的位移出現如圖
4所示的關系。
由此可知：若將圖3的線性特性與圖4
臺并起來， 就可以得到以氣壓信號變化的百
分數與流量變化百分數之間的曲線關系，如
圖5所示
田5
這就是說， 一個靜特性為線性的調節
閥， 如果選用具有快開特性曲線的凸輪B，
那么閥將具有快開特性，而選用具有等百分
比(對數)特性曲線的凸輪，它卻能把線性
!
口
0
蠟
行程I‘L 『o r)
8．罰節舟特性
×
周改變成等百分比特性。根據這個道理，對
于快開特性閥， 如果它的閥門定位器的反饋
凸輪選用具有對數特性的凸輪C，就能使快
開特性變成線性。同理， 等百分比特性的調
節閥，若定位器反饋凸輪選用B凸輪，亦能
使其特性線接近線性。
三、應用示倒
為了說明上述原理在實際使用中的可行
性和有效性， 現特以我們常常可能碰到的二
個問題為例， 予以說明。
問題1：某廠新上一工程，按設計要求
向儀表廠訂購了具有等比例特性的調節閾，
由于某種原因，得到的卻是具有線性特性的
閥門， 如果更換的話， 時問又不允許， 要求
我們設法處理。
分析處理： 我們不妨先將到手的具有線
性特性的詞節閥安裝好，觀察系統的運行情
況。如果運行情況不好，采用上述的辦法，
用帶有對數特性曲線凸輪的定位器對調節闋
進行補償系統就可以正常運行。如圖6所示。
暑 星
1 0 0
x{％
蔫囂日 后弭節田特性
問題2： 有一過程控制系統， 運行正
常。其調節閣帶有定位器，定位器的反饋凸
輪是線性的?，F由于工況發生變化， 使系統
出現振蕩現象，要求消除振蕩。
分析處理t系統由運行正常到出現振
蕩， 說明調節回路的總放大系數增大了， 也
就是說被調對象Ko增大。解決的辦法一是
增大調節器的比例度(即減小調節器的放大
倍數)，系統可以復穩。但這種方法不僅麻
煩， 而且對系統的調節質量也有一定的影
響，尤其對比較復雜的系統。*二種辦法就
是通過閥門定位器，使闐的放大系數K，減
小。因此，只要把對數曲線凸輪換成線性凸
輪即可。
實際使用證明 在不是十分特殊的情況
下， 這種處理效果很好。
后說明一點：如果用戶手上投有臺適
的反饋凸輪更換，可參考有關資料計算后在
本廠加工亦可。