魏金輝 姜海罡 王松軍 李海峰

(河鋼集團承鋼公司)

一種基于軟伺服放大器的自動控制系統(tǒng)*

魏金輝 姜海罡 王松軍 李海峰

(河鋼集團承鋼公司)

介紹軟伺服放大器控制系統(tǒng)的組成及其控制方法。實際應(yīng)用結(jié)果表明：軟伺服放大器控制系統(tǒng)的靈敏區(qū)、遲鈍區(qū)和死區(qū)可以任意設(shè)定，且死區(qū)可以設(shè)定很小，控制精度高達0.1%，解決了長期困擾自動控制系統(tǒng)的硬伺服放大器死區(qū)大、控制精度低的問題。

軟伺服放大器 自動控制系統(tǒng) 調(diào)節(jié)閥 遲鈍區(qū)

伺服放大器是控制電動調(diào)節(jié)閥的關(guān)鍵設(shè)備，其作用是將輸入指令信號(電壓)與系統(tǒng)反饋信號(電壓)進行比較、放大和運算，然后輸出一個與偏差電壓信號成比例的控制電流或正反轉(zhuǎn)信號給調(diào)節(jié)閥的電動執(zhí)行機構(gòu)，達到控制調(diào)節(jié)閥開度的目的，并起限幅保護作用。死區(qū)是伺服放大器的主要指標，若死區(qū)數(shù)值過小，則由于調(diào)節(jié)閥動作時的慣性，調(diào)節(jié)閥從靈敏區(qū)到死區(qū)后無法停止，致使調(diào)節(jié)閥發(fā)生振蕩。同時，死區(qū)也是造成伺服放大器偏差大的主要原因，伺服放大器偏差大會造成調(diào)節(jié)閥偏差增大、控制精度降低，尤其是大口徑調(diào)節(jié)閥，其輸入與閥位反饋信號偏差將達到4%～5%。國外伺服放大器雖然精度高，但是價格昂貴、檢維修成本高；國內(nèi)伺服放大器成本低廉，但死區(qū)大、偏差大。因此，伺服放大器成為制約自動控制系統(tǒng)正常運行和控制精度的主要因素。在此，筆者介紹一種軟伺服放大器及其控制方法，以解決目前國產(chǎn)伺服放大器死區(qū)大、控制精度低、控制系統(tǒng)無法正常自動運行的問題。

1 軟伺服放大器控制系統(tǒng)組成

基于軟伺服放大器的自動控制系統(tǒng)(圖1)主要包括軟伺服放大器、正轉(zhuǎn)繼電器、反轉(zhuǎn)繼電器、電動調(diào)節(jié)閥(不帶伺服放大器)、調(diào)節(jié)器、CPU及變送器等[1]。其中，軟伺服放大器由運算器、計數(shù)器、變量采集控制器、靈敏區(qū)控制器、遲鈍區(qū)控制器和死區(qū)控制器組成，用于控制調(diào)節(jié)閥。變送器用于檢測被控對象的過程變量，其電信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸出至調(diào)節(jié)器。正、反轉(zhuǎn)繼電器分別控制調(diào)節(jié)閥的正、反向轉(zhuǎn)動。調(diào)節(jié)閥用于控制被控對象的被控參數(shù)。CPU處理后的控制輸出信號與調(diào)節(jié)器和變量采集控制器的相應(yīng)輸入端連接。變量采集控制器分別與運算器、靈敏區(qū)控制器、遲鈍區(qū)控制器和死區(qū)控制器雙向連接。運算器輸出端分別連接靈敏區(qū)控制器、遲鈍區(qū)控制器和死區(qū)控制器的相應(yīng)輸入端。計數(shù)器輸入端分別連接靈敏區(qū)控制器、遲鈍區(qū)控制器和死區(qū)控制器的相應(yīng)輸出端，其輸出端返回變量采集器。

操作器的輸入端分別接正轉(zhuǎn)繼電器、反轉(zhuǎn)繼電器和調(diào)節(jié)閥的相應(yīng)輸出端，其輸出端接調(diào)節(jié)閥的輸入端。電源模件為調(diào)節(jié)器、CPU控制器件、軟伺服放大器、輸入模件和輸出模件提供電源。CPU控制器件、輸入模件、輸出模件和電源模件分別安裝在總線底板模件的相應(yīng)底座上，并通過插針傳遞信號。輸入模件的輸入端分別接變送器和操作器的相應(yīng)輸出端，其輸出端經(jīng)總線底板模件連接至調(diào)節(jié)器的相應(yīng)輸入端。輸出模件的輸入端經(jīng)總線底板模件連接至軟伺服放大器的輸出端，其輸出端分別接正轉(zhuǎn)繼電器和反轉(zhuǎn)繼電器的相應(yīng)輸入端。接口模件為工業(yè)交換機、以太網(wǎng)模板和現(xiàn)場總線中的一種。

圖1 基于軟伺服放大器的自動控制系統(tǒng)框圖

2 軟伺服放大器控制方法

軟伺服放大器控制方法流程如圖2所示[2]。

3 實例分析

軟伺服放大器控制系統(tǒng)接線圖如圖3所示。

圖2 軟伺服放大器控制方法流程

操作器型號WZD-1200DC；調(diào)節(jié)器型號HSPID；變送器為環(huán)形孔板配差壓變送器，孔板型號LGH，差壓變送器型號EJA110A；調(diào)節(jié)閥為ZKJW-0.6S型電動調(diào)節(jié)蝶閥，DN1000mm；輸入模件型號FM148A；輸出模件型號FM171；電源模件型號FM910；CPU控制器件型號FM801；接口模件型號DFE530TXK和DES-1008；總線底板模件型號FM300；操作員站為研華IPC-610H型工控機。以上器件均為市場上成型的儀表設(shè)備、PLC或DCS系統(tǒng)成熟產(chǎn)品。

圖3 軟伺服放大器控制系統(tǒng)接線

本實例中被控對象為煤氣管道，焊接鋼管規(guī)格φ1020mm×10mm，流量范圍0～84 000Nm3/h。現(xiàn)場調(diào)試時，流量設(shè)定值為60 000Nm3/h，對應(yīng)的閥位設(shè)定值百分比SP=62%。流量波動為±60Nm3/h(即流量實際值控制在59 940～60 060Nm3/h)，對應(yīng)的閥位波動為±0.1%(即實際閥位值控制在61.9%～62.1%)。DI=0.1%，現(xiàn)場調(diào)試時MC=10，MP=20，則MC×DI=10×0.1=1.0。

閥位設(shè)定值SP來自調(diào)節(jié)器的輸出，量程0～100%。DV來自輸出模件，量程0～1。RV量程0～1。操作員站的人工輸入值有：DI初值=0.1%，量程0～100%；MC初值=2，量程0～100；MP初值=4，表示輸出1拍，停4拍。

調(diào)節(jié)閥的動作區(qū)域分為3部分：

a. 靈敏區(qū)，即調(diào)節(jié)閥的動作區(qū)。缺省指兩倍的死區(qū)外，由MC值確定。

b. 遲鈍區(qū)，即調(diào)節(jié)閥的時動時停區(qū)。缺省指在一倍死區(qū)到兩倍死區(qū)之間，輸出1拍，停4拍，停的拍數(shù)由MP值確定。

c. 死區(qū)，即調(diào)節(jié)閥的停止區(qū)。死區(qū)內(nèi)不輸出，由DI值確定。

利用運算器的比較運算結(jié)果，通過伺服放大器的靈敏區(qū)控制器、遲鈍區(qū)控制器和死區(qū)控制器分別控制調(diào)節(jié)DV、RV和X，過程如下：

a. 在靈敏區(qū)內(nèi)，一直有輸出，由靈敏區(qū)控制器控制。當WD≥MC×DI時，反轉(zhuǎn)RV有輸出，X=0；當WD≤-MC×DI時，正轉(zhuǎn)DV有輸出，X=0。

b. 在遲鈍區(qū)內(nèi)，輸出1拍，停MP拍，由遲鈍區(qū)控制器控制。當DI≤WD

c. 在死區(qū)內(nèi)，由死區(qū)控制器控制。當-DI

當WD≥MC×DI，即WD=PV-SP=PV-62≥1.0，流量偏差不小于600Nm3/h時，反轉(zhuǎn)RV=1，即關(guān)調(diào)節(jié)閥，流量減小，當流量偏差減小到60～600Nm3/h時，即0.1

當WD≤-MC×DI，即WD=PV-SP=PV-62≤-1.0，流量偏差不大于-600Nm3/h時，正轉(zhuǎn)DV=1，即開調(diào)節(jié)閥，流量增大，當流量偏差減小到-600～-60Nm3/h時，即-1.0

4 結(jié)束語

在硬伺服放大器控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一個遲鈍區(qū)，可以使調(diào)節(jié)閥的閥位設(shè)定與閥位反饋信號在大偏差下，即靈敏區(qū)內(nèi)，一直有輸出，并快速動作，消除偏差。進入遲鈍區(qū)后，調(diào)節(jié)閥動作是輸出1拍、停MP拍，這樣可以平穩(wěn)進入死區(qū)，克服了調(diào)節(jié)閥動作的慣性。進入死區(qū)后，調(diào)節(jié)閥停止動作，此時調(diào)節(jié)閥閥位反饋值非常接近設(shè)定值。靈敏區(qū)、遲鈍區(qū)和死區(qū)的區(qū)域可以任意設(shè)定，且死區(qū)可以設(shè)定很小，如此調(diào)節(jié)閥便能準確地停在死區(qū)內(nèi)，控制精度高達0.1%。本方法已在多種控制設(shè)備上使用，效果良好，解決了長期困擾自動控制系統(tǒng)的硬伺服放大器死區(qū)大、控制精度低的技術(shù)難題，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益。

[1] 魏金輝,楊中方,姜海罡,等.一種伺服放大器控制系統(tǒng)[P].中國:ZL201621265145.5,2017-06-09.

[2] 魏金輝,楊中方,姜海罡,等.一種伺服放大器控制系統(tǒng)及控制方法[P].中國:ZL201611043634.0,2017-03-22.

2017-07-19)

(Continued from Page 928)

the BP neural network. Simulation results of applying BP network model to predict 28-day cement strength show that, the effect of grey BP forecasting model is more accurate than that of BP.

Keywordsgrey BP neural network, cement strength, grey model GM (1,N), BP neural network, prediction model

AnAutomaticControlSystemBasedonSoftServoAmplifier

WEI Jin-hui, JIANG Hai-gang, WANG Song-jun, LI Hai-feng

(HBISGroupChengsteelCompany)

Both structure and control method of a soft servo amplifier was introduced. The application results show that, the control system’s sensitive region (work area) , slow region and dead zone (stop area) of this soft servo amplifier can be set at will and the dead zone can be set smaller with a 0.1% control precision and the hard servo amplifier’s large dead zone and poor control accuracy which bothering the auto-control system for long time can be eradicated in practical application.

soft servo amplifier, auto-control system, control valve, slow region

魏金輝(1968-)，教授級高級工程師，從事儀表檢測、DCS系統(tǒng)與高級控制算法的應(yīng)用與研究，mynamewjh@163.com。

TH862;TP214

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1000-3932(2017)10-0929-04