靳向東

（天脊煤化工集團(tuán)股份有限公司， 山西 長治 047507）

引言

如今，任何工業(yè)部門，為了在市場上保持高水平的競爭力，必須不斷調(diào)查和研究最新的技術(shù)。旨在提高生產(chǎn)靈活性和效率，同時(shí)減少浪費(fèi)、資源和能源消耗。也是在這種環(huán)境下，先進(jìn)控制、性能退化監(jiān)測和診斷的概念應(yīng)運(yùn)而生，解決了目前工業(yè)領(lǐng)域所面臨的主要關(guān)鍵問題[1-3]。從控制的角度，一種開發(fā)自動(dòng)化工具的新基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，減少過時(shí)組件，重新設(shè)計(jì)成本，自動(dòng)化和簡化操作可以帶來更高的可靠性和更低的成本。因此，產(chǎn)生的不連續(xù)操作服務(wù)需要專門的解決方案，以優(yōu)化調(diào)節(jié)策略。實(shí)時(shí)調(diào)整控制參數(shù)是一種具體的解決方案，通過防止不穩(wěn)定問題，使生產(chǎn)最大化。ST的控制直接關(guān)系到它的控制閥系統(tǒng)和部署的驅(qū)動(dòng)技術(shù)。整個(gè)裝配體受到機(jī)器控制要求的響應(yīng)性和準(zhǔn)確性的高度挑戰(zhàn)，特別是對(duì)于那些機(jī)器調(diào)節(jié)至關(guān)重要的應(yīng)用程序[4-6]。

因此，本文旨在從動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩個(gè)角度對(duì)ST 控制閥進(jìn)行詳細(xì)研究。提出了控制裝配體運(yùn)動(dòng)的方程，并提出了一種實(shí)現(xiàn)它們的模型方法。對(duì)作為整個(gè)控制回路一部分的電流- 壓力轉(zhuǎn)換器（CPC）和液壓- 機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行了描述，并提出了將它們的仿真模塊連接起來的整體仿真模型。

1 建模方法

由于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜性和陳舊性，如現(xiàn)有的傳統(tǒng)系統(tǒng)，需要對(duì)其可能導(dǎo)致的故障模式進(jìn)行分析，并針對(duì)每種情況采取一致的糾正措施。即使ST 的管理正朝著更可靠和準(zhǔn)確的解決方案發(fā)展，在許多應(yīng)用程序中，過去傳統(tǒng)系統(tǒng)的部署需要詳細(xì)的服務(wù)解決方案，以防止系統(tǒng)停止，從而避免損失寶貴的生產(chǎn)時(shí)間。傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行是基于潤滑油和控制油控制臺(tái)的供油，由于其結(jié)構(gòu)的分析超出了工作范圍，故不在模型中。由于主油由油臺(tái)恒壓供應(yīng)，因此在模型中引入了一個(gè)壓力源作為簡化。來自潤滑油和控制油對(duì)這類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)起著重要的作用，既移動(dòng)與執(zhí)行器連接的伺服缸內(nèi)的閥芯（二次油），又進(jìn)入液壓執(zhí)行器室（一次油）。二次油壓由I/H 轉(zhuǎn)換器設(shè)定，將當(dāng)前命令信號(hào)（4-20 mA）轉(zhuǎn)換為油壓。4-20 mA 命令直接來自控制系統(tǒng)，分別對(duì)應(yīng)于閥門的關(guān)閉和打開位置。伺服缸中閥芯的運(yùn)動(dòng)由二次油調(diào)節(jié)；或者打開連接孔，讓一次油流入液壓缸的上腔或下腔。在彈簧的幫助下，杠桿將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)直接傳遞到閥門上，彈簧的主要功能是在液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障的情況下保持閥門關(guān)閉。這個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的最終目標(biāo)是調(diào)節(jié)通過閥門的蒸汽通道和提升一個(gè)閥門導(dǎo)管，依次打開四個(gè)或五個(gè)快門，這些快門依次給料機(jī)器的不同部分，從而實(shí)現(xiàn)精細(xì)的調(diào)節(jié)。

2 結(jié)果與討論

傳感器是由伺服缸、液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)、彈簧和機(jī)械杠桿組成的總成，如下頁圖1 所示?？梢钥吹蕉ㄎ挥谝簤簣?zhí)行器下聯(lián)軸節(jié)的負(fù)載銷式稱重傳感器。一旦控制閥系統(tǒng)與ST 重新集成，測試平臺(tái)就完成了，可以執(zhí)行油路連接，并配備額外的傳感器和合適的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。為了提高整個(gè)調(diào)節(jié)的效率，這款ST 的控制閥還進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的升級(jí)，從而有可能對(duì)傳統(tǒng)EHA 系統(tǒng)和新EHA 系統(tǒng)的性能進(jìn)行具體比較。特別是，用前者進(jìn)行的測試提供了詳細(xì)的數(shù)據(jù)，適用于模型驗(yàn)證和系統(tǒng)表征。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，傳統(tǒng)系統(tǒng)配備了一個(gè)特定的試驗(yàn)臺(tái)，一個(gè)位置傳感器（線性變差變壓器LVDT），給出液壓執(zhí)行器的位移，一個(gè)測力傳感器測量控制閥運(yùn)動(dòng)所需的制動(dòng)力。主油路和副油路上也安裝了兩個(gè)壓力傳感器，為模型提供直接輸入以進(jìn)行驗(yàn)證，主油路和I/H 轉(zhuǎn)換器電子不在分析范圍之內(nèi)。此外，還需要一個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠以0.5 ms（2 kHz）的間隔對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，以快速表征閥門運(yùn)動(dòng)。

圖1 在測試過程中部署的制閥系統(tǒng)

通過保持緊急截止閥處于關(guān)閉狀態(tài)，使沒有蒸汽能夠到達(dá)控制閥快門前面的蒸汽箱，進(jìn)行了測試活動(dòng)。通過這種方法，可以忽略蒸汽力的貢獻(xiàn)，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，并對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。該系統(tǒng)在靜態(tài)條件和動(dòng)態(tài)閥門運(yùn)動(dòng)（如斜坡和臺(tái)階）下進(jìn)行了分析，以實(shí)現(xiàn)完整的表征。如圖2 所示描述了用傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行的測試。展示了通過降低主油壓到大氣壓力并保持執(zhí)行器命令在閥門關(guān)閉位置來執(zhí)行的汽缸去電程序。通過這樣的程序，就有可能將由測壓元件記錄的系統(tǒng)重量的貢獻(xiàn)從氣缸腔內(nèi)的主油壓力中分離出來，主油壓力是空的，即在大氣水平上的壓力值。為了達(dá)到這個(gè)目的，閥門命令應(yīng)該保持在閥門關(guān)閉位置，以便二次油壓水平保持恒定，并保持同樣的杠桿位置。該測試旨在根據(jù)測壓元件讀取的趨勢(shì)值確定總成的質(zhì)量，作為以下測量值的偏移量。測量到的力，對(duì)應(yīng)于一次油壓突然下降，顯示出一個(gè)階躍變化，約為1 800 N。該力值的符號(hào)為負(fù)，確認(rèn)其向上的方向，與系統(tǒng)的質(zhì)量相等且相反。

圖2 對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)的測試：汽缸去電程序

如圖3 和圖4 所示分別表示了仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在驅(qū)動(dòng)器位置和力方面的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這兩個(gè)信號(hào)在調(diào)控器命令的連續(xù)斜坡測試的同一時(shí)間框架中繪制。來自調(diào)速器的4~20 mA 信號(hào)已經(jīng)在沖程上重新縮放，以便能夠比較命令和響應(yīng)信號(hào)。圖3 中，虛線所示的趨勢(shì)是模擬采集到的紅色信號(hào)作為命令時(shí)的趨勢(shì)，與測量位置在精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)上都很匹配，表示為位移。這個(gè)結(jié)果是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)。因此，在評(píng)估新的驅(qū)動(dòng)技術(shù)時(shí)，對(duì)動(dòng)態(tài)需求的主要認(rèn)識(shí)。特別是，由于Legacy 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)僅依賴內(nèi)部機(jī)械反饋，而不需要任何位置傳感器設(shè)備，因此使用模型支持對(duì)控制閥位置的監(jiān)測。

圖3 對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)的測試結(jié)果：連續(xù)斜坡測試中執(zhí)行器位置匹配

圖4 傳統(tǒng)系統(tǒng)的測試結(jié)果：連續(xù)斜坡測試中執(zhí)行器的力匹配

將這兩個(gè)信號(hào)與稱重傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，這種比較進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了模型的一致性（圖4）。除了模型的明顯可靠性，內(nèi)在系統(tǒng)的非線性難以捕獲，依賴于不同的因素，這是不容易控制的。因此，與測量數(shù)據(jù)相比，模擬的動(dòng)態(tài)行為顯示出更多的線性趨勢(shì)。在閥門關(guān)閉階段，模型和實(shí)驗(yàn)測量之間的差異（圖4）尤其明顯，其中摩擦力現(xiàn)象是導(dǎo)致可見非線性產(chǎn)生的因素之一。它的貢獻(xiàn)是通過一個(gè)能夠模擬靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下的摩擦的模型來估計(jì)的。然而，該模型要求輸入?yún)?shù)受高度不確定性的影響，因?yàn)槟Σ连F(xiàn)象顯示出難以預(yù)測的行為。

從兩種不同驅(qū)動(dòng)技術(shù)之間的比較可以明顯看出，EHA 在達(dá)到所要求的位置方面要準(zhǔn)確得多，在控制閥精度和蒸汽進(jìn)口特性方面的不確定性更小。當(dāng)沿著沖程等距離移動(dòng)時(shí)，傳統(tǒng)系統(tǒng)顯示出與命令位置出現(xiàn)差異，這主要在中間位置體現(xiàn)出來，其中傳統(tǒng)系統(tǒng)的非線性連接到伺服缸機(jī)械反饋返回更明顯。產(chǎn)生這些非線性的原因主要是伺服缸彈簧壓縮，壓縮發(fā)生在兩邊，即機(jī)械反饋側(cè)和閥芯側(cè)，而系統(tǒng)校準(zhǔn)程序沒有考慮前者的貢獻(xiàn)。EHA 技術(shù)明顯克服了上述問題，由于其內(nèi)部位置控制回路和快速響應(yīng)，可以保證更高的性能，當(dāng)然有助于更準(zhǔn)確的蒸汽進(jìn)口特性。這是由于進(jìn)入機(jī)器的蒸汽流量和系統(tǒng)所達(dá)到的閥門升程之間的直接關(guān)系，閥門系統(tǒng)的精度越高，對(duì)蒸汽流量的估計(jì)就越精確，從而產(chǎn)生的功率也就越精確。

在運(yùn)行條件下，驗(yàn)證提供了一致的結(jié)果，但通過應(yīng)用模擬能力分析驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的失效模式，可以獲得額外的值。系統(tǒng)故障原因的詳細(xì)研究和采取的糾正措施可以在現(xiàn)場支持預(yù)防控制閥系統(tǒng)的意外行為。當(dāng)通過傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)，機(jī)器的調(diào)節(jié)中不受控制的波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生異常事件。

采用的測試程序包括通過改變CPC 控制參數(shù)和一次油壓水平來驗(yàn)證系統(tǒng)在不同運(yùn)行情況下的操作，并記錄執(zhí)行器活塞的后續(xù)位置。CPC 是一種將來自控制系統(tǒng)的命令信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的（1.5~4.5）×105Pa的壓力級(jí)別的裝置，其動(dòng)作的響應(yīng)性可以通過修改變頻器的控制參數(shù)來調(diào)節(jié)，典型的特征是僅使用比例和積分參數(shù)。試驗(yàn)表明，一次油壓的下降與CPC 的高積分參數(shù)相結(jié)合，會(huì)導(dǎo)致二次油壓的顯著振蕩，直接導(dǎo)致執(zhí)行器位置的不確定性。

3 結(jié)論

本文描述了一項(xiàng)針對(duì)ST 控制閥系統(tǒng)的廣泛研究工作，重點(diǎn)關(guān)注其預(yù)測模型和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)升級(jí)的機(jī)會(huì)。該研究旨在提供不含蒸汽的控制閥系統(tǒng)的實(shí)體模型，這為進(jìn)一步開發(fā)該系統(tǒng)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，包括蒸汽力貢獻(xiàn)分析和模型實(shí)現(xiàn)。當(dāng)蒸汽壓差產(chǎn)生額外的力時(shí)，需要進(jìn)行專門的分析，以便深入理解發(fā)生在閥門快門周圍的現(xiàn)象。當(dāng)與蒸汽一起操作時(shí)，模擬控制閥響應(yīng)行為的能力伴隨著執(zhí)行關(guān)鍵ST 調(diào)節(jié)階段模擬，通過與總邏輯和機(jī)器滾筒模型的集成。這將代表一個(gè)數(shù)字儀器，用于分析它們?cè)谡麄€(gè)控制回路中的交互作用，可以嵌入到ST 調(diào)控器中，以執(zhí)行先進(jìn)的診斷和分析，從而檢查調(diào)節(jié)性能退化。