1 引言

    过程控制仪表主要包括变送器、调节器和执行器及多种辅助控制仪表和装置，阀门定位器是调节阀（最常见的执行器）的主要附件，用于提高和改善调节阀的性能。近年，来自调节阀市场的消息大多与调节阀本身无关，而与定位器的先进性有关，西门子、费希尔-罗斯蒙特等国外大公司，相继研制成功了智能型两线制，或配有HART总线、FF总线等现场总线接口的智能型阀门定位器^[1]。本文详细介绍了一种通过改变智能型阀门定位器的性能特性来改变调节阀静态特性的方法。

    2 定位器的基本原理

    要理解阀门定位器在一个过程控制系统中所扮演的角色，参看图1。图中r为被调量的设定值；y为被调量；y为被调量的测量值；u为调节器的输出信号（与执行器即调节阀的开度成一定的关系）；f为定位器的输出信号；c为阀门位置信号。定位器在此系统中的主要作用就是将从调节器来的调节信号（4~20mA或3~15psi）与从执行器来的阀门位置信号相比较，判断它们是否与预期的关系相匹配，如果相匹配，则定位器将使执行器维持在此位置，否则将使执行器动作直至两信号相匹配。此外定位器的主要作用还包括改变阀的作用方式、静态特性、实现分程控制等。

    3 调节阀的静态特性

    调节阀的静态特性可以表示为^[2]

    式（1）可改写成下面形式：

    式中：

    dL/L_max--阀杆相对位移；
    du/u_max--控制信号的相对变化；
    dQ/Q_max--流量的相对变化。

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    K₁表示阀行程与到阀控制信号之间的关系，K₂表示通过调节阀的物料流量与阀行程之间的关系，即调节阀的结构特性（又称固有流量特性），一旦阀已选定它就不能再改变了。调节阀的结构特性，即，如图2所示主要有线性、对数、抛物线和快开等，用数学式表达为：

    （1）线性特性（曲线1）

    （2）等百分比（对数）特性（曲线2）

    （3）快开特性（曲线3）

    （4）抛物线特性（曲线4）

    式中R为调节阀的可调比，即

    4 改变调节阀静态特性的方法

    在没安装定位器的情况下，K₁为一常数即阀行程与到阀控制信号成线性关系，此时调节阀的静态特性即为其结构特性，无法改变；如果安装了定位器，则K₁即为定位器的性能特性。对于机械力平衡式定位器来说可以通过更换反馈凸轮来加以改变，而对于智能型定位器由于预先进行了程序设置，因此只需要通过功能键进行选择就可以任意改变K₁，从而改变调节阀的静态特性。当现有调节阀的流量特性符合需要时，只需将定位器特性设置为线性。

    否则将根据需要和现有阀的流量特性进行选择。例如若现有阀的结构特性为直线特性，所需的流量特性为对数特性，即：

    将式（3）左式代入上式，得：
    
       

    将式（3）右式代入，积分后代入边界条件（u=u_min；I=0，u=u_max，I=L），得：

    其中，式（9）表示所需的定位器的性能特性，即阀门相对开度与相对控制信号的关系，如图3中的曲线D。同理，若所需流量特性为直线、快开和抛物线，则分别将式（1-8）中等式右边改为，并将式（3）右式代入，积分后代入边界条件分别得到：

    其曲线分别如图3中的曲线A、B和C所示。在代入边界条件时必须注意在整个过程控制系统中所需的定位器与调节阀的总体增益的正负。当所需的总体增益为负时，相应的边界条件应为u=u_min；I=0，u=u_max，I=L。

    其他各种情况也可以按照此步骤代入相应条件得出相应的关系式，在此就不再一一推导。

    5 结论

    通过安装智能型定位器来改变调节阀的流量特性使得企业能充分利用现有资源来适应多变的市场需求，且调整方便，易于维护，具有较高的经济效益。

    参考文献

    [1] 解怀仁.智能型电气阀门定位器[J].化工自动化及仪表，1995，2：51-55.
    [2] 翁维勤，等.过程控制系统及工程[M].北京：化学工业出版社，1996，8.

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