一种基于软伺服放大器的自动控制系统*

魏金辉 姜海罡 王松军 李海峰

(河钢集团承钢公司)

一种基于软伺服放大器的自动控制系统*

魏金辉 姜海罡 王松军 李海峰

(河钢集团承钢公司)

介绍软伺服放大器控制系统的组成及其控制方法。实际应用结果表明：软伺服放大器控制系统的灵敏区、迟钝区和死区可以任意设定，且死区可以设定很小，控制精度高达0.1%，解决了长期困扰自动控制系统的硬伺服放大器死区大、控制精度低的问题。

软伺服放大器 自动控制系统 调节阀 迟钝区

伺服放大器是控制电动调节阀的关键设备，其作用是将输入指令信号(电压)与系统反馈信号(电压)进行比较、放大和运算，然后输出一个与偏差电压信号成比例的控制电流或正反转信号给调节阀的电动执行机构，达到控制调节阀开度的目的，并起限幅保护作用。死区是伺服放大器的主要指标，若死区数值过小，则由于调节阀动作时的惯性，调节阀从灵敏区到死区后无法停止，致使调节阀发生振荡。同时，死区也是造成伺服放大器偏差大的主要原因，伺服放大器偏差大会造成调节阀偏差增大、控制精度降低，尤其是大口径调节阀，其输入与阀位反馈信号偏差将达到4%～5%。国外伺服放大器虽然精度高，但是价格昂贵、检维修成本高；国内伺服放大器成本低廉，但死区大、偏差大。因此，伺服放大器成为制约自动控制系统正常运行和控制精度的主要因素。在此，笔者介绍一种软伺服放大器及其控制方法，以解决目前国产伺服放大器死区大、控制精度低、控制系统无法正常自动运行的问题。

1 软伺服放大器控制系统组成

基于软伺服放大器的自动控制系统(图1)主要包括软伺服放大器、正转继电器、反转继电器、电动调节阀(不带伺服放大器)、调节器、CPU及变送器等[1]。其中，软伺服放大器由运算器、计数器、变量采集控制器、灵敏区控制器、迟钝区控制器和死区控制器组成，用于控制调节阀。变送器用于检测被控对象的过程变量，其电信号经转换后输出至调节器。正、反转继电器分别控制调节阀的正、反向转动。调节阀用于控制被控对象的被控参数。CPU处理后的控制输出信号与调节器和变量采集控制器的相应输入端连接。变量采集控制器分别与运算器、灵敏区控制器、迟钝区控制器和死区控制器双向连接。运算器输出端分别连接灵敏区控制器、迟钝区控制器和死区控制器的相应输入端。计数器输入端分别连接灵敏区控制器、迟钝区控制器和死区控制器的相应输出端，其输出端返回变量采集器。

操作器的输入端分别接正转继电器、反转继电器和调节阀的相应输出端，其输出端接调节阀的输入端。电源模件为调节器、CPU控制器件、软伺服放大器、输入模件和输出模件提供电源。CPU控制器件、输入模件、输出模件和电源模件分别安装在总线底板模件的相应底座上，并通过插针传递信号。输入模件的输入端分别接变送器和操作器的相应输出端，其输出端经总线底板模件连接至调节器的相应输入端。输出模件的输入端经总线底板模件连接至软伺服放大器的输出端，其输出端分别接正转继电器和反转继电器的相应输入端。接口模件为工业交换机、以太网模板和现场总线中的一种。

图1 基于软伺服放大器的自动控制系统框图

2 软伺服放大器控制方法

软伺服放大器控制方法流程如图2所示[2]。

3 实例分析

软伺服放大器控制系统接线图如图3所示。

图2 软伺服放大器控制方法流程

操作器型号WZD-1200DC；调节器型号HSPID；变送器为环形孔板配差压变送器，孔板型号LGH，差压变送器型号EJA110A；调节阀为ZKJW-0.6S型电动调节蝶阀，DN1000mm；输入模件型号FM148A；输出模件型号FM171；电源模件型号FM910；CPU控制器件型号FM801；接口模件型号DFE530TXK和DES-1008；总线底板模件型号FM300；操作员站为研华IPC-610H型工控机。以上器件均为市场上成型的仪表设备、PLC或DCS系统成熟产品。

图3 软伺服放大器控制系统接线

本实例中被控对象为煤气管道，焊接钢管规格φ1020mm×10mm，流量范围0～84 000Nm3/h。现场调试时，流量设定值为60 000Nm3/h，对应的阀位设定值百分比SP=62%。流量波动为±60Nm3/h(即流量实际值控制在59 940～60 060Nm3/h)，对应的阀位波动为±0.1%(即实际阀位值控制在61.9%～62.1%)。DI=0.1%，现场调试时MC=10，MP=20，则MC×DI=10×0.1=1.0。

阀位设定值SP来自调节器的输出，量程0～100%。DV来自输出模件，量程0～1。RV量程0～1。操作员站的人工输入值有：DI初值=0.1%，量程0～100%；MC初值=2，量程0～100；MP初值=4，表示输出1拍，停4拍。

调节阀的动作区域分为3部分：

a. 灵敏区，即调节阀的动作区。缺省指两倍的死区外，由MC值确定。

b. 迟钝区，即调节阀的时动时停区。缺省指在一倍死区到两倍死区之间，输出1拍，停4拍，停的拍数由MP值确定。

c. 死区，即调节阀的停止区。死区内不输出，由DI值确定。

利用运算器的比较运算结果，通过伺服放大器的灵敏区控制器、迟钝区控制器和死区控制器分别控制调节DV、RV和X，过程如下：

a. 在灵敏区内，一直有输出，由灵敏区控制器控制。当WD≥MC×DI时，反转RV有输出，X=0；当WD≤-MC×DI时，正转DV有输出，X=0。

b. 在迟钝区内，输出1拍，停MP拍，由迟钝区控制器控制。当DI≤WD

c. 在死区内，由死区控制器控制。当-DI

当WD≥MC×DI，即WD=PV-SP=PV-62≥1.0，流量偏差不小于600Nm3/h时，反转RV=1，即关调节阀，流量减小，当流量偏差减小到60～600Nm3/h时，即0.1

当WD≤-MC×DI，即WD=PV-SP=PV-62≤-1.0，流量偏差不大于-600Nm3/h时，正转DV=1，即开调节阀，流量增大，当流量偏差减小到-600～-60Nm3/h时，即-1.0

4 结束语

在硬伺服放大器控制系统的基础上增加一个迟钝区，可以使调节阀的阀位设定与阀位反馈信号在大偏差下，即灵敏区内，一直有输出，并快速动作，消除偏差。进入迟钝区后，调节阀动作是输出1拍、停MP拍，这样可以平稳进入死区，克服了调节阀动作的惯性。进入死区后，调节阀停止动作，此时调节阀阀位反馈值非常接近设定值。灵敏区、迟钝区和死区的区域可以任意设定，且死区可以设定很小，如此调节阀便能准确地停在死区内，控制精度高达0.1%。本方法已在多种控制设备上使用，效果良好，解决了长期困扰自动控制系统的硬伺服放大器死区大、控制精度低的技术难题，创造了可观的经济效益。

[1] 魏金辉,杨中方,姜海罡,等.一种伺服放大器控制系统[P].中国:ZL201621265145.5,2017-06-09.

[2] 魏金辉,杨中方,姜海罡,等.一种伺服放大器控制系统及控制方法[P].中国: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

魏金辉(1968-)，教授级高级工程师，从事仪表检测、DCS系统与高级控制算法的应用与研究，mynamewjh@163.com。

TH862;TP214

B

1000-3932(2017)10-0929-04