調(diào)節(jié)閥又稱為調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，它和執(zhí)行機(jī)構(gòu)一起構(gòu)成執(zhí)行器，是過程控制系統(tǒng)中一個(gè)重要的組成部分。它依據(jù)來自調(diào)節(jié)儀表的控制信號而改變執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出的角位移或直線位移，并通過調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)改變被調(diào)介質(zhì)的流量，保持生產(chǎn)過程滿足預(yù)定的要求。

按照能源形式的不同，執(zhí)行器分為電動執(zhí)行器、氣動執(zhí)行器和液動執(zhí)行器。其中，氣動和電動執(zhí)行器應(yīng)用廣泛，且電動執(zhí)行器的使用比例亦越來越大。

在以電動執(zhí)行器作為最終執(zhí)行裝置的自動控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的方法是以調(diào)節(jié)儀表輸出的模擬信號去控制電動執(zhí)行器動作。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，人們也是將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D／A）轉(zhuǎn)換成模擬信號后再去控制電動執(zhí)行器動作。實(shí)際上，不管是用普通繼電器來實(shí)現(xiàn)的有觸點(diǎn)開關(guān)信號還是用可控硅或固態(tài)繼電器來實(shí)現(xiàn)的無觸點(diǎn)開關(guān)信號，由調(diào)節(jié)儀表輸出的模擬信號加到伺服放大器進(jìn)行比較放大后，最終加到執(zhí)行器電機(jī)上的仍然是開關(guān)信號（數(shù)字信號），如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)方法控制框圖

能否去掉中間環(huán)節(jié)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D／A）和伺服放大器，而直接由計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號去控制電動執(zhí)行器動作呢？回答是肯定的。圖2是伺服放大器的工作原理圖。

圖2　伺服放大器原理圖

當(dāng)輸入端有0～10mA模擬信號輸入時(shí)，該信號與執(zhí)行器位置反饋信號進(jìn)行比較，若輸入信號比位置反饋信號大就產(chǎn)生正偏差，信號經(jīng)IC1放大器放大后使開關(guān)電路K1導(dǎo)通，J1動作接通電源，電動執(zhí)行器“正轉(zhuǎn)"。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動到某一位置，使位置反饋信號與輸入信號相等時(shí)，偏差為零，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。反之，如果輸入端信號小于位置反饋信號時(shí)就產(chǎn)生負(fù)偏差，信號經(jīng)IC1放大后使開關(guān)電路K2導(dǎo)通，J2動作接通電源，電動執(zhí)行器“反轉(zhuǎn)"。

新方法是將位置反饋信號（一般是模擬信號如電阻或電壓）經(jīng)由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A／D）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后輸入到計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)與輸出信號（數(shù)字信號）直接比較，比較后輸出開關(guān)信號，經(jīng)放大器（或中間繼電器）放大后推動電動執(zhí)行器動作。圖3為新方法示意框圖。

圖3 新方法控制框圖

二、新方法的實(shí)現(xiàn)

筆者在國家“八五"攻關(guān)項(xiàng)目“木廢料能源木材聯(lián)合干燥技術(shù)"的木材干燥窯計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（以下簡稱系統(tǒng)）中采用了此新方法。系統(tǒng)共有ZAJ型角行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)9個(gè)（其中4個(gè)用來調(diào)節(jié)排濕口開度，2個(gè)用來調(diào)節(jié)空氣進(jìn)氣口開度，2個(gè)用來調(diào)節(jié)煙氣進(jìn)氣口開度，1個(gè)用來調(diào)節(jié)廢木料燃燒爐鼓風(fēng)量）。采用新方法有3個(gè)問題必須解決：①如何輸出滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求的數(shù)字信號（開關(guān)量）；②如何測量執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置信號；③如何控制合適的閥門開度（即執(zhí)行機(jī)構(gòu)行程）。

1、問題一的解決

系統(tǒng)選用光隔離開關(guān)量輸出板（CS20），該輸出板是為采用PC／XT／AT標(biāo)準(zhǔn)的微機(jī)配套的接口板，適用于驅(qū)動繼電器、電磁閥等執(zhí)行器，接口具有最大200mA的驅(qū)動電流以及安全可靠的隔離功能。系統(tǒng)按輸出板設(shè)定的口地址在實(shí)時(shí)采樣子程序中定時(shí)向數(shù)據(jù)鎖存器送數(shù)據(jù)（端口開關(guān)值），控制光電耦合器的“導(dǎo)通"和“截止"，此信號經(jīng)隔離后送入現(xiàn)場，控制執(zhí)行器的“開"與“關(guān)"。因執(zhí)行機(jī)構(gòu)可逆電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所需電流大于輸出板接口驅(qū)動電流，輸出板的輸出信號須經(jīng)中間繼電器放大后再控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而且中間繼電器的采用也起到將現(xiàn)場與微機(jī)隔離的作用。圖4為接口板程序框圖。

圖4 接口板程序框圖

2、問題二的解決

電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)配置有位置反饋螺旋電位器，在與伺服放大器配合使用時(shí)，接受0～10mA或4～20mA直流信號，作為位置反饋信號與輸入信號相比較組成比例調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。而在新方法下，系統(tǒng)可采用兩種方法接受位置反饋信號。第1種是在位置反饋電位器上加一恒定電流使之對應(yīng)位置信號0～100％產(chǎn)生0～5V電壓信號，然后經(jīng)A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換接口板（MS－0812B）與計(jì)算機(jī)相連；第2種方法是直接將位置反饋電位器的電阻信號接至熱電阻信號調(diào)理端子板（HY813），該端子板將電阻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送至計(jì)算機(jī)。圖5為端子板程序框圖。筆者采用第2種方法，因本系統(tǒng)溫度測量選用熱電阻，溫度測量點(diǎn)共有5個(gè)，而調(diào)理板（HY－813）可有16路測量輸入，尚余11路輸入通道，這樣可將9個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置反饋電阻信號直接聯(lián)至調(diào)理板。需注意的一點(diǎn)是：位置反饋電位器的電阻信號大小要對應(yīng)相應(yīng)熱電阻的溫度量程范圍，以保證調(diào)理板轉(zhuǎn)換正確。本系統(tǒng)中位置反饋電位器的電阻值為20～280Ω，對應(yīng)調(diào)理板輸入通道量程應(yīng)調(diào)整為－190～＋
490℃。當(dāng)然不同類型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)其位置反饋電位器的電阻值是不相同的，在使用時(shí)要注意。某些型號的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置反饋電位器的電阻值偏大，可采用并聯(lián)一個(gè)電阻或更換電位器的辦法來解決。采用并聯(lián)電阻的方法解決位置反饋電位器電阻值偏大的優(yōu)點(diǎn)是方便、容易，但電阻值的變化是非線性的，在程序設(shè)計(jì)時(shí)須加以考慮。

圖5 調(diào)理板程序框圖

3、問題三的解決

該問題的解決主要是程序編制。筆者將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置測量、開關(guān)量輸出以及閥位給定計(jì)程序均安排在定時(shí)采樣子程序中，系統(tǒng)每隔1s采樣、輸出1次。圖6為實(shí)時(shí)采樣子程序框圖。

圖6 實(shí)時(shí)采樣子程序框圖 

圖6中采樣方框包括閥位值、溫度值、濕度值等數(shù)據(jù)的采集。ε值是為防止執(zhí)行器動作頻繁甚至產(chǎn)生振蕩而設(shè)。由于電機(jī)動作的慣性以及測量滯后，閥位給定信號與測量信號之間總存在一定的差值，當(dāng)差值信號小于ε值時(shí)，輸出停止信號，執(zhí)行機(jī)構(gòu)不動作。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，正是由于電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的慣性而使實(shí)際偏差小于ε值。也就是說，ε值表面上看起來是偏差值，而實(shí)際上是為克服慣性引起的偏差和振蕩而設(shè)立的一個(gè)控制提前量。只要在實(shí)際調(diào)試中選擇合適的ε值，就不但可以克服可能產(chǎn)生的振蕩，而且可以做到無偏差或使偏差小到允許范圍之內(nèi)。

三、結(jié)束語

1、用計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號直接控制電動執(zhí)行器動作與傳統(tǒng)模擬信號控制相比有如下特點(diǎn)：

（1）省掉笨重、線路復(fù)雜而又極容易出故障的伺服放大器，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。

（2）在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，A／D輸入接口板輸入通道往往很多，且性能好、價(jià)格便宜；而D／A輸出接口板輸出通道一般很少，且功耗大、價(jià)格貴。在需輸出通道較多的情況下，通常要求配置擴(kuò)展箱和外接電源。而采用開關(guān)量輸出板后，計(jì)算機(jī)所需功率小，結(jié)構(gòu)更緊湊，故障率更小。

（3）可以很方便地改變閥的工作特性，以適應(yīng)對象特性的變化，提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量，如可根據(jù)要求將閥的工作特性通過控制軟件改為直線、等百分比、對數(shù)等各種形式，今后可開發(fā)成新型的智能型調(diào)節(jié)閥。

（4）可以方便、靈活地組成各種復(fù)雜控制系統(tǒng)（如分程控制）而不需增加額外的投資。

（5）系統(tǒng)投資大大減少，結(jié)構(gòu)更加簡單（所有接口板、調(diào)理板均可直接插入計(jì)算機(jī)的空余槽口中），使用戶負(fù)擔(dān)減輕、維護(hù)更方便。

2、系統(tǒng)安全性的考慮

（1）采用雙機(jī)備份方式工作。一臺作為主機(jī)投入系統(tǒng)運(yùn)行，另一臺作為備份機(jī)也處于通電工作狀態(tài)，作為系統(tǒng)的熱備份機(jī)。當(dāng)主機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，專用程序切換裝置自動地把備份機(jī)切入系統(tǒng)運(yùn)行，承擔(dān)起主機(jī)的任務(wù)；而故障排除后的原主機(jī)，則轉(zhuǎn)為備份機(jī)，處于待命狀態(tài)。

（2）設(shè)立常規(guī)控制系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)*失效時(shí)，投入常規(guī)儀表自控或手動控制狀態(tài)。此時(shí)須注意的一點(diǎn)是無擾動切換問題，可考慮設(shè)置閥位顯示儀表。