防止带气动驱动装置的阀门中的阀门构件位置由控制引起的振荡

技术领域

本发明涉及一种防止阀门中的阀门构件位置由控制引起的振荡的方法，该阀门带气动驱动装置以及阀门构件的位置控制；以及相应的设备，特别是位置控制器、阀门、过程技术设备；以及相应的计算机程序和计算机可读介质。

背景技术

由控制技术已知的是，能够使用控制方法，例如比例控制、积分控制、微分控制或其组合来得出调节变量(例如电流强度、电压、压力)，从而根据在控制变量的实际值与额定值之间的控制差来对控制变量进行操纵。

控制的成比例部分(P部分)是通过对实际值与额定值的控制差进行加权来直接计算的。成比例区域是控制器的线性区域，并且在额定值以下和以上均有作用。P控制的主要缺点在于始终存在的控制偏差。

积分部分(I部分)作为控制差或控制偏差的时间积分来计算，并且与增益因子K

最后，微分部分(D部分)构成了与控制差的时间变化速率成比例的控制部分。控制器的D部分不是对持续时间做出反应，而是对设定值与实际值之间的控制差发生改变的速度做出反应。相比于P控制器而言，通过实际值的改变速度，调节变量增加得更快。通过D部分，实现了快速、无超调地接近额定值。控制器的反应比纯P控制器更快。然而，此处的缺点也是始终存在的控制偏差。

控制器的I部分通常可通过两个参数，即死区和增益因子K

对于已知的阀门位置控制器，其中控制具有I部分，如果该控制的I部分的参数没有被最佳地设置，则可能发生位置控制的振荡。这是因为，阀门的气动驱动装置，特别是在静摩擦和滑动摩擦之间的差异特别大的密封类型的组合，仅能以一定延迟对控制脉冲进行反应。造成这种情况的直接原因在于，在驱动装置中包含的空气的可压缩性。在高静摩擦的情况下，必须在驱动装置中产生一相对较高的压力来克服该静摩擦。一旦克服了该高静摩擦，阀门构件会以相对较低的滑动摩擦移动到所需的设定位置之外，因为在驱动装置中的压力会由于上述在驱动装置中的压缩空气的可压缩性而缓慢下降。结果是，在控制器的调节变量(例如电流强度或压力)与阀门构件的位置之间的滞后。在这种情况下，带积分部分的控制可能无法找到静止位置。

由于密封装置(通常是密封压盖)的摩擦力会因磨损而变化，因此必须随着时间的推移适配控制参数，以便确保一致的控制质量。例如，当密封压盖中的填料材料由于磨损不再紧压在阀杆上，则摩擦可能减小。例如，在将石墨用作填料材料时，会出现这种效果。然而，对于可后续调整的填料(Packung)而言，摩擦也会增大，例如填料被拉紧并由此填料材料重新紧压在阀杆上。

已知的阀门位置控制器通常难以识别出这种控制引起的振荡状态。如果识别出此类振荡，通常会实现过大的修正，例如死区的宽度能够根据振荡的幅度来调整。这导致所实现的控制质量的大幅劣化。因此，必须要再次降低死区的宽度，这可以例如在时间控制的情况下进行。但是，如果在阀门上的条件没有改变，则可能导致振荡再次发生。

公开文献DE 10 2007 058 517 B4公开了一种数字位置变送器，其用于在工艺流程设备中借助定位器操作阀门设定构件。在这里，干扰变量，例如输入信号的噪声、滞后、静态阻力和滑动阻力也会导致定位器的不期望的振动。这些均是通过死区来应对的，一旦在设定状态和实际状态之间的动态差值或静态差值(也即控制差)的绝对值低于确定的极限值，则死区会抑制位置变送器的输出信号的变化。死区是不对称的，并且其方向取决于额定值是上升或是下降。其缺点在于，死区的宽度仅被设置一次，并且例如在运行过程中的摩擦力的变化不被检查和考虑。

发明内容

目的

本发明的目的在于，提出可防止或最大程度减少在阀门中由控制引起的振荡的出现的方法以及设备，所述阀门带气动驱动装置以及阀门构件的位置控制(其带有积分部分)。

解决方案

除非另有说明，单数的使用并不意味着排除复数，反之亦然。

下文中将更详细地描述单个工艺步骤。在本发明的一个优选实施方式变体中，这些步骤是按照给定的顺序进行的。然而，这些步骤不必须按所给定的顺序进行，并且要描述的方法也可具有未提及的其他步骤。

为实现该目的，提出了一种防止阀门中的阀门构件位置由控制引起的振荡的方法，所述阀门带气动驱动装置和阀门构件的位置控制。作为条件，阀门构件的位置控制具有一积分部分，其具有增益参数和死区。该方法包括以下步骤：

检查阀门构件的位置是否有振荡。对阀门构件的位置的额定值和实际值的控制差的零点交叉或极端值进行计算，以得出振荡。如果在预定的时间内出现足够数量的控制差的零交叉点或极端值，则能够认为有振荡。

如果检测到振荡，则检查所检测到的振荡是否源自于阀门构件位置的额定值的振荡。

如果该振荡并非源自于阀门构件位置的额定值的振荡，则增大死区和/或及减小增益参数。

如果没有检测到振荡，则检查阀门构件的气动驱动装置的磨损是否超过了预定的水平。

如果是这种情况，则减小死区和/或增大增益参数。

通过这种方式，能够识别并阻止由控制的I部分的不利参数设置引起的振荡。只有当由于磨损(例如在密封件或填料材料上的磨损)可预期摩擦力减小并且控制的I部分可被积极地设置，而同时不预期会再次有控制引起的振荡时，才会实现对控制的I部分的参数的进一步改变。控制公差动态地适配在阀门驱动装置中变化的摩擦力。

如果对阀门构件的位置的额定值的极端值进行计算，以检查所检测到的振荡是否源自于阀门构件的位置的额定值的振荡，则能够特别好地识别出阀门构件的位置的由控制引起的振荡。如果在额定值的两个极端值之间计算出控制差的至少三个、优选至少四个零点交叉或极端值，以及如果位置或控制差的实际值已经离开死区时，可随即诊断出阀门构件的位置的振荡并非源自于阀门构件的位置的额定值的振荡。

由控制的I部分的不利参数设置引起的振荡必须与由阀门构件的位置的额定值预先确定的振荡(因此该振荡可能是期望出现的)加以区别。如果能确定额定值的周期持续时间和控制差的周期持续时间，就能够很好地实现这一点。如果额定值的周期持续时间不大于控制差的周期持续时间，所检测到的振荡被确定为额定值的振荡。则额定值至少与控制差振动得一样快，由此可得出的结论是，该振荡不是由所使用的控制的特殊性所导致的。

为了防止在控制仍处于摇摆期间所述控制的I部分的参数发生改变，则在检测到振荡不是源自于阀门构件的位置的额定值的振荡的情况下，仅当控制差的值在第一预定的阈值以下并且经过了预定的时间段时，才实现死区的增大和/或增益参数的减小。

如果能够特别灵敏地实现死区和/或增益参数的变化，则能够避免调节参数的过于粗糙的改变，该改变可能需要相对的进一步修正。为此，在每种情况下，死区最多改变0.1％。相对地，如果增益参数改变，允许最大33％、优选最大25％、特别优选最大10％的改变。

如果关于总行程的第二阈值和关于阀门构件行程的方向改变的次数的第三阈值被用作关于阀门构件的气动驱动装置的磨损的预定量度，则可得到一种特别简单的程序，以避免不必要地尝试对控制的I部分的参数进行积极设置。仅当阀门构件在相应的大量方向改变的情况下(这给填料带来特别的负荷)经过预先给定的行程时，才会如上所述更加严格地设置参数，因为预期在这种情况下，摩擦力可能会由于磨损而有所减小。通过这种程序还额外有利的是，在位置控制器中或在阀门的气动驱动装置中不需要压力传感器。

相对地，如果在气动驱动装置和/或位置控制器上存在至少一个压力传感器(借助其能够确定在阀门的驱动装置中的压力)，则如果使用压力传感器确定的压力创建出行程-压力曲线，可特别精确地确定与磨损相关的摩擦力减小。使用关于行程-压力曲线中的滞后的宽度的第四阈值作为阀门构件的气动驱动装置的磨损的预定量度。该滞后由阀门的驱动装置中的摩擦导致，因此，滞后的宽度随着摩擦的减小而有所减小。例如，当阀门第一次投入运行时，第四阈值例如能够根据在非磨损状态下记录的行程-压力曲线被检测到。

只有在明确了控制状态稳定时，才应当决定更加积极地设置控制的I部分的调节参数，即减小死区和/或增大增益参数。此外，仅在如下情况下死区被减小和/或增益参数被增大，即如果阀门构件的位置的额定值相比于第五预定的阈值变化得较慢，和/或如果控制差的符号变化，和/或阀门构件的位置的实际值在死区内是静态的(也就是说调节为稳定的)，则能够确保明确了控制状态稳定。

如果死区的减小和/或增益参数的增大被推迟到直至阀门构件的位置的实际值离开死区，则能够防止调节参数的过度变化。因此，在决定更加积极地设置控制之后，要等到阀门构件移动到一新的位置。借助于振荡识别，能够在该新的位置上直接地检查，新设置的参数是否是被过于激进地设置的。

如果将关于总行程的第二阈值和关于行程的方向改变的次数的第三阈值用于识别磨损，则在死区减小和/或增益参数增大时，关于阀门构件的总行程和行程的方向改变次数的存储值可被设置为零。因此，相应的计数器被重新初始化，因为控制与当前存在的磨损状态相适配。

如果滞后的宽度被用于在行程-压力曲线中识别磨损，则在减小死区和/或增大增益参数时，关于滞后的宽度的第四阈值应重新设置，因为控制与当前存在的磨损状态相适配。

解决所述目的还通过一种用于带气动驱动装置的阀门的位置控制器，其中，该位置控制器的控制具有积分部分。该位置控制器具有适于执行上述方法的步骤的装置，另外包括用于测量阀门构件的行程的实际值的位置传感器，并且在可能的情况下还有压力传感器。所述装置例如为计算单元、控制电子装置、数字信号处理器(DSP)、微控制器、计算机或者具有相应编程的网络中的多个计算机。所述编程例如在计算单元、控制电子设备、DSP和/或微控制器的固定电路布置的框架内实现，或者借助于现场可编程门阵列(FPGA)实现。此外，该装置还可包括将位置控制器与控制室等相连接，其具有相应的计算单元或相应的编程并且将控制信号发送回到位置控制器。

此外，解决所述目的还通过一个具有如上所述的位置控制器的阀门，以及通过一个具有此类阀门的过程技术设备。

进一步地，为了解决所述目的使用了一种计算机程序，其包括使得如上所述的位置控制器执行如上所述的方法步骤的指令，以及使用了一种计算机可读介质，在该介质上存储有所述计算机程序。

附图说明

进一步的细节和特征可根据在下文中结合附图对优选实施方式的说明得出。其中，各个特征可以单独地实现或者也能多个彼此组合实现。而解决所述目的的可能性并不限于这些实施方式。

在附图中示意性地示出了多个实施方式。在各图中相同的参考数字表示相同的或功能相同的元件或者在其功能上彼此对应的元件。在各图中示出的是：

图1为所述方法的流程图；

图2为所述方法的实施方式一部分的部分流程图，其中死区被增大和/或增益参数被减小；

图3为所述方法的实施方式一部分的部分流程图，其中死区被减小和/或增益参数被增大。

词汇表

控制差、控制偏差

关于控制差或控制偏差e，其被理解为额定值w与实际值x之差：e＝w-x。

带积分部分的控制

积分控制器被用于完全地调整在每个工作点的控制偏差。只要控制偏差不等于零，调节变量的值就会改变。只有当参考变量和控制变量(也就是说，额定值w和实际值x)相等时，而最晚在调节变量达到其系统相关的极限值(例如最大电压)时，控制才是稳态的。这种积分行为的数学表达为：调节变量y的值与控制差e的时间积分成正比：

y＝K

此处，增益参数K

密封压盖

密封压盖(瑞士语：填料)——以前也称为织物压盖，因为作为密封材料使用的是毛毡——是一种机械工程的密封元件。其作用是将旋转的轴或往复的杆从外壳密封起来，以抵御发生作用的液体压力或蒸汽压力，以及抵御渗入的污物或泄漏的润滑剂。

密封压盖由密封压盖填料(实际的密封件)和密封压盖圈(类似法兰的套筒)组成，其中，密封压盖填料借助于螺钉或弹簧被轴向压紧。对于弹性的密封材料，通过轴向压缩也能够实现对轴上的密封压盖填料的径向压缩。因此，密封间隙能够被设置为适配工作条件的最小值。

缺点：不能完全排除少量的泄漏。由于高的接触面积，加上用于减少泄露的密封所需的高压力，密封压盖填料引起相对高的摩擦。

优点：由于密封压力是通过密封压盖圈从外部施加的，因此有多种合适的材料可使用(例如纤维材料、石墨)。这些材料部分地可在高温以及腐蚀介质的情况下使用，而当前主要使用的弹性体密封(例如O型环、镜像轴密封等)并不适用于这些情况。另一个优点在于，由于密封材料的磨损所导致的泄漏能够通过后续拧紧密封压盖圈而再次减小。(根据https://de.wikipedia.org/wiki/Stopfbuchse)

死区(也称为盲区)

死区是一个控制或信号处理系统的输入值范围，其输出值为零。在控制系统中，此种死区通常被用于抑制不期望出现的频繁循环的开关过程。在调节系统中，死区通常涉及围绕额定值w的实际值x的一个公差范围，或者等同于，围绕零的控制差e的一个公差范围。通常来说，死区连接到实际的控制器上游，或者仅连接到控制器的积分部分上游。

具体实施方式

在图1所示的流程图中，该程序循环地运行。例如对于所述方法的程序控制的形式而言，此类设计方案是特别有意义的。例如，该循环可以不间断地重复，或者以固定的、周期性的时间间隔(例如每小时一次)运行。在开始该方法之后，首先查询是否存在阀门构件的振荡，即实际值x的振荡。如果是这种情况，则要得出该振荡是否由额定值w的振荡引起。此类振荡不应被所述方法阻止并因此不做处理。如果振荡由额定值的振荡引起，则终止循环，所述方法返回到起点。

然而，如果振荡不是由额定值的振荡所决定的，则执行必要的步骤来增大死区和/或减小增益参数K

如果在第一次查询时没有检测到振荡，则所述方法检查适用于相应阀门的磨损条件是否得到满足。这例如可通过，行程计数器的值超过第二阈值并且所计数的方向改变的次数同样超过第三阈值，或者例如也可通过，在所测量的行程-压力曲线中的摩擦相关的滞后的宽度低于预定的第四阈值。如果磨损条件没有得到满足，则不需要改变阀门的控制的参数，由此终止循环。如果磨损条件得到满足，则执行必要的步骤，以便减小死区和/或增大增益参数K

振荡识别通常是通过计算控制差e＝w–x的零点交叉来实现的。另选地，也可计算控制差的极端值。为了识别出所识别的振荡是否是由额定值所决定的(并因此是“想要的”)，优选比较控制差e与额定值w的周期持续时间。在此，检查额定值w的周期持续时间是否比控制差e的周期持续时间大一定的系数，例如3或4。如果控制差明显比额定值振荡得更快，从而可确定的是，所观察到的振荡并不是由额定值所决定的。

优选的是，非常灵敏地进行对调节参数的设置，也即特别是对死区的宽度以及对增益参数K

在图2中示出了关于增大死区和/或减小增益参数K

首先检查控制差的值是否很小，即是否低于第一预定的阈值。通常来说，该第一阈值应被选择为，要确保实际值x已接近额定值w，但仍可能位于死区以外。如果这一点没有得到满足，该流程会终止或中断，因为调节参数的改变是没有意义的。然而，如果控制差足够小，则等待预定的时间段，该时间段应当适配控制的正常瞬态响应(Einschwingverhalten)。随后可以确定的是，受控制的系统瞬态振荡已结束。在这之后才改变调节参数，即优选增大死区以及减小增益参数K

在图3中示出了减小死区和/或增大增益参数K

然而，如果上述条件得到满足，该流程会记住应减小死区和/或增大增益参数K

随后等待，直至实际值x再次离开死区。这意味着，阀门必须在调节参数被改变为要更积极地控制之前移动。由此确保的是，如果参数改变太大，能很快识别出振荡，由此参数将被重新适配为被较不积极地控制。在图3所示的流程中，该等待通过一子循环来完成，该子循环优选周期性地运行：如果实际值未离开死区，则要继续预先记下以上描述的决定。

然而，如果实际值离开死区，优选减小死区以及增大增益参数K