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1前言
隨著汽輪機(jī)組容量的不斷增大，火力發(fā)電廠的熱力系統(tǒng)越來越復(fù)雜，自動(dòng)化水平也越來越高，為了保證電廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，必須提高控制系統(tǒng)的靈活性與可靠性。為此，對(duì)其調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中配套的執(zhí)行機(jī)構(gòu)提出了大力矩、長行程、高精確度、多功能、快速切斷及快速調(diào)節(jié)等高難度的技術(shù)要求。但目前控制系統(tǒng)中采用的各種閥門執(zhí)行器存在著卡澀、滯后、速度慢等缺陷，嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。隨著機(jī)電液一體化技術(shù)的發(fā)展，國外已開發(fā)出智能成套式電液執(zhí)行器，該執(zhí)行器沒有外置附屬設(shè)備，系統(tǒng)簡單，運(yùn)行可靠，操作方便，近幾年來成為美國一些電廠的首選執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
2智能型閥門電液執(zhí)行器的組成
智能型閥門電液執(zhí)行器是由液動(dòng)、控制、機(jī)電和計(jì)算機(jī)技術(shù)綜合為一體的特殊智能型電液執(zhí)行器。該執(zhí)行器由兩大部分組成：即機(jī)電伺服控制系統(tǒng)和液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
2.1機(jī)電伺服控制系統(tǒng)
機(jī)電伺服控制系統(tǒng)的原理框圖如圖所示，該系統(tǒng)采用數(shù)字化閉環(huán)控制方式。其基本思想是：位置給定指令和位置反饋信號(hào)共同對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，使其成為一較理想的數(shù)字式積分環(huán)節(jié)，在此基礎(chǔ)上引入直接檢測運(yùn)動(dòng)部件的測量環(huán)節(jié)，構(gòu)成包含各種誤差源和非線性環(huán)節(jié)的全閉環(huán)系統(tǒng)，并通過計(jì)算機(jī)控制器對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行最少拍控制。這樣，該系統(tǒng)不但可使運(yùn)動(dòng)部件的定位精度由檢測環(huán)節(jié)的測量精度決定，而且可對(duì)各種干擾和非線性因素對(duì)運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生的影響進(jìn)行有效的動(dòng)態(tài)校正，使任何時(shí)刻運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位移量總是嚴(yán)格跟隨指令值變化，從而保證運(yùn)動(dòng)部件的位移具有較高的動(dòng)態(tài)精度。
圖1機(jī)電伺服控制系統(tǒng)原理框圖
2.2液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由雙桿液壓油缸、液壓閥組、雙向內(nèi)嚙合齒輪油泵、高壓電磁閥及彈簧等組成的液壓驅(qū)動(dòng)回路，系統(tǒng)回路的原理框圖如圖2所示。該回路采用雙向定量內(nèi)嚙合式齒輪油泵，通過改變油泵輸入轉(zhuǎn)速和油流的方向，控制液壓缸的運(yùn)動(dòng)方向和速度，回路中壓力的大小取決于負(fù)載的大小，因而沒有過剩的壓力和多余的流量，效率較高�；赜捅硥嚎芍苯幼饔迷谟捅玫奈肟谏�，變?yōu)橥苿?dòng)油泵旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力，減少原動(dòng)機(jī)的功率消耗。當(dāng)換向時(shí)由于運(yùn)動(dòng)慣性而產(chǎn)生的液壓沖擊，可以被回收變成推動(dòng)油泵旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力。由于依靠液壓泵改變油流方向，因而換向沖擊小，適合于功率大、換向頻繁的液壓系統(tǒng)。
圖2液壓驅(qū)動(dòng)回路原理圖
3智能型電液執(zhí)行器的動(dòng)態(tài)特性分析
3.1機(jī)電伺服控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析
機(jī)電伺服控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性主要取決于位置控制器和步進(jìn)電機(jī)的特性。步進(jìn)電機(jī)是將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及其頻率成正比，并在時(shí)間上與輸入脈沖同步。圖3為閉環(huán)步進(jìn)位置控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，它包括位置控制器、被控對(duì)象和反饋通道等部分。
圖3閉環(huán)步進(jìn)位置控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖
3.1.1位置控制器的傳遞函數(shù)
根據(jù)電液轉(zhuǎn)換器的位置控制特點(diǎn)和最小拍控制理論可得廣義對(duì)象傳遞函數(shù)為：
考慮到泄漏系數(shù)可以通過制造精度的提高而減少到不足以引起系統(tǒng)誤差，因而可以忽略泄漏系數(shù)的影響，式（1）變?yōu)椋?/P>
式中：T-位置檢測采樣周期；K-對(duì)象增益，（K=KFKθKPKYA）/VC；N=（VC+A2EY）/VC。
3.1.2內(nèi)嚙合齒輪油泵的流量計(jì)算及其傳遞函數(shù)
根據(jù)內(nèi)嚙合齒輪油泵的工作原理，油泵的流量為：
Q=dv/dt=KP·dФ1/dt（3）
對(duì)式（3）進(jìn)行拉氏變換，并以油泵流量為輸出，以電機(jī)轉(zhuǎn)角變化為輸入，得：
W(s)=Q(s)/Ф(s)=KPs（4）
3.2液壓驅(qū)動(dòng)回路動(dòng)態(tài)特性分析
根據(jù)液流的連續(xù)性，考慮到液壓缸的泄漏及油液的壓縮性，并且液壓閥無流量調(diào)節(jié)功能，則回路的流量方程為：
對(duì)式（5）進(jìn)行拉氏變換，并以流量為輸入，以位移為輸出，得：
3.3智能閥門電液執(zhí)行器的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析
根據(jù)前面的理論分析和圖3所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，近似認(rèn)為泄漏系數(shù)K1=0，可得系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：
式中Kd=KFKθKPK為系統(tǒng)增益，當(dāng)Kd=280時(shí)，根據(jù)式（7）作出的開環(huán)波德圖如圖4所示。
根據(jù)奈魁斯特判據(jù)，當(dāng)開環(huán)傳遞函數(shù)在右半S平面沒有極點(diǎn)時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是低于增益穿越頻率ωc的頻率范圍內(nèi)開環(huán)相頻率特性不穿越-180o線，相位裕量γ不小于30~60o，增益裕量Kd不小于4dB。
由圖4可知，相位裕量γ為90o，增益裕量Kd為11dB，符合奈魁斯特判據(jù)，所以系統(tǒng)是穩(wěn)定的。
4結(jié)論
通過對(duì)智能閥門電液執(zhí)行器的動(dòng)態(tài)特性的分析，可以得出如下主要結(jié)論：
（1）智能閥門電液執(zhí)行器系統(tǒng)穩(wěn)定、系統(tǒng)響應(yīng)速度快。并且減少系統(tǒng)增益、減少液壓油缸的行程和增加阻尼均可增大系統(tǒng)穩(wěn)定裕量。
（2）當(dāng)不考慮智能電液執(zhí)行器的泄漏系數(shù)時(shí)，系統(tǒng)無穩(wěn)態(tài)誤差。因此，只要使智能閥門電液執(zhí)行器的泄漏系數(shù)控制在微小值范圍內(nèi)，可以改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，減少穩(wěn)態(tài)誤差。
（3）使用智能閥門電液執(zhí)行器直接調(diào)節(jié)閥門，可以節(jié)省投資、檢修和維修費(fèi)用，且因其作用力大而無卡澀滯后等缺陷，使調(diào)節(jié)的安全性和可靠性得以大幅度提高。
圖4智能電液執(zhí)行器控制系統(tǒng)開環(huán)波德圖
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