专利名称：用于连续控制控制阀门的位置的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于连续控制控制阀门的位置的方法，特别涉及一种作为闭环或开环处理控制系统的一部分的控制阀门、一种相对于所确定的参考变量的、被确定为控制变量的、距离控制阀门位置的控制偏差，和一种从所述控制偏差确定的操作变量，通过所述操作变量将控制阀门定位和/或保持在由参考变量预定的位置上。
背景技术：
通过涡轮机从蒸汽产生动力的处理是现有技术公知的，其中流体被从中间过热器引入涡轮机组，所述涡轮机组例如包括与在下游的多个低压涡轮机连接的一个中压涡轮机，所述多个涡轮机被排列在一个公共的轴上。为了能够在规定的或最佳的操作状态中操作所述多个涡轮机，提供了带有位置控制系统的旁通控制阀来与涡轮机组并行。这种类型的控制阀门一般具有电动液压驱动器。
所述位置控制系统按照由控制系统预定的设置点(参考变量)来定位控制阀门。这种控制系统所要求的实际值(记录的控制变量)由带有模拟移动测量转换器的阀门位置发送器来提供。
在实际值和设置点之间的控制差别与按照预定的控制特性的控制值(操作变量)有关，利用所述控制值通过电动液压驱动将控制阀门定位在预定的位置上。
在长连接的管道的情况下，系统表示出振动的趋势，对应的振动负载发生在阀门上。在控制阀门中安排有阀门位置发送器的情况下，这导致高机械应力，并伴有在涉及的阀门位置发送器中的高的故障率。在现在的控制设计中，阀门位置发送器的故障导致旁通控制阀的关闭，因此导致位置控制环路的故障。
发明内容
因此，本发明的目的在于改善已知的控制阀门位置的方法，使得阀门位置发送器的故障不会导致位置控制环路的故障。
为此，本发明提出了通过观测操作变量和至少另一个由控制阀门的位置影响的变量来确定对应于控制阀门的位置的控制变量。
在此，“观测”应理解为是一个控制工程的定义，其中当可以从在有限区间上的输入变量和输出变量的过程确定一个系统的初始状态的时候，系统被称为完全可以观测(参见Jan Lunze，Regelungstechnik 2，[Contro1 Engineering(控制工程)2]，Definition(定义)3.2或Otto Fllinger，Regelungstechnik，[Control Engineering(控制工程)]，5th Edition(第五版)，Definition(定义)11.109)。
同样很可能完全地不用控制阀门的阀门位置发送器。可以减少和避免部件和成本，特别包括对于服务和维护的部件和成本。利用本发明的方案，可以实现高度的精确性和可靠性。而且，例如在设备改进的时候，可以与阀门位置发送器并行的选用观测器。在阀门位置发送器故障的时候，可以通过观测来确定控制系统要求的控制变量，而与阀门位置发送器的功能无关。因此可以实现高度的精确性和可靠性。按照本发明的方案可以原则上用于控制环路，有可能固定地预定阀门位置设置点来作为参考变量，或者由高阶控制环路来提供阀门位置设置点，所述高阶控制环路如压力控制环路。
而且，本发明提出，通过观测控制变量和在每种情况下在控制阀门的上游和下游记录的压力而确定对应于控制阀门的位置的控制变量。为了确定控制变量，可以有益地利用已经存在和在对于处理的开环或闭环控制的任何情况下要求的测量点。
另外，本发明提出，由诸如压力控制系统的一高阶控制系统来预定参考变量。例如，可以由高阶控制系统预定阀门位置，由另一个独立的控制系统实现预定位置的获得和保持。特别是在大工业设备的情况下，这可以使得有可能通过本地安排的控制系统来迅速而干扰很小地达到和/或保持从远程中央站预定的阀门位置。而且，本发明提出，控制系统有益地具有成比例的的特性。
另外，本发明提出，指示控制阀门的所确定的位置。可以指示阀门位置的所观测的测量值而不进一步需要测量装置。所测量的值也可以被发送到高阶控制系统或中央站。
质量流有益地与各个压力成比例。而且，本发明提出经过控制阀门有超临界压降。
为了获得明确已知的阀门操作变量，本发明提出，控制系统是同类的，所述操作变量的一种形式对不依赖于当前的阀门冲程的、结果产生的阀门运动具有作用。
本发明还提出，参考变量(4)的值在从大约-10％到110％的范围中。可以以规定的方式来有益地移动控制阀门的终端位置。
为了建立在控制中的干预的可能方式，本发明提出，操作变量被引到一个选择开关。这使得控制阀门有可能具有施加到它的一预定控制值，例如用于试验的目的。经由所述选择开关，操作变量可以被转换到一最大或最小值，以便例如确定最大和/或最小的冲程。
另外，本发明提出，选用的控制变量也是来自阀门位置发送器的一记录的测量值。因此，例如为了试验目的，有可能在阀门位置的直接和观测的测定值之间进行选择。
而且，本发明提出，从阀门位置发送器测量的值用于校准观测器，所述观测器是已知的通过观测前述的变量来确定控制阀门的位置的装置。直接测量的阀门位置可以有益地用于设置观测器及其参数，以便与通过阀门位置发送器的控制有关的偏差在有益于阀门位置发送器的操作状态中变得尽可能小。
本发明还提出，通过电动液压驱动器将控制阀门定位和/或保持在由参考变量预定的位置。控制阀门可以有益地用于高要求。可以在控制特性中考虑包括控制阀门和电动液压驱动器的系统的控制特性，以便可以实现快速、稳定的控制，避免由例如震动或侵蚀造成的故障。
通过下面实施例的说明可以获得本发明的进一步的细节、特点和优点。实质相同的部件通过相同的指定方式来指定。而且，对于相同的特性和功能，可以参见图1的示范实施例的说明。
图1示出了与涡轮机组的控制相关的设备原理图的细节。
图2示出了按照本发明的具有观测器的控制阀门的控制系统的方框图。
图3示出了按照本发明的观测器的方框图。
附图标记1.指示器信号2.控制偏差3.控制变量4.参考变量5.操作变量6.阀门上游的压力7.阀门下游的压力8.高阶控制系统9.当前的伺服阀门10.线路11.选择开关12.最大值13.最小值14.来自阀门位置发送器的实际值15.乘法器16.乘法器17.观测器18.比较器19.蒸汽质量流流入20.蒸汽质量流流出21.与容量相关的存储时间常数22.观测的实际值26.转换开关28.位置控制器29.支路30.转换开关31.控制阀门32.控制阀门
具体实施例方式
图1表示从蒸汽产生动力的设备的设备原理图的细节。在线路10上，蒸气流经由支路29被引到阀门31、32。
并且，图1示出了一个观测器17，它与位于控制阀门31、32的流动方向的上游的压力测量点6相连接，与位于控制阀门32的流动方向的下游的压力测量点7相连接。质量流与各个压差成比例，横跨控制阀门32有超临界压降。而且，观测器17从位置控制器28获得操作变量5来作为输入信号，从这三个输入变量，观测器17确定控制阀门32的阀门位置的实际值22。信号被提供到位置控制器28，位置控制器28从参考变量4确定控制偏差2，位置控制器28由此产生控制阀门32的操作变量5。参考变量4在-10％到110％之间取值，以便使得有可能以规定的方式来移动到控制阀门32的终端位置。经由选择开关30，由阀门位置发送器提供的实际值14——未具体示出——也可以被选择来用于控制系统(图2)。所提供的控制系统是一个同类的控制系统。
图2示出了用于连续作为处理控制系统的一部分的控制阀门32的位置的方法的方框图，比较器18与参考变量4相关地从确定为控制变量3的控制阀门32的位置确定控制偏差2、利用控制偏差2来确定操作变量5，通过它控制阀门32定位和/或保持在由参考变量4预定的位置。按照本发明，通过观测操作变量5和另两个变量6、7而确定对应于控制阀门32的位置的控制变量3。所述另两个变量6、7受控制阀门32的位置的影响，它们在本结构中由在控制阀门32的上游和下游的分别记录的压力6、7形成。
参考变量4由高阶压力控制系统8预定。位置控制器28的特征在于成比例的特性。控制阀门32的预定位置经由来自一个指示器——未具体示出——的指示信号1而指示。而且，操作变量9被产生以便控制属于控制阀门32的电动液压驱动器的线圈，未具体示出。
操作变量5被引到选择开关11，其中作为一种选择，可以选择下限值13作为操作变量。其后，提供了一个转换开关26，利用它，作为一种选择，可以选择上限值12作为操作变量。
关于观测器17，在此再次简述它的基本功能。控制阀门32的上游和下游的压力6、7以及它的操作变量5作为电压形式的输入变量被视作已知的，因为它们可以作为测量的结果而获得。随着时间的变化，有可能确定初始状态，在此是控制阀门32的位置的信号22(关于这个方面，具体参见Jan Lunze)。
详细而言，利用观测器17通过使用在控制阀门32的上游和下游测量的压力6、7和对应于阀门位置的电压9，阀门位置被确定为操作变量5。在本结构中，控制阀门32的位置的改变与施加的电压9成比例。但是另外，也可以想象这样的设计，其中控制阀门32的位置本身与施加的电压9成比例。
控制阀门32的下游的压力7取决于流入和流出的蒸汽体质量流19、20(图2)。通过与容量相关的存储时间常数21，压力改变与在质量流19、20之间的差成比例。在超临界压降的情况下，流入控制阀门32的下流的空间的蒸汽19的质量与阀门位置和控制阀门32的上游的压力6的乘积成正比。流出的蒸汽20的质量主要与在由管道——未具体示出——形成的存储空间中建立的压力7成正比。这通过乘法器15、16来说明。
可以通过具有成对的微分方程的微分方程系统来描述在此要表示的系统。ddthvpnach=1Tv00K1pvor-K2hvpnach+Ku0Uv]]>hv＝阀门位置Pnach＝在控制阀门的下游建立的压力Tv＝容量时间常数KU，1，2＝参数Pvor＝在控制阀门的上游建立的压力Uv＝控制阀门的电压(操作变量)系统方程的动态由观测器17模拟。除了与原始系统有关的方程，观测器17接收与在测量的和观测的压力7之间的差有关的反馈。观测器17由下列方程说明ddth′vp′nach=1Tv00K1pvor-K2h′vp′nach+Ku0Uv+d1d2(pnach-p′nach)]]>带小撇的变量视观测器状态。参数d1和d2需要以使得对于误差的微分方程ΔhΔp=hvpnach-h′vp′nach]]>在原点(0，0)稳定来选择。这导致微分方程系统ddtΔhΔp=0-d1K1pvorTv-K2Tv-d2ΔhΔp]]>如果有关的特性多项式仅仅显示复数0，其实部小于0，则这个方程稳定。参数d1和d2的结果是d2＞K2/Tv和di＞0。
对于这些参数，在本示范实施例中指定了下列值K1＝2.3K2＝4.55K3＝0.01Tv＝0.1d1＝1d＝0.02Ku＝0.5(第一设置)在附图中所示的示范实施例仅仅用于说明本发明并不对其进行限定。可以改变，例如诸如由控制阀门的位置影响的变量的选择的单独的方法步骤、例如质量流以及诸如转换操作变量的附加功能等。
权利要求
1.一种用于连续控制控制阀门(32)的位置的方法，特别是一种作为闭环或开环处理控制系统的一部分的控制阀门、一种相对于所确定的参考变量(4)、被确定为控制变量(3)的、距离控制阀门位置的控制偏差(2)和一种从所述控制偏差(2)确定的操作变量(5)，通过所述操作变量(5)将控制阀门(32)定位和/或保持在由参考变量(4)预定的位置上，所述方法的特征在于，通过观测操作变量(5)和至少另一个由控制阀门(32)的位置影响的变量(6，7)来确定对应于控制阀门(32)的位置的控制变量(3)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过观测操作变量(5)和分别在控制阀门(32)的上游和下游记录的压力(6，7)而确定对应于控制阀门(32)的位置的控制变量(3)。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，由高阶控制系统(8)、特别是压力控制系统来预定参考变量(4)。
4.如前述的权利要求中的任何一个所述的方法，其特征在于具有成比例的的特性。
5.如前述的权利要求中的任何一个所述的方法，其特征在于指示控制阀门(32)的所确定的位置。
6.如前述的权利要求中的任何一个所述的方法，其特征在于质量流与各个压力成比例
7.如前述的权利要求中的任何一个所述的方法，其特征在于横跨控制阀门有超临界压降。
8.如前述的权利要求中的任何一个所述的方法，其特征在于控制系统是同类的。
9.如前述的权利要求中的任何一个所述的方法，其特征在于参考变量(4)的值在从大约-10％到110％的范围中。
10.如前述的权利要求中的任何一个所述的方法，其特征在于操作变量(5)被引到至少一选择开关(11)。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于经由所述选择开关(11)，操作变量(9，10)被转换到一最大或最小值(12，13)。
12.如前述的权利要求中的任何一个所述的方法，其特征在于选用的控制变量也是来自一阀门位置发送器的一记录的测量值(14)。
13.如前述的权利要求中的任何一个所述的方法，其特征在于从阀门位置发送器测量的值(14)用于校准观测器(17)。
14.如前述的权利要求中的任何一个所述的方法，其特征在于通过电动液压驱动器来在由参考变量(4)预定的位置定位和/或保持控制阀门(32)。
全文摘要
本发明涉及一种用于连续控制控制阀门(32)的位置的方法，特别是一种作为闭环或开环处理控制系统的一部分的控制阀门、一种相对于所确定的参考变量(4)、被确定为控制变量(3)的、距离控制阀门位置的控制偏差(2)和一种从所述控制偏差(2)确定的操作变量(5)，通过所述操作变量(5)将控制阀门(32)定位和/或保持在由参考变量(4)预定的位置上。本发明的目的在于改善已知的控制阀门位置(32)的方法，使得阀门位置发送器的故障不导致位置控制环路的故障。本发明提出通过观测操作变量(5)和至少另一个由控制阀门(32)的位置影响的变量(6，7)来确定对应于控制阀门(32)的位置的控制变量(3)。
文档编号G05D3/12GK1421754SQ0215283
公开日2003年6月4日 申请日期2002年11月25日 优先权日2001年11月23日
发明者莱因哈德·莱恩斯特, 鲁道夫·施莱休伯, 格塔·齐默 申请人:西门子公司