摘要：反馈是控制论中一个极其重要的概念。反馈就是控制（目标）信号发出后，把其作用结果送回来与目标比较的过程。反馈分为正反馈和负反馈两种，正反馈使系统的输入对输出的影响增大，负反馈则使其影响减少。本文主要介绍负反馈原理在气动调节阀中的应用。
关键词：控制原理；负反馈；气动调节阀
1.负反馈原理简要介绍
图1 负反馈原理图
负反馈的核心在于反馈信号和比较环节，使整个控制系统形成闭环控制。
如果是没有反馈信号和比较环节的开环系统，控制信号将持续不断的给控制器命令，使控制对象保持恒定的速度改变。
负反馈控制可以根据被控制对象状态的变化，不断调整控制器的输入，当控制信号（A）和反馈信号（B）之间的差值较大时，控制器输入（C）也较大，使控制对象快速响应；随着控制对象的响应，反馈信号不断增大，控制器输入减小，当控制对象达到控制信号要求时，负反馈调节完成，控制系统稳定。
2.气动阀分类介绍
按照控制方式的不同，气动阀可以分为开关型（ON-OFF AOV）和调节型（MODULATING AOV）。
开关型的气动阀只能全开或者全关，通过电磁阀控制气源的通断，从而控制气动阀的开关。
调节型的气动阀有电气转换器（EP）和定位器（POSITIONER），将4-20mA的电流控制信号转化为相应的气压值，控制阀门动作到0-100%的指定位置。
3.气动调节阀中负反馈原理的应用
气动调节阀除了阀门本体和气动执行机构之外，还包括过滤减压阀、定位器、电气转换器、电磁阀、流量放大器、限位开关等附件机构，在这些附件机构中，有些也用到了负反馈原理。
3.1 过滤减压阀
图2 过滤减压阀剖面结构图
调节过滤减压阀出口压力的过程可以看成一个负反馈调节的过程。
当需要增大出气口压力时，顺时针转动调压螺栓（图2-1），向下压缩弹簧（图2-9），带动膜片（图2-7）向下压缩，顶针（图2-4）及下弹簧（图2-6）向下动作，进气口到出气口之间通道打开，出气口压力增大，通过图2可以看出，出气口和膜片下部是相通的，随着出口压力的增大，作用在膜片下方，向上的推力增加，带动膜片和顶针向上动作，当出口气压增加到一定值时，顶针重新堵住进气口和出气口之间的通道，调节完成。
该调节过程中，膜片（执行机构）在上部弹簧（控制信号）和出口气压（反馈信号）的共同作用下，达到稳定状态。
3.2 定位器
定位器是气动调节阀最重要的附件，与电气转换器共同完成对阀门的控制。电气转换器接收控制信号4-20mA，并将电流信号转换为3-15Psi的压力信号，该压力信号作为定位器的输入信号，控制气动调节阀动作。定位器的工作原理也是利用了负反馈调节。
以图3中的气动调节阀为例，当需要增加该阀门开度时，DCS发出控制命令，电气转换器输出气压（定位器输入气压）增大，波纹管伸长，推动平衡杆向集气器的喷嘴方向移动，喷嘴与平衡杆之间的距离减小，喷嘴内气压增大，从集气器出口到隔膜的气压也增大，推动阀杆向下动作，阀门开度增加。随着阀杆向下运动，带动反馈杆和凸轮动作，推动平衡杆向远离喷嘴的方向动作，阻碍喷嘴内气压增大。
该调节过程中，喷嘴内气压（控制器）在上部波纹管（控制信号）和凸轮（反馈信号）的共同作用下稳定，阀门到达目标位置，系统达到稳定状态。
图3 定位器结构示意图
4.工艺系统中气动调节阀负反馈原理的应用
在工厂工艺系统的管道上，安装着大量的气动调节阀，运行操作人员通过控制它们的开度，实现对管道流量、压力，容器液位，厂房温度等参数的控制，操作员对气动阀的控制方式分为手动控制和自动控制两种。以下面的例子分别介绍这两种控制方式。
假设气动调节阀位于容器的入口位置，控制进入容器的介质流量，当容器出口有介质排出时，液位下降。要求操作人员通过控制气动阀的开度，将容器液位保持在1m。
在手动控制模式下，当实际液位L低于目标液位（1m）时，操作人员通过增加阀门开度，增大容器入口管道的介质流量，当容器液位上升到1m时，关闭阀门。该控制方式属于开环控制，阀门开度直接作为控制信号，使容器液位达到操作员要求，开环控制方式的缺点是，容易受外界干扰的影响，一旦容器出口排水，液位就会降低，需要操作人员反复控制。
在自动控制模式下，设定好目标液位L1（1m）后，控制系统会将L1与液位变送器反馈的实际液位L2进行比较，比较结果作为气动阀动作的控制信号，增加或减少阀门开度，完成对容器内液位的自动控制。该控制方式属于闭环控制，当容器出口排水时，仍然能将容器液位稳定在目标液位。
通过上述两种控制方式的比较可以看出，运用负反馈原理的闭环控制系统能够比没有负反馈的开环控制系统更好的完成控制目标，并且更加稳定。负反馈保证了工艺系统参数的稳定性，但是，对气动调节阀来说，必须不停地开关，这样将大大缩短阀门的使用寿命。因此，在大部分气动调节阀的定位器中，都有死区设置，即目标值与实际值经过比较，大于死区设置值，气动阀动作，如果比较差值很小，在死区以内，气动阀不动作。
5.总结
负反馈原理在气动调节阀中的应用，使气动调节阀及其所在的系统抗干扰能力更强，整个系统也更加稳定，但同时，也要求反馈环节的信息准确可靠，比较环节的逻辑运算正确无误，才能保证气动阀中的负反馈调节顺利完成。
参考文献：
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[2] 汪元义，李小军，张佳雄，邓寿明.气动调节阀的定位器的安装调试及故障处理[J]. 中国科技信息. 2010（17）
论文作者:黑鹏
论文发表刊物:《电力设备》2017年第33期
论文发表时间:2018/4/17
标签：负反馈论文; 信号论文; 调节阀论文; 定位器论文; 液位论文; 反馈论文; 气压论文; 《电力设备》2017年第33期论文;