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1前言
隨著汽輪機組容量的不斷增大，火力發電廠的熱力系統越來越復雜，自動化水平也越來越高，為了保證電廠的安全經濟運行，必須提高控制系統的靈活性與可靠性。為此，對其調節控制系統中配套的執行機構提出了大力矩、長行程、高精確度、多功能、快速切斷及快速調節等高難度的技術要求。但目前控制系統中采用的各種閥門執行器存在著卡澀、滯后、速度慢等缺陷，嚴重影響了機組的安全經濟運行。隨著機電液一體化技術的發展，國外已開發出智能成套式電液執行器，該執行器沒有外置附屬設備，系統簡單，運行可靠，操作方便，近幾年來成為美國一些電廠的首選執行機構。
2智能型閥門電液執行器的組成
智能型閥門電液執行器是由液動、控制、機電和計算機技術綜合為一體的特殊智能型電液執行器。該執行器由兩大部分組成：即機電伺服控制系統和液壓驅動系統。
2.1機電伺服控制系統
機電伺服控制系統的原理框圖如圖所示，該系統采用數字化閉環控制方式。其基本思想是：位置給定指令和位置反饋信號共同對步進電機進行控制，使其成為一較理想的數字式積分環節，在此基礎上引入直接檢測運動部件的測量環節，構成包含各種誤差源和非線性環節的全閉環系統，并通過計算機控制器對系統的運行進行最少拍控制。這樣，該系統不但可使運動部件的定位精度由檢測環節的測量精度決定，而且可對各種干擾和非線性因素對運動部件產生的影響進行有效的動態校正，使任何時刻運動部件的實際位移量總是嚴格跟隨指令值變化，從而保證運動部件的位移具有較高的動態精度。
圖1機電伺服控制系統原理框圖
2.2液壓驅動系統
液壓驅動系統由雙桿液壓油缸、液壓閥組、雙向內嚙合齒輪油泵、高壓電磁閥及彈簧等組成的液壓驅動回路，系統回路的原理框圖如圖2所示。該回路采用雙向定量內嚙合式齒輪油泵，通過改變油泵輸入轉速和油流的方向，控制液壓缸的運動方向和速度，回路中壓力的大小取決于負載的大小，因而沒有過剩的壓力和多余的流量，效率較高。回油背壓可直接作用在油泵的吸入口上，變為推動油泵旋轉的動力，減少原動機的功率消耗。當換向時由于運動慣性而產生的液壓沖擊，可以被回收變成推動油泵旋轉的動力。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。
圖2液壓驅動回路原理圖
3智能型電液執行器的動態特性分析
3.1機電伺服控制系統的動態特性分析
機電伺服控制系統的動態特性主要取決于位置控制器和步進電機的特性。步進電機是將脈沖信號轉換成機械角位移的執行元件。步進電機轉子的角位移的大小及轉速分別與輸入的電脈沖數及其頻率成正比，并在時間上與輸入脈沖同步。圖3為閉環步進位置控制系統的動態結構圖，它包括位置控制器、被控對象和反饋通道等部分。
圖3閉環步進位置控制系統的動態結構圖
3.1.1位置控制器的傳遞函數
根據電液轉換器的位置控制特點和最小拍控制理論可得廣義對象傳遞函數為：
考慮到泄漏系數可以通過制造精度的提高而減少到不足以引起系統誤差，因而可以忽略泄漏系數的影響，式（1）變為：
式中：T-位置檢測采樣周期；K-對象增益，（K=KFKθKPKYA）/VC；N=（VC+A2EY）/VC。
3.1.2內嚙合齒輪油泵的流量計算及其傳遞函數
根據內嚙合齒輪油泵的工作原理，油泵的流量為：
Q=dv/dt=KP·dФ1/dt（3）
對式（3）進行拉氏變換，并以油泵流量為輸出，以電機轉角變化為輸入，得：
W(s)=Q(s)/Ф(s)=KPs（4）
3.2液壓驅動回路動態特性分析
根據液流的連續性，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節功能，則回路的流量方程為：
對式（5）進行拉氏變換，并以流量為輸入，以位移為輸出，得：
3.3智能閥門電液執行器的動態穩定性分析
根據前面的理論分析和圖3所示的系統結構，近似認為泄漏系數K1=0，可得系統開環傳遞函數為：
式中Kd=KFKθKPK為系統增益，當Kd=280時，根據式（7）作出的開環波德圖如圖4所示。
根據奈魁斯特判據，當開環傳遞函數在右半S平面沒有極點時，閉環系統穩定的充分必要條件是低于增益穿越頻率ωc的頻率范圍內開環相頻率特性不穿越-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，所以系統是穩定的。
4結論
通過對智能閥門電液執行器的動態特性的分析，可以得出如下主要結論：
（1）智能閥門電液執行器系統穩定、系統響應速度快。并且減少系統增益、減少液壓油缸的行程和增加阻尼均可增大系統穩定裕量。
（2）當不考慮智能電液執行器的泄漏系數時，系統無穩態誤差。因此，只要使智能閥門電液執行器的泄漏系數控制在微小值范圍內，可以改善系統動態特性，減少穩態誤差。
（3）使用智能閥門電液執行器直接調節閥門，可以節省投資、檢修和維修費用，且因其作用力大而無卡澀滯后等缺陷，使調節的安全性和可靠性得以大幅度提高。
圖4智能電液執行器控制系統開環波德圖
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