定位器自整定在高摩擦阀上的误整定

报告上的曲线是真的，只是它回答的不是现场的问题 · 仪表典型失效模式 · 执行侧

大修后复位，仪表班给一台旧调节阀做了定位器自整定。

整定过程很顺利，两分钟出结果。打印出来的报告上有一条阶跃响应曲线：上升干脆，超调百分之五，T86 一点八秒，各项指标都在规格书范围内。三方签字，归档。

投用两周后，操作反映这个回路在稳态时总有点毛刺——不是大幅摆动，就是读数不干净。仪表班到现场，人站在阀旁边，听见定位器排气口在持续地、有节奏地嘶嘶排气，大约一秒两下，一直没停。

阀位反馈在 DCS 上看着很平。趋势画面的采样周期是一秒，滤波时间常数三秒——那个节奏正好被滤掉了。

报告上的曲线是真的。

只是它回答的不是现场的问题。

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01

自整定到底在优化什么

智能定位器的自整定，本质上是一次自动化的系统辨识加参数寻优。它向执行机构施加一系列已知的阶跃激励，测量阀杆的实际响应，据此估计执行机构的充放气时间常数、行程时间和摩擦水平，然后按内置的优化目标设定位置环参数。

优化目标通常是几项的组合：上升要快、超调要小、稳态偏差要归零。这几项都要在算法所用的那个激励幅值下评价。

而激励幅值，多数厂商默认在百分之十到百分之二十五之间，有些还会做一次全行程。理由很实际：幅值太小，阀根本不动，算法辨识不出任何东西。

于是问题就埋下了。算法必须用一个足够大的动作才能看清这台阀，可它要整定的参数，却要用来应付一个小得多的动作。

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02

位置环是非线性的，一组参数覆盖不了两个工作区

如果定位器的位置环是线性系统，用哪个幅值整定都无所谓——线性系统的增益不随输入幅值变化。但有静摩擦在，它就不是。

在大幅值激励下，驱动力远超静摩擦，阀杆全程处于滑动状态，摩擦力近似恒定，系统表现得相当接近线性。算法看到的就是这样一台阀，于是给出一组匹配这种行为的参数。

在小幅值下，情况完全不同。驱动力刚够或不够突破静摩擦，阀杆时停时滑：停的时候等效增益趋近于零，滑的时候又突然跳一段。这是强非线性，而且这台阀摩擦力越大，非线性越剧烈。

面对这种非线性，自整定算法为了达成上升要快的目标，会选择抬高增益——因为高摩擦阀确实需要更大的驱动才动得起来。大幅值下这个选择完全正确，小幅值下它就成了灾难：增益足够高，一旦阀杆挣脱静摩擦就会冲过目标位，反向修正后再次卡住、再次挣脱、再次冲过。

图 1　同一台阀、同一组整定参数，在两种阶跃幅值下的行为（示意曲线，纵轴按各自阶跃幅值归一化）

左边那条曲线会被打印进整定报告，右边那条不会有人测。

需要强调的是，右图这种跳动是发生在定位器内部的位置环里的，周期以秒计。它和上一篇讲的控制回路极限循环——周期以分钟计——不是一回事。

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03

两种振荡，两个时间尺度

位置环自激的隐蔽性更强，代价却一点不小。阀杆在目标位两侧持续微幅往复，直接后果有三个：气耗显著上升；填料与阀杆的磨损速率成倍增加，加速下一轮摩擦增长；行程累计量在几个月内就能跑完设计寿命的相当一部分。

而这三样，在 DCS 画面上都看不见。

它不在趋势画面上，

它在阀旁边，用耳朵能听见。

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04

测试点和运行区不在同一段

把这件事画成一张图会更清楚：横轴是阶跃幅值，纵轴是超调量。

图 2　整定测试点与实际运行区间的错位（示意，曲线形状为定性表达）。超调超过百分之百意味着响应不再收敛

两组参数在测试点上几乎同样合格——超调都在百分之十以内，任何验收标准都挑不出毛病。往左走才分道扬镳：当前整定在小幅值区超调急剧上升并越过不收敛的门槛，保守整定虽然响应偏慢，却始终留在收敛区内。

而一台连续调节的阀，绝大部分时间工作在图的左侧那片阴影里。

这就是整个问题的形状：验收发生在右边，运行发生在左边，而中间那段没有人测过。

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05

还有两个容易忽略的条件

整定时的工况与运行时不同。多数厂商要求在接近实际运行的条件下整定，但现场往往在停车、无压差、常温状态下做。无压差时不平衡力为零，填料温度也与运行时不同，摩擦特性并不一样。整定出来的参数，对应的是一台并不存在于运行工况中的阀。

参数是一个时间点的快照。自整定给出的参数会被写进定位器并长期保持，而摩擦力会随填料老化持续增长。整定后第一年合适的增益，第三年可能已经偏低——或者因为位置环自激加速了磨损，反而变得更不合适。

这两条叠加起来，意味着一次整定的有效期，比多数人默认的要短得多。

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06

能做什么

整定之后补做小幅阶跃。这是成本最低、效果最直接的一条。ISA-75.25.01 的测试序列本来就要求幅值递减，把 2 %、1 %、0.5 % 三档补上，观察是否出现不收敛。自整定报告只覆盖大幅值，不能作为整定合格的唯一凭据。

在真实工况下整定。尽可能在有压差、有介质、接近运行温度的条件下执行。若只能停车整定，投用后应安排一次复核。

用现场证据交叉验证。在阀旁听排气声是最直接的判断方式；稳态气耗异常偏高、定位器记录的行程累计量与方向变化次数增长过快，都是位置环自激的旁证。

接受一点慢。对高摩擦阀，与其追求漂亮的大阶跃曲线，不如换一组保守参数。慢一点的收敛，好过在运行区间里持续跳动。

先修阀，再整定。自整定是在既有摩擦水平上做最优妥协，它解决不了摩擦本身。摩擦力已经明显偏高时，正确顺序是先处理填料，再重新整定。

自整定优化的是它测过的那个幅值，

不是你运行的那个幅值。

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▽ 参考资料（5 项）

· ISA-75.25.01　Test Procedure for Control Valve Response Measurement from Step Inputs

· ISA-TR75.25.02　Control Valve Response Measurement from Step Inputs

· IEC 60534-4　工业过程控制阀 第4部分：检验和例行试验

· NAMUR NE107　现场设备自监视与诊断的状态分类

· ISA TR96.05.01　控制阀与执行机构的诊断与预测性维护