Dynamisches Verhalten von Stellventilen

Dr.-Ing. Rainer Lange

Zur Feststellung des dynamischen Verhaltens von Stellventilen werden verschiedene konstruktive Ausführungen auf einem Durchflussprüfstand mit harmonischen Stellsignalen variabler Frequenz beaufschlagt und das Antwortsignal unter Betriebsbedingungen in Form der sich einstellenden zeitlich variablen Hubbewegung erfasst. Dieses Übertragungsverhalten wird dann nach den klassischen Methoden der Regelungstechnik in Form von Amplituden- und Phasengang sowie der Ortskurve ausgewertet und die Konsequenzen für den gesamten geschlossenen Regelkreis, in den das Stellgerät eingebunden ist, analysiert. Untersucht wurden folgende Stellgerätevarianten:

Stellgerät 1: Stellventil nach dem Sitz-Kegel-Prinzip, analoger elektropneumatischer Stellungsregler

Stellgerät 2: Stellventil nach dem Gleitschieber-Prinzip, analoger elektropneumatischer Stellungsregler

Stellgerät 3: Stellventil nach dem Gleitschieber-Prinzip, Stellungsregelung mit diskreten Komponenten

Bei den Varianten 1 und 2 wurden analoge Stellungsregler eingesetzt, da sie aufgrund des dynamischen Verhaltens gegenüber digitalen Geräten Vorteile aufweisen. Variante 3 nutzt zur Stellungsregelung keinen Stellungsregler klassischer Bauform, sondern wurde in diskreten Komponenten ausgeführt. Wichtigstes Element ist hierbei ein sogenanntes Servoventil, das die Be- und Entlüftung des Stellgliedantriebs übernimmt. Hierbei handelt es sich um ein stetig wirkendes Mehrwegeventil, dessen Position über einen elektromotorisch angetriebenen und lagegeregelten Drehschieber mit höchster Dynamik (Grenzfrequenz 70 Hz) einstellbar ist. Der eigentliche Positionsregelkreis besteht aus einem Hubaufnehmer, der Lageregelelektronik für das Servoventil sowie einem Controller, der neben anderen Aufgaben die Erfassung der Hubposition des Stellglieds und die Ermittlung des Stellsignals für das Servoventil übernimmt.

Die Versuchsventile sind in einen mit Wasser betriebenen Prüfstandskreislauf eingebaut, um auch Messungen unter Betriebsbedingungen (Differenzdruck) durchführen zu können (Abb. 1). Ein sinusförmiges Stromsignal variabler Frequenz (f = 0,02 bis 20 Hz) wird dem Ventil-Stellungsregler bzw. Controller zugeführt und die sich einstellende Hubbewegung mit einem Wegtaster aufgenommen. Mit steigender Frequenz verschieben sich Strom und Hubänderung immer mehr und auch die Hubamplitude wird zunehmend kleiner, bis dann zuletzt keine Ventilbewegung mehr stattfindet.

Um die Frage der Auswirkung der gemessenen Frequenzgänge auf die Stabilität in einem Regelkreis bewerten zu können, sollen die gemessenen Stellgeräte für eine Druckregelung in einem Behälter über einen einfachen Proportionalregler vorgesehen sein. Die Regelstrecke soll des Weiteren durch ein einfaches Verzögerungsglied 1. Ordnung beschreibbar sein. Für die Stabilitätsbetrachtung wird der Regelkreis aufgetrennt. Die Stabilitätsgrenze wird durch die Auswertung des Frequenzganges des offenen Kreises nach dem Nyquist-Kriterium bestimmt. Demnach ist ein Regelkreis stabil, wenn die Ortskurve den Wert -1 auf der imaginären Achse links liegen lässt (Abb. 2). Durch Veränderung der Verstärkung KP des Proportional-Reglers kann der Wert gefunden werden, wo die Ortskurve die Stabilitätsgrenze (-1) schneidet. Die graphische Darstellung der Ortskurve ist von den Strecken- und Regelparametern abhängig und liefert recht schnell durch einfache Variation der Eingabedaten die gesuchte Stabilitätsgrenze.

E cav 202