CN100394331C - 一种智能流体控制阀的实现方法及阀门 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种阀的智能控制实现方法及阀门，旨在提供一种基于高级计算的智能流体控制阀的实现方法及阀门。该方法通过在智能控制器中设定流量值，对外部信号进行数据采样并与设定值进行比较，根据APID算法调节电动阀体组件的开度而实现智能控制。该方法能直接实现动态流量的自动平衡。一种实现该方法的控制阀，包括阀体和设于阀体中的电动阀体组件，安装于阀体上的插入式流量传感器通过电缆线依次与智能控制器、模拟量电动执行器连接，模拟量电动执行器配装在电动阀体组件上。该控制阀性能优越，加工工艺简单、制造成本低廉，综合节能效果十分明显。该产品还可以广泛应用于各种流体流动的控制。

Description

一种智能流体控制阀的实现方法及阀门

技术领域

本发明涉及一种阀的智能控制实现方法及阀门。更具体地说，本发明涉及一种基于高级计算的智能流体控制阀的实现方法及阀门。

背景技术

在水系统管网中普遍存在着水力失调现象，管网水力不平衡易造成系统能源的浪费和设备运行噪声的增加，具有高级智能动态流量平衡功能的流体控制阀是解决复杂管网水力平衡的最佳手段。

目前普遍应用的动态流量平衡电动控制阀，本质上是一种具有机械自力式压差自动控制功能的压力无关型电动阀，其动态平衡的原理比较简单，即一体型或组合型动态平衡电动阀的两端压差DP＝P₁-P₃随机变化时，利用机械自力式压差控制装置(阀)通过改变DP₂＝P₂-P₃的值自动控制DP₁＝P₁-P₂恒定，或者利用机械自力式压差平衡控制器通过改变DP₁＝P₁-P₂的值确保DP₂＝P₂-P₃自动恒定。

动态平衡电动阀最新产品普遍采用弹簧机械自力式的实现原理，因而存在通流能力小、动态工作压差控制范围有限、应用不灵活、工作压差起始点高，阀两端总体压损偏高等缺点(由于DP＝DP₁+DP₂，实际使用时须以牺牲压差控制器的压力来维持电动调节阀分压差如DP₁的恒定，显然牺牲压差控制器的压力也是浪费能耗)。

本发明人曾提出基于高级智能特征计算的方法嵌入到智能控制器，并结合压差传感器、模拟量电动调节蝶阀进行高级组合一体化控制，实现具有理想阀门调节特性的动态平衡电动调节阀控制方法，这类方法还可以进一步简化。

目前插入式流量传感器产品技术十分成熟，利用微型流量传感器、智能控制器，模拟量电动控制阀进行硬件一体化创新设计和嵌入式软件的二次开发，可以构成一种基于高级计算的流体控制阀实现方法，及一种具有等百分比调节特性的压力无关型智能流体控制阀。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于高级计算的智能流体控制阀的实现方法。本发明更进一步的目的在于提供一种基于嵌入式高级计算与智能控制方法实现压力无关型等百分比调节特性的智能流体控制阀。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种智能流体控制阀的实现方法，包括以下步骤：

(1)在具有高级数学函数计算功能和可实现APID控制算法的智能控制器中设定阀门的动态平衡流量最大值；

(2)智能控制器对外部输入的标准模拟电信号进行数据采样，即读入阀的动态电行程设定值；

(3)将阀位动态电行程设定值的模拟量控制信号转换成无量纲变量；

(4)根据等百分比特性计算公式，将阀的动态电行程设定值计算成动态平衡流量设定值；

(5)利用流量传感器测量当前阀的动态平衡流量值；

(6)将动态平衡流量测量值与动态平衡流量设定值进行比较，根据APID算法调节电动阀体组件的开度，实现动态平衡流量的智能控制；

其中：

对应于有量纲的等百分比调节特性计算公式为：

Q＝Q_MAX·R^X-1

对应于无量纲的等百分比调节特性计算公式：

$\frac{Q}{Q_{\mathrm{MAX}}}=R^{X-1}$

上述公式中，Q为动态平衡流量；Q_MAX为动态平衡流量最大值；R为控制阀的可调比，为常数；X为动态电行程设定值变量。

本发明还提供了一种智能流体控制阀，包括阀体和设于阀体中的电动阀体组件5，安装于阀体上的插入式流量传感器2通过电缆线7依次与智能控制器3、模拟量电动执行器4连接，模拟量电动执行器4配装在电动阀体组件5上。

作为本发明的一种改进，所述模拟量电动执行器4是角行程模拟量电动执行器。

作为本发明的一种改进，所述电动阀体组件5是电动调节蝶阀组件或电动调节球阀组件。

作为本发明的一种改进，所述智能控制器3上设置I/O接线端子。

作为本发明的一种改进，所述阀体包括前阀体流筒1和后阀体流筒9，前阀体流筒1、电动阀体组件5、后阀体流筒9依次连接。

作为本发明的一种改进，前阀体流筒1、电动阀体组件5、后阀体流筒9通过螺栓/螺帽标准件8依次连接。

作为本发明的一种改进，前阀体流筒1、电动阀体组件5、后阀体流筒9依次连接并呈外部一体化的结构。

作为本发明的一种改进，所述的前阀体流筒1、后阀体流筒9是等直径的筒体或变直径的筒体。

作为本发明的一种改进，所述插入式流量传感器2安装于阀体的前阀体流筒1上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

利用智能控制器的数据采集功能读入外部输入的阀的动态电行程设定值，采用等百分比特性公式计算出阀的动态平衡流量设定值，当阀的动态平衡流量测量值(利用流量传感器直接进行测量)与动态平衡流量设定值发生偏差时，利用APID控制算法直接调节模拟量电动阀的开度，从而直接实现动态流量的自动平衡。

本发明的智能型动态流量平衡电动控制阀具有理想的等百分比调节特性，属于一种压力无关型智能控制阀，且机械结构和加工工艺简单、工作压差起始值小、通流能力大、使用寿命长、制造成本低廉，适合小批量多品种生产，当应用于空调、供热管网水系统时其综合节能效果十分明显。

本发明的智能型动态流量平衡电动控制阀(简称智能流体控制阀)还可以广泛应用于各种流体流动的控制。

应用这种具有等百分比调节特性的低压损动态流量平衡型智能电动控制阀，空调管网水系统综合节能效果达10％～45％。

附图说明

图1是本发明实施例中智能流体控制阀局部剖视结构示意与装配图。

图例中标记：1前阀体流筒、2插入式流量传感器、3智能控制器、4模拟量电动执行器、5电动阀体组件、6接线端子、7电缆线、8螺栓/螺冒标准件、9后阀体流筒。

具体实施方式

参考附图1，下面将对本发明进行详细描述。

图中给出了一种智能流体控制阀，包括电动阀体组件2和与电动阀体组件2相连的模拟量电动执行器4，用来实施电动阀体的模拟量调节。前阀体流筒1、电动阀体组件2、后阀体流筒1通过螺栓/螺冒标准件8依次连接，或者配装成一体。

插入式流量传感器2通过配装插入方式安装在前阀体流筒1的壁面上。流量传感器2、智能控制器3、模拟量电动执行器4通过电缆线7依次连接，模拟量电动执行器4配装在电动阀体组件5上。

电动阀体组件2是电动调节蝶阀组件，也可以是电动调节球阀组件。

流量传感器2、智能控制器3、模拟量电动执行器4和电动阀体组件5共同构成了动态流量自动平衡智能控制装置。

所述智能控制器3内嵌入或者下载一种“基于高级计算实现压力无关型的具有理想等百分比调节特性”的控制程序。利用该程序的高级计算，智能控制器3输出标准控制信号通过电缆线7直接调节模拟量电动执行器4，通过控制电动阀体组件2的开度实现动态平衡流量的自动控制。这是一种典型的属于压力无关型的电子式智能动态流量平衡控制方法。

对于本发明的智能流体控制阀，可以引入一个外部输入的阀的动态电行程设定值变量Y(即对应于外部输入的标准模拟量电信号)。

例如0～10VDC电信号表示Y∈[0，10]、4～20mA电信号表示Y∈[4，20]。

不妨假设阀的无量纲阀动态电行程设定值变量X，例如：

(1)对于0～10VDC标准电信号，取

X＝Y/10                 (1-1)

(2)对于4～20mA标准电信号，取

X＝(Y-4)/16             (1-2)

(3)对于2～10VDC标准电信号，取

X＝(Y-2)/10；           (1-3)

(4)对于0～5VDC标准电信号，取

X＝Y/5；               (1-4)

对于等百分比调节特性，定义控制阀的可调比R为常数，则有量纲的等百分比调节特性计算公式：

Q＝Q_MAX·R^X-1                    (2)

对应于无量纲的等百分比调节特性计算公式：

$\frac{Q}{Q_{\mathrm{MAX}}}=R^{X-1}---\left(3\right)$

显然，公式(2)～公式(3)也可以采用近似数学拟合公式进行描述

显然，公式(2)～公式(3)也可以采用近似数学拟合公式进行描述。

模拟量电动执行器4将电动阀组件2中的阀体打开时，水从前阀体流筒1的流道入口流入，绕流插入式流量传感器2和电动阀体组件5后，从后阀体流筒9的流道出口流出。

所述智能控制器11既可以采用具有高级数学函数计算功能和可实现APID控制算法的通用型智能控制器产品，也可以专门开发智能控制器产品(例如基于单片机MCU的开发)。

所述智能控制器11还包括一些I/O接线端子。

当外部输入的阀的动态电行程设定值Y给定时(即外部输入方式设定动态流量值)，对应的无量纲动态电行程设定值变量X也即给定，利用等百分比调节特性计算公式(2)容易计算出动态平衡流量Q的设定值(这是一种动态流量设定值，即设定流量随外部输入电信号的大小而改变)。当阀的动态平衡流量测量值与动态平衡流量设定值发生偏差时，利用智能控制器3的内置APID控制算法通过改变电动调节阀体2的开度，实现阀门流量自动恒定在某动态设定值，即动态平衡流量的自动控制。

本发明的智能流体控制阀实现方法步骤如下：

(1)在智能控制器中设定阀门的动态平衡流量最大值Q_MAX；

(2)智能控制器读入外部输入的阀的动态电行程设定值Y，并将阀位动态电行程设定值Y的模拟量控制信号转换成无量纲变量X；

(3)根据计算公式(2)计算出动态平衡流量设定值Q_S；

(4)利用流量传感器测量阀的动态流量测量Q_P；

(5)将动态平衡流量测量值Q_P与动态平衡流量设定值Q_S进行比较，运行APID控制算法调节与控制模拟量电动阀的开度，直接实现动态平衡流量的自动控制。

本发明的智能流体控制阀具体举例如下：

对于本发明其中一种DN80规格的智能型流体控制阀产品，设计工作压差范围(16～400)KPa，设计额定的动态平衡流量最大控制值32m³/h(在该范围内可以任意设定动态平衡流量最大值Q_MAX)，控制阀的可调比取R＝50，则对应的无量纲动态电行程设定值X、动态工作压差、动态平衡流量数据如下表所示：

无量纲动态电行程设定值X	0.05	0.15	0.25	0.35	0.45	0.55	0.65	0.75	0.85	0.95	1.00
												动态工作压差KPa	0.009	0.021	0.045	0.099	0.216	0.473	1.035	2.263	4.95	10.82	16.0
动态平衡流量m<sup>3</sup>/h	0.78	1.15	1.70	2.52	3.72	5.50	8.14	12.03	17.8	26.3	32.0

有量纲的动态电行程设定值Y、无量纲的动态电行程设定值X与标准电信号对应换算关系如下表：

无量纲动态电行程设定值	0.05	0.15	0.25	0.35	0.45	0.5	0.55	0.65	0.75	0.85	0.95	1
													0-10VDC对应电压设定值(V)	0.5	1.5	2.5	3.5	4.5	5	5.5	6.5	7.5	8.5	9.5	10
4-20mADC对应电流设定值(mA)	4.8	6.4	8	9.6	11.2	12	12.8	14.4	16	17.6	19.2	20

实际使用时，只需要更换智能控制器的特征计算公式(通过算法实现)，还可以实现线性调节特性、或者抛物线调节特性，且这些理想调节特性均属于压力无关型的调节。

显然，上述表格中的动态工作压差起始值才16kPa，而动态平衡流量最大控制值可达到32m³/h，整体技术数据优势十分明显。

显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种智能流体控制阀的实现方法，包括以下步骤：

(1)在具有高级数学函数计算功能和可实现APID控制算法的智能控制器中设定阀门的动态平衡流量最大值；

(2)智能控制器对外部输入的标准模拟电信号进行数据采样，即读入阀的动态电行程设定值；

(3)将阀位动态电行程设定值的模拟量控制信号转换成无量纲变量；

(4)根据等百分比特性计算公式，将阀的动态电行程设定值计算成动态平衡流量设定值；

(5)利用流量传感器测量当前阀的动态平衡流量值；

(6)将动态平衡流量测量值与动态平衡流量设定值进行比较，根据APID算法调节电动阀体组件的开度，实现动态平衡流量的智能控制；

其中：

对应于有量纲的等百分比调节特性计算公式为：

Q＝Q_MAX·R^X-1

对应于无量纲的等百分比调节特性计算公式：

$\frac{Q}{Q_{\mathrm{MAX}}}=R^{X-1}$

上述公式中，Q为动态平衡流量；Q_MAX为动态平衡流量最大值；R为控制阀的可调比，为常数；X为动态电行程设定值变量。

2.一种实现权利要求1所述的智能流体控制阀的实现方法的智能流体控制阀，包括阀体和设于阀体中的电动阀体组件(5)，其特征在于，安装于阀体上的插入式流量传感器(2)与智能控制器(3)、模拟量电动执行器(4)通过电缆线(7)依次连接，模拟量电动执行器(4)配装在电动阀体组件(5)上。

3.根据权利要求2所述的智能流体控制阀，其特征在于，所述模拟量电动执行器(4)是角行程模拟量电动执行器。

4.根据权利要求2所述的智能流体控制阀，其特征在于，所述电动阀体组件(5)是电动调节蝶阀组件或电动调节球阀组件。

5.根据权利要求2所述的智能流体控制阀，其特征在于，所述智能控制器(3)上设置I/O接线端子。

6.根据权利要求2所述的智能流体控制阀，其特征在于，所述阀体包括前阀体流筒(1)和后阀体流筒(9)，前阀体流筒(1)、电动阀体组件(5)、后阀体流筒(9)依次连接。

7.根据权利要求6所述的智能流体控制阀，其特征在于，前阀体流筒(1)、电动阀体组件(5)、后阀体流筒(9)通过螺栓/螺帽标准件(8)依次连接。

8.根据权利要求6所述的智能流体控制阀，其特征在于，前阀体流筒(1)、电动阀体组件(5)、后阀体流筒(9)依次连接并呈外部一体化的结构。

9.根据权利要求6所述的智能流体控制阀，其特征在于，所述的前阀体流筒(1)、后阀体流筒(9)是等直径的筒体或变直径的筒体。

10.根据权利要求6所述的智能流体控制阀，其特征在于，所述插入式流量传感器(2)安装于阀体的前阀体流筒(1)上。

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