CN101484858A - 流量控制阀的控制方法和控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及控制(3)流量控制阀(1)，包含在流动处理管道(5)中的适当点上测量流量，和通过阀门的C_v曲线、测量的阀门开度α_m、和测量的流量(Q_m)计算阀门两端的压降。通过这个计算的压降，流量设置点(Q_sp)和阀门的逆C_v曲线，计算提供期望流量的新阀门开度(α_c)。由此使控制适合每个工作点和它的主要流量增益，并且将流量控制与流量之间的相关性线性化。

Description

流量控制阀的控制方法和控制系统

技术领域

本发明总地涉及对控制阀进行控制，具体涉及对控制液流或气流的控制阀进行控制。

背景技术

控制阀一般用于不同管道和处理中的液流或气流的连续控制。在像纸浆和纸、炼油、石化和化学工业那样的加工工业中，安装在工厂管系中的不同类型的控制阀控制处理中的材料流。材料流可以包含像流体、溶液、液体、气体和蒸汽那样的任何流体材料。控制阀通常与致动器连接，致动器将阀门的关闭元件移动到全开位置与全闭位置之间的期望的打开位置。致动器可以是例如柱形活塞。至于致动器，其部件通常受阀门定位器或阀门导向器控制，阀门定位器或阀门导向器按照来自控制器的控制信号，控制控制阀的关闭元件的位置，因此控制处理中的材料流。

这些处理受控制回路/电路控制。控制回路或电路例如由受控制的处理管道、控制阀、测量传感器和发送器、和控制器组成。控制器以例如模拟电流信号或数字控制消息的形式将控制信号给予控制阀。测量传感器测量受控变量，并且将获得的测量产物反馈到控制器，在控制器中将它与给定参考值相比较。根据差变量，控制器计算控制阀的控制量。通常，控制器以这样的方式起作用，即，通过像PI或PID算法那样的适当控制算法使差变量最小。通常，在安装或工作期间针对每个阀门调整这个控制算法。

利用控制阀实现的已知流量控制包含由控制阀、控制器和流量指示器组成的实体。PID或PE类型的控制器接收流量设置点Q_sp和测量的流量Q_m。在PID控制算法中，假设控制阀是线性的，即，流量线性地依赖于控制信号，这也称为线性安装特性。当控制阀是线性的时，控制器参数P、I和D可以是固定值。安装的控制阀的流量增益dQ/dα(Q＝流量，α＝阀门开度)在这种状态下必须是常数，以便使控制阀在受控的整个流动区中以稳定方式和误差尽可能小地工作。

实际上，由于阀门的自然特性、阀门的扩大、管道损耗和泵浦曲线，安装在处理管道中的控制阀的特性是非线性的。换句话说，对于不同阀门开度，流量增益在处理条件下变化相当大。在这种情况下，PID控制器增益应该总是被改变以适应每个工作点，以便达到好的流量控制。另一个问题是安装特性的斜率在控制阀的相同工作点上不保持恒定，而是变化的，例如，当与管道连接的其它控制元件正在进行控制操作时。由于稳定性的原因，必须常常按照阀门的最高流量增益和处理条件设置控制器参数，并且，当发生变化时，在较低流量增益的区域中，由于控制的缓慢性，受控的流量长时间存在误差。为了缓解这个问题，可以通过控制器的列表增益补偿按照流量规则变化的流量增益。实际上，难以求出列表值，并且它们不能用于补偿随机变化处理条件。

芬兰专利FI 53047公开了利用阀门的C_v(流量系数)曲线对控制阀进行控制。在这种已知的解决方案中，测量阀门开度和阀门两端的压降Δp。将这些值读到控制单元中，在控制单元中将阀门的C_v曲线存储成封闭构件的位置的函数。当Q＝Q_sp，G＝材料流的相对密度和N＝常系数时，通过使用已知流量方程

$Q=N*C_v*\sqrt{\mathrm{\Δp}/G}---\left(1\right)$

控制单元解出所需C_v值，并且，通过利用C_v曲线，解出封闭构件的所需位置。阀门的C_v曲线、阀门开度的测量结果和阀门两端的测量压降的不精确性表现为受控流中的永久误差。专利FI 53047的方程使用了系数k_v，它的值可以是例如k_v＝0.857×C_v。系数k_v与本文使用的参数C_v之间的差异在于使用的单位。

发明内容

本发明的目的是改善控制阀进行的流量控制。

本发明的目的通过描述在所附独立权利要求中的方法和系统实现。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施例。

按照本发明的实施例，在流动处理中的适当位置测量流速，并且利用阀门的C_v曲线、测量的阀门开度和测量的流量计算阀门两端的压降。根据计算的压降、流量设置点(即，期望的流量)和阀门的逆C_v曲线，计算提供期望流速的新的阀门开度。由此使控制适合每个工作点和它的主要流量增益。这样，本发明的控制算法使流量控制与流速之间的相关性线性化。

在本发明的实施例中，将积分函数应用于流量中的误差，并且迫使流量变成它的设置点值。因为按照本发明实施例的控制算法在阀门开度改变为减小误差的方向之前，通过对流量设置点与测量流量之间的差值进行积分来增大阀门开度控制信号，所以流量的误差不会超过流量指示器的不精确度。由于本发明，不需要像在PID控制器中那样，为控制确定应用特定增益系数。控制阀门的C_v曲线与处理条件无关，并且在控制阀门被组装时可能已经被存储。在处理条件下的起动不需要设置增益系数或在变化处理条件下改变系数或列表。

附图说明

现在通过作为例子示出的实施例和参照附图更详细地描述本发明，在附图中，

图1是示出按照本发明实施例的控制电路的例子的示意性方框图；

图2是示出按照本发明实施例的示范性控制算法的流程图；

图3是示出结合控制阀放置的控制器的例子的方框图；

图4是示出作为一个例子，如何将控制器放置在例如DCS类型控制系统中的处理控制计算机中的方框图；

图5是示出了利用现场总线技术实现并且可以应用本发明的实施例的控制系统的例子的方框图；

图6是示出控制阀的C_v曲线，即，作为C_v的函数的阀门开度的例子的图形；

图7是示出控制阀的逆C_v曲线，即，作为C_v的函数的阀门开度的例子的图形；和

图8和9示出了在故障状态下并且因此当流量设置点变化时的模拟结果7。

具体实施方式

在图1的例子中，控制阀1与处理管道5连接，以控制处理管道5中的物质的流量。材料流可以包含像流体、溶液、液体、气体和蒸汽那样的任何流体材料。控制阀1由致动器和阀门定位器或导向器2移动。应该注意到，控制阀1和相关联的导向器和致动器2的结构和功能与本发明无关。与本发明有关的只是单元2产生有关阀门的开度的测量信息α_m，并且可以通过控制阀门开度的信号α_c控制。在受控制的流动处理中阀门1之后的适当点上，连接了产生测量流量值Q_m的流量指示器(FI)4。流量指示器4最好是已经存在于处理管道之中的流量指示器，或者，可以为了本发明的目的安装在处理管道中。流量指示器4最好位于阀门4之后，但也可以放置在阀门1之前的流动处理的适当点上。

控制器方框3总地代表按照本发明的实施例实现流量控制的控制功能和实现控制功能的单元。控制器3可以通过具有足够计算能力的任何单元实现，它可以远离控制阀1和它的控制和致动装置2，或者，正如下面说明的那样，它可以与控制阀1和控制和致动装置2并置或合并到这些装置中。

在下文中通过例子并参照图2说明如图1所示那种类型的控制电路如何按照本发明的实施例工作。按照本发明的原理，控制器3利用在处理管道5的适当点上对材料流的流量测量提供的精确信息。这个测量流量Q_m是从例如流量指示器4中获得的(图2中的步骤21)。控制器3还从控制阀的控制和致动装置2接收打开阀门1的测量值α_m(步骤22)。控制阀1的C_v曲线还以例如列表形式、另一种类型的数据结构或数学函数的形式存储在控制器3中。图6示出了控制阀的C_v曲线的例子，它示出了作为阀门开度α的函数的C_v值。相应曲线点(α，C_v)以列表形式表示在表1中。

表1

 

Cv	开度α(％)
		7275595145205240293362465	14.6326.8339.0251.2263.4175.6181.7187.8093.90100.00

应该注意到，这里为了简洁起见，只示出了少量曲线点。实际上，可以存储数量大得多的点。通过测量的阀门开度α_m，可以搜索存储的C_v曲线上阀门的C_v曲线的相应值C_v(α_m)(步骤23)。例如，如果测量的开度α_m是52％，曲线6上的相应C_v(α_m)值是96。此后，例如，对于水，可以以如下方式，根据流量方程(1)，借助于测量的流量Q_m和值C_v(α_m)解出控制阀的封闭构件两端的压降Δp(步骤24)：

$\sqrt{\mathrm{\Δp}}=\frac{Q_m}{N*C_v\left({\mathrm{\α}}_m\right)}---\left(2\right)$

控制器3还直接地或经由控制和致动装置2从例如处理控制器接收流量设置点Q_sp。应该注意到，这里，流量设置点指的是代表期望流量的任何信号。现在，可以计算流量设置点与测量流量之间的差值或误差dQ(步骤25)。

dQ＝Q_sp-Q_m                (3)

在本发明的实施例中，对流量误差进行积分，并且将积分结果加入流量设置点Q_sp中，以获得校正流量值，通过校正流量值可以控制阀门开度，以便补偿误差(步骤26)。

Q_G＝Q_sp+∫dQ             (4)

此后，可以通过校正的流量值Q_c和压降Δp计算新C_v值(步骤27)。

然后，通过使用控制阀的逆C_v曲线，确定与新C_v值相对应的阀门开度α_c(步骤28)。阀门的逆C_v曲线在这里指的是示出阀门开度作为C_v值的函数的曲线。作为一个例子，图7示出了图6的逆C_v曲线。例如，如果校正的C_v值是250，相应开度值是α_c＝82。逆C_v曲线可以分开存储，或可以从例如表1或相应数据结构中寻找与C_v值相对应的开度。此后，控制器3将新开度值α_c供应给控制和致动装置2，控制和致动装置2将控制阀移动到新打开位置(步骤29)。然后，控制算法返回到步骤21，开始下一个控制循环。

当开始处理并且测量的流量Q_m＝0时，还不能计算压降Δp，而是将它设置成在算法中预定义的某个正向压降Δps(步骤20)。

应该注意到，所述流量方程(1，2)在某个温度上对水有效，但也可以使用本身已知的其它流量方程。例如，在压缩材料或空穴流的情况下，除了C_v之外，也可以考虑其它流量量度系数。但是，在每种应用中C_v信息总是需要的。对于气流，最好提供有关阀门输入侧的压力水平的信息，以便访问有关材料流的信息。

图8示出了模拟状况，其中在控制阀1的输入侧出现入口压力干扰，使测量流量Q_m下降，因此使误差相对于流量设置点Q_sp变大。按照本发明的控制算法通过增大控制阀的开度对此作出反应，直到测量流量Q_m被设置回到设置点Q_sp。稍后，在时间间隔80中，输入侧的压力返回正常状态，并且测量的流量Q_m相对于流量设置点Q_sp开始增大，因为控制阀先前适应了干扰，即，低入口压力。本发明的控制算法通过减小控制阀的开度对流量误差dQ沿着其它方向的变化作出反应，直到测量的Q_m被再次设置成设置点Q_sp。控制延迟主要受误差dQ的积分时间常数影响。

图9示出了逐步降低流量设置点和再次使它逐步返回到它的原始值的状况的模拟。在设置点Q_sp降低之后，误差dQ变大，因此，本发明的控制算法将控制阀的开度减小到使测量的流量Q_m减小到新设置点Q_sp的值。于是，随着设置点Q_sp逐步增大，本发明的控制算法将控制阀的开度逐步增大成使测量的流量Q_m增大到新设置点Q_sp的值。

如上所述，本发明的控制器和控制算法可以以多种方式实现。图3例示了在本地实现控制器3，以便将它与控制阀21和它的致动器2连接或合并到其中的例子。控制器3可以包含例如起程序和工作存储器作用的存储器31与之连接的微处理器或其它类似中央处理单元32。流量指示器4提供与测量的流量Q_m成正比并由模数转换器33转换成数字形式，然后供应给微处理器32的电流信号(4到20mA)。作为输入，在微处理器32上还接收控制阀的流量设置点Q_sp和测量的开度α_m。作为输出，微处理器提供控制阀的开度的控制值α_c。这些信号可以是模拟流量信号(4到20mA)、串行数字信号或其它适当模拟或数字信号。在起动之后，微处理器32执行例如按照图2的控制算法。例如，当现有控制阀被更新成按照本发明工作时，或当实现新控制阀处理环境时，如图3所示那种类型的解决方案是有利的，其中测量和控制信号作为4到20mA的电流信号传送。

图4示出了另一种示范性配置，其中按照本发明的控制器3位于集中式处理控制计算机40中，测量的流量Q_m作为4到20mA的电流信号从流量指示器4供应到该集中式处理控制计算机40。于是，测量的阀门开度α_m也作为4到20mA的电流信号从控制阀1的控制和致动装置42供应到控制计算机40。计算机40将控制开度的值α_c作为4到20mA的电流信号供应给控制和致动装置42。控制算法执行例如图2的控制算法。

作为另一个例子，图5示出了分布式控制系统，其中流量指示器4和控制阀的控制和致动装置52是相互连接并经由现场总线53与例如控制室计算机51连接的智能现场设备。智能现场设备具有可以用于执行本发明的控制算法的数据处理和计算能力。在这种情况下，按照本发明实施例的控制器可以在分布式控制系统的智能现场设备52、智能流量指示器4或一些其它智能现场设备中实现。因此，必须在如上所示的控制器3、流量指示器4和控制和致动装置52之间传送设置点Q_sp、测量的流量Q_m、测量的阀门开度α_m和阀门开度的控制值α_c。远离阀门控制器3的如图4和5所示那种类型的解决方案带来的问题可能是控制延迟增加了，这可能损害控制结果。

该描述和相关图形只是为了通过例子例示本发明的原理。显而易见，本领域的普通技术人员可以根据这个描述作出各种各样可替代实施例、修改和改变。本发明不受本文所述的例子限制，本发明可以在所附权利要求书的范围和精神内变化。

Claims (12)

1.一种控制流量控制阀(1)的方法，该方法包含：

确定(22)阀门(1)的当前开度和阀门两端的压降；和

根据阀门的C_v曲线、流量设置点、阀门的当前开度和阀门两端的压降确定阀门(1)的新开度，其特征在于，该方法包含：

测量流量(21)，

所述确定阀门两端的压降包含通过阀门的C_v曲线、阀门的当前开度和测量的流量计算(24)压降。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

在所述阀门的C_v曲线上确定(23)与测量的阀门开度α_m相对应的阀门的C_v值；

通过测量的流量Q_m和与测量的阀门开度α_m相对应的C_v值计算(24)压降Δp；

将流量偏差dQ计算(25)为流量设置点Q_sp与测量的流量Q_m之间的差值；

对所述流量偏差dQ进行积分；

通过将积分流量偏差dQ加入流量设置点Q_sp来计算(26)校正的流量设置点Q_c；

通过校正的流量设置点Q_c和计算的压降Δp来计算(27)阀门的新C_v值；和

在阀门的逆C_v曲线上确定与所述阀门的所述新C_v值相对应的新阀门开度α_c。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将阀门的C_v曲线值并且优选地也将逆C_v曲线的值预存在存储器中。

4.一种用于流量控制阀的控制系统，包含根据阀门的C_v曲线、流量设置点、阀门的当前开度和阀门两端的压降确定阀门(1)的新开度的控制器(3)，其特征在于，该控制系统进一步包含测量流量的流量指示器(4)，并且控制器(3)被安排成通过阀门(1)的C_v曲线、阀门的当前开度和测量的流量计算所述压降。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，控制器(3)包含

用于在所述阀门的C_v曲线上确定与测量的阀门开度α_m相对应的阀门的C_v值的装置；

用于通过测量的流量Q_m和与测量的阀门开度α_m相对应的C_v值计算压降Δp的装置；

用于将流量偏差dQ计算为流量设置点Q_sp与测量的流量Q_m之间的差值的装置；

用于对所述流量偏差dQ进行积分的装置；

用于通过将积分流量偏差dQ加入流量设置点Q_sp来计算校正的流量设置点Q_c的装置；

用于通过校正的流量设置点Q_c和计算的压降Δp计算阀门的新C_v值的装置；和

用于在阀门的逆C_v曲线上确定与所述阀门的所述新C_v值相对应的新阀门开度α_c的装置。

6.如权利要求4或5所述的系统，其特征在于，控制器(3)包含存储器，将阀门的C_v曲线值以及优选地也将逆C_v曲线的值预存在所述存储器中。

7.如权利要求4、5或6所述的系统，其特征在于，控制器(3)在如下装置之一中实现：控制阀导向器、阀门定位器、智能现场设备、分布式控制系统的控制器、处理控制计算机、控制室计算机。

8.一种控制流量控制阀(1)的控制器，该控制器(3)包含用于根据阀门的C_v曲线、流量设置点、阀门的当前开度和阀门两端的压降确定阀门的新开度的装置，其特征在于，该控制器(3)被安排成通过阀门的C_v曲线、阀门的当前开度和测量的流量计算所述压降。

9.如权利要求8所述的控制器，其特征在于，控制器(3)包含

用于在所述阀门的C_v曲线上确定与测量的阀门开度α_m相对应的阀门的C_v值的装置；

用于通过测量的流量Q_m和与测量的阀门开度α_m相对应的C_v值计算压降Δp的装置；

用于将流量偏差dQ计算为流量设置点Q_sp与测量的流量Q_m之间的差值的装置；

用于对所述流量偏差dQ进行积分的装置；

用于通过将积分流量偏差dQ加入流量设置点Q_sp来计算校正的流量设置点Q_c的装置；

用于通过校正的流量设置点Q_c和计算的压降Δp计算阀门的新C_v值的装置；和

用于在阀门的逆C_v曲线上确定与所述阀门的所述新C_v值相对应的新阀门开度α_c的装置。

10.如权利要求8或9所述的控制器，其特征在于，控制器(3)包含存储器，将阀门的C_v曲线值以及优选地也将逆C_v曲线的值预存在所述存储器中。

11.如权利要求8、9或10所述的控制器，其特征在于，控制器(3)是可编程处理器或计算机，并且所述装置具有要在计算机或处理器中执行的程序代码的形式。

12.一种存储在存储介质中的程序代码，当在计算机等中执行该程序代码时，实现按照权利要求1到3的任何一项的方法步骤。

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