CN104235259A - 一种基于扩展主动变刚度的调节阀减振系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体公开了一种基于扩展主动变刚度的调节阀减振系统及方法，包括调节阀、数据采集装置、控制系统、执行机构和显示装置，所述的调节阀与数据采集装置、执行机构相连，所述的数据采集装置、显示装置和执行机构分别与控制系统相连。本发明的有益效果是：通过振动位移量作为振动控制的基础信号，其与加速度和速度传感器相比，可消除信号转换所引起的误差，提高信号提取的准确性，以及方便后续振动响应量的分析。通过空间直角坐标系中调节阀三个方向的二个传感器的对称布置，可实现调节阀在三维空间的动态监测，提高振动控制的可靠性。通过参数分析和执行机构，实现在允许工况内调整调节阀相对开度来改变系统刚度，进而实现振动控制，可简化控制系统，降低控制成本。

Description

一种基于扩展主动变刚度的调节阀减振系统及方法

技术领域

 本发明涉及一种基于扩展主动变刚度的减振系统，尤其涉及一种紧急情况下，在调节阀允许工况内通过调整调节阀相对开度来改变其系统刚度，从而实现调节阀的振动控制，属于调节阀振动控制技术领域。

背景技术

调节阀作为最常用的终端流体控制元件，用来控制系统的压力，广泛应用在冶金、核电、石油、化工等重要行业。然而在使用过程中，调节阀经常受到随时间变化的载荷作用，有些

动载荷对其作用并不显著，但当受到如地震等破坏力大的载荷，或作用载荷和结构的某一固有频率相接近时，会引起结构的显著振幅，在其内部产生很大的动应力，使结构发生破坏以及产生不允许的变形，进而影响整个管道系统的运行。因此，需要对调节阀在外部载荷作用下的振动进行控制，以提高调节阀的使用寿命及管道输送系统的安全性。

现如今对调节阀的振动控制，出现了类如被动控制中的调节质量阻尼方法、半主动控制的主动变刚度方法等诸多振动控制方法。虽然可有效地降低系统的振动响应，但仍存在一些问题，如半主动控制法需要添加附加刚度，这不仅使得控制系统复杂，而且还增加了振动控制成本。针对调节阀控制系统复杂及成本高的问题，可结合调节阀自身结构在动态性能上的特征，并在现有振动控制的基础上，设计适合调节阀的振动控制系统和方法，以便能简化控制系统及减少控制成本。

发明内容

本发明针对现有调节阀的振动控制所存在的控制系统复杂及成本高等问题，提供一种可有效简化控制系统，进而降低控制成本的扩展主动变刚度的调节阀减振系统及方法。

本发明的扩展主动变刚度的调节阀减振系统及方法采用以下技术方案：

扩展主动变刚度的调节阀减振系统，包括调节阀、数据采集装置、控制系统、执行机构和显示装置，所述的调节阀与数据采集装置、执行机构相连，所述的数据采集装置、显示装置和执行机构分别与控制系统相连。

所述的控制系统包括数据处理模块、参数分析模块和执行信号模块，所述的数据处理模块、参数分析模块和执行信号模块依次相连。

所述数据采集装置包括六个位移传感器，其中的二个位移传感器设于在阀盖上端中心线处，用于采集空间直角坐标系中调节阀的Z向位移量，二个位移传感器设于在阀体的左、右中心线处，用于采集空间直角坐标系中调节阀的X向位移量，另二个位移传感器设于在阀体的前、后中心线处，用于采集空间直角坐标系中调节阀的Y向位移量。六个位移传感器采集数据并得到六个位移数据模块。

控制系统的控制方法，包括如下步骤：

（1）通过数据采集装置采集调节阀受迫振动产生的位移信号；

（2）通过数据处理模块对采集的信号进行处理，得到调节阀在三个轴向的位移量；

（3）参数分析模块对处理位移量与初始位移量进行分析，得到需调整的位移量；

（4）执行信号模块将调整位移量转换为执行信号，传送给执行机构。

所述的步骤（1）通过六个位移传感器采集数据，形成6个位移模块，这六个位移模块分别是：位移模块a、位移模块b、位移模块c、位移模块d、位移模块e、位移模块f。

所述的步骤（2）通过数据处理模块对所述的6个位移模块进行分组处理，位移模块a和位移模块b形成空间直角坐标系中调节阀的Z向位移模块A、位移模块c和位移模块d形成X向位移模块B、位移模块e和位移模块f形成Y向位移模块C。

所述的步骤（3）对参数分析进行判别的步骤如下：

（3-1）参数分析模块分别对数据处理模块中生成的Z向位移模块A的z ₁、X向位移模块B的x ₁、Y向位移模块C的y ₁和其初始受迫振动位移量z ₀、x ₀、y ₀分别进行判别，若处理位移量小于初始受迫振动位移量，则跳到步骤（3-2）；若处理位移量大于或等于初始受迫振动位移量，则跳到步骤（3-3）；

（3-2）说明振动减小，并判断是否是初始相对开度，然后跳到步骤（4）；

（3-3）说明振动位移量超出初始受迫振动量或未达到减振效果，然后跳到步骤（4）。

所述的步骤（4）对执行信号进行判别的方法如下：

（4-1）若振动减小，并是初始相对开度，则生成停止执行信号；若振动减小并不是初始相对开度，则延时10s，并生成回到初始相对开度信号；

（4-2）若振动位移量超出初始受迫振动量或未达到减振效果，在工况允许的范围内改变调节阀的相对开度，以相对开度1%进行微调，并生成相应的执行信号。

所述的步骤（4）通过控制系统中的执行信号模块将需调整的位移量转换为执行信号，并传送给调节阀的执行机构，以改变调节阀的相对开度。

所述的步骤（2）X、Y、Z位移模块的计算公式为式（1-1）所示：

                    （1-1）

其中，z _a 、z _b 分别为位移模块a、b的所测得的数据，x _c 、x _d 分别为位移模块c、d的所测得的数据，y _e 、y _f 分别为位移模块e、f的所测得的数据，Z、X、Y分别为空间直角坐标系中调节阀的三向位移。

所述减振系统中的数据处理采用建立的式（1-1）分别对位移传感器采集的位移信号进行计算，其中位移数据a和位移数据b为一组数据，其中位移数据c和位移数据d为一组数据，其中位移数据e和位移数据f为一组数据，在此基础上建立3个调节阀的空间位移模块。

所述的减振系统中的参数分析采用建立的调节阀的空间位移模块对减振前、后的动态位移响应进行对比分析。

所述的减振系统中的执行信号在减振前、后振动位移响应的基础上，生成相应的执行信号。

所述的扩展主动变刚度系统的机理：通过对调节阀的模态研究可知，调节阀在不同开度下其固有频率是不同的，而在整体质量不变的情况下，其固有频率和系统的刚度有关，因此通过改变调节阀的相对开度可以改变调节阀系统的刚度。

所述的扩展主动变刚度系统的运动方程为式（1-2）所示，它与传统的主动变刚度系统的运动方程相比，将主动变刚度系统中的刚度（k+Δk）采用Δk(l)所代替，

                （1-2）  

所述的采用扩展主动变刚度系统后的振幅量为式（1-3）所示：

               （1-3）

其中，m为调节阀的质量，c为调节阀的阻尼，k为调节阀的刚度，Δk为主动变刚度控制装置的附加刚度，Δk(l)为通过改变调节阀的相对开度所得的刚度，F为外部载荷，ω为角频率。

发明的有益效果是：通过振动位移量作为振动控制的基础信号，其与加速度和速度传感器相比，可消除信号转换所引起的误差，提高信号提取的准确性，以及方便后续振动响应量的分析。通过空间直角坐标系中调节阀三个方向的二个传感器的对称布置，可实现调节阀在三维空间的动态监测，提高振动控制的可靠性。通过参数分析，实现调节阀待调量的确定，为调节阀执行信号的运行提供基础。通过执行机构，实现在允许工况内通过调整调节阀相对开度来改变系统刚度，从而实现调节阀的振动控制。该调节阀减振系统具有精确、可靠、有效控制调节阀的振动的优点，而且具有简化控制系统，降低控制成本的特点。

附图说明

图1是本发明调节阀减振系统结构示意图；

图2是本发明中的数据采集点示意图；

图3是本发明减振系统的流程图；

图4是本发明扩展主动变刚度系统的示意图。

图中：1、调节阀，2、数据采集装置，3、控制系统，4、执行机构模块，5、显示装置，6、数据处理模块，7、参数分析模块，8、执行信号模块，9、执行机构，10、阀体，11、X向第一位移传感器，12、Z向第一位移传感器，13、Y向第一位移传感器，14、Z向第二位移传感器，15、X向第二位移传感器，16、Y向第二位移传感器，17、数据采集流程，18、数据处理流程，19、参数分析流程，20、执行信号生成流程，21、调节阀系统的质量，22、调节阀系统的刚度，23、调节阀系统的阻尼。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示，本发明的减振系统主要由调节阀1、数据采集装置2、控制系统3、执行机构4和显示装置5组成，其中控制系统3又包括数据处理模块6、参数分析模块7和执行信号模块8。

如图2所示，本发明的数据采集装置2通过在阀体10的阀盖上端中心线处安装Z向第一位移传感器12和Z向第二位移传感器14；在阀体10的左、右中心线处安装X向第一位移传感器11和X向第二位移传感器15；在阀体10的前、后中心线处安装Y向第一位移传感器13和Y向第二位移传感器16。该发明通过在各中心处对称安装二个传感器，既可实现局部微振动的监测，又为后续的参数分析模块7提供可靠的数据。

如图3所示，本发明中将采集的位移信号通过数据采集流程17进行处理，然后传送到数据处理流程18并将位移数据转换为平均位移数据，参数分析流程19中对减振前、后的平均位移数据进行计算分析，最后通过执行信号生成流程20对调节阀的执行机构生成相应的执行信号。

本发明的调节阀减振系统的减振方法如下：

（1）通过六个位移传感器采集数据，形成6个位移模块，这六个位移模块分别是：位移模块a、位移模块b、位移模块c、位移模块d、位移模块e、位移模块f；

（2）通过数据处理模块6对上面的6个位移模块进行分组处理，位移模块a和位移模块b分为一组，形成空间直角坐标系中调节阀的Z向位移模块A、位移模块c和位移模块d形成X向位移模块B、位移模块e和位移模块f形成Y向位移模块C；

（3）参数分析模块7分别对数据处理模块6中生成的Z向位移模块A的z ₁、X向位移模块B的x ₁、Y向位移模块C的y ₁和其初始受迫振动位移量z ₀、x ₀、y ₀分别进行判别，若处理位移量小于初始受迫振动位移量，则跳到步骤（4）；若处理位移量大于或等于初始受迫振动位移量，则跳到步骤（5）；

（4）说明振动减小，并判断是否是初始相对开度，然后跳到步骤（6）；

（5）说明振动位移量超出初始受迫振动量或未达到减振效果，然后跳到步骤（7）；

（6）执行信号模块8中进行判断：若振动减小，并是初始相对开度，则生成停止执行信号；若振动减小并不是初始相对开度，则延时10s，并生成回到初始相对开度信号；

（7）执行信号模块8中进行判断：若振动位移量超出初始受迫振动量或未达到减振效果，在工况允许的范围内改变调节阀的相对开度，以相对开度1%进行微调，并生成相应的执行信号。

本发明中通过控制系统3中的执行信号模块8将需调整的位移量转换为执行信号，并传送给调节阀的执行机构4，以改变调节阀的相对开度。

本发明通过使用数据处理模块6来实现空间直角坐标系中调节阀的三向位移的计算。将各点传感器采集的位移信号带入X、Y、Z三向位移数学模型，如式（1-1）所示。通过计算，将采集的三组位移数据转换为调节阀的三向位移数据，分别记为X、Y和Z，

                     （1-1）

其中，z _a 、z _b 分别为位移模块a、b的所测得的数据，x _c 、x _d 分别为位移模块c、d的所测得的数据，y _e 、y _f 分别为位移模块e、f的所测得的数据，Z、X、Y分别为空间直角坐标系中调节阀的三向位移。

本发明通过参数分析模块7来实现调节阀1的减振前、后的动态位移响应的对比分析。在外部载荷的持续作用下，调节阀1受迫振动并产生动态响应位移。由调节阀的模态研究可知，调节阀在不同开度下其固有频率是不同的，而在整体质量21不变的情况下，其固有频率和系统的刚度22有关，因此通过改变调节阀的相对开度可以改变调节阀系统的刚度22。因此，可在调节阀系统允许工况下，以相对开度1%对调节阀1进行微调，从而改变调节阀系统的刚度22。当调节阀系统刚度22改变时，其振动响应位移也发生变化并形成新的振动位移量，当新的振动位移量大于或等于初始受迫振动位移量时，说明未达减振效果；当新的振动位移量小于初始受迫振动位移量时，说明振动减小，并判断是否为初始相对开度。然后，结合执行信号模块8来生成相应的执行信号。

本发明通过执行信号模块8来生成调节阀相应的执行信号。如前面的分析当调节阀1受到突发的激振时，可通过改变调节阀1的相对开度来减振。当新的振动位移量大于或等于初始受迫振动位移量时，说明未达减振效果，此时需继续改变其相对开度并生成相应的执行信号。当在此生成的新的振动位移量小于初始受迫振动位移量时，说明振动减小，此时需判断是否为初始相对开度，如是的话则停止扩展主动变刚度系统的运行；如不是则需延时10s，并生成回到初始相对开度的执行信号。具体的执行信号的生成如图3中的执行信号生成流程20所示。

本发明的扩展主动变刚度系统与传统的主动变刚度系统的运动方程相比，将主动变刚度系统中的刚度（k+Δk）采用Δk(l)所代替，生成扩展主动变刚度系统的运动方程，如式（1-2）所示，其振幅量如式（1-3）所示，

                  （1-2） 

               （1-3）

其中，m为调节阀的质量，c为调节阀的阻尼，k为调节阀的刚度，Δk为主动变刚度控制装置的附加刚度，Δk(l)为通过改变调节阀的相对开度所得的刚度，F为外部载荷，ω为角频率。

Claims (10)

1.调节阀扩展主动变刚度系统，其特征在于：包括调节阀、数据采集装置、控制系统、执行机构和显示装置，所述的调节阀与数据采集装置、执行机构相连，所述的数据采集装置、显示装置和执行机构分别与控制系统相连。

2.如权利要求1所述的调节阀扩展主动变刚度系统，其特征在于，所示扩展主动变刚度系统的运动方程和振幅量为

                                                                                       （1-2）

                     （1-3）

其中，m为调节阀的质量，c为调节阀的阻尼，k为调节阀的刚度，Δk为主动变刚度控制装置的附加刚度，Δk(l)为通过改变调节阀的相对开度所得的刚度，F为外部载荷，ω为角频率。

3.如权利要求1所述的调节阀数据采集装置，其特征在于：所述数据采集装置包括六个位移传感器，其中的二个位移传感器设于在阀盖上端中心线处，二个位移传感器设于在阀体的左、右中心线处，另二个位移传感器设于在阀体的前、后中心线处。

4.如权利要求1所述的调节阀控制系统，其特征在于：所述的控制系统包括数据处理模块、参数分析模块和执行信号模块，所述的数据处理模块、参数分析模块和执行信号模块依次相连。

5.如权利要求4所述的控制系统，其特征在于：所述执行信号模块将需调整的位移量转换为执行信号，并传送给调节阀的执行机构，以改变调节阀的相对开度。

6.如权利要求4所述的控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）通过数据采集装置采集调节阀受迫振动产生的位移信号；

（2）通过数据处理模块对采集的信号进行处理，得到调节阀在三个轴向的位移量；

（3）参数分析模块对处理位移量与初始位移量进行分析，得到需调整的位移量；

（4）执行信号模块将调整位移量转换为执行信号，传送给执行机构。

7.如权利要求6所述的调节阀控制系统的控制方法，其特征在于，所述的步骤（1）中是通过六个位移传感器采集数据，形成6个位移模块，这六个位移模块分别是：位移模块a、位移模块b、位移模块c、位移模块d、位移模块e、位移模块f；所述的步骤（2）通过数据处理模块对所述的6个位移模块进行分组处理，位移模块a和位移模块b形成空间直角坐标系中调节阀的Z向位移模块A、位移模块c和位移模块d形成X向位移模块B、位移模块e和位移模块f形成Y向位移模块C。

8.如权利要求7所述的调节阀控制系统的控制方法，其特征在于，所述的步骤（2）X、Y、Z位移模块的计算公式为： 

                                                          （1-1）

其中，z _a 、z _b 分别为位移模块a、b的所测得的数据，x _c 、x _d 分别为位移模块c、d的所测得的数据，y _e 、y _f 分别为位移模块e、f的所测得的数据，Z、X、Y分别为空间直角坐标系中调节阀的三向位移。

9.如权利要求6所述的调节阀控制系统的控制方法，其特征在于，所述的步骤（3）对参数分析进行判别的步骤如下：

（3-1）参数分析模块分别对数据处理模块中生成的Z向位移模块A的z ₁、X向位移模块B的x ₁、Y向位移模块C的y ₁和其初始受迫振动位移量z ₀、x ₀、y ₀分别进行判别，若处理位移量小于初始受迫振动位移量，则跳到步骤（3-2）；若处理位移量大于或等于初始受迫振动位移量，则跳到步骤（3-3）；

（3-2）说明振动减小，并判断是否是初始相对开度，然后跳到步骤（4）；

（3-3）说明振动位移量超出初始受迫振动量或未达到减振效果，然后跳到步骤（4）。

10.如权利要求6所述的调节阀控制系统的控制方法，其特征在于，所述的步骤（4）对执行信号进行判别的方法如下：

（4-1）若振动减小，并是初始相对开度，则生成停止执行信号；若振动减小并不是初始相对开度，则延时10s，并生成回到初始相对开度信号；

（4-2）若振动位移量超出初始受迫振动量或未达到减振效果，在工况允许的范围内改变调节阀的相对开度，以相对开度1%进行微调，并生成相应的执行信号。