CN105351592A - 精度和范围可扩展的编组调节阀及其控制信号解析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精度和范围可扩展的编组调节阀及其控制信号解析方法，涉及工业过程控制领域。该编组调节阀包括主调节阀、与主调节阀并联的正向调节阀组和反向调节阀组。主调节阀、所有正向调节阀和所有反向调节阀的规格要求为：1、下级调节阀的调节范围小于上级的调节范围；2、下级调节阀的调节粒度小于上级调节阀的调节粒度；3、下级调节阀的调节范围大于等于上级的调节阀的调节粒度；4、级别相同的正向调节阀和反向调节阀的调节范围和调节粒度相同。本发明能够扩展调节阀的调节精度和调节范围，提高调节阀的流量控制精度，不仅调节精度较高，而且调节范围较广，适于推广。

Description

精度和范围可扩展的编组调节阀及其控制信号解析方法

技术领域

本发明涉及工业过程控制领域，具体涉及一种精度和范围可扩展的编组调节阀及其控制信号解析方法。

背景技术

调节阀是工业过程控制领域中广泛使用的流量调节部件，与调节阀阀芯连接的驱动部件共同作为控制系统的执行机构。控制系统控制驱动部件运动来改变调节阀的流通面积，从而达到流量调节的目的。

调节阀和驱动部件作为流量调节执行机构，周期性地接收外部控制信号，并反馈自身开度信号。参见图1所示。单个运行周期内，现有的调节阀及其驱动部件的工作过程如下：(1)外部控制信号u∈[0,1]传输至驱动部件，驱动部件向u对应的行程位置运动；(2)调节阀芯与驱动部件进行同步运动至开度u×R，调节阀流通面积改变，通过调节阀的流量改变；(3)驱动部件将实际的运行位置反馈至外部控制系统。

基于以上过程，现有的调节阀及其驱动部件使用时存在以下缺陷：

(1)驱动部件通常存在最小位移的限制，进而限制了对应调节阀的流量调节粒度，难以满足更高调节精度的要求。

(2)调节阀的流量调节范围有限，难以满足更大调节范围的需求。

(3)参见图2所示，调节阀的高、低开度情况下会出现流量特性失真的情形，导致调节阀流量难以精确控制。

上述缺陷使得当前工业过程中对调节阀的流量控制难以同时保证调节精度和调节范围两方面的要求。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明解决的技术问题为：扩展调节阀的调节精度和调节范围，提高调节阀的流量控制精度。本发明的编组调节阀的调节精度较高，调节范围较广，适于推广。

为达到以上目的，本发明提供的精度和范围可扩展的编组调节阀，包括控制信号解析模块、主调节阀、正向调节阀组和反向调节阀组，正向调节阀组包括至少1个与主调节阀顺流向并联的正向调节阀，反向调节阀组包括至少1个与主调节阀反流向并联的反向调节阀；正向调节阀与反向调节阀的数量相同，一个正向调节阀与一个反向调节阀一一对应；所述控制信号解析模块分别与主调节阀、所有正向调节阀和所有反向调节阀相连；

所述主调节阀、所有正向调节阀和所有反向调节阀均分有级别：主调节阀的级别在所有正向调节阀和所有反向调节阀之上；正向调节阀组中的每个正向调节阀的级别均上下不同，反向调节阀组中的每个反向调节阀的级别均上下不同，对应的正向调节阀和反向调节阀的级别相同；

所述主调节阀、所有正向调节阀和所有反向调节阀的规格要求为：1、下级调节阀的调节范围小于上级的调节范围；2、下级调节阀的调节粒度小于上级调节阀的调节粒度；3、下级调节阀的调节范围大于等于上级的调节阀的调节粒度；4、级别相同的正向调节阀和反向调节阀的调节范围和调节粒度相同。

在上述技术方案的基础上，所述所有正向调节阀和所有反向调节阀的均按照从上级至下级的顺序排列：距离主调节阀最近的正向调节阀或反向调节阀为调节阀组中的最上级，距离主调节阀最远的正向调节阀或反向调节阀为调节阀组中的最下级。

本发明提供的基于上述精度和范围可扩展的编组调节阀的控制信号解析方法，该方法的计算公式中“₀”代表主调节阀的序号，“_+k”代表正向调节阀的级别序号，“_-k”代表正向调节阀的级别序号，“R”代表调节阀的调节范围，“D”代表调节阀的调节粒度，“round()”代表取距离括号中数值最近的整数；该方法的包括以下步骤：

S1：控制信号解析模块收到控制信号u后，根据控制信号u和所有调节阀的调节范围之和R，计算主调节阀控制信号u₀，所有调节阀包括主调节阀、所有正向调节阀和所有反向调节阀，u₀的计算公式为：u₀＝(round((uR-R₀)/D₀)×D₀)/R₀，转到S2；

S2：计算的值，首次计算时k＝1，

若 $(uR-\underset{t=0}{\overset{k-1}{\&Sigma;}}{u}_t{R}_t)\&GreaterEqual;0,$ 转到S3，若 $(uR-\underset{t=0}{\overset{k-1}{\&Sigma;}}{u}_t{R}_t)<0,$ 转到S4；

S3：控制信号解析模块计算第k级正向调节阀控制信号u_+k，计算公式为： $u_{+k}=round\left(\right(uR-\underset{t=0}{\overset{k-1}{\&Sigma;}}{u}_t{R}_t)/D_{+k})\&times;D_{+k}/R_{+k},$ 转到S5；

S4：控制信号解析模块计算第k级反向调节阀控制信号u_-k，计算公式为： $u_{-k}=round\left(\right(uR-\underset{t=0}{\overset{k-1}{\&Sigma;}}{u}_t{R}_t)/D_{-k})\&times;D_{-k}/R_{-k},$ 转到S5；

S5：控制信号解析模块判断当前k是否等于n，若是，转到S6；否则转到S2，将当前k+1之后作为S2中计算公式中的k；

S6：控制信号解析模块将计算得到的调节阀控制信号对应的计算开度，与该调节阀当前的实际开度进行对比，确定实际开度与计算开度不相符的调节阀集合，并将该集合中最上级别的调节阀的实际开度更新为计算开度。

在上述技术方案的基础上，S6之后还包括以下步骤：

S7：控制信号解析模块将所有更新的调节阀的实际开度、与所有未更新的调节阀的实际开度进行合并，得到开度反馈信号的计算公式为：控制信号解析模块将反馈至控制系统。

在上述技术方案的基础上，S3还包括以下步骤：控制信号解析模块计算第k级反向调节阀控制信号u_-k＝0；S4还包括以下步骤：控制信号解析模块计算第k级正向调节阀控制信号u_+k＝0。

在上述技术方案的基础上，S6中所述计算得到的调节阀控制信号包括主调节阀控制信号u₀、正向调节阀控制信号u_+k和反向调节阀控制信号u_-k，S6中所述将该调节阀的实际开度更新为计算开度的具体过程为：若不相符的调节阀集合最上级别的调节阀为主调节阀，则将主调节阀的实际开度更新为u₀对应的计算开度；若不相符的调节阀集合最上级别的调节阀为正向调节阀，则根据该正向调节阀的u_+k更新该正向调节阀的开度，同时与该正向调节阀级别相同的反向调节阀全关；若不相符的调节阀集合最上级别的调节阀为反向调节阀，则根据该反向调节阀的u_-k更新该反向调节阀的开度，同时与该反向调节阀对应的正向调节阀全关。

在上述技术方案的基础上，S1中所述u₀＝0时代表主调节阀全关，u₀＝1时代表主调节阀全开；S3中所述u_+k＝0时代表该正向调节阀全关，u_+k＝1时代表该正向节阀全开；S4中所述u_-k＝0时代表该反向调节阀全关，u_-k＝-1时代表该反向节阀全开。

在上述技术方案的基础上，S1之前还包括以下步骤：控制信号解析模块获取所有调节阀的开度。

在上述技术方案的基础上，S1中所述调节范围之和R的计算公式为其中n为所有正向调节阀的数量。

在上述技术方案的基础上，所述“round()”取距离括号中数值最近的整数的方法为四舍五入。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的主调节阀的顺流向并联有至少1个正向调节阀，反流向并联有至少1个反向调节阀，本发明规定了主调节阀、所有正向调节阀和反向调节阀的级别、调节精度和调节粒度，按照本发明的规定形成的编组调节阀不仅在调节精度和调节范围上都具有可扩展性，而且主调节阀的高、低开度的流量特性失真能够得到矫正，便于精确流量控制。

(2)参见S1和S5可知，本发明计算主调节阀的控制信号后，若则说明编组调节阀的开度不足，计算第k级正向调节阀控制信号，否则说明编组调节阀的开度分配过量，计算第k级反向调节阀控制信号。所有正向调节阀和方向调节阀的控制信号计算完成后，更新实际开度与计算开度不相符的调节阀集合中的最上级别的调节阀。

有鉴于此，本发明编组调节阀的调节精度等于编组内调节阀的最高精度、调节范围等于编组内调节阀调节范围之和，因此本发明的调节精度较高，调节范围较广。

附图说明

图1为背景技术中调节阀的工作原理图；

图2为背景技术中调节阀的开度和流量的关系图；

图3为本发明实施例中的精度和范围可扩展的编组调节阀的结构示意图；

图4为本发明实施例中的精度和范围可扩展的编组调节阀的控制信号解析方法的流程图；

图5为本发明实施例中主调节阀高、低阀位的线型补偿图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图3所示，本发明实施例中的精度和范围可扩展的编组调节阀，包括控制信号解析模块、主调节阀、正向调节阀组和反向调节阀组。正向调节阀组包括至少1个与主调节阀顺流向并联的正向调节阀，反向调节阀组包括至少1个与主调节阀反流向并联的反向调节阀；正向调节阀与反向调节阀的数量相同，一个正向调节阀与一个反向调节阀一一对应。控制信号解析模块分别与主调节阀、所有正向调节阀和所有反向调节阀相连。

主调节阀、所有正向调节阀和所有反向调节阀均分有级别：主调节阀的级别在所有正向调节阀和所有反向调节阀之上；正向调节阀组中的每个正向调节阀的级别均上下不同，反向调节阀组中的每个反向调节阀的级别均上下不同，对应的正向调节阀和反向调节阀的级别相同。

参见图3所示，为了便于安装和操作，本实施例中的所有正向调节阀和所有反向调节阀的均按照从上级至下级的顺序排列：距离主调节阀最近的正向调节阀或反向调节阀为调节阀组中的最上级，距离主调节阀最远的正向调节阀或反向调节阀为调节阀组中的最下级。

上述编组调节阀的规格要求为：1、下级调节阀的调节范围小于上级的调节范围；2、下级调节阀的调节粒度小于上级调节阀的调节粒度；3、下级调节阀的调节范围大于等于上级的调节阀的调节粒度；4、级别相同的正向调节阀和反向调节阀的调节范围和调节粒度相同。

参见图3所示，本实施例中定义主调节阀为V₀，正向调节阀组中的所有正向调节阀按上级至下级的顺序分为正向调节阀V₊₁,...,V_+(n-1),V_+n，反向调节阀组中的所有反向调节阀按上级至下级的顺序分为反向调节阀V_-1,...,V_-(n-1),V_-n；调节阀的调节范围为R，调节阀的调节粒度为D，上述编组调节阀的规格要求可以总结为以下逻辑表达式：

1、R_+(k-1)>R_+k≥D_+(k-1)＞D_+k,k＝1,2,...,n；

2、R_-(k-1)>R_-k≥D_-(k-1)＞D_-k,k＝1,2,...,n；

3、R_k＝R_-k,D_k＝D_-k,k＝1,2,...,n。

本发明实施例中的基于上述精度和范围可扩展的编组调节阀的控制信号解析方法的计算公式中“₀”代表主调节阀的序号，“_+k”代表正向调节阀的级别序号，“_-k”代表正向调节阀的级别序号，“R”代表调节阀的调节范围，“D”代表调节阀的调节粒度，“round()”代表取距离括号中数值最近的整数，本实施例中取距离括号中数值最近的整数的方法为四舍五入。参见图4所示，该方法具体包括以下步骤：

S1：控制信号解析模块获取所有调节阀(所有调节阀包括主调节阀、所有正向调节阀和所有反向调节阀)的开度，控制信号解析模块收到外部的控制信号u后，根据控制信号u和所有调节阀的调节范围之和R，计算主调节阀控制信号u₀，u₀的计算公式为：u₀＝(round((uR-R₀)/D₀)×D₀)/R₀，转到S2。

S1中R的计算公式为其中n为所有正向调节阀的数量。

S2：计算的值，首次计算时k＝1(代表计算第1级调节阀开度)，若则说明编组调节阀的开度不足，转到S3，若则说明编组调节阀的开度分配过量，转到S4。

S3：控制信号解析模块计算第k级正向调节阀控制信号u_+k和反向调节阀控制信号u_-k，转到S5。

u_-k＝0，u_+k的计算公式为： $u_{+k}=round\left(\right(uR-\underset{t=0}{\overset{k-1}{\&Sigma;}}{u}_t{R}_t)/D_{+k})\&times;D_{+k}/R_{+k}.$

S4：控制信号解析模块计算第k级反向调节阀控制信号u_-k和正向调节阀控制信号u_+k，转到S5。

u_+k＝0，u_-k的计算公式为： $u_{-k}=round\left(\right(uR-\underset{t=0}{\overset{k-1}{\&Sigma;}}{u}_t{R}_t)/D_{-k})\&times;D_{-k}/R_{-k}.$

S5：控制信号解析模块判断当前k是否等于n，若是，转到S6，否则转到S2，将当前k+1之后作为S2中计算公式中的k。

S6：控制信号解析模块将得到的调节阀控制信号对应的计算开度，与该调节阀当前的实际开度进行对比，确定实际开度与计算开度不相符的调节阀集合，并将该集合中最上级别的调节阀的实际开度更新为计算开度，转到S7。

S6中将该调节阀的实际开度更新为计算开度的具体过程为：若不相符的调节阀集合最上级别的调节阀为主调节阀，则将主调节阀的实际开度更新为u₀对应的计算开度。若不相符的调节阀集合最上级别的调节阀为正向调节阀，则根据该正向调节阀的u_+k更新该正向调节阀的开度，同时与该正向调节阀级别相同的反向调节阀全关。若不相符的调节阀集合最上级别的调节阀为反向调节阀，则根据该反向调节阀的u_-k更新该反向调节阀的开度，同时与该反向调节阀对应的正向调节阀全关。

S7：控制信号解析模块将所有更新的调节阀的实际开度、与所有未更新的调节阀的实际开度进行合并，得到开度反馈信号控制信号解析模块将反馈至控制系统，结束。

的计算公式为： $\hat{u}=(\underset{t=0}{\overset{n}{\&Sigma;}}{\hat{u}}_t{R}_t-\underset{t=-1}{\overset{-n}{\&Sigma;}}{\hat{u}}_t{R}_t)/R.$

S1中的u₀＝0时代表主调节阀全关，u₀＝1时代表主调节阀全开；S3中的u_+k＝0时代表该正向调节阀全关，u_+k＝1时代表该正向节阀全开；S4中的u_-k＝0时代表该反向调节阀全关，u_-k＝-1时代表该反向节阀全开。

参见图5所示，主调节阀V₀的低开度失真由反向调节阀V_-1补偿为线性开度-流量关系，主调节阀V₀的高开度失真由正向调节阀V₊₁补偿为线性开度-流量关系。以此类推，第k级调节阀的高、低开度失真由第k+1级正向、反向调节阀补偿为线性开度-流量关系。因此，主调节阀的高、低开度流量特性得到矫正。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种精度和范围可扩展的编组调节阀，包括控制信号解析模块、主调节阀、正向调节阀组和反向调节阀组，其特征在于：正向调节阀组包括至少1个与主调节阀顺流向并联的正向调节阀，反向调节阀组包括至少1个与主调节阀反流向并联的反向调节阀；正向调节阀与反向调节阀的数量相同，一个正向调节阀与一个反向调节阀一一对应；所述控制信号解析模块分别与主调节阀、所有正向调节阀和所有反向调节阀相连；

所述主调节阀、所有正向调节阀和所有反向调节阀均分有级别：主调节阀的级别在所有正向调节阀和所有反向调节阀之上；正向调节阀组中的每个正向调节阀的级别均上下不同，反向调节阀组中的每个反向调节阀的级别均上下不同，对应的正向调节阀和反向调节阀的级别相同；

所述主调节阀、所有正向调节阀和所有反向调节阀的规格要求为：1、下级调节阀的调节范围小于上级的调节范围；2、下级调节阀的调节粒度小于上级调节阀的调节粒度；3、下级调节阀的调节范围大于等于上级的调节阀的调节粒度；4、级别相同的正向调节阀和反向调节阀的调节范围和调节粒度相同。

2.如权利要求1所述的精度和范围可扩展的编组调节阀，其特征在于：所述所有正向调节阀和所有反向调节阀的均按照从上级至下级的顺序排列：距离主调节阀最近的正向调节阀或反向调节阀为调节阀组中的最上级，距离主调节阀最远的正向调节阀或反向调节阀为调节阀组中的最下级。

3.一种基于权利要求1或2所述精度和范围可扩展的编组调节阀的控制信号解析方法，该方法的计算公式中“0”代表主调节阀的序号，“+k”代表正向调节阀的级别序号，“-k”代表正向调节阀的级别序号，“R”代表调节阀的调节范围，“D”代表调节阀的调节粒度，“round()”代表取距离括号中数值最近的整数；该方法的特征在于：包括以下步骤：

S1：控制信号解析模块收到控制信号u后，根据控制信号u和所有调节阀的调节范围之和R，计算主调节阀控制信号u₀，所有调节阀包括主调节阀、所有正向调节阀和所有反向调节阀，u₀的计算公式为：u₀＝(round((uR-R₀)/D₀)×D₀)/R₀，转到S2；

S2：计算的值，首次计算时k＝1，

若转到S3，若转到S4；

S3：控制信号解析模块计算第k级正向调节阀控制信号u_+k，计算公式为： $u_{+k}=round\left(\right(uR-\underset{t=0}{\overset{k-1}{\&Sigma;}}{u}_t{R}_t)/D_{+k})\&times;D_{+k}/R_{+k},$ 转到S5；

S4：控制信号解析模块计算第k级反向调节阀控制信号u_-k，计算公式为： $u_{-k}=round\left(\right(uR-\underset{t=0}{\overset{k-1}{\&Sigma;}}{u}_t{R}_t)/D_{-k})\&times;D_{-k}/R_{-k},$ 转到S5；

S5：控制信号解析模块判断当前k是否等于n，若是，转到S6；否则转到S2，将当前k+1之后作为S2中计算公式中的k；

S6：控制信号解析模块将计算得到的调节阀控制信号对应的计算开度，与该调节阀当前的实际开度进行对比，确定实际开度与计算开度不相符的调节阀集合，并将该集合中最上级别的调节阀的实际开度更新为计算开度。

4.如权利要求3所述的精度和范围可扩展的编组调节阀的控制信号解析方法，其特征在于，S6之后还包括以下步骤：

S7：控制信号解析模块将所有更新的调节阀的实际开度、与所有未更新的调节阀的实际开度进行合并，得到开度反馈信号的计算公式为：控制信号解析模块将反馈至控制系统。

5.如权利要求3所述的精度和范围可扩展的编组调节阀的控制信号解析方法，其特征在于：S3还包括以下步骤：控制信号解析模块计算第k级反向调节阀控制信号u_-k＝0；S4还包括以下步骤：控制信号解析模块计算第k级正向调节阀控制信号u_+k＝0。

6.如权利要求5所述的精度和范围可扩展的编组调节阀的控制信号解析方法，其特征在于：S6中所述计算得到的调节阀控制信号包括主调节阀控制信号u₀、正向调节阀控制信号u_+k和反向调节阀控制信号u_-k，S6中所述将该调节阀的实际开度更新为计算开度的具体过程为：若不相符的调节阀集合最上级别的调节阀为主调节阀，则将主调节阀的实际开度更新为u₀对应的计算开度；若不相符的调节阀集合最上级别的调节阀为正向调节阀，则根据该正向调节阀的u_+k更新该正向调节阀的开度，同时与该正向调节阀级别相同的反向调节阀全关；若不相符的调节阀集合最上级别的调节阀为反向调节阀，则根据该反向调节阀的u_-k更新该反向调节阀的开度，同时与该反向调节阀对应的正向调节阀全关。

7.如权利要求5所述的精度和范围可扩展的编组调节阀的控制信号解析方法，其特征在于，S1中所述u₀＝0时代表主调节阀全关，u₀＝1时代表主调节阀全开；S3中所述u_+k＝0时代表该正向调节阀全关，u_+k＝1时代表该正向节阀全开；S4中所述u_-k＝0时代表该反向调节阀全关，u_-k＝-1时代表该反向节阀全开。

8.如权利要求3至7任一项所述的精度和范围可扩展的编组调节阀的控制信号解析方法，其特征在于，S1之前还包括以下步骤：控制信号解析模块获取所有调节阀的开度。

9.如权利要求3至7任一项所述的精度和范围可扩展的编组调节阀的控制信号解析方法，其特征在于：S1中所述调节范围之和R的计算公式为其中n为所有正向调节阀的数量。

10.如权利要求3至7任一项所述的精度和范围可扩展的编组调节阀的控制信号解析方法，其特征在于：所述“round()”取距离括号中数值最近的整数的方法为四舍五入。