CN109642685A - 使用定位器模型诊断气动控制阀的方法与装置 - Google Patents

使用定位器模型诊断气动控制阀的方法与装置 Download PDF

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Abstract

提供一种使用定位器模型诊断气动控制阀的方法，该方法可包括以下步骤：根据控制压力建立用于输出阀杆位移的关系表达式，该关系表达式包括关于定位器、致动器和阀的特性的参数；通过调节参数的值直至关于气动控制阀的正常操作的测量值和由关系表达式得到的输出值之间的差小于预定的误差限度，从而确定初始参数值；通过调节参数的值直至关于气动控制阀的诊断操作的测量值和由关系表达式得到的输出值之间的差小于预定的误差限度，从而确定诊断参数值；以及通过比较初始参数值和诊断参数值来确定气动控制阀是否有异常。因此可以通过在气动控制阀运行时通过实时估计参数的变化并将该参数与正常状态下的参数值进行比较而诊断所述气动控制阀的状态。

Description

使用定位器模型诊断气动控制阀的方法与装置
技术领域
本发明涉及一种气动控制阀，更具体地说，涉及一种用于诊断气动控制阀的方法和装置。
背景技术
可以在发电设备等中使用气动控制阀。这种气动控制阀是在电厂运行中发挥着非常重要的作用的设备，如电厂中的流量调节、罐液位调节等，在电厂正常运行时需要无故障地运行。因此，为了在最佳状态下保持气动控制阀的阀状态，需要进行常规维护，并应在预定的时间更换重要组件。此外，当操作过程中发生异常状态时，电厂停止运行，并使用阀诊断设备检查状态。因此，重要的是诊断气动控制阀，使得气动控制阀可以保持适当的状态，防止异常状态。
[现有技术文献]
[专利文献]
(专利文献1)美国专利号6,466,893(过程控制回路参数估计值的统计确定法)
发明内容
【技术问题】
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种使用定位器模型诊断气动控制阀的方法。根据所述方法，建立了气动控制阀中包括的定位器、致动器和阀的关系表达式。确定参数，所述参数根据关系表达式指示气动控制阀的状态。在气动控制阀运行时，实时评估参数的变化，并与正常状态下的参数值(参考值)进行比较，从而可以诊断气动控制阀的状态。
为了解决上述问题，本发明的另一目的是提供一种使用定位器模型诊断气动控制阀的装置。根据所述装置，建立了气动控制阀中包括的定位器、致动器和阀的关系表达式。确定参数，所述参数根据关系表达式指示气动控制阀的状态。在气动控制阀运行时，实时评估参数的变化，并与正常状态下的参数值(参考值)进行比较，从而可以诊断气动控制阀的状态。
本发明中解决的技术问题并不局限于此，并且可以在不偏离本发明的概念和范围的范围内以各种方式加以扩展。
为了实现技术目的，根据本发明的示例性实施例的一种使用定位器模型诊断气动控制阀的方法涉及一种用于诊断气动控制阀的方法，所述气动控制阀包括控制器、定位器、致动器和阀，所述控制器用于输出控制压力，所述定位器用于接收控制压力作为输入并控制提供至所述致动器的压力，所述致动器用于基于所提供的压力来驱动阀，所述方法可以包括：根据所述控制压力建立用于输出阀杆位移的关系表达式，所述关系表达式包括关于定位器、致动器和阀的性能的参数；通过调节参数的值直至关于气动控制阀的正常操作的测量值和由所述关系表达式得到的输出值之间的差小于预定的误差限度，从而确定初始参数值；通过调节参数的值直至关于气动控制阀的诊断操作的测量值与由所述关系表达式得到的输出值之间的差小于预定的误差限度，从而确定诊断参数值；以及通过比较所述初始参数值和所述诊断参数值来确定所述气动控制阀是否有异常。
根据一个方面，所述参数可以包括模型参数、内部参数和估计的内部参数，由关系表达式得到的输出值可以根据所述模型参数值的变化而变化；所述内部参数取决于气动控制阀的规格可以是固定值；通过首先对所述气动控制阀进行一次估计，使得所述估计的内部参数可以是固定值。
根据一个方面，确定初始参数值的步骤可以基于预定的内部参数值确定所述初始参数值和初始估计的内部参数，确定诊断参数值的步骤可以基于所述预定的内部参数值和所述初始估计的内部参数值确定所述诊断参数值，确定所述气动控制阀是否有异常的步骤可以通过比较初始模型参数和诊断模型来确定所述气动控制阀是否有异常。
根据一个方面，模型参数可以包括在所述定位器包括中的弹簧的预负荷和在所述定位器中包括的阀杆位移反馈连接部件的阀杆位移传递率。
根据一个方面，所述内部参数可以包括所述定位器中包括的隔膜的横截面面积和所述致动器中包括的活塞的横截面面积。
根据一个方面，所述估计的内部参数可以包括所述定位器中包括的导阀的压力放大系数和所述致动器中包括的活塞内空气的体积弹性模量。
根据一个方面，所述关系表达式可以具有如下传递函数：
输入1：输入信号，Pc*Ac-Fpopre
H1：正向增益1，Vp*Ps*Aact*(1/kair)
G1：反向增益1，Gfb
输入2：输入信号，Fstem
H2：正向增益2，1/kair
G2：反向增益2，Aact*Vp*Ps*-Gfb
其中，xs表示阀的阀杆位移，Pc表示控制压力，Ac表示定位器的隔膜横截面积，Fpopre表示定位器的内部弹簧预负荷，Vp表示定位器的导阀的压力放大系数，Ps表示定位器的导阀的供应压力，Aact表示致动器的活塞的横截面积，kair表示活塞内空气的体积弹性模量，Gfb表示阀杆位移传递率，以及Fstem表示在致动器或阀中产生的负荷。
为了实现技术目的，根据本发明的另一示例性实施例的一种使用定位器模型诊断气动控制阀的装置涉及一种用于诊断气动控制阀的装置，所述气动控制阀包括控制器、定位器、致动器和阀，所述控制器用于输出控制压力，所述定位器用于接收控制压力作为输入并控制提供至所述致动器的压力，所述致动器用于基于所提供的压力来驱动阀，所述装置可以包括：模型生成单元，其根据所述控制压力建立用于输出阀杆位移(或阀的阀杆位移)的关系表达式，所述关系表达式包括关于定位器、致动器和阀的性能的参数；初始值确定单元，其通过调节参数的值直至关于气动控制阀的正常操作的测量值和由所述关系表达式得到的输出值之间的差小于预定的误差限度来确定初始参数值；诊断值确定单元，其通过调节参数的值直至关于气动控制阀的诊断操作的测量值与由所述关系表达式得到的输出值之间的差小于预定的误差限度来确定诊断参数值；以及诊断单元，其通过比较所述初始参数值和所述诊断参数值来确定所述气动控制阀是否有异常。
根据一个方面，所述参数可以包括模型参数、内部参数和估计的内部参数，由关系表达式得到的输出值可以根据所述模型参数值的变化而变化；所述内部参数取决于气动控制阀的规格可以是固定值；通过首先对所述气动控制阀进行一次估计，使得所述估计的内部参数可以是固定值。
根据一个方面，所述初始值确定单元可以基于预定的内部参数值确定所述初始参数值和初始估计的内部参数，所述诊断值确定单元可以基于所述预定的内部参数值和所述初始估计的内部参数值确定所述诊断参数值，所述诊断单元通过比较初始模型参数和诊断模型来确定所述气动控制阀是否有异常。
根据一个方面，所述关系表达式可以具有如下传递函数：
输入1：输入信号，Pc*Ac-Fpopre
H1：正向增益1，Vp*Ps*Aact*(1/kair)
G1：反向增益1，Gfb
输入2：输入信号，Fstem
H2：正向增益2，1/kair
G2：反向增益2，Aact*Vp*Ps*-Gfb
其中，xs表示阀的阀杆位移，Pc表示控制压力，Ac表示定位器的隔膜横截面积，Fpopre表示定位器的内部弹簧预负荷，Vp表示定位器的导阀的压力放大系数，Ps表示定位器的导阀的供应压力，Aact表示致动器的活塞的横截面积，kair表示活塞内空气的体积弹性模量，Gfb表示阀杆位移传递率，以及Fstem表示在致动器或阀中产生的负荷。
为了实现技术目的，根据本发明的另一示例性实施例的一种使用定位器模型诊断气动控制阀的计算机可读的存储介质涉及一种用于诊断气动控制阀的计算机可读的存储介质，所述气动控制阀包括控制器、定位器、致动器和阀，所述控制器用于输出控制压力，所述定位器用于接收控制压力作为输入并控制提供至所述致动器的压力，所述致动器用于基于所提供的压力来驱动阀，所述存储介质可以包括在计算机中包括的处理器以执行：根据所述控制压力建立用于输出阀杆位移(或阀的阀杆位移)的关系表达式的指令，所述关系表达式包括关于定位器、致动器和阀的性能的参数；通过调节参数的值直至关于气动控制阀的正常操作的测量值和由所述关系表达式得到的输出值之间的差小于预定的误差限度来确定初始参数值的指令；通过调节参数的值直至关于气动控制阀的诊断操作的测量值与由所述关系表达式得到的输出值之间的差小于预定的误差限度来确定诊断参数值的指令；以及通过比较所述初始参数值和所述诊断参数值来确定所述气动控制阀是否有异常的指令。
【有益效果】
所公开的技术可以具有以下效果。然而，这并不意味着特定实施例应包括以下所有效果或仅包括以下效果，应了解，所公开的技术的范围并不限于此。
根据使用定位器模型诊断气动控制阀的方法和装置，建立了用于定位器、致动器和阀的关系表达式。确定参数，所述参数根据关系表达式指示气动控制阀的状态。在气动控制阀运行时，实时评估参数的变化，并与正常状态下的参数值(参考值)进行比较，从而可以诊断气动控制阀的状态。
因此，即使在气动控制阀出现异常状态之前，也可以提前检查包括在气动控制阀中的定位器、致动器和阀中的至少一个的状态变化，其可以防止电厂由于气动控制阀状态异常而关闭，因此可以提高了运行效率。
附图说明
图1为示出气动控制阀的配置的框图。
图2为示出图1中所示的气动控制阀的输入/输出配置的详细的框图。
图3显示图2中所示的导阀的截面。
图4为气动控制阀的操作过程的流程图。
图5为气动控制阀的各个组件设备的自由体受力图。
图6为等式1至等式3的框图。
图7示出框图的简化图。
图8示出根据本发明的示例性实施例的控制阀系统模型和模型参数。
图9为框图，其中驱动力供应部件的信号是输入。
图10为框图，其中阀杆力信号是输入。
图11示出通过优化函数的模型参数估计过程。
图12示出经开发的模型操作过程。
图13为根据本发明的示例性实施例的使用定位器模型诊断气动控制阀的方法的流程图。
图14为示出根据本发明的示例性实施例的使用定位器模型诊断气动控制阀的装置的配置的框图。
图15显示实验结果与模型预测结果的比较。
具体实施方式
本发明可以具有各种修改和各种实施例，并且具体实施例将在附图中示出并在详细说明中进行详细描述。
然而，这并非将本发明限定于特定实施例，并且应当理解，本发明涵盖包括在本发明的构思和技术范围内的所有修改，等同物和替换物。
包括第一、第二等的术语用于描述各种组成元件，但是组成元件不受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个组成元件与另一个组成元件。例如，第一组件可以被称为第二组件，并且类似地，第二组件可以被称为第一组件而不脱离本发明的范围。术语“和/或”包括多个相关公开的条目的组合或多个相关公开的条目中的任何条目。
当描述组件“连接到”或“访问”另一组件时，该组件可以直接连接到或访问另一组件，或者可以在其间存在第三组件。相反，应当理解，当描述元件“直接连接到”或“直接访问”另一元件时，应理解在该元件和该另一元件之间不存在元件。
本申请中使用的术语仅用于描述特定实施例，并不旨在限制本发明。如果在上下文中没有明显相反的含义，则单数形式可以包括复数形式。在本申请中，应该理解，术语“包括”或“具有”表示存在说明书中描述的特征，数量，步骤，操作，组件，部件或其组合，但是不排除预先存在或添加一个或多个其他特征，数量，步骤，操作，组件，部件或其组合的可能性。
非相反地定义，否则本文使用的所有术语(包括技术或科学术语)具有与本领域普通技术人员通常理解的术语相同的含义。除非在本申请中明确定义，否则在通常使用的字典中定义的术语应该被解释为具有与相关技术的范围中的含义相同的含义，而不被解释为理想的含义或过度正式的含义。
在下文中，将参照附图详细描述本发明的实施例，并且在参考附图描述优选实施例时，相同的附图标记将表示相同或相应的组件，并且将省略其重复描述。
本发明的示例性实施例涉及一种用于建立气动控制阀中包括的定位器、致动器和气动控制阀的关系表达式的方法，以及使用所述关系表达式进行诊断的方法。根据所述方法，确定参数，所述参数根据所述关系表达式指示所述气动控制阀的状态，在气动控制阀运行时实时评估所述参数的变化，并与正常状态下的参数值(参考值)进行比较，从而可以诊断气动控制阀的状态。
图1为示出气动控制阀的配置的框图，图2为示出图1所示的气动控制阀的输入/输出配置的详细框图。如图1和图2中所示，气动控制阀1通常包括输入系统(控制回路)20和输出系统(阀-空气致动器)10，并可如图1所示进行简化。输入系统20中包括的主要设备包括I/P转换器(下文可以被称为“控制器”)21和定位器23。定位器23接收来自控制器21的压力输出作为输入信号，并输出提供给致动器11的压力，并接收阀13位移的反馈，并控制使得阀位移移动到所需的位置。输出系统10配置有致动器11和阀13联接的形式。在图2中所示的示例中，使用在其中没有弹簧的活塞式致动器11，并在施加控制压力时，操作输出系统10的致动器11和阀13。
为了理解输入/输出系统的操作原理，需要理解定位器23的操作取决于控制压力。通常地，为了控制阀13，阀杆15需要取决于来自控制器21的控制压力输出进行操作。然而，由于致动器11的形状、流体的压力、阀杆和包装之间的摩擦造成的力不平衡等情况，存在阀杆15将不根据控制信号的需要而移动的情况。在这种情况下，需要定位器23。特别地，在致动器是活塞式致动器且其中没有弹簧的情况下，或者需要精确的操作用于小的控制信号改变的情况下，需要使用定位器23。
参考图2的右侧描述定位器23的主要组件，其中描述定位器23的内部结构。隔膜部件24起到定位器23的致动器的作用，来自控制器21的压力(通常为3到15psi)输出被输入至隔膜部件24。隔膜部件24、平衡杆25、内部弹簧27和导阀26的阀杆相互连接，并根据控制压力一起移动。在本发明的示例性实施例中，假设平衡杆25的运动与导阀26的运动相同。此外，除控制器21和定位器23外，在实际控制阀系统中包括的辅助设备中，按照独立的操作信号运行而不考虑该系统的控制信号，如电磁阀、换向阀等不包括在本发明的示例性实施例的关系表达式中。
图3显示图2中所示的导阀的截面。也就是说，图3描述图2中所示的导阀26的截面形状，并进一步描述了导阀26的输入/输出端口。在导阀26中，供应压力端口D和连接致动器上半部分的第二输出压力端口B连接，连接到致动器下部的第一输出压力端口A被阀芯阻挡。取决于隔膜部件中产生的驱动力大小改变导阀阀杆位置，并调整每个输出压力端口的开口。因此，调整了引入致动器上部和下部的压力。供应至致动器上部和下部的压力通过供应压力端口输入，其取决于制造商而不同，但供应压力的通常范围为25至150psi。最后，当输出系统10的阀杆15的位置变化时，反馈连杆结构28起到桥梁的作用，将改变的阀杆位置的位置信息反馈给定位器23，并连接到输出系统10的阀杆15。此外，还使用连接至反馈连杆结构28的量程调节螺钉和零点调节螺钉，用于定位器23的初始安装和校正。
图4为气动控制阀的操作过程的流程图。亦即，图4描述对应于图2中所示的输入系统的定位器的操作原理和对应于输出系统的致动器的操作原理。如上文所述，当过程启动时，控制压力Pc和供应压力Ps输入至定位器，并将隔膜部件的控制压力输入转换为驱动力Fc。当转换后的驱动力大于定位器中的弹簧预负荷Fpopre时，连接到隔膜部件的组件一起操作，并改变导阀的开口。
取决于导阀的开口情况，从压力毛细管供应的压力以分割的方式提供给致动器的上气缸和下气缸，因此在输出系统的致动器上产生驱动力。当产生的驱动力的大小变得大于在致动器或阀中产生的负荷(如包装摩擦力、由于气缸或O型环产生的摩擦力等)，输出系统的阀杆移动。当阀的阀杆移动时，通过在输出系统的阀杆和定位器之间连接的反馈连杆反馈阀杆位置，并通过比较反馈阀杆位置与控制压力确定是否再次调整阀杆位置。在不需要调整阀杆位置的情况下，保持当前的阀杆位置。
图5为气动控制阀的各个组件设备的自由体受力图。参考图5，将描述用于包括在气动控制阀的输入/输出系统中的定位器、致动器和阀的关系表达式。尽管在实际定位器的内部结构中多个组件设备以复杂的方式进行配置，但在图5中，该内部结构在不影响定位器行为特征的范围内被简化。在图5的左图(a)中，x1和x2分别意指定位器的平衡杆和阀杆位移反馈连杆结构的运动。平衡杆的运动起到改变定位器的导阀的开口并控制致动器上部和下部压力输入的作用。此外，阀杆位移反馈连杆结构是在阀杆发生位移时将阀杆位移反馈给定位器的部件。致动器和阀的自由体受力图显示在图5的右侧(b)中。致动器和阀可以相互分离成独立的设备而得到，但实际上，致动器的阀杆部分和阀可以与连接器连接，并虚线的上部可以意指致动器，而虚线的下部可以意指阀。
由图5的定位器隔膜部件的控制压力输入产生的力可以表示为如下等式1，等式2是定位器平衡杆和内部弹簧反馈连杆结构的力平衡关系表达式。等式3定义作用在致动器活塞上分别由施加至致动器的上部和下部的压力产生的力，Fup和Flo。在致动器中产生的力Fa等于在致动器的上部和下部中产生的力差。等式4是作用在致动器和阀上的力平衡关系表达式，Fa_act意指移动致动器和阀的力。此外，由于阀杆和塞的重量而产生的负荷FDS或阀中产生的负荷(如包装负荷Fpack)可在阀杆的阀杆力Fstem传感器杆中进行测量。此外，主供水控制阀的致动器中没有弹簧，为了计算等式5中所表示的阀杆位移，可以通过假设存在于致动器气缸中的空气的体积弹性模量而获得关系表达式。
[等式1]
PC·AC＝FC
[等式2]
FC-Fpopre＝kpo(x1-x2)
[等式3]
Fup-Flo＝Fa
[等式4]
Fa±Fpcyl+FDS±Fpack＝Fa_act
[等式5]
Fa_act÷kair＝xs
Pc：控制压力(I/P转换器输出压力)
AC：定位器的隔膜横截面面积
FC：控制压力的力
Fpopre：定位器的内部弹簧预负荷
kpo：定位器的内部弹簧常数
x1：平衡杆、导阀杆的位移
x2：反馈连杆结构的位移
Fup：定位器上部产生的力
Flo：定位器下部产生的力
Fs：定位器的实际驱动力
Fa：定位器上部和下部之间的力差
Fpcyl：摩擦负荷
FDs：由于阀杆和塞的重量而产生的负荷
Fpack：包装负荷
Fa_act：移动致动器和阀的力
kair：空气的体积弹性模量(假定值)
xs：阀杆位移
图6为等式1至等式3的框图。亦即，图6以框图示出等式1至等式3，等式1至等式3表示控制压力和隔膜横截面面积的关系表达式，用于计算导阀阀杆位移x1的定位器实际驱动力FS的关系表达等。此外，在图6的虚线中显示的VA1和VA2是与由图3中的A和B表示的输出压力端口有关的变量，并包括物理含义，例如根据导阀阀杆的位移或横截面积的流速信息。这些变量意指通过输出压力端口的空气的压力放大系数，并可以假设致动器的压力根据导阀阀杆位移线性变化。此外，PaU和PaL意指作用在致动器活塞横截面面积Aact上的致动器的上压力和下压力，PaU和PaL产生的力表示为Fup和Flo，并在框图中转换成力差Fa，如图6所示。FFB表示在产生输出系统的阀杆位移(或阀的阀杆位移)时通过反馈连杆结构传递的位移和弹簧之间的关系。
图7示出框图的简化图，并将图6的虚线表示的框图简化为总共4个步骤。全部4个步骤都显示x1为输入且Fa为输出的框图。在系统方面，全部步骤1到步骤4都可以确定为包括相同输入和输出的框图。但是，在模型方面，在简化框图时合并变量，并需要获知的变量数改变。例如，在简化之前由两个变量(如VA1和VA2)表示的压力放大因子可以合并到作为简化的最后步骤的步骤4中的VA中。在压力放大系数是待估计的变量的情况中，应在步骤1中估计两个变量，但在步骤4中只能估计一个变量。
图8示出根据本发明的示例性实施例的控制阀系统模型和模型参数。图8(a)以框图示出将上文得到的等式1至等式5，图8(b)显示模型参数的位置。控制阀模式的框图包括模型参数、内部参数和估计的内部参数，并在下表1中表示。此处，模型参数是根据取决于参数值的变化影响模型的输出结果的参数。如图8中所示，在该模型中，存在于驱动力供应部件或阀杆位移犯规连杆部件中的内弹簧预负荷Fpopre或阀杆位移反馈传递率Gfb对应为模型参数。在内部参数中，定位器的隔膜横截面AC或致动器的活塞的横截面面积Aact的信息是由制造商提供的材料或实际测量或计算而已知的信息，并作为固定值输入。最后，估计的内部参数是初始一次性估计的参数，并在作为模型对象的控制阀系统改变时固定，并且即使在值改变时也不影响模型输出结果。该模型中定义的导阀的压力放大系数Vp或致动器的空气体积弹性模量kair对应为估计的内部参数。
[表1]
参考上述内容描述本发明示例性实施例中使用的最终模型关系表达式。图9和图10通过根据输入信号划分两个框图而重新构建了图8(a)中所示的控制阀框图模型。图9是在驱动力供应部件的信号输入到模型且Fstem(在致动器或阀中产生的负荷)部分为0的状态下阀杆位移(阀的阀杆位移)是输出的框图，图10是在Fstem信号输入到模型且驱动力供应部件的信号是0的状态下阀杆位移(或阀的阀杆位移)是输出的框图。
在如下等式6和等式7中表示得到的每个框图的输入和输出的传递函数。
[等式6]
输入1：输入信号，Pc*Ac-Fpopre
H1：正向增益l，Vp*Ps*Aact*(1/kair)
G1：反向增益l，Gfb
[等式7]
输入2：输入信号，Fstem
H2：正向增益2，1/kair
G2：反向增益2，Aact*Vp*Ps*-Gfb
[等式8]
等式8是等式6和等式7的线性组合形式，是通过假设控制阀系统为线性系统的关系表达式，并输入如下描述的模型参数优化函数。其中，xs可以表示阀的阀杆位移，Pc可以表示控制压力，Ac可以表示定位器的隔膜横截面面积，Fpopre可以表示定位器的内部弹簧预负荷，Vp可以表示定位器的导阀的压力放大系数，Ps可以表示定位器的导阀的供应压力，Aact可以表示致动器的活塞的横截面面积，kair可以表示活塞内空气的体积弹性模量，Gfb可以表示阀杆位移传递率，以及Fstem可以表示在致动器或阀中产生的负荷。
图11示出模型参数优化函数，并可以利用将函数代码等式8和参数初始假定值输入优化函数并执行的方法来估计模型参数。
图12a和图12b示出所开发的气动控制阀的操作过程，可以改变内部参数和估计的内部参数，并将其应用于结构和操作方法相似的控制阀。图12a显示在初始应用控制阀系统中开发的控制阀模型时的过程操作，所述过程进行，从而在测量信号和模型参数假定值和内部参数输入模型并执行时，输出并存储模型参数和估计的内部参数。初始操作过程中估计的模型参数是表示控制阀系统的当前状态的参考值。图12b显示根据本发明的实例性实施例的控制阀诊断模型持续应用于经历执行初始操作过程的控制阀系统。估计模型参数的假定值可以如初始操作过程一样任意地提供，但当使用初始操作过程中估计的值时，模型参数估计可以变得更快。当使用测量信号重新估计模型参数时，所述模型参数可通过与存储在数据库中的在先的估计的模型参数进行比较而用作用于监控控制阀系统的状态变化的指标。
图13为根据本发明的示例性实施例的使用定位器模型诊断气动控制阀的方法的流程图。下文中，参考图2和图13，详细描述根据本发明的示例性实施例的使用定位器模型诊断气动控制阀的方法。如图2中所示，根据本发明的示例性实施例的使用定位器模型诊断气动控制阀的方法可以诊断控制器、定位器23和气动控制阀1的状态，所述控制器用于输出控制压力，所述定位器23用于接收的控制压力作为输入信号并调节供应至致动器11的压力，所述气动控制阀1用于根据供应的压力驱动阀13，其包括致动器11和阀13。
参考图13，首先，根据本发明的示例性实施例的使用定位器模型诊断气动控制阀的方法可包括定位器23、致动器11和阀13的性能的参数，并根据控制压力Pc建立用于输出阀的阀杆15的位移的关系表达式(步骤S1310)。此处，参数可能包括模型参数、内部参数和估计的内部参数，如上所述，由关系表达式获得的输出值可以根据模型参数值的变化而变化。根据气动控制阀1的规格，内部参数可以是固定值，估计的内部参数可以是通过在诊断气动控制阀1变化时初始一次性估计气动控制阀的固定值。
同时，如上所述，模型参数可以包括例如在定位器23中包括的弹簧27的预负荷Fpopre和在定位器23中包括的阀杆位移反馈连接部件28的阀杆位移传递率Gfb。此外，内部参数可以包括定位器23中包括的隔膜24的横截面面积Ac和致动器11中包括的活塞的横截面面积Aact。此外，估计的内部参数可以包括定位器23中包括的导阀26的压力放大系数Vp和致动器11中包括的活塞内空气的体积弹性模量kair。
再次参考图13，当识别气动控制阀1处于正常状态时，可以通过调节参数值直至关于气动控制阀1的正常操作的测量值(例如，根据预定的控制压力的阀杆位移)和由关系表达式获得的输出值(例如，根据相同控制压力的阀杆位移)之间的差小于预定的误差限度来确定初始参数值(步骤S1320)。更具体地说，基于预定的内部参数值，可以确定初始模型参数和初始估计的内部参数。
然后，在需要对气动控制阀1进行诊断时，可以通过调节参数值直到气动控制阀1的诊断操作的测量值和由关系表达式获得的输出值之间的差小于预定的误差限度来确定诊断参数值(步骤S1330)。更具体地说，基于预定的内部参数值和初始估计的内部参数，可以确定诊断模型参数。
接着，可以通过比较初始参数值和诊断参数值来确定气动控制阀1是否有异常(步骤S1340)。特别地，通过比较初始模型参数和诊断模型参数，可以确定气动控制阀1是否有异常。当初始模型参数和诊断模型参数之间的差在预定的误差限度中时，其可以表示气动控制阀1处于正常状态，并且可以通过确定多个水平值逐步确定异常程度。
图14为示出根据本发明的示例性实施例的使用定位器模型诊断气动控制阀的装置的配置的框图。如图14中所示，根据本发明的示例性实施例的使用定位器模型诊断气动控制阀的装置1400可包括模型生成单元1400、初始值确定单元1420、诊断值确定单元1430和诊断单元1440。
模型生成单元1410可包括定位器23、致动器11和阀13的性能参数，并根据控制压力建立用于输出阀杆位移(或阀的阀杆位移)的关系表达式。初始值确定单元1420可以通过调节参数值直至关于气动控制阀1的正常操作的测量值和由关系表达式获得的输出值之间的差小于预定的误差限度来确定初始参数值。此外，诊断值确定单元1430可以通过调节参数值直至关于气动控制阀1的诊断操作的测量值和由关系表达式获得的输出值之间的差小于预定的误差限度来确定诊断参数值。此外，诊断单元1440可以通过比较初始参数值和诊断参数值来确定气动控制阀是否有异常。
根据本发明的示例性实施例的使用定位器模型诊断气动控制阀的装置的详细操作可以根据上述的使用定位器模型诊断气动控制阀的方法而改变。
根据本发明的示例性实施例的使用定位器模型诊断气动控制阀的方法可以以计算机可读的代码在计算机可读的介质中实施。计算机可读的介质包括所有类型的存储计算机系统可读的数据的记录介质。例如，所述介质可以包括ROM(只读存储器)、RAM(随机存取存储器)、磁带、磁盘、闪存、光学数据存储设备等。此外，计算机可读的介质可以分发到连接至计算机网络的计算机系统中，并存储为以分布式的方式可读取和执行的代码。
图15显示将初始假定模型参数输入到模型中的输出结果和将通过开发的程序优化的参数输入到具有实验数据的模型中的输出结果之间的比较。参考图15(a)和(b)，所开发的模型准确地表示控制阀系统的运行，并可以知晓，通过模型参数优化可以提高预测的准确性。
至此通过参考附图和实施例描述了本发明。然而，应该理解，本发明的范围不限于附图和实施例，本领域技术人员在不脱离由所附权利要求书中撰写的本发明的构思和范围的范围内可以以各种方式修改和更改本发明。

Claims (12)

1.一种使用定位器模型诊断气动控制阀的方法，所述气动控制阀包括控制器、定位器、致动器和阀，所述控制器用于输出控制压力，所述定位器用于接收所述控制压力作为输入并控制供应至所述致动器的压力，所述致动器基于供应的压力驱动所述阀，所述方法包括：
根据所述控制压力建立用于输出阀杆位移的关系表达式，所述关系表达式包括关于所述定位器、所述致动器和所述阀的性能的参数；
通过调节所述参数的值直至关于所述气动控制阀的正常操作的测量值和由所述关系表达式得到的输出值之间的差小于预定的误差限度，从而确定初始参数值；
通过调节所述参数的值直至关于所述气动控制阀的诊断操作的测量值和由所述关系表达式得到的输出值之间的差小于预定的误差限度，从而确定诊断参数值；以及
通过比较所述初始参数值和所述诊断参数值来确定所述气动控制阀是否有异常。
2.如权利要求1的使用定位器模型诊断气动控制阀的方法，其中，所述参数包括模型参数、内部参数和估计的内部参数，
其中，通过所述关系表达式获得的输出值根据所述模型参数值的变化而变化，
其中，所述内部参数是根据所述气动控制阀的规格的固定值，以及
其中，所述估计的内部参数是通过初始时一次性估计所述气动控制阀确定的固定值。
3.如权利要求2的使用定位器模型诊断气动控制阀的方法，其中，确定初始参数值的步骤基于预定的内部参数值确定所述初始参数值和初始估计的内部参数，
其中，确定诊断参数值的步骤基于所述预定的内部参数值和所述初始估计的内部参数值确定所述诊断参数值，以及
其中，确定所述气动控制阀是否有异常的步骤通过比较所述初始模型参数和所述诊断模型参数来确定所述气动控制阀是否有异常。
4.如权利要求2的使用定位器模型诊断气动控制阀的方法，其中，所述模型参数包括在所述定位器中包括的弹簧的预负荷和在所述定位器中包括的阀杆位移反馈连接部件的阀杆位移传递率。
5.如权利要求2的使用定位器模型诊断气动控制阀的方法，其中，所述内部参数包括在所述定位器中包括的隔膜的横截面面积和在所述致动器中包括的活塞的横截面面积。
6.如权利要求2的使用定位器模型诊断气动控制阀的方法，其中，所述估计的内部参数包括在所述定位器中包括的导阀的压力放大系数和在所述致动器中包括的活塞内空气的体积弹性模量。
7.如权利要求1的使用定位器模型诊断气动控制阀的方法，其中，所述关系表达式具有以下传递函数：
输入1：输入信号，Pc*Ac-Fpopre
H1：正向增益1，Vp*Ps*Aact*(1/kair)
G1：反向增益1，Gfb
输入2：输入信号，Fstem
H2：正向增益2，1/kair
G2：反向增益2，Aact*Vp*Ps*-Gfb
其中，xs表示所述阀的阀杆位移，Pc表示控制压力，Ac表示所述定位器的隔膜横截面积，Fpopre表示所述定位器的内部弹簧预负荷，Vp表示所述定位器的导阀的压力放大系数，Ps表示所述定位器的导阀的供应压力，Aact表示所述致动器的活塞的横截面积，kair表示活塞内空气的体积弹性模量，Gfb表示阀杆位移传递率，以及Fstem表示在所述致动器或所述阀中产生的负荷。
8.一种使用定位器模型诊断气动控制阀的装置，所述气动控制阀包括控制器、定位器、致动器和阀，所述控制器用于输出控制压力，所述定位器用于接收所述控制压力作为输入并控制供应至所述致动器的压力，所述致动器基于供应的压力驱动所述阀，所述装置包括：
模型生成单元，其用于根据控制压力建立用于输出阀杆位移的关系表达式，所述关系表达式可包括所述定位器、所述致动器和所述阀的性能的参数；
初始值确定单元，其通过调节所述参数的值直至关于所述气动控制阀的正常操作的测量值和由所述关系表达式获得的输出值之间的差小于预定的误差限度来确定初始参数值；
诊断值确定单元，其通过调节所述参数的值直至关于所述气动控制阀的诊断操作的测量值和由所述关系表达式获得的输出值之间的差小于预定的误差限度来确定诊断参数值；以及
诊断单元，其通过比较所述初始参数值和所述诊断参数值来确定所述气动控制阀是否有异常。
9.如权利要求8的使用定位器模型诊断气动控制阀的装置，其中，所述参数包括模型参数、内部参数和估计的内部参数，
其中，通过所述关系表达式获得的输出值根据所述模型参数值的变化而变化，
其中，所述内部参数是根据所述气动控制阀的规格的固定值，以及
其中，所述估计的内部参数是通过初始时一次性估计所述气动控制阀确定的固定值。
10.如权利要求9的使用定位器模型诊断气动控制阀的装置，其中，所述初始值确定单元基于预定的内部参数值确定所述初始参数值和初始估计的内部参数，
其中，所述诊断值确定单元基于所述预定的内部参数值和所述初始估计的内部参数值确定所述诊断参数值，以及
其中，所述诊断单元通过比较初始模型参数和诊断模型参数确定所述气动控制阀是否有异常。
11.如权利要求8的使用定位器模型诊断气动控制阀的装置，其中，所述关系表达式具有以下传递函数：
输入1：输入信号，Pc*Ac-Fpopre
H1：正向增益1，Vp*Ps*Aact*(1/kair)
G1：反向增益1，Gfb
输入2：输入信号，Fstem
H2：正向增益2，1/kair
G2：反向增益2，Aact*Vp*Ps*-Gfb
其中，xs表示所述阀的阀杆位移，Pc表示控制压力，Ac表示所述定位器的隔膜横截面积，Fpopre表示所述定位器的内部弹簧预负荷，Vp表示所述定位器的导阀的压力放大系数，Ps表示所述定位器的导阀的供应压力，Aact表示所述致动器的活塞的横截面积，kair表示活塞内空气的体积弹性模量，Gfh表示阀杆位移传递率，以及Fstem表示在所述致动器或所述阀中产生的负荷。
12.一种使用定位器模型诊断气动控制阀的计算机可读的存储介质，所述气动控制阀包括控制器、定位器、致动器和阀，所述控制器用于输出控制压力，所述定位器用于接收所述控制压力作为输入并控制供应至所述致动器的压力，所述致动器基于供应的压力驱动所述阀，所述计算机可读的介质包括在计算机中包括的处理器以执行：
根据控制压力建立用于输出阀杆位移的关系表达式的指令，所述关系表达式可包括所述定位器、所述致动器和所述阀的性能的参数；
通过调节所述参数的值直至关于所述气动控制阀的正常操作的测量值和由所述关系表达式获得的输出值之间的差小于预定的误差限度来确定初始参数值的指令；
通过调节所述参数的值直至关于所述气动控制阀的诊断操作的测量值和由所述关系表达式获得的输出值之间的差小于预定的误差限度来确定诊断参数值的指令；以及
通过比较所述初始参数值和所述诊断参数值来确定所述气动控制阀是否有异常的指令。
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