CN1318930C - 智能执行器用阀门流量特性实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于工业自动化仪表领域，特别涉及一种在智能执行器中实现光滑的无级分布的阀门流量特性方法。现有的方法难以满足实际情况下的复杂多样性需求，且自定义折线只是实际需求特性曲线的不光滑近似。本发明将阀门流量特性的实现转化为对输入控制信号进行对应函数关系的运算处理。一不需要改变调节阀阀芯或定位器凸轮形状，二是对每类流量特性可提供无级分布的阀门流量特性曲线族供选择而且是光滑的精确的，三是这些无级分布的流量特性曲线族中的曲线仅通过一个具有重要工程背景的参数方便地选择，完全解决了现有技术的缺陷并且实现简单容易。

Description

智能执行器用阀门流量特性实现方法

技术领域

本发明属于工业自动化仪表领域，特别涉及一种在智能执行器中实现光滑的无级分布的阀门流量特性方法。

背景技术

执行器广泛用于炼油、化工、电力、冶金、钢铁、造纸、制药、生化、环保等流程工业行业的自动化控制系统中，主要有气动执行器和电动执行器，气动执行器由调节阀、气动执行机构、普通或智能型电气定位器组成，电动执行器由调节阀、普通或智能型电动执行机构和伺服放大器组成。阀门流量特性是执行器非常重要的技术参数，生产工艺和控制系统要求执行器能够提供多种流量特性，常用的有线性、等百分比、和快开三类函数特性。传统的气动和电动执行器是通过设计加工不同的调节阀阀芯曲面来获得相应的流量特性如专利CN86201536U，缺点是调节阀流量特性不能调整修改，如果要更换流量特性需更换阀门或更换阀芯，造成调节阀品种繁多、结构复杂、制造成本高、使用维护不便；后来的气动执行器则通过电气阀门定位器中设计不同曲线的凸轮来实现要求的流量特性，但只是把上述问题从调节阀转移到电气阀门定位器上而已，问题仍然存在；目前一些智能型电气阀门定位器如SIEMENS SIPART PS2、FISHERDVC5000、YAMATAKE SVP300和智能型电动执行机构如ROTORK IQ系列等，嵌入了微处理器进行智能化，可提供2～4条固定的等百分比、和快开函数特性曲线，其他需要的曲线则通过10～20个自定义分段点构成的分段折线来近似获得，虽在一定程度上解决了上述问题，但带来新的问题，其突出的缺点有三个：一是上述仅提供有限的2～4条精确曲线难以满足实际情况下的复杂多样性需求；二是自定义折线只是实际需求特性曲线的不光滑近似；三是自定义折线所需的10～20个自定义分段点的确定要求很高专业技术水平和理论水平，使用和维护难度很大。

发明内容

本发明是针对智能电气阀门定位器和智能电动执行机构在阀门流量特性实现上存在的不足，设计了一种光滑的无级分布的阀门流量特性的实现方法。

该方法包括以下步骤：(a)根据工艺设计要求确定阀门流量特性类别；(b)计算阀可调比B；(c)对输入的阀位控制信号进行对应函数关系运算；(d)用运算处理后信号代替原来的输入的阀位控制信号来进行控制运算。

步骤(a)所述的阀门流量特性是指将输入的阀位控制信号X与介质流量Q之间应具备的函数关系Q＝F(B，X)，工艺设计要求的阀门流量特性类别有直线、等百分比、和快开三种，由如下公式表示：

直线流量特性： $\frac{Q}{Q_{\max }}=\frac{1}{B}+(1-\frac{1}{B})\frac{X}{X_{\max }}---\left(1\right)$

等百分比流量特性： $\frac{Q}{Q_{\max }}=B^{(\frac{X}{X_{\max }}-1)}---\left(2\right)$

快开流量特性： $\frac{Q}{Q_{\max }}=\frac{1}{B}[{1+(B^2-1)\frac{X}{X_{\max }}]}^{\frac{1}{2}}---\left(3\right)$

其中，Q为流量，Q_max为可调节的最大流量，X为输入的阀位控制信号，X_max为最大阀位或行程，B为阀可调比。

步骤(b)所述的计算阀可调比B，是根据管道中降压比S和阀门的铭牌参数理想阀可调比B_e计算阀可调比B，计算公式如下：

$B=B_e\sqrt{S}---\left(4\right)$

步骤(c)所述的对应函数关系，是把阀门流量与阀位之间关系即阀门流量特性Q＝F(B，X)转化为仅对输入的阀位控制信号进行的对应函数关系 X＝ F(X，B)运算，由如下公式表示：

直线流量特性对应的函数关系： X＝X         (5)

等百分比流量特性对应的函数关系： $\underset{-}{X}=\frac{B^X-1}{B-1}---\left(6\right)$

快开流量特性对应的函数关系： $\underset{-}{X}=\frac{\sqrt{1+(B^2-1)X}-1}{B-1}---\left(7\right)$

其中，X为输入的阀位控制信号，B为阀可调比， X为符合要求流量特性处理后的阀位或行程。

步骤(d)所述的用运算处理后信号代替原来的输入的阀位控制信号来进行控制运算，是用步骤(c)对应函数关系计算后得到的 X代替输入的阀位控制信号X进行控制运算。

本发明将阀门流量特性的实现转化为对输入控制信号进行对应函数关系的运算处理。一不需要改变调节阀阀芯或定位器凸轮形状，二是对每类流量特性可提供无级分布的阀门流量特性曲线族供选择而且是光滑的精确的，三是这些无级分布的流量特性曲线族中的曲线仅通过一个具有重要工程背景的参数方便地选择，完全解决了现有技术存在的问题，并且实现简单容易。

具体实施方式

输入阀位控制信号进行预处理，由自动化控制系统中调节器或DCS(分散控制系统)系统发出的控制输入信号X为4～20mA电流，经取样电阻转化为给定输入电压，通过其信号滤波及放大环节去除干扰，送入模数转换器A/D转化为数字量，再送给微处理器MPU，经采样模块、软件滤波处理模块、规范化模块化为0～100％的无量纲数，由按键和LCD组成的监控界面参数组态给出要求的流量特性类型和阀可调比B，根据要求的流量特性类型是线性、等百分比、还是快开特性选择对应的函数形式，经过函数关系运算模块计算出 X＝ F(X，B)；阀杆运动通过反馈机构带动阀位反馈电位器旋转得到的阀位反馈测量电压通过A/D和MPU进行采样、滤波、并规范化为0～100％的无量纲数Y； X和Y在MPU中进行比较执行控制算法运算，产生控制信号控制执行部件，驱动执行机构动作。

阀门流量特性的实现方法包括以下步骤：(a)根据工艺设计要求确定阀门流量特性类别；(b)计算阀可调比B；(c)对输入的阀位控制信号进行对应函数关系运算；(d)用运算处理后信号代替原来的输入的阀位控制信号来进行控制运算。

步骤(a)所述的阀门流量特性是指将输入的阀位控制信号X与介质流量Q之间应具备的函数关系Q＝F(B，X)，工艺设计要求的阀门流量特性类别有直线、等百分比、和快开三种，由如下公式表示：

直线流量特性： $\frac{Q}{Q_{\max }}=\frac{1}{B}+(1-\frac{1}{B})\frac{X}{X_{\max }}$

等百分比流量特性： $\frac{Q}{Q_{\max }}=B^{(\frac{X}{X_{\max }}-1)}$

快开流量特性： $\frac{Q}{Q_{\max }}=\frac{1}{B}{[1+(B^2-1)\frac{X}{X_{\max }}]}^{\frac{1}{2}}$

其中，Q为流量，Q_max为可调节的最大流量，X为输入的阀位控制信号，X_max为最大阀位或行程，B为阀可调比。

步骤(b)所述的计算阀可调比B，是根据管道中降压比S和阀门的铭牌参数理想阀可调比B_e计算阀可调比B，计算公式如下：

$B=B_e\sqrt{S}$

步骤(c)所述的对应函数关系，是把阀门流量与阀位之间关系即阀门流量特性Q＝F(B，X)转化为仅对输入的阀位控制信号进行的对应函数关系 X＝ F(X，B)运算，由如下公式表示：

直线流量特性对应的函数关系： X＝X

等百分比流量特性对应的函数关系： $\underset{-}{X}=\frac{B^X-1}{B-1}$

快开流量特性对应的函数关系： $\underset{-}{X}=\frac{\sqrt{1+(B^2-1)X}-1}{B-1}$

其中，X为输入的阀位控制信号，B为阀可调比， X为符合要求流量特性处理后的阀位或行程。

步骤(d)所述的用运算处理后信号代替原来的输入的阀位控制信号来进行控制运算，是用步骤(c)对应函数关系计算后得到的 X代替输入的阀位控制信号X进行控制运算。

Claims (1)

1、智能执行器用阀门流量特性实现方法，其特征在于该方法包括以下步骤：(a)根据工艺设计要求确定阀门流量特性类别；(b)计算阀可调比B；(c)对输入的阀位控制信号进行对应函数关系运算；(d)用运算处理后信号代替原来的输入的阀位控制信号来进行控制运算；

步骤(a)所述的阀门流量特性是指将输入的阀位控制信号X与介质流量Q之间应具备的函数关系Q＝F(B，X)，工艺设计要求的阀门流量特性类别有直线、等百分比、和快开三种，由如下公式表示：

直线流量特性： $\frac{Q}{Q_{\max }}=\frac{1}{B}+(1-\frac{1}{B})\frac{X}{X_{\max }}---\left(1\right)$

等百分比流量特性： $\frac{Q}{Q_{\max }}=B^{(\frac{X}{X_{\max }}-1)}---\left(2\right)$

快开流量特性： $\frac{Q}{Q_{\max }}=\frac{1}{B}{[1+(B^2-1)\frac{X}{X_{\max }}]}^{\frac{1}{2}}---\left(3\right)$

其中，Q为流量，Q_max为可调节的最大流量，X为输入的阀位控制信号，X_max为最大阀位或行程，B为阀可调比；

步骤(b)所述的计算阀可调比B，是根据管道中降压比S和阀门的铭牌参数理想阀可调比B_e计算阀可调比B，计算公式如下：

$B=B_e\sqrt{S}---\left(4\right)$

步骤(c)所述的对应函数关系，是把阀门流量与阀位之间关系即阀门流量特性Q＝F(B，X)转化为仅对输入的阀位控制信号进行的对应函数关系 X＝ F(X，B)运算，由如下公式表示：

直线流量特性对应的函数关系： X＝X    (5)

等百分比流量特性对应的函数关系： $\underset{\‾}{X}=\frac{B^X-1}{B-1}---\left(6\right)$

快开流量特性对应的函数关系： $\underset{\_}{X}=\frac{\sqrt{1+(B^1-1)X}-1}{B-1}---\left(7\right)$

其中，X为输入的阀位控制信号，B为阀可调比，X为符合要求流量特性处理后的阀位或行程；

步骤(d)所述的用运算处理后信号代替原来的输入的阀位控制信号来进行控制运算，是用步骤(c)对应函数关系计算后得到的X代替输入的阀位控制信号X进行控制运算。