DE102017009709A1 - Control valve for the linearization of working curves - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Kennlinie für Regelventile angegeben, bei der die sich ergebende Arbeitskennlinie exakt linear ist. Die entsprechende Funktion lautet:A characteristic for control valves is specified in which the resulting working characteristic curve is exactly linear. The corresponding function is:

Description

Vorbemerkungen:Preliminary remarks:

Bei einem Strömungshindernis ist der Zusammenhang zwischen dem Durchfluss q und dem Differenzdruck Δp gegeben durch q = k Δ   p

Figure DE102017009709A1_0002
wobei k der Durchflussfaktor ist.In a flow obstacle, the relationship between the flow q and the differential pressure Ap is given by q = k * Δ p
Figure DE102017009709A1_0002
where k is the flow factor.

(Anmerkung: Wir beschränken uns hier auf das Medium Wasser als Fluid, da sich Gasen oder Dämpfen oder Flüssigkeiten mit anderer Dichte bei dieser Aufgabenstellung keine gravierenden Änderungen ergeben.(Note: We limit ourselves here to the medium of water as a fluid, since gases or vapors or liquids with different densities do not change significantly in this task.

Speziell für Regelventile hat sich die Bezeichnung kv eingebürgert. q = k v Δ   p

Figure DE102017009709A1_0003
Especially for control valves, the name k v has become common. q = k v * Δ p
Figure DE102017009709A1_0003

Der kv - Wert eines Regelventils muss natürlich veränderbar sein, das ist der Zweck eines Regelventils. Im Allgemeinen besteht zwischen einer Stellgröße y und dem kv - Wert der Zusammenhang: k v = f ( y ) k v s

Figure DE102017009709A1_0004
The k v value of a control valve must of course be changeable, that is the purpose of a control valve. In general, the relationship between a manipulated variable y and the k v value is the following: k v = f ( y ) * k v s
Figure DE102017009709A1_0004

kvs ist die maximale Öffnung. Die Funktion f(y) heißt die Kennlinie des Ventils. Speziell für lineare Ventile gilt: k v = y k v s

Figure DE102017009709A1_0005
k vs is the maximum opening. The function f (y) is called the characteristic of the valve. Especially for linear valves: k v = y * k v s
Figure DE102017009709A1_0005

Für den Durchflussfaktor von allgemeinen Strömungswiderständen gibt es keine allgemein übliche Abkürzung. Wir benutzen willkürlich kw dafür: q = k w Δ   p

Figure DE102017009709A1_0006
There is no common abbreviation for the flow factor of general flow resistances. We arbitrarily use k w for: q = k w * Δ p
Figure DE102017009709A1_0006

In ist ein Beispiel für eine Regelstrecke dargestellt. Dort sind ein Regelventil und ein weiterer Strömungswiderstand (z.B. ein Wärmetauscher) zusammen geschaltet. Der Durchflussfaktor des Wärmetauschers sei dabei halb so groß wie der des Ventils. Da wegen der Kontinuitätsbedingung (es handelt sich um inkompressibles Wasser) der Durchfluss überall gleich sein muss, ist das Verhältnis der Differnenzdrücke über Wärmetauscher und Ventil gleich 4 zu 1.In an example of a controlled system is shown. There are a control valve and another flow resistance (eg a heat exchanger) connected together. The flow factor of the heat exchanger is half as large as that of the valve. Since the flow condition must be the same everywhere (incompressible water), the ratio of differential pressure across heat exchanger and valve is 4 to 1.

Bei der Hintereinanderschaltung zweier Strömungswiderstände (hier: Ventil und Wärmetauscher) ergibt sich der resultierende Durchflussfaktor k aus einer einfachen Rechnung zu: k = k v 2 k w 2 ( k v 2 + k w 2 )

Figure DE102017009709A1_0007
In the series connection of two flow resistances (here: valve and heat exchanger), the resulting flow factor k results from a simple calculation to: k = k v 2 * k w 2 ( k v 2 + k w 2 )
Figure DE102017009709A1_0007

In Verbindung mit den Gleichungen (1) und (4) ergibt sich daraus der in dargestellte Zusammenhang zwischen Stellgröße und Durchfluss für ein lineares Ventil. In conjunction with the equations (1) and (4), this results in the in illustrated relationship between manipulated variable and flow for a linear valve.

Problemstellung:Problem:

Auffallend und Grund für die hier vorliegende Untersuchung ist die konvexe Krümmung der Kurve. Diese Krümmung ist regeldynamisch äußerst unangenehm, da die veränderliche Steigung der Arbeitskennlinie direkt in die Verstärkung des Regelkreises eingeht und damit die Dynamik der Reglung verändert.Striking and reason for the present investigation is the convex curvature of the curve. This curvature is dynamic dynamics extremely uncomfortable, since the variable slope of the working curve directly enters the gain of the control loop and thus changes the dynamics of the control.

Stand der Technik:State of the art:

Zur Abhilfe ersetzt man die lineare Kennlinie nach Gl. (3) durch eine Kennlinie mit konkaver Krümmung. Man hofft so die Krümmung kompensieren zu können.As a remedy, the linear characteristic according to Eq. (3) by a characteristic curve with concave curvature. One hopes to be able to compensate for the curvature.

Obwohl es sehr viele (genauer: unendlich viele) konkav gekrümmte Kurven gibt, hat sich bisher nur die gleichprozentige Kennlinie durchgesetzt. f ( y ) = k 0 e y ln ( 1 k 0 )

Figure DE102017009709A1_0008
Although there are many (more precisely: infinitely many) concave curved curves, so far only the equal percentage characteristic has prevailed. f ( y ) = k 0 * e y * ln ( 1 k 0 )
Figure DE102017009709A1_0008

Die Kennlinie ist in , das Ergebnis der Kompensation in dargestellt.The characteristic is in , the result of compensation in shown.

Wie man sieht, ist das Ergebnis nicht eigentlich befriedigend. Die Kurven „passen nicht richtig zusammen“. Im unteren Bereich wird zu viel, im oberen zu wenig kompensiert.As you can see, the result is not really satisfactory. The curves "do not fit together properly". In the lower area too much is compensated, in the upper one too little.

Dazu kommt noch ein spezielles Problem der gleichprozentigen Kennlinie: Sie geht nicht durch den Nullpunkt. Außerdem ist sie viel zu flach, um ein sicheres Schließen des Ventils zu ermöglichen. Man knickt die Kurve deshalb im untersten Bereich ab und lenkt sie direkt auf den Nullpunkt. Dies führt zu einem völlig anormalen Verhalten im untersten Bereich. In der Praxis ist eine Regelung in diesem Bereich mit normalen Mitteln kaum möglich.In addition there is a special problem of the equal percentage characteristic: It does not go through the zero point. In addition, it is far too shallow to allow a safe closing of the valve. Therefore, you bend the curve in the lowest range and steers it directly to the zero point. This leads to a completely abnormal behavior in the lowest range. In practice, regulation in this area is hardly possible by normal means.

Aufgabe:Task:

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Kennlinie für ein Regelventil anzugeben, die eine vollständige Kompensation der Krümmung ermöglicht.The invention has for its object to provide a characteristic curve for a control valve, which allows complete compensation of the curvature.

Lösung:Solution:

Die Kennlinie f ( y ) = y 2 ( ( 1 y 2 ) k 0 + 1 )

Figure DE102017009709A1_0009
mit k 0 = ( k v s k w ) 2
Figure DE102017009709A1_0010
erfüllt diese Aufgabe.The characteristic f ( y ) = y 2 ( ( 1 - y 2 ) * k 0 + 1 )
Figure DE102017009709A1_0009
With k 0 = ( k v s k w ) 2
Figure DE102017009709A1_0010
fulfills this task.

Natürlich müssen, wie bei allen anderen Kennlinien auch, die beiden Konstanten kvs für die maximale Öffnung und k0 für die Krümmung an die jeweilige Strecke angepasst werden.Of course, as with all other characteristics, the two constants k vs for the maximum opening and k 0 for the curvature must be adapted to the respective track.

In ist die Kennlinie für den Wert k0=4, also für den in dargestellten Fall dargestellt. zeigt das Ergebnis der Kompensation.In is the characteristic curve for the value k 0 = 4, that is for the in illustrated case shown. shows the result of the compensation.

Wie man sieht, gelingt die Kompensation mit dieser Kennlinie vollständig. Die entstehende Arbeitskennlinie ist überall linear!As you can see, the compensation with this characteristic is completely successful. The resulting working characteristic is linear everywhere!

Claims (3)

Regelventil, dadurch gekennzeichnet, dass durch geeignete Maßnahmen im inneren Aufbau, z.B. durch entsprechende Formgebung des Kegels, eine Kennlinie gem. den Gleichungen (8) und (9) erzeugt wird.Control valve, characterized in that by suitable measures in the internal structure, for example by appropriate shaping of the cone, a characteristic gem. the equations (8) and (9) is generated. Steuergerät für ein Regelventil, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zusammenhang kv = f(y)*kvs zwischen einer Führungsgröße y und der Öffnung des Ventils kv erzeugt wird, der den Gleichungen (8) und (9) entspricht.Control device for a control valve, characterized in that a relationship k v = f (y) * k vs between a reference variable y and the opening of the valve k v is generated, which corresponds to the equations (8) and (9). Algorithmus in einem Prozessleitsystem für ein Regelventil, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zusammenhang kv = f(y)*kvs zwischen einer Führungsgröße y und der Öffnung des Ventils kv erzeugt wird, der den Gleichungen (8) und (9) entspricht.Algorithm in a process control system for a control valve, characterized in that a relationship k v = f (y) * k vs between a reference variable y and the opening of the valve k v is generated, which corresponds to the equations (8) and (9).
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111859562A (en) * 2020-07-10 2020-10-30 大连理工大学 Pressure-independent intelligent regulating valve design method based on dynamic resistance characteristic

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DE10259582A1 (en) * 2002-12-19 2004-07-15 A. u. K. Müller GmbH & Co KG Valve device with a servo valve that can be controlled by an electric motor
DE102014226623A1 (en) * 2014-12-19 2016-06-23 Robert Bosch Gmbh Pressure relief valve and thus equipped hydraulic machine

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