調節閥的流量特性校正

1. 前言

    在控制系統的實現中，調節閥的選擇是很重要的一個環節，閥的流量特性直接關系到系統的控制質量。

    1.1 調節閥流量特性定義

   調節閥流量特性是指流過閥門的相對流量（Q/Q_max）與閥心相對行程（L/L_max）的關系，即：

    Q/Q_max=f（L/L_max）

   式中：Q-某一開度下的流量；Q_max-全開時的流量；L-某一開度下的閥心相對行程；L_max-閥心全行程。

    1.2 理想流量特性

   一般說來，改變調節閥的調節閥與閥座間的節流面積便可以調節流量。但實際上節流面積改變的同時，還發生閥前后壓差的變化，這種變化會引起流量的變化。

   研究閥特性時，總是現假設閥前后壓差相等，即ΔP為常數，這樣可以得到調節閥的理想流量特性（圖1）：（a）線性流量特性；（b）等百分比流量特性；（c）快開流量特性。

    1.3 實際流量特性

   閥門串接在管路系統中，當管路兩端的總壓降固定不變時，管路內的直管沿程阻力和管件局部阻力都會隨流量而變化，其結果會使調節閥的工作特性與理想特性有許多差異。

   由于閥前后壓差與管路總壓差兩者之間關系變化，在全開時閥上壓降與管路系統總壓降值比S越小，閥流量特性曲線畸變越嚴重（圖2）。

   從上面對調節閥流量特性分析可知，閥在不同壓差情況下的畸變是很嚴重的，這種畸變給控制系統的設計帶來了困難，也會嚴重影響控制系統的性能指標。

   因此，考慮對調節閥在各種S情況下的畸變進行補償和自動校正，將是非常有意義的一件工作。本文考慮采用彈片機依據閥的流量特性和實際工作特性的關系進行補償和校正，給出了補償校正原理，并給出了相關補償實驗。整個實現過程成本低，效果好，有很好的應用空間。

    2. 調節閥的線性補償原理

    2.1 補償原理說明

   圖3為補償原理圖，調節閥的畸變自動校正由補償裝置來完成。給定器根據理想的流量特性給出閥的開度信號L/L_max，希望調節閥的相對流量為Q_i^*/Q_max=f（L_i/L_max）。由于閥在實際工作中存在特性畸變，在沒有補償裝置的情況下，實際得到的是相對流量為Q_k/Q_max=f（L_i/L_max），顯然Q_k/Q_max與Q_i/Q_max存在很大差異。所以補償裝置的任務就是在得到給定器輸出的開度信號L/L_max后，通過儲存在補償裝置中的理想閥流量特性數據表或公式，轉換而得到對應的理想相對流量，再根據理想的相對流量算出實際需要的開度行程信號控制調節閥。

    2.2 補償算法實現步驟

    我們用一單片機，以查表法來補償調節閥的非線性，其步驟為：

    （1）將理想閥流量特性數據存入補償裝置。
   （2）取給定器輸出的開度信號L/L_max=0~100%之間N個值L₁、L₂、…、L_N，采樣對應的調節閥的流量Q₁、Q₂、…、Q_N并儲存在單片機內（圖3虛線所示）。
   （3）當給定器輸出開度信號為L_i^*_，由補償裝置將開度對應的理想流量Q_i^*找出。即從（2）步采樣得到的Q₁、Q₂、…、Q_N找出Q_i、Q_i+1及對應的L_i、L_i+1，使得Q_i≤Q_i^*≤Q_i+1。
   （4）計算出為保證輸出Q_i^*對應的LL_i：

   當Q_i≤Q_i^*≤Q_i+1時，

   當Q_i=Q_i+1時，LL_i=L_i+1

   當Q_i=Q_i^*時，LL_i=L_i，LL_i為補償后補償裝置輸出的開度信號。

    3. 實驗結果

   我們對一線性閥在S≈0.5，Q_max≈25m³/h條件下，加上補償裝置和不加補償裝置時做了有關實驗，得出流量特性曲線見圖4，有關實驗數據見表1。

表1 補償前后調節閥有關實驗數據記錄

   實驗結果可以看出，補償裝置能較好地將閥實際特性曲線畸變校正過來，使特性曲線直線度比外補償前提高了許多，可全程工作。

   閥補償裝置除了能校正調節閥的流量特性曲線畸變外，還能按特殊需要而設計的流量特性曲線工作。要做到這一點，只要將該設計好的流量特性曲線代替理想流量特性曲線數據即可。