智能閥門定位器的流量特性實現研究

2013-06-26 劉國平南昌大學機械電子工程

　　智能閥門定位器包含直線、等百分比、快開和用戶設定等流量特性，用戶可以自由設定。根據氣動薄膜調節閥的特點，閥桿位移的變化與旋轉電位器的變化呈非線性關系，通過非線性修正方法對閥位反饋進行修正。采用曲線擬合的方法，得到流量特性曲線方程，最終實現了智能閥門定位器直線、等百分比和快開流量特性，達到更高精度的流量控制要求。

　　智能閥門定位器具有高可靠性，高控制精度，網絡通信，多功能擴展等特點，能夠適應工業控制體系間網絡化、集成化、智能化方向的發展要求，廣泛應用于工業流量控制領域，在石化、冶金、電力、煉油等工業流量控制中發揮著不可替代的作用。然而，相對國外產品而言，國內產品在流量控制方面，存在調節速度慢、精度低的缺點。

　　流量特性的精度與智能閥門定位器安裝精度、閥位反饋、AD采樣精度和流量特性曲線擬合精度等有關。本文主要針對影響流量特性實現的因素進行分析和研究，致力于實現更高精度流量特性。

1、智能閥門定位器工作原理

　　微控制器根據閥位反饋信號與閥位設定信號的偏差大小和方向，輸出控制指令到壓電閥，通過壓電閥控制執行機構膜室內的氣壓。當偏差較大時，定位器輸出一個高占空比PWM信號給壓電閥，使執行機構快速進/排氣;當控制偏差較小時，定位器輸出低占空比PWM信號，使執行機構慢速進/排氣;當偏差在允許誤差范圍(自適應或死區設置)內，則輸出保持信號，使膜室內的氣壓保持不變。

　　智能電氣閥門定位器的工作原理如圖1所示。

圖1 智能閥門定位器工作原理圖

2、定位器的流量特性

　　調節閥流量特性和定位器的流量特性是兩個不同的概念。調節閥理想流量特性是指在調節閥前后壓差固定不變情況下的流量特性，用通過閥芯相對流量與控制信號相對變化的比值來表示。調節閥的流量特性取決于閥芯的形狀，有直線、等百分比、拋物線及快開4種典型的固有流量特性。

　　定位器的流量特性是指定位器輸入信號與閥門開度之間的關系。對于一個確定的閥，其結構特性不變，即流量的相對變化與閥桿相對位移的比值是不變的。智能閥門定位器可以通過改變閥桿相對位移與控制信號的相對變化之間的比值，從而改變調節閥的流量特性。

　　在定位器的流量特性實現過程中，根據給定的流量特性數據，采用曲線擬合的方法，獲得流量特性曲線方程，編程實現輸入信號與閥門開度之間的關系。當定位器安裝在調節閥上，用戶可以選擇不同的流量特性曲線，實現調節閥的流量控制。

3、閥位反饋非線性修正

　　非線性修正是用于解決閥桿行程與閥位反饋信號之間的非線性。閥位反饋模塊是由反饋連桿、減速齒輪和位置傳感器等組成，其機械連接原理示意圖如圖2所示，位置傳感器采用高精度導電塑料旋轉電位器，將執行機構的直行程轉換為角位移。

圖2 閥位反饋模塊機械連接原理圖

　　閥桿運動距離h與連桿轉角θ之間的關系為：

h=Ltanθ (1)

　　其中，θ∈[-α/2，α/2]，h∈[-H/2，H/2]，α為連桿全行程轉過的角度，H為閥桿全行程的距離。

　　由于電位器為線性電位器，所以電位器可變端電壓ui與連桿轉角θ之間的關系為：

　　其中，u0為閥桿行程0%對應的閥位反饋信號，u1為閥桿行程100%對應閥位反饋信號。

　　電位器可變端電壓ui與對應的AD采樣值Di的關系可表示為：

Di=kui (3)

　　閥桿行程的相對變化與閥位反饋信號相對變化的比值為：

　　旋轉角度與電位器電壓成線性，閥桿行程與轉角成正切關系，通過非線性修正，閥桿行程與反饋信號才為線性關系。閥位反饋信號的非線性修正是實現更精確的流量控制的有效方法。

4、實驗

　　以SEPP4000閥門定位器為研究對象，進行靜態特性和流量特性實驗。輸入信號為4mA～20mA的電流信號，輸出信號為閥門的開度，通過檢測閥位反饋信號獲取閥門的開度信息，為了使閥門開度與閥位反饋信號的百分比相等，采用公式(4)進行閥位反饋的非線性修正。

4.1、靜態特性實驗

　　定位器靜態特性表現為定位器實測曲線與理想曲線之間的一致性。

　　安裝SEPP4000智能閥門定位器，使定位器的行程正好為全行程的一半時，定位器反饋桿在水平位置(即垂直于閥桿)。以線性流量特性為例，進行定位器靜態特性實驗。數據處理流程圖如圖3所示，誤差對比如表1所示。

表1 閥位反饋非線性修正前后誤差

圖3 數據處理程序流程圖

　　修正前，實驗測得的數據的重復性為0.3%，即小于0.5%，均達到待測定位器的指標。但行程曲線的基本誤差、非線性誤差和最大測量誤差都較大。

　　修正后，實驗測得的數據的重復性較小為0.48%，回滯誤差也較小為0.46%，均達到待測定位器的指標;而且所得行程曲線的基本誤差、非線性誤差和最大測量誤差均小于0.5%，達到定位器的指標要求。

4.2、流量特性實驗

　　選擇定位器的流量特性曲線線性、等百分比1∶25，等百分比1∶50，反等百分比25∶1，以10%為增量從0%到100%的等差輸入電流信號，測量閥位反饋電壓信號AD采樣值，得到實際流量特性曲線點集，用MATLAB軟件擬合實測曲線如圖4、圖5所示。星形點為實驗所測的行程值，實線為所測的流量曲線，虛線為定位器的理想流量特性曲線。

　　修正前后，流量特性誤差對比如表2所示。

表2 修正前后流量特性曲線誤差對比