调节阀特性的软件补偿

　　1　问题的提出

　　过程控制中应用的调节阀的流量特性主要有三种类型:快开、线性和等百分比。不考虑泄漏量,其静态特性曲线如图1所示,曲线1为快开特性,曲线2为线性特性,曲线3为等百分比特性。对于改变相同大小的流量Δq,特性曲线斜率愈平坦,则要求阀门行程或开度的变化量Δφ也愈大;特性曲线斜率愈大,则要求阀门行程的变化量就愈小。

　　由图1可知,快开特性调节阀的可调范围较小,即开度在70%左右时,流量已接近最大。在大口径气体管路上安装的蝶阀和翻板均属此例。能否通过计算机软件补偿将快开阀的快开特性转变为线性特性或等百分比特性。再广而推之,能否把调节阀的实际特性通过软件补偿转变为期望特性。本文就此进行讨论

　　2　调节阀流量特性的软件补偿原理

　　本文所谓的软件补偿是在控制器和调节阀之间插入一个软件补偿环节,其结构如图2所示,图中u为控制器输出量,φ为阀门开度,q为阀门输出的流量。u,q,φ均为0至100%的相对量。

　　调节阀流量特性的软件补偿原理如图3所示。图中调节阀的实际特性函数为q=f(φ),期望特性函数为q=F(u),补偿函数为φ=h(u)。软件补偿的原理可归结为如何根据已知的阀门实际特性函数和期望特性函数来求取补偿函数。

　　由调节阀的实际特性可知:

            q=f(φ)(1

　　另外,由调节阀的期望特性可知

             q=F(u)(2)

　　由(1)、(2)式联立可求得φ与u的函数关系即补偿函数φ=h(u)。

　　3　工程应用中的一个引例

　　已知某蝶阀的开度和相对风量的数据如表1所示。由表1可以看出,此蝶阀在开度为68%时,风量已接近最大,此后继续增大阀门开度,风量增大很小,也就是说,在开度区间68%至100%上,开度对风量调节作用很弱。

　　画出阀门开度与风量的关系曲线即阀门实际特性曲线如图4所示。

　　设期望特性函数为线性即:

　　q=F(u)=u(3)

　　下面用图解和解析两种方法求补偿函数

　　φ=h(u)。

　　3.1　图解法

　　补偿过程用图形描述如图5所示。第一象限内的曲线为阀门实际特性曲线,其来自图4,第二象限内的曲线为期望特性曲线,并根据式(3)绘出。

　　用图解法求校正曲线就是根据调节阀的实际特性和期望特性求出与控制器输出量u相对应的阀门开度φ。因此在u的区间0%至100%上依次选取若干点。设某点处控制器输出控制量为u ₁,由期望特性曲线求得阀门期望输出流量为q ₁(如图5中A点所示),为了使阀门输出这个期望的流量,由阀门实际特性曲线可知开度为φ ₁(如图5中B点所示)。由u ₁,φ ₁可在图5的第四象限内确定唯一的一点(如图5中C点所示)。对其它点仍用上面的方法作图,最后在第四象限用描点法求得补偿特性曲线φ=h(u)