基于仿真技術(shù)的調(diào)節(jié)閥選型教學(xué)軟件的設(shè)計(jì)

馬 昕，孫江麗，張貝克

(北京化工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029)

1 儀表選型軟件的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)研究的意義在于為用戶(hù)提供選型方法和選擇眾多廠(chǎng)家各系列的數(shù)據(jù)，在軟件上實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)節(jié)閥型號(hào)的選擇及對(duì)所選閥門(mén)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析等。該選型軟件的主要功能如圖1所示。

軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)類(lèi)圖如圖2所示。

圖1 軟件設(shè)計(jì)圖

2 初步選型

用戶(hù)進(jìn)入選型系統(tǒng)后首先對(duì)儀表廠(chǎng)家、閥門(mén)類(lèi)型以及閥門(mén)型號(hào)進(jìn)行選擇。之后用戶(hù)可以針對(duì)所選廠(chǎng)家的所選型號(hào)進(jìn)行具體的調(diào)節(jié)閥定制，這兩個(gè)步驟構(gòu)成了調(diào)節(jié)閥的初步選型。這兩步均有可顯示的幫助信息，用戶(hù)可以根據(jù)該幫助信息進(jìn)行篩選。

3 輸入輸出曲線(xiàn)的實(shí)現(xiàn)

調(diào)節(jié)閥輸入與輸出特性仿真曲線(xiàn)的實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)節(jié)閥選型教學(xué)方面有著重要意義，用戶(hù)根據(jù)選定工況下輸出曲線(xiàn)的情況，可以直觀(guān)判斷出所選調(diào)節(jié)閥的優(yōu)劣程度。而調(diào)節(jié)閥仿真技術(shù)是得到輸入輸出曲線(xiàn)的關(guān)鍵。仿真可以理解為運(yùn)用物理模型或數(shù)學(xué)模型代替實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)和研究。過(guò)程系統(tǒng)與數(shù)學(xué)模型的關(guān)系稱(chēng)為建模，數(shù)學(xué)模型與仿真機(jī)之間的關(guān)系稱(chēng)為仿真[1]。本文對(duì)調(diào)節(jié)閥的仿真研究包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)的仿真和閥體的仿真，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的仿真又包括氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的仿真和電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的仿真。

圖2 程序類(lèi)圖

3.1 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型

氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常會(huì)與閥門(mén)定位器配套使用，對(duì)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的研究包括閥門(mén)定位器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩部分。閥門(mén)定位器又分為氣動(dòng)閥門(mén)定位器和電-氣動(dòng)閥門(mén)定位器兩種方式。

3.1.1 氣動(dòng)閥門(mén)定位器與氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型

氣動(dòng)閥門(mén)定位器與氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)配套使用，是氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥組合單元的一個(gè)主要配套件。從氣動(dòng)遙控板輸出0.02～0.10 MPa的氣動(dòng)模擬信號(hào)，經(jīng)氣動(dòng)閥門(mén)定位器將輸出一個(gè)氣動(dòng)操作信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，以此控制氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的行程，通過(guò)閥門(mén)位置反饋，從而使氣動(dòng)遙控板輸出的控制信號(hào)與閥門(mén)的行程對(duì)應(yīng)關(guān)系成比例，實(shí)現(xiàn)正確定位。氣動(dòng)閥門(mén)定位器輸入量P與氣動(dòng)閥輸出量L的關(guān)系式為：

其中 FB、K2、l1、l2、l4、l5、A、B 等參數(shù)均為閥內(nèi)常量參數(shù)[2-3]。

3.1.2 電-氣動(dòng)閥門(mén)定位器與氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型

電-氣動(dòng)閥門(mén)定位器與氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)配套使用，定位器將4～20 Am的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)換為0.2～1 Pa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào)，去改變氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥桿位移，閥桿位移又通過(guò)機(jī)械反饋部分反饋至定位器的輸入端，從而形成一個(gè)具有負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)[2-3]。電-氣動(dòng)閥門(mén)定位器與前面介紹的氣動(dòng)閥門(mén)定位的區(qū)別在于輸入信號(hào)的裝置不同。氣動(dòng)閥門(mén)定位器輸入壓力信號(hào)的裝置為波紋管，而電-氣動(dòng)閥門(mén)定位器輸入壓力信號(hào)的裝置為力矩電動(dòng)機(jī)，由此引出的兩種定位器的輸入力矩不同?；谇罢叩妮斎胼敵鲫P(guān)系函數(shù)，將氣動(dòng)閥門(mén)定位器的輸入信號(hào)至輸出力矩部分式(1)轉(zhuǎn)變?yōu)殡?氣動(dòng)閥門(mén)定位器的輸出力矩式(2)，即可得到該類(lèi)型的輸入量I與氣動(dòng)閥輸出量L的關(guān)系式如式(3)：

式中 W、φ1、l、l4、l5、A、B、K2等參數(shù)均為閥內(nèi)常量參數(shù)。

3.2 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的仿真

電動(dòng)執(zhí)行器將輸入的電流4～20 mA直流信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的輸出軸角位移或直線(xiàn)位移[4]。無(wú)論是角行程還是直行程的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)和工作原理完全相同，兩者的差別只是減速器不一樣。本軟件研究的是應(yīng)用最為普遍的220V、AC電源為動(dòng)力的電動(dòng)執(zhí)行器。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入ΣIi與輸出 θ或 l的傳遞函數(shù) W(t)：

其中ΣIi為電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入信號(hào)，θ或 l為調(diào)節(jié)閥執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 的 輸 出 ，Kf、KS、K1、KJ、R、C、η 等 參 數(shù) 均 為 閥 內(nèi)常量參數(shù)。

電動(dòng)調(diào)節(jié)閥在程序算法的實(shí)現(xiàn)上也需要一定的方法才能使得輸入ΣIi與輸出θ或l形成對(duì)應(yīng)關(guān)系，本文以輸出θ為例進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)方法如下：根據(jù)式(5)得出時(shí)間t與時(shí)頻傳遞函數(shù)W(t)的曲線(xiàn)大致走勢(shì)如圖3。在程序中利用循環(huán)的方法，以步長(zhǎng)Δt=0.1 s為單位，循環(huán)長(zhǎng)度設(shè)為 20 s，進(jìn)行取點(diǎn)，最終得到(t，W(t))的一組點(diǎn)，即得到了一組橫坐標(biāo)ΣIi與縱坐標(biāo)θ的斜率點(diǎn)組W(ti)，由已知的給入量橫坐標(biāo)ΣIi與斜率點(diǎn)W(ti)相乘得出點(diǎn)組 θi， 即 最 終 得 出 點(diǎn) 組 (ΣIi，θ)連 成 的 曲 線(xiàn) 大 致 走 勢(shì) 如圖4。由以上傳遞函數(shù)與閥體聯(lián)立仿真之后得到的輸入輸出曲線(xiàn)如圖5(以重慶川儀十一廠(chǎng)有限公司DZL-4100系列為例)。

3.3 閥體的仿真

閥體部分的流量特性曲線(xiàn)分為四種：線(xiàn)性、快開(kāi)、拋物線(xiàn)、等百分比。而閥門(mén)的流量特性主要與閥芯的形狀及廠(chǎng)商的制造工藝有關(guān)[2]，故引用的函數(shù)是由廠(chǎng)家給出的流量特性曲線(xiàn)經(jīng)過(guò)取點(diǎn)再插值所得的。

圖3 時(shí)間t與函數(shù)W(t)的曲線(xiàn)走勢(shì) 圖4 點(diǎn)組連成的曲線(xiàn)走勢(shì)

圖5 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入I與輸出Q之間的關(guān)系曲線(xiàn)

3.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)與閥體聯(lián)合實(shí)現(xiàn)仿真的方法

將調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分與閥體部分的仿真聯(lián)系在一起得到整體的仿真函數(shù)，如圖6所示。由于(l，Q)曲線(xiàn)由廠(chǎng)家提供，故l與Q為已知值，而Ii為輸入值，故由l=f(Ii)在取一定步長(zhǎng)的情況下，由 Ii可得出 l，再通過(guò)(l，Q)曲線(xiàn)查出Q的值，由此便得到點(diǎn)集(Ii，Q)。得出最終輸入輸出曲線(xiàn)如圖7所示 (以上海自動(dòng)化儀表有限公司48-41000系列為例)。

圖6 整體仿真函數(shù)

圖7 氣動(dòng)閥門(mén)定位器輸入P與輸出Q之間的關(guān)系曲線(xiàn)

4 調(diào)節(jié)閥故障的仿真

為了讓用戶(hù)能夠更真切地了解實(shí)際工礦中故障的產(chǎn)生原理及現(xiàn)象，以達(dá)到防微杜漸的目的，本文特增加了故障仿真環(huán)節(jié)。在完成對(duì)調(diào)節(jié)閥的輸入與輸出關(guān)系的仿真的基礎(chǔ)上，對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行故障仿真。本系統(tǒng)中故障主要是源于仿真參數(shù)的變化，當(dāng)調(diào)節(jié)閥內(nèi)某一器件損壞或者磨損時(shí)其對(duì)應(yīng)的常量必然會(huì)發(fā)生改變，也就導(dǎo)致該調(diào)節(jié)閥的傳遞函數(shù)改變，最終體現(xiàn)在輸入輸出曲線(xiàn)上，也就形成了相應(yīng)的故障。

本軟件研究的各種調(diào)節(jié)閥在其他參數(shù)一定的情況下變量與故障之間的關(guān)系(部分)如表1所示。例如當(dāng)設(shè)置故障為波紋管損壞，則參數(shù)變小，其故障表現(xiàn)在曲線(xiàn)上為輸入輸出曲線(xiàn)的斜率減小。

表1 調(diào)節(jié)閥各種變量與故障之間關(guān)系

本系統(tǒng)在對(duì)調(diào)節(jié)閥選型過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了：(1)用戶(hù)在有幫助或無(wú)幫助情況下學(xué)習(xí)調(diào)節(jié)閥選型或自行測(cè)試。(2)用戶(hù)可對(duì)所選調(diào)節(jié)閥進(jìn)行不同介質(zhì)下的試驗(yàn)，并形成輸入電流、電壓或壓力與輸出流量之間的關(guān)系曲線(xiàn)。(3)用戶(hù)設(shè)置故障并觀(guān)察故障現(xiàn)象曲線(xiàn)。 本選型系統(tǒng)可以起到很好的教學(xué)作用，具有經(jīng)濟(jì)、快捷、安全等優(yōu)點(diǎn)，并且與實(shí)際生產(chǎn)聯(lián)系緊密，對(duì)故障起到警示作用。

[1]吳重光.PSE過(guò)程系統(tǒng)仿真技術(shù)[M].北京：中國(guó)石化出版社，1998.

[2]吳國(guó)熙.調(diào)節(jié)閥使用與維修[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1998，9(5)：209-213.

[3]孫洪程，李大字，翁維勤.過(guò)程控制工程[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4]何衍慶，邱宣振，楊潔，等.控制閥工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.