基于仿真技術的調節閥選型教學軟件的設計

馬 昕，孫江麗，張貝克

(北京化工大學 信息科學與技術學院，北京 100029)

1 儀表選型軟件的設計

本系統研究的意義在于為用戶提供選型方法和選擇眾多廠家各系列的數據，在軟件上實現對調節閥型號的選擇及對所選閥門進行動態分析等。該選型軟件的主要功能如圖1所示。

軟件平臺的設計類圖如圖2所示。

圖1 軟件設計圖

2 初步選型

用戶進入選型系統后首先對儀表廠家、閥門類型以及閥門型號進行選擇。之后用戶可以針對所選廠家的所選型號進行具體的調節閥定制，這兩個步驟構成了調節閥的初步選型。這兩步均有可顯示的幫助信息，用戶可以根據該幫助信息進行篩選。

3 輸入輸出曲線的實現

調節閥輸入與輸出特性仿真曲線的實現對調節閥選型教學方面有著重要意義，用戶根據選定工況下輸出曲線的情況，可以直觀判斷出所選調節閥的優劣程度。而調節閥仿真技術是得到輸入輸出曲線的關鍵。仿真可以理解為運用物理模型或數學模型代替實際系統進行試驗和研究。過程系統與數學模型的關系稱為建模，數學模型與仿真機之間的關系稱為仿真[1]。本文對調節閥的仿真研究包括執行機構的仿真和閥體的仿真，執行機構的仿真又包括氣動執行機構的仿真和電動執行機構的仿真。

圖2 程序類圖

3.1 氣動執行機構的數學模型

氣動執行機構通常會與閥門定位器配套使用，對氣動執行機構的研究包括閥門定位器和執行機構兩部分。閥門定位器又分為氣動閥門定位器和電-氣動閥門定位器兩種方式。

3.1.1 氣動閥門定位器與氣動執行機構的數學模型

氣動閥門定位器與氣動薄膜執行機構配套使用，是氣動調節閥組合單元的一個主要配套件。從氣動遙控板輸出0.02～0.10 MPa的氣動模擬信號，經氣動閥門定位器將輸出一個氣動操作信號驅動執行機構動作，以此控制氣動調節閥的行程，通過閥門位置反饋，從而使氣動遙控板輸出的控制信號與閥門的行程對應關系成比例，實現正確定位。氣動閥門定位器輸入量P與氣動閥輸出量L的關系式為：

其中 FB、K2、l1、l2、l4、l5、A、B 等參數均為閥內常量參數[2-3]。

3.1.2 電-氣動閥門定位器與氣動執行機構的數學模型

電-氣動閥門定位器與氣動薄膜執行機構配套使用，定位器將4～20 Am的標準信號轉換為0.2～1 Pa的標準氣壓信號，去改變氣動執行機構閥桿位移，閥桿位移又通過機械反饋部分反饋至定位器的輸入端，從而形成一個具有負反饋的閉環系統[2-3]。電-氣動閥門定位器與前面介紹的氣動閥門定位的區別在于輸入信號的裝置不同。氣動閥門定位器輸入壓力信號的裝置為波紋管，而電-氣動閥門定位器輸入壓力信號的裝置為力矩電動機，由此引出的兩種定位器的輸入力矩不同。基于前者的輸入輸出關系函數，將氣動閥門定位器的輸入信號至輸出力矩部分式(1)轉變為電-氣動閥門定位器的輸出力矩式(2)，即可得到該類型的輸入量I與氣動閥輸出量L的關系式如式(3)：

式中 W、φ1、l、l4、l5、A、B、K2等參數均為閥內常量參數。

3.2 電動調節閥的仿真

電動執行器將輸入的電流4～20 mA直流信號轉換為相應的輸出軸角位移或直線位移[4]。無論是角行程還是直行程的執行機構，結構和工作原理完全相同，兩者的差別只是減速器不一樣。本軟件研究的是應用最為普遍的220V、AC電源為動力的電動執行器。電動執行機構輸入ΣIi與輸出 θ或 l的傳遞函數 W(t)：

其中ΣIi為電動執行機構的輸入信號，θ或 l為調節閥執 行 機 構 的 輸 出 ，Kf、KS、K1、KJ、R、C、η 等 參 數 均 為 閥 內常量參數。

電動調節閥在程序算法的實現上也需要一定的方法才能使得輸入ΣIi與輸出θ或l形成對應關系，本文以輸出θ為例進行編程實現。實現方法如下：根據式(5)得出時間t與時頻傳遞函數W(t)的曲線大致走勢如圖3。在程序中利用循環的方法，以步長Δt=0.1 s為單位，循環長度設為 20 s，進行取點，最終得到(t，W(t))的一組點，即得到了一組橫坐標ΣIi與縱坐標θ的斜率點組W(ti)，由已知的給入量橫坐標ΣIi與斜率點W(ti)相乘得出點組 θi， 即 最 終 得 出 點 組 (ΣIi，θ)連 成 的 曲 線 大 致 走 勢 如圖4。由以上傳遞函數與閥體聯立仿真之后得到的輸入輸出曲線如圖5(以重慶川儀十一廠有限公司DZL-4100系列為例)。

3.3 閥體的仿真

閥體部分的流量特性曲線分為四種：線性、快開、拋物線、等百分比。而閥門的流量特性主要與閥芯的形狀及廠商的制造工藝有關[2]，故引用的函數是由廠家給出的流量特性曲線經過取點再插值所得的。

圖3 時間t與函數W(t)的曲線走勢 圖4 點組連成的曲線走勢

圖5 電動執行機構輸入I與輸出Q之間的關系曲線

3.4 執行機構與閥體聯合實現仿真的方法

將調節閥執行機構部分與閥體部分的仿真聯系在一起得到整體的仿真函數，如圖6所示。由于(l，Q)曲線由廠家提供，故l與Q為已知值，而Ii為輸入值，故由l=f(Ii)在取一定步長的情況下，由 Ii可得出 l，再通過(l，Q)曲線查出Q的值，由此便得到點集(Ii，Q)。得出最終輸入輸出曲線如圖7所示 (以上海自動化儀表有限公司48-41000系列為例)。

圖6 整體仿真函數

圖7 氣動閥門定位器輸入P與輸出Q之間的關系曲線

4 調節閥故障的仿真

為了讓用戶能夠更真切地了解實際工礦中故障的產生原理及現象，以達到防微杜漸的目的，本文特增加了故障仿真環節。在完成對調節閥的輸入與輸出關系的仿真的基礎上，對調節閥進行故障仿真。本系統中故障主要是源于仿真參數的變化，當調節閥內某一器件損壞或者磨損時其對應的常量必然會發生改變，也就導致該調節閥的傳遞函數改變，最終體現在輸入輸出曲線上，也就形成了相應的故障。

本軟件研究的各種調節閥在其他參數一定的情況下變量與故障之間的關系(部分)如表1所示。例如當設置故障為波紋管損壞，則參數變小，其故障表現在曲線上為輸入輸出曲線的斜率減小。

表1 調節閥各種變量與故障之間關系

本系統在對調節閥選型過程中，實現了：(1)用戶在有幫助或無幫助情況下學習調節閥選型或自行測試。(2)用戶可對所選調節閥進行不同介質下的試驗，并形成輸入電流、電壓或壓力與輸出流量之間的關系曲線。(3)用戶設置故障并觀察故障現象曲線。 本選型系統可以起到很好的教學作用，具有經濟、快捷、安全等優點，并且與實際生產聯系緊密，對故障起到警示作用。

[1]吳重光.PSE過程系統仿真技術[M].北京：中國石化出版社，1998.

[2]吳國熙.調節閥使用與維修[M].北京：化學工業出版社，1998，9(5)：209-213.

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

[4]何衍慶，邱宣振，楊潔，等.控制閥工程設計與應用[M].北京：化學工業出版社，2005.