用擬合曲線的方法優化控制閥流量特性

摘要：在煉油化工生產裝置中，控制閥的性能直接影響著產品的質量。在一些特殊場合，需要對調節閥的固有流量特性進行調整、優化，使其滿足裝置的生產運行需要，文章提出了一種優化調節閥流量特性的方法。即利用Matlab軟件擬合曲線，通過調整控制系統輸出來調節控制閥的開度，從而調節相對流量。

關鍵詞：流量特性；特性曲線；調節閥

控制閥作為過程控制的“執行者”，在煉油化工企業生產過程中應用廣泛。但由于實際生產過程往往比較復雜，影響控制閥運行的因素較多種多樣。控制閥的選擇，尤其是流量特性的確定，對控制質量的影響至關重要[1]。

調節閥的流量特性是指相對流量和閥門相對開度之間的關系。在理想情況下，流量僅隨閥門開度變化而變化。在常用的調節閥中，有四種典型的理想流量特性，即：直線特性、快開特性、拋物線特性和等百分比特性。理想流量特性是在閥前后壓差固定的情況下得到的流量特性，它決定于閥芯的形狀。本文所指的優化調節閥的流量特性，并不是指對閥芯進行重加工，而是通過調整控制系統的輸出，使得輸出通道的輸出值與相對流量之間的關系呈現所需要的流量特性關系。

在控制閥正常投運時，應根據工藝需求、調節閥的運行狀況選擇控制閥的流量特性。例如：當控制閥經常工作在開度比較小的條件下時，應選用對數特性的閥；有些控制閥在出廠時，其固有特性并不是我們需要的流量特性，所以這時需要對其進行調整、優化，使其滿足裝置生產運行的需要。例如工裝自控工程(無錫)有限公司（KOSO）生產的220E偏心旋轉閥40%縮腔型的流量特性如圖(1)所示，它既不是線性的，又不是等百分比、拋物線或者快開特性的。若想把它作為線性特性的調節閥使用，就必須對其流量特性進行優化。

圖1 根據出廠數據描點繪制的調節閥流量特性曲線

根據特性曲線，可以通過描點，得到流量在10%， 20%，30%……等一系列點的閥門開度值。如下表所示：

要使得操作員輸出值與相對流量之間的關系呈線性，則對應于相對流量的10%， 20%，30% ……等點對應的DCS MV值也為10%， 20%，30%……一般來說（調節閥工作正常且定位器設置為線性輸出），相對開度與輸出電流百分比（DCS AO值占4-20mA電流信號的百分比）之間呈線性關系，所以，只需要改變MV值（PID模塊輸出值）與輸出電流百分比之間的關系，就可以達到優化流量特性的目的，如下表所示。

由上表格中第3、第4行的數據，借助于Matlab 軟件，可以得到需要擬合的輸出電流百分比與DCS輸出MV值之間的函數關系，Matlab軟件輸出為：Matlab輸出結果為：

Linear model Poly3:

f(x)=p1*x^3 + p2*x^2 + p3*x + p4

Coefficients (with 95% confidence bounds):

p1=9.837e-005

p2=-0.0216

p3=2.159

p4=1.779

Goodness of fit:

SSE: 1.656

R-square: 0.9999

Adjusted R-square: 0.9998

RMSE: 0.3714

即得到的擬合曲線方程為：

Y=9.837e-005x3-0.0216x2+2.159+1.779擬合系數為：0.9999

所以只需要修改DCS組態，使得輸出電流按照函數關系式：Y=9.837e-005x3-0.0216x2+2.159+1.779進行輸出，記得達到將調節閥固有特性修正為線性特性的目的。

為了驗證這一結論，我們對這個方法進行反算，用Matlab軟件擬合出調節閥相對流量（%）與相對開度（%）之間的函數關系（擬合方法相同，不做贅述），得到的最終的相對流量（%）與DCS 的MV值（%）之間的關系曲線如圖（2）所示：

圖2

由上圖知，這種擬合曲線的方法達到了優化調節閥流量特性的目的，使得調節閥的流量特性由固有特性調整為線性，如果需要校正為等百分比、快開、或拋物線特性的閥門，也可以用這種方法。

需要注意的是，由于本文中的流量特性數據取自于調節閥出廠說明書中理想數據，實驗狀態下調節閥前后端差壓無變化，所以與正常工況中的調節閥實際特性存在一定的偏差。

參考文獻

[1]管豐年，等.自控工程設計中控制閥流量特性的選用問題[J].石油化工自動化，2004（4）.