智能閥門(mén)定位器的流量特性實(shí)現研究
智能閥門(mén)定位器包含直線(xiàn)、等百分比、快開(kāi)和用戶(hù)設定等流量特性，用戶(hù)可以自由設定。根據氣動(dòng)薄膜調節閥的特點(diǎn)，閥桿位移的變化與旋轉電位器的變化呈非線(xiàn)性關(guān)系，通過(guò)非線(xiàn)性修正方法對閥位反饋進(jìn)行修正。采用曲線(xiàn)擬合的方法，得到流量特性曲線(xiàn)方程，最終實(shí)現了智能閥門(mén)定位器直線(xiàn)、等百分比和快開(kāi)流量特性，達到更高精度的流量控制要求。
智能閥門(mén)定位器具有高可靠性，高控制精度，網(wǎng)絡(luò )通信，多功能擴展等特點(diǎn)，能夠適應工業(yè)控制體系間網(wǎng)絡(luò )化、集成化、智能化方向的發(fā)展要求，廣泛應用于工業(yè)流量控制領(lǐng)域，在石化、冶金、電力、煉油等工業(yè)流量控制中發(fā)揮著(zhù)不可替代的作用。然而，相對國外產(chǎn)品而言，國內產(chǎn)品在流量控制方面，存在調節速度慢、精度低的缺點(diǎn)。
流量特性的精度與智能閥門(mén)定位器安裝精度、閥位反饋、AD采樣精度和流量特性曲線(xiàn)擬合精度等有關(guān)。本文主要針對影響流量特性實(shí)現的因素進(jìn)行分析和研究，致力于實(shí)現更高精度流量特性。
1、智能閥門(mén)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(guò)壓電閥控制執行機構膜室內的氣壓。當偏差較大時(shí)，定位器輸出一個(gè)高占空比PWM信號給壓電閥，使執行機構快速進(jìn)/排氣;當控制偏差較小時(shí)，定位器輸出低占空比PWM信號，使執行機構慢速進(jìn)/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(mén)定位器的工作原理如圖1所示。
圖1 智能閥門(mén)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(gè)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(guò)閥芯相對流量與控制信號相對變化的比值來(lái)表示。調節閥的流量特性取決于閥芯的形狀，有直線(xiàn)、等百分比、拋物線(xiàn)及快開(kāi)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(mén)開(kāi)度之間的關(guān)系。對于一個(gè)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(mén)定位器可以通過(guò)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(shí)現過(guò)程中，根據給定的流量特性數據，采用曲線(xiàn)擬合的方法，獲得流量特性曲線(xiàn)方程，編程實(shí)現輸入信號與閥門(mén)開(kāi)度之間的關(guān)系。當定位器安裝在調節閥上，用戶(hù)可以選擇不同的流量特性曲線(xiàn)，實(shí)現調節閥的流量控制。
3、閥位反饋非線(xiàn)性修正
非線(xiàn)性修正是用于解決閥桿行程與閥位反饋信號之間的非線(xiàn)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(dòng)距離h與連桿轉角θ之間的關(guān)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(guò)的角度，H為閥桿全行程的距離。
由于電位器為線(xiàn)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(guān)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(guān)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(xiàn)性，閥桿行程與轉角成正切關(guān)系，通過(guò)非線(xiàn)性修正，閥桿行程與反饋信號才為線(xiàn)性關(guān)系。閥位反饋信號的非線(xiàn)性修正是實(shí)現更精確的流量控制的有效方法。
4、實(shí)驗
以SEPP4000閥門(mén)定位器為研究對象，進(jìn)行靜態(tài)特性和流量特性實(shí)驗。輸入信號為4mA～20mA的電流信號，輸出信號為閥門(mén)的開(kāi)度，通過(guò)檢測閥位反饋信號獲取閥門(mén)的開(kāi)度信息，為了使閥門(mén)開(kāi)度與閥位反饋信號的百分比相等，采用公式(4)進(jìn)行閥位反饋的非線(xiàn)性修正。
4.1、靜態(tài)特性實(shí)驗
定位器靜態(tài)特性表現為定位器實(shí)測曲線(xiàn)與理想曲線(xiàn)之間的一致性。
安裝SEPP4000智能閥門(mén)定位器，使定位器的行程正好為全行程的一半時(shí)，定位器反饋桿在水平位置(即垂直于閥桿)。以線(xiàn)性流量特性為例，進(jìn)行定位器靜態(tài)特性實(shí)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(xiàn)性修正前后誤差
圖3 數據處理程序流程圖
修正前，實(shí)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(xiàn)的基本誤差、非線(xiàn)性誤差和最大測量誤差都較大。
修正后，實(shí)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(xiàn)的基本誤差、非線(xiàn)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(shí)驗
選擇定位器的流量特性曲線(xiàn)線(xiàn)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(shí)際流量特性曲線(xiàn)點(diǎn)集，用MATLAB軟件擬合實(shí)測曲線(xiàn)如圖4、圖5所示。星形點(diǎn)為實(shí)驗所測的行程值，實(shí)線(xiàn)為所測的流量曲線(xiàn)，虛線(xiàn)為定位器的理想流量特性曲線(xiàn)。
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(xiàn)誤差對比
圖4 修正前理論與實(shí)測流量特性曲線(xiàn)
圖5 修正后理論與實(shí)測流量特性曲線(xiàn)
各實(shí)測行程曲線(xiàn)均較光滑，以快開(kāi)流量特性為例，采用不同擬合函數，誤差對比如表3所示。采用指數函數進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，誤差更小，效果更好。
表3 不同擬合函數擬合誤差對比
5、結論
可通過(guò)非線(xiàn)性修正方法減小由反饋機構本身的非線(xiàn)性造成的誤差。通過(guò)非線(xiàn)性修正后，流量特性的非線(xiàn)性誤差、回滯誤差、重復性均達到智能閥門(mén)定位器的指標，為達到了更高精度的流量控制要求打下基礎。
