智能阀门定位器流量特性非线性修正及控制

2018-03-22王庭康

铜业工程 2018年1期

关键词：阀杆定位器曲线拟合

王庭康

（江西铜业集团公司贵溪冶炼厂，江西贵溪 335424）

1 引言

智能型阀门定位器在冶金、石化、电力等行业的流量控制中得到广泛的应用。但是，国内产品普遍存在流量调节的速度慢、流量控制精度低的一些缺点［1］。

作者就流量特性和位置反馈进行非线性修正研究，并对控制算法进行改进，以实现更高精度流量控制。

2 定位器的流量特性

2.1 流量特性概述

流量调节阀因阀芯几何结构不同，而流量特性也不同，主要流量特性包括：直线、等比、抛物线和快开等四种［2-3］。

智能型阀门定位器流量特性表达了定位器给定信号和阀门开度间的函数关系［2］。其原理是定位器根据给定信号控制压电阀，然后膜片阀驱动阀杆运动，并保证信号与位移之间的函数关系，以实现调节阀对应的流量特性［3］。其实质是通过改变阀杆行程与阀位输入信号的相互关系，达到实现智能阀门定位器线性、等百分比和快开流量特性。定位器可以配置在不同调节阀上，并通过自主选择各种流量特性，从而达到实现不同流量特性的控制目的［3］。

2.2 流量特性曲线拟合

根据定位器的流量特性数据，应用MATLAB进行曲线拟合，得到流量特性曲线及方程，流量特性曲线如图1所示。

图1 四种流量特性的曲线

采用不同拟合次数，曲线误差见表1。

表1 流量特性与拟合曲线误差比较

根据误差平方和最小原则，同时考虑运算量的大小，选择四次函数进行曲线拟合。快开特性曲线拟合数据不佳，采用指数拟合的方法［4］。

3 阀位反馈非线性修正

位置传感器是高可靠旋转型电位器，其作用是将机械直线位移量变换为角位移量电信号，执行机构阀杆机械结构原理图如图2所示。

阀杆直线位移h与角位移θ之间的关系：

其中，α为连杆与阀杆垂直时转过的角度，H为阀杆全行程的位移，A为连杆固定支点与阀杆之间的尺寸

电位器中间端电信号的采样值D与角位移θ之间的关系为：

其中，D0为位置0%时对应的采样值，k为单位角度对应的采样值变化值［4］。

阀杆的直线位移量与转动的角度之间是正切关系，角位移量与电位器电压值之间是线性关系，经过非线性修正后，将阀杆直线位移量与反馈量变换为线性关系。

图2 执行机构阀杆机械结构原理图

4 控制算法

4.1 开关控制算法

开关控制算法是通过计算理想位置信号和位置反馈信号的差值，输出相应压电阀控制信号，分别实现进气、排气或保持等三种工作方式。当差值大时，压电阀全部打开，全速进气，迅速运动到设定位置，达到粗调目的［5］；当接近设定阀位时，限制PWM控制信号的周期和占空比，实现微调；为避免频繁振荡，可设定死区的范围，当偏差进入死区范围，关闭压电阀，以使阀位保持在当前的位置［5］。

PWM信号和偏差之间的函数关系，如公式（3）所示。