自动控制阀门的控制理论研究

罗华明

（杭州菲榭尔科技有限公司，浙江杭州 311400）

0.引言

当前我国工业中应用自动控制阀门非常广泛。自动控制阀门在各行业的应用中起着十分关键的控制作用。例如，在机械设备的加工过程中应用自动控制阀门，它可以将流体速度控制得十分精准，有效对工作过程中流体的速度、压力进行实时调节和分析，使得机械加工技术提高一个层次，更加增强了机械加工的稳定性、可靠性[1]。

1.自动控制阀门的应用现状及优势

自动控制阀门的应用范围很广，尤其是在机械构建中，它是一种能够进行自我调节的重要部件。通过使用自动控制阀门，可以将大型的机械设备中的流体进行灵活的节流、导流、分流等诸多控制，最终达到自如控制、使用机械加工中所用液体的目的，进而提高机械加工的整体工作效率。

比如在现代的机械加工过程中，天然气、水蒸气、液体等都是在加工过程中必不可少的物料。当前阶段国内应用最广泛的阀门主要有3种形式：真空类阀门、截断类阀门、特殊类阀门。真空类阀门一般应用于液体控制加工过程中。截断类阀门一般应用于机械生产过程中的接通、断开控制。特殊类阀门应用场景一般都是特殊环境，如单阀门控制下的双向管道、污水处理系统等。

自动控制阀门无须人为操作即可实现对气体、液体等的流量控制，它是一种先进的阀门装置。与传统手工控制阀门相比，自动控制阀门具有诸多优点：（1）在阀门运行期间，电能消耗较低，既安全又节约能源；（2）自动控制阀门的安装工艺并不复杂，使用起来也十分方便；（3）自动控制阀门在使用过程中，无须工作人员进行人为操作控制，将人力资源大大节约；（4）自动控制阀门的生产工艺简单，成本较低，且生产材料充足，并不是稀缺资源；（5）自动控制阀门的技术很先进，运行可靠性高[2]。

阀门装置对于流体使用、加工的生产企业而言，作用十分重要。在流体控制系统中，阀门装置控制的自动运行将会给工作带来极大的便利，具有十分重要的意义。简言之，流体系统从本质上看，其实是一种管道系统。在系统中，液体在管道内部流动传递，运动的力主要是靠重力以及压力。在重力、压力驱动下，液体顺利在管道内流转。在实际工作过程中，设置阀门装置可将液体的运动模式进行改变，从而实现对流体的控制。自动控制阀门可对流体实行全过程的监视、控制，还具有截流、分流、导流、溢流泄压、节流等多种功能[3]。

在市面上流通的阀门具有多种类型，这些类型各异的阀门不管是在技术水平上，还是在质量上，其间的差异都十分明显。这些阀门当中既包含有结构简单的截止阀，还包含了结构复杂的自动控制阀门[4]。大型流体利用企业中自动控制阀门是非常重要的环节，它是企业生产过程中十分重要的节点控制系统。未来自动控制阀门的发展趋势是与数字化信息系统、电子感应相结合，这种发展趋势是将来的主流，是流体应用企业中，流体系统运行工作监控网络的重要节点。所以，对自动控制阀门的控制理论研究十分必要，具有重要的现实意义。

2.自动控制阀门的控制原理及设计要点

现有的自动控制阀门应用到的有红外感应技术、微电子线路等，这些技术成本偏高，某些规模小、投资不大的微小企业并不适用[5]。有资料显示，与自动控制阀门设计相关的专利技术很多，其应用原理、应用场景都不相同。本文所阐述的是一种成本较低的、结构简单的自动化控制阀门。该种阀门在控制原理、设计方案上都相对简单，对阀门的自动控制功能要求基本也能满足，其控制原理及设计要点在下文进行阐述。

2.1 自动控制阀门的设计要点

本文所阐述的自动控制阀门是以生产用水控制阀门为例的。作为本次设计的目标，出水时间设置为5min为控制的标准值，自动控制功能下所需要实现的控制目标设置为：5min后，自动将出水阀门切断。想要再次使用，那么就需要工作人员进行人工操作来对其进行控制。

在该自动控制阀门装置中，将一个立方体形状的空腔装置设置于管件的进水一端。这个空腔装置主要用于封闭，当阀门切断水流时，空腔装置便进行封闭。在该立方体空腔的下方，将一块折板用焊接的方式固定在前段的位置。这块折板的作用是固定传动销。在管件的出水口位置附近，一个细长的、管形的连通器被焊接在该处。在立方体形状的空腔装置上端，有细长方形的槽体设置在该处。这些槽体用于连接和固定阀门和计时装置之间存在的圆柱形细杆。

自动控制阀门的装置由五部分焊接而成，分别是阀门、手柄、宽方杆、连接用细杆、细方杆。传动销是折线形的，前端部位跟折线形板孔相配合，折线形板孔是连接在管件上的。计时器设计为一个圆柱形的空腔装置，在其前端设置磁铁装置，该装置具有高磁性，磁力足够吸引折线形销，执行动作在细长管连通器内执行，该连通器位于管件下方。

2.2 自动控制阀门的控制原理

折板、折线销之间位置设有一个压缩弹簧。压缩弹簧固定于折板与折线销之间，这样折线销就能将阀门顶住。在实际操作过程中，基于工程操作需要，进行计时放水时，位于闸门上的半圆环会被提起，提起后，闸门会被带动，进而执行放水的动作。随着闸门上方的半圆环被提起的位置逐渐升高，到最顶点时，闸门下方安置的粗长方体杆件最终会将管体顶住。这个时候，压缩弹簧的压力会对折线销产生影响，最终使得该组件嵌入粗细长方形杆中间的槽体内，该槽体呈台阶形。这个时候，该组件会把闸门卡住，可以保证该组件不掉落，同时还能将阀门关闭。

在这一流程当中，水流的流速很快，短时间内，水管的前端会有水进入，并将其充满。即在这种情况下，管壁所受到的水的压力在某特定范围内基本是属于一致的，而且在短时间内，连通器被迅速充满。因为在整个自动控制阀门系统中，水管、连通器的两端，它们的连接关系一致保持，而且两个连通口的大小是一样的，也就是说面积一致，水通过的量一样，所以，在连通器的细管中的水流可以被视为是静止的状态。采取这种形式，可以有效避免因不同的高度导致的水压不一致，也避免了水压差所带给自动阀门计时器的准确性的不利影响。而且在细管内充满水之后，这样的状态下，计时器受到多重的力，有自身重力、水的浮力、管道内壁带给计时器的摩擦阻力等。综合考量这些力的影响，设置三个变量控制计时器的运动，使其到细管后端的时间控制在5min，即变量控制的精准程度变高，可操作性更强。

当计时器上升移动到最后端时，其上方所对应的具有高磁性的磁铁会将折线形销吸引，然后，折线形销会脱离弹簧压力，并进一步地发生位移，之后将闸门释放开来，自此，整个计时过程就宣告结束，放水的动作被终止。在此流程后，细管内的水会匀速、缓慢地从下端的通孔排出，使得计时器下落，最终落到最下方，这时一次完整的动作循环便完成了。

3.结语

自动控制阀门的应用广泛，对于流体应用企业有着非常巨大的帮助作用。本文所提出的自动控制阀门控制理论及其应用实例是一种纯机械部件构成的，成本较低的方案。其设计原理、控制原理都是简单易懂的，而且经过理论分析，在该种方案下，自动控制阀门相关的控制要求也可以被有效实现。在后续的研究中，可将理论设计进一步扩大范围，在实践中进行应用与尝试，在自动控制阀门工作实际中进行验证，最终促进自动控制阀门理论研究的发展，促进其开发设计方案的完善。