调节阀流量畸变特性补偿的坐标变换法

１９９８年第６期　热力发电　·２９·　明～　Ｚ　调节阀流量畸变特性补偿的坐标变换法　西安交通大学（西安７１００４９）李崇祥连国　张根林　Ｈ　１　３　［摘要】调节闯在使用中，其流量特性总会发生畸变，严重影响调节品质，必须进　行特性补偿。本文提出了一种基于坐标变换的调节阀畸变特性补偿算法。该算法简　单，含义清楚，易于智能化，利于系统优化控制与节能。　［关键词］　坐标变换　屯　’　了一种调节阀畸变特性的坐标变换补偿方　概述　法。该方法具有算法简单，易于实现，适用面　广的特点，特别适用于智能补偿器和微机控　调节阀被广泛用作汽、水流量控制系统　的一次执行元件，其工作性能的好坏，直接影　响控制质量的优劣。使用调节阀的两个基本　要求是：提高控制系统的调节品质以增加生　产效益和降低系统的动力消耗。然而，现在　使用的不同阀芯结构的调节阀，其固有流量　特性是按压降比１．０设计的，即调节阀出厂　（１）压降比　钽　制系统。　１基本概念　当调节闻安装在工艺管道中时，除调节　阀以外的装置如节流件以及管道本身都存在　阻力，会造成压降损失，调节闻也是节流件，　亦会在其两端造成压降损失　设调节阀全开　时两端压降为△Ｐ１，此时管路系统总压降为　ＡＰ，则压降比定义为　时固有特性已经确定。由于调节阀在不同使　用场合安装方式不同和管路系统结构的变　化，如加装换热器等阻力件，而引起管路阻力　的变化及工作介质的不同，如气、汽介质的可　压缩性等，而使调节阀工作条件变化较大，　ｆ　起压降比显著降低．这时阀的工作流量特性　ｓ＝　（１）　与其固有特性相差很大，　ｆ起特性畸变。另　外，从降低调节阀及管路动力消耗的角度看，　希望调节阀在低压降比下运行。而从线性系　统优化运行角度看，又希望调节阀的流量特　性是线性的。这样，对使用条件复杂多变而　使用量又大的调节阀，在低压降比下运行的　（２）固有流量特性、工作流量特性和期望　特性　调节阀流量特性是按压降比为１．０设计　的，这时阀门相对开度　／Ｌ　与相对流量阈　的关系称固有流量特性，记作ｆ（ｈ）。实际　上，阀总是工作在ｓ＜１．０的条件下，流量特　性会发生畸变，此时的流量特性称为工作流　量特性，记作Ｆ（ｈ）。从优化控制的角度看，　希望　儿一与Ｑ／Ｑ　问成线性关系，称这　时的流量特性为理想流量特性。三种特性由　畸变特性进行线性补偿是十分必要的。　对调节阀畸变流量特性进行补偿的方　法，许多学者作了长期研究，现在应用的方法　有机械式、电子式和智能补偿器。本文提出　维普资讯 http://www.cqvip.com

３０·　热力发电　１９９８年第６期　图１给出。　ｌ　Ｉ一　直线型　…等　分比型　图ｌ调节阀三种流量特性　上述定义中，Ｌ…Ｑ　一阀芯最大行　程及与其对　应的最大流　量；　Ｑ——阀的工作行程及与其对应的流　量；　ｆ，ｆ　—～调节器输出及最大输出，　Ｉ　ｌ　。。ｈ。　工作流量特性与固有流量特性的关系理　论分析得出，二者关系为：　Ｆ（”＿ｌ，“｝）√　面　。）　式中＾——调节器的相对输出，ｈＯＣ　ｌ／Ｌ　。　２坐标变换法补偿原理　调节阀畸变特性补偿的目的是将调节阀　的工作特性变为理想特性，为此需在控制回　路中增加一个补偿器，以使调节器的输出，经　过补偿后，其相对流量与阀门相对开度成线　性关系。　２．１补偿函数ｇ（＾】　由于补偿环节在调节器和调节阀之间，　补偿器的输出作为执行器的控制信号，设该　信号为“，则有　“＝＾。ｇ（ｈ）　（３）　及　Ｆ　（＾）＝Ｆ（＾－ｇ（ｈ））　（４）　图２坐标变换原理　欲使＾与Ｑ成线性关系，则ｇ（ｈ）与Ｆ　（＾）／　Ｆ（ｈ·ｇ（ｈ））互为反函数，其中Ｆ　（ｈ）为阎的　期望流量特性。这样，已知Ｆ　（ｈ），则可知ｇ　（ｈ），求出补偿函数即可求出“。但对不同　阀芯结构的调节阀，补偿函数具有不同的形　式，求取补偿函数ｇ（ｈ）比较困难，算法也较　复杂。故本文采用坐标变换法来直接求取补　偿器输出“。　２　２坐标变换补偿原理　坐标变换法的基础是坐标旋转。将图２　给出的．７￣－ｙ坐标系沿逆时针方面旋转。角，　得到一个新的坐标　—ｙ。设有一点Ｍ，　在原坐标中坐标为Ｍ（　，Ｙ），则在新坐标系　中为Ｍ（ｘ，ｙ），按坐标变换法则有　Ｊ０　Ｙ　ｙｏ￣ｓａ—ｘ　。　—ｘｓｉｎａ　。　（５）　及　｛｝Ｙ　Ｘｓｌ　ｘ　口一ｙ　ｎａ——ｙｏｏｓａ　（６）　若需将ｚ—Ｙ坐标系作顺时针方向旋转　口角，得到新坐标ｘ—Ｙ，则原坐标（ｚ，Ｙ）的　维普资讯 http://www.cqvip.com

１９９８年第６期　热力发电　３１·　Ｍ点，在新坐标系中有坐标（ｘ　ｙ），其变换　关系为　ＩＸ＝ｚｃｏｓｄ—ｙｓｉｎａ　ｆ　Ｙ　ｘｓｉｎａ＋ｙｃｏｓａ　（２）采集瞬时流量信号或计算出流量信　号。得ｙ；　（７）　（３）依此（ｚ，Ｙ）信号代人式（５），求得该　点在ｘ—ｙ坐标系中的坐标（Ｘ　，Ｙ　）；　及　（４）以ｘ轴为对称轴，求出（ｘｌ，Ｙ１）的　ｃｘ　ｓａ～　Ｘ　ｓｉ　ｎａ　Ｙ　Ｘ＝∞㈦　对称点（ｘ２，Ｙ２）；　（５）用式（６）将（ｘ２，Ｙ２）变换到　—Ｙ坐　标系中，得点（　２，Ｙ２）；　为求补偿器输出量“，作如下处理：先将　图２的坐标系旋转　／４，在新的ｘ～ｙ坐标　系中，工作流量特性Ｆ（ｈ）的反函数极易求　出。设若在某一瞬时，控制器输出为ｚ，相应　的调节阀流量为Ｙ，则工作流量特性上点Ｍ　（ｚ，Ｙ）在新坐标系中对ｘ轴的对称点Ⅳ　（６）以Ｙ２为流量信号计算出相应的补偿　器输出　，送Ｄ／Ａ转换器转换为模拟信号，　驱动调节阀执行机构。　对偏心旋转阎工作在Ｓ＝０．１时的流量　特性，按以上步骤进行补偿计算，结果由表１　（　】，Ｙ。），就是Ｆ（ｈ）的反函数上曲线上的　点。至此，求出补偿器的输出量“是非常容　易的。　给出，其仿真线亦示于图３中，虚线表示补偿　器输出，点划线为流量信号输出。　３调节阀畸变流量特性补偿的　实现　８　用坐标变换法实现对调节阀流量特性进　行补偿，免去了求补偿函数时的烦琐计算及　系统参数的反复采集，而直接求补偿器输出　“，故必须严格计算步骤，才能作到快速简　捷。其计算步骤如下：　ａ　＼　ａ　（１）以８０９８单片机为核心的补偿器，采　集调节器的输出控制信号．并进行Ａ／Ｄ转　换，得ｚ；　表１　调节器辅出　０嘶３　ｌ／Ｉｔ￣　囤３对偏ｔ　旋转阍畸变特挂的补偿（Ｓ＝Ｏ．１）　偏心旋转阀流量特性及补偿（Ｓ＝０．１）　０　Ｊ２５　０　１８８　０　２５０　０　３Ｊ３　０．３７５　０　４３８　０　５００　Ｏ　５６３　畸变特性　补偿器输出　理想特性　０．０６３　０　Ｏ００　０　０６３　０　１６ｑ　０　０６３　０】２５　０．３３１　０．０９４　０　１８８　０　４６ｑ　０　１２５　０．２５０　Ｏ．５９４　０　１５６　０　３Ｉ３　０　７００　０．１８８　Ｏ　３７５　０　７８８　０．１９８　０．４３８　０　８５６　０．２５ｏ　０．５００　０．９００　０　２５５　０　５６３　调节器｛卣出　畸变特性　０　６２５　０．９３１　０　６８８　０　９６２　０　７５０　０　５　０　８１３　０　９８４　０　８７５　０．９９１　０．９３８　０　９９６　０　９６９　Ｏ　９９７　０　９８ｌ　Ｏ　９９８　Ｊ．Ｏ０　Ｊ　００　补偿器输出　理想特性　０　２９５　０　６２５　０　３１３　０．６８８　０．３７５　０　７５０　０　４３８　０．８１３　０　５００　０　８　０　６２５　０　８　Ｏ　６８８　０．９６９　０．７５Ｏ　０．９８１　０　９８ｌ　１　００　注：表中数据系相对值　维普资讯 http://www.cqvip.com

热力发电　１９９８年第６期　美国能源部代理副部长访问热工研究院　应国家发展计划委员会等部门的邀请，前来北京参加“石油与天然气论坛”的美国能源部代理副部长Ｍｒ　Ｒｏｂｅｒｔ　Ｓ．Ｋｒｉｐｃ￣ｖｉｃｚ及化石能源高级执行顾问Ｄｒ　ＳｕｎＷ　Ｃｈｕｎ，１９９８年Ｉ１月３日至５日到西安对电力工业部　热工研究院进行了重要访问：访问期间，美方客人与热工研究院蒋掸军院长、吴诚德副院长、许传凯副总工程　师等就洁净煤发电技术领域的合作进行了广泛的商谈。商谈建议的合作项目有：　（１）常规燃煤锅炉的清洁燃烧技术，特　别是低质煤的高嫂低污染稳燃技术；　（２）实用性的炉内脱硫技术与烟气脱硫　技术和装置：　（３）ｓｏｘ与ＮＯｘ的联合控制技术；　（４）现有电站锅炉低污染改造技术；　（５）燃煤电站污染物排放控制与技术管　理导则的研究。　美国客＾这次对热工研究院的专访及　在洁净煤燃烧技术方面的合作，是鉴于热工　研究院在近年来执行或参与联合国开发计　捌署、欧盟、世界银行、德国、加拿大等国际　组织和政府间的技术合作中的良好业绩。　美方的合作单位是匹兹堡能源研究中　心。　美国客人参观热工研究院科技成果展室　奉合作领域为中一美“能源与环境保护　合作协议　重要组成部分。　（熟工研究院刘其雄供稿）　控制信号，输出一个补偿信号，补偿器系统只　４结论　需一个Ａ／Ｄ与Ｄ佾　通道，又避免了阀门前　后压差测量及回路总压降测量，节省了测量　（１）用坐标变换法对调节阀流量畸变特　性进行线性化补偿，可得到理想的补偿效果，　除在阀门开启时外，补偿后的非线性为０，这　仪表，降低了成本。　（４）本方法适用于智能补偿器。　参考文献　１张玉润，金建祥．调节阀畸变特性补偿及　对改善调节品质极为有利。同时由于允许调　节阀在任意低压降比下工作，大大节约了回　路的动力消耗。　智能补偿器．炼油化工自动化．１９９２（７）　２陈意秋等．低压降比调节阀特性分析计　（２）用８０９８单片机作补偿器，由于该方　法算法仅为几次代数计算，极为简单，耗时很　少，可作到实时补偿，且适用于不同阀芯结构　的调节阀。　算．炼油化工自动化．１９９２（５）　作者简介李崇祥．男．１９６９年毕业于西安交通大学．剐　教授．现任职于西安交通太学电厂热能动力工程专业，儿事　热工自动控釉与参数检测方法研究。　（３）整个补偿计算过程只需输入调节器