摘 要： 以調(diào)節(jié)閥選型的教學為目的，深入研究了多種調(diào)節(jié)閥的結構特點及其輸入輸出特性，對調(diào)節(jié)閥的選型步驟和選型方法進行了軟件實現(xiàn)，并對其動態(tài)特性進行了仿真分析。在Visual Studio2008環(huán)境中使用C++編程，實現(xiàn)了調(diào)節(jié)閥的選型、流量系數(shù)的計算、輸入輸出特性的仿真分析及故障情況下流出特性的仿真分析等功能。
關鍵詞： 教學軟件；調(diào)節(jié)閥選型；動態(tài)特性仿真；故障分析
在調(diào)節(jié)閥選型的環(huán)節(jié)中，由于經(jīng)濟和空間等因素的限制，用戶不可能對所有調(diào)節(jié)閥進行試驗，而且用戶選擇了自己認為適合的調(diào)節(jié)閥后，并不清楚該閥門應用在具體工況中的輸入-輸出特性的效果，這就造成了調(diào)節(jié)閥選型及教學的困難。本文研究的調(diào)節(jié)閥選型軟件基于仿真技術，在為用戶提供選型步驟及數(shù)據(jù)的同時能夠更加直觀地為用戶提供所選調(diào)節(jié)閥的樣式、特性及其在特定工況中的輸入-輸出關系曲線。另外，為了讓用戶能夠更方便地了解實際工況中故障的產(chǎn)生原理及現(xiàn)象，本系統(tǒng)還增加了故障仿真環(huán)節(jié)。
1 儀表選型軟件的設計
本系統(tǒng)研究的意義在于為用戶提供選型方法和選擇眾多廠家各系列的數(shù)據(jù)，在軟件上實現(xiàn)對調(diào)節(jié)閥型號的選擇及對所選閥門進行動態(tài)分析等。該選型軟件的主要功能如圖1所示。
軟件平臺的設計類圖如圖2所示。
2 初步選型
用戶進入選型系統(tǒng)后首先對儀表廠家、閥門類型以及閥門型號進行選擇。之后用戶可以針對所選廠家的所選型號進行具體的調(diào)節(jié)閥定制，這兩個步驟構成了調(diào)節(jié)閥的初步選型。這兩步均有可顯示的幫助信息，用戶可以根據(jù)該幫助信息進行篩選。
3 輸入輸出曲線的實現(xiàn)
調(diào)節(jié)閥輸入與輸出特性仿真曲線的實現(xiàn)對調(diào)節(jié)閥選型教學方面有著重要意義，用戶根據(jù)選定工況下輸出曲線的情況，可以直觀判斷出所選調(diào)節(jié)閥的優(yōu)劣程度。而調(diào)節(jié)閥仿真技術是得到輸入輸出曲線的關鍵。仿真可以理解為運用物理模型或數(shù)學模型代替實際系統(tǒng)進行試驗和研究。過程系統(tǒng)與數(shù)學模型的關系稱為建模，數(shù)學模型與仿真機之間的關系稱為仿真[1]。本文對調(diào)節(jié)閥的仿真研究包括執(zhí)行機構的仿真和閥體的仿真，執(zhí)行機構的仿真又包括氣動執(zhí)行機構的仿真和電動執(zhí)行機構的仿真。
3.1 氣動執(zhí)行機構的數(shù)學模型
氣動執(zhí)行機構通常會與閥門定位器配套使用，對氣動執(zhí)行機構的研究包括閥門定位器和執(zhí)行機構兩部分。閥門定位器又分為氣動閥門定位器和電-氣動閥門定位器兩種方式。
3.1.1 氣動閥門定位器與氣動執(zhí)行機構的數(shù)學模型
氣動閥門定位器與氣動薄膜執(zhí)行機構配套使用，是氣動調(diào)節(jié)閥組合單元的一個主要配套件。從氣動遙控板輸出0.02～0.10 MPa的氣動模擬信號，經(jīng)氣動閥門定位器將輸出一個氣動操作信號驅動執(zhí)行機構動作，以此控制氣動調(diào)節(jié)閥的行程，通過閥門位置反饋，從而使氣動遙控板輸出的控制信號與閥門的行程對應關系成比例，實現(xiàn)正確定位。氣動閥門定位器輸入量P與氣動閥輸出量L的關系式為：
3.1.2 電-氣動閥門定位器與氣動執(zhí)行機構的數(shù)學模型
電-氣動閥門定位器與氣動薄膜執(zhí)行機構配套使用，定位器將4~20 Am的標準信號轉換為0.2~1 Pa的標準氣壓信號，去改變氣動執(zhí)行機構閥桿位移，閥桿位移又通過機械反饋部分反饋至定位器的輸入端，從而形成一個具有負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)[2-3]。電-氣動閥門定位器與前面介紹的氣動閥門定位的區(qū)別在于輸入信號的裝置不同。氣動閥門定位器輸入壓力信號的裝置為波紋管，而電-氣動閥門定位器輸入壓力信號的裝置為力矩電動機，由此引出的兩種定位器的輸入力矩不同。基于前者的輸入輸出關系函數(shù)，將氣動閥門定位器的輸入信號至輸出力矩部分式(1)轉變?yōu)殡?氣動閥門定位器的輸出力矩式(2)，即可得到該類型的輸入量I與氣動閥輸出量L的關系式如式(3)：
3.3 閥體的仿真
閥體部分的流量特性曲線分為四種：線性、快開、拋物線、等百分比。而閥門的流量特性主要與閥芯的形狀及廠商的制造工藝有關[2]，故引用的函數(shù)是由廠家給出的流量特性曲線經(jīng)過取點再插值所得的。
3.4 執(zhí)行機構與閥體聯(lián)合實現(xiàn)仿真的方法
將調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構部分與閥體部分的仿真聯(lián)系在一起得到整體的仿真函數(shù)，如圖6所示。由于(l，Q)曲線由廠家提供，故l與Q為已知值，而Ii為輸入值，故由l=f(Ii)在取一定步長的情況下，由Ii可得出l，再通過(l，Q)曲線查出Q的值，由此便得到點集(Ii，Q)。得出最終輸入輸出曲線如圖7所示(以上海自動化儀表有限公司48-41000系列為例)。
4 調(diào)節(jié)閥故障的仿真
為了讓用戶能夠更真切地了解實際工礦中故障的產(chǎn)生原理及現(xiàn)象，以達到防微杜漸的目的，本文特增加了故障仿真環(huán)節(jié)。在完成對調(diào)節(jié)閥的輸入與輸出關系的仿真的基礎上，對調(diào)節(jié)閥進行故障仿真。本系統(tǒng)中故障主要是源于仿真參數(shù)的變化，當調(diào)節(jié)閥內(nèi)某一器件損壞或者磨損時其對應的常量必然會發(fā)生改變，也就導致該調(diào)節(jié)閥的傳遞函數(shù)改變，最終體現(xiàn)在輸入輸出曲線上，也就形成了相應的故障。
本軟件研究的各種調(diào)節(jié)閥在其他參數(shù)一定的情況下變量與故障之間的關系(部分)如表1所示。例如當設置故障為波紋管損壞，則參數(shù)變小，其故障表現(xiàn)在曲線上為輸入輸出曲線的斜率減小。
本系統(tǒng)在對調(diào)節(jié)閥選型過程中，實現(xiàn)了：(1)用戶在有幫助或無幫助情況下學習調(diào)節(jié)閥選型或自行測試。(2)用戶可對所選調(diào)節(jié)閥進行不同介質下的試驗，并形成輸入電流、電壓或壓力與輸出流量之間的關系曲線。(3)用戶設置故障并觀察故障現(xiàn)象曲線。本選型系統(tǒng)可以起到很好的教學作用，具有經(jīng)濟、快捷、安全等優(yōu)點，并且與實際生產(chǎn)聯(lián)系緊密，對故障起到警示作用。
參考文獻
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