摘 要： 以調(diào)節(jié)閥選型的教學(xué)為目的，深入研究了多種調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其輸入輸出特性，對(duì)調(diào)節(jié)閥的選型步驟和選型方法進(jìn)行了軟件實(shí)現(xiàn)，并對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真分析。在Visual Studio2008環(huán)境中使用C++編程，實(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)閥的選型、流量系數(shù)的計(jì)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(guān)鍵詞： 教學(xué)軟件；調(diào)節(jié)閥選型；動(dòng)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(jì)和空間等因素的限制，用戶不可能對(duì)所有調(diào)節(jié)閥進(jìn)行試驗(yàn)，而且用戶選擇了自己認(rèn)為適合的調(diào)節(jié)閥后，并不清楚該閥門應(yīng)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(xué)的困難。本文研究的調(diào)節(jié)閥選型軟件基于仿真技術(shù)，在為用戶提供選型步驟及數(shù)據(jù)的同時(shí)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(guān)系曲線。另外，為了讓用戶能夠更方便地了解實(shí)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(shè)計(jì)
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(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)節(jié)閥型號(hào)的選擇及對(duì)所選閥門進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析等。該選型軟件的主要功能如圖1所示。
軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)類圖如圖2所示。
2 初步選型
用戶進(jìn)入選型系統(tǒng)后首先對(duì)儀表廠家、閥門類型以及閥門型號(hào)進(jìn)行選擇。之后用戶可以針對(duì)所選廠家的所選型號(hào)進(jìn)行具體的調(diào)節(jié)閥定制，這兩個(gè)步驟構(gòu)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(jìn)行篩選。
3 輸入輸出曲線的實(shí)現(xiàn)
調(diào)節(jié)閥輸入與輸出特性仿真曲線的實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)節(jié)閥選型教學(xué)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(shù)是得到輸入輸出曲線的關(guān)鍵。仿真可以理解為運(yùn)用物理模型或數(shù)學(xué)模型代替實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)和研究。過程系統(tǒng)與數(shù)學(xué)模型的關(guān)系稱為建模，數(shù)學(xué)模型與仿真機(jī)之間的關(guān)系稱為仿真[1]。本文對(duì)調(diào)節(jié)閥的仿真研究包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)的仿真和閥體的仿真，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的仿真又包括氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的仿真和電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的仿真。
3.1 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型
氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常會(huì)與閥門定位器配套使用，對(duì)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的研究包括閥門定位器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩部分。閥門定位器又分為氣動(dòng)閥門定位器和電-氣動(dòng)閥門定位器兩種方式。
3.1.1 氣動(dòng)閥門定位器與氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型
氣動(dòng)閥門定位器與氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)配套使用，是氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥組合單元的一個(gè)主要配套件。從氣動(dòng)遙控板輸出0.02～0.10 MPa的氣動(dòng)模擬信號(hào)，經(jīng)氣動(dòng)閥門定位器將輸出一個(gè)氣動(dòng)操作信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，以此控制氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的行程，通過閥門位置反饋，從而使氣動(dòng)遙控板輸出的控制信號(hào)與閥門的行程對(duì)應(yīng)關(guān)系成比例，實(shí)現(xiàn)正確定位。氣動(dòng)閥門定位器輸入量P與氣動(dòng)閥輸出量L的關(guān)系式為：
3.1.2 電-氣動(dòng)閥門定位器與氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型
電-氣動(dòng)閥門定位器與氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)配套使用，定位器將4~20 Am的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)換為0.2~1 Pa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào)，去改變氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥桿位移，閥桿位移又通過機(jī)械反饋部分反饋至定位器的輸入端，從而形成一個(gè)具有負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)[2-3]。電-氣動(dòng)閥門定位器與前面介紹的氣動(dòng)閥門定位的區(qū)別在于輸入信號(hào)的裝置不同。氣動(dòng)閥門定位器輸入壓力信號(hào)的裝置為波紋管，而電-氣動(dòng)閥門定位器輸入壓力信號(hào)的裝置為力矩電動(dòng)機(jī)，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(guān)系函數(shù)，將氣動(dòng)閥門定位器的輸入信號(hào)至輸出力矩部分式(1)轉(zhuǎn)變?yōu)殡?氣動(dòng)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(dòng)閥輸出量L的關(guān)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(guān)[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(diǎn)再插值所得的。
3.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)與閥體聯(lián)合實(shí)現(xiàn)仿真的方法
將調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(zhǎng)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(diǎn)集(Ii，Q)。得出最終輸入輸出曲線如圖7所示(以上海自動(dòng)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(shí)際工礦中故障的產(chǎn)生原理及現(xiàn)象，以達(dá)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(duì)調(diào)節(jié)閥的輸入與輸出關(guān)系的仿真的基礎(chǔ)上，對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)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(dāng)調(diào)節(jié)閥內(nèi)某一器件損壞或者磨損時(shí)其對(duì)應(yīng)的常量必然會(huì)發(fā)生改變，也就導(dǎo)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(yīng)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(guān)系(部分)如表1所示。例如當(dāng)設(shè)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(duì)調(diào)節(jié)閥選型過程中，實(shí)現(xiàn)了：(1)用戶在有幫助或無幫助情況下學(xué)習(xí)調(diào)節(jié)閥選型或自行測(cè)試。(2)用戶可對(duì)所選調(diào)節(jié)閥進(jìn)行不同介質(zhì)下的試驗(yàn)，并形成輸入電流、電壓或壓力與輸出流量之間的關(guān)系曲線。(3)用戶設(shè)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(xué)作用，具有經(jīng)濟(jì)、快捷、安全等優(yōu)點(diǎn)，并且與實(shí)際生產(chǎn)聯(lián)系緊密，對(duì)故障起到警示作用。
參考文獻(xiàn)
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