調(diào)節(jié)閥被廣泛用作汽、水流量控制系統(tǒng)的執(zhí)行組件，其工作性能的好壞，直接影響控制質(zhì)量的優(yōu)劣，由于調(diào)節(jié)閥在不同使用場(chǎng)合安裝方式不同和管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化以及工作介質(zhì)的不同，使得調(diào)節(jié)閥工作條件變化較大，引起壓降比顯著降低，這時(shí)閥的工作流量特性與其固有特性相差很大引起特性畸變，這種畸變給控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難，也會(huì)嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)。調(diào)節(jié)閥流量特性補(bǔ)償?shù)乃惴ㄊ菍?shí)現(xiàn)流量特性補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵。
調(diào)節(jié)閥的發(fā)展方向是模塊化、精小型、智能型、總線型和標(biāo)準(zhǔn)化，國(guó)內(nèi)對(duì)調(diào)節(jié)閥流量特性的補(bǔ)償主要采用專(zhuān)為調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)的控制器，研究調(diào)節(jié)閥流量特性補(bǔ)償模塊符合調(diào)節(jié)閥技術(shù)的發(fā)展方向，也有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
1 調(diào)節(jié)閥的流量特性及應(yīng)用
1.1 定義
調(diào)節(jié)閥的流量特性是指介質(zhì)流過(guò)調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與相對(duì)位移（即閥的相對(duì)開(kāi)度）之間的關(guān)系，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
（1）
式中：Q/Qmax—相對(duì)流量，調(diào)節(jié)閥某一開(kāi)度時(shí)流量Q與全開(kāi)時(shí)流量Qmax之比；
l/L—相對(duì)位移，調(diào)節(jié)閥某一開(kāi)度時(shí)閥芯位移l與全開(kāi)時(shí)閥芯位移L之比。
1.2 理想流量特性
所謂理想流量特性是指調(diào)節(jié)閥前后差一定時(shí)的流量特性，它是調(diào)節(jié)閥的固有特性，由閥芯的形狀所決定。理想流量特性主要有等百分比、拋物線、直線及快開(kāi)等四種（圖1）。
圖1 理想流量特性曲線
直線流量特性是指調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與相對(duì)位移成直線關(guān)系，即單位相對(duì)行程變化引起的相對(duì)流量變化是一個(gè)常數(shù)。
線性流量特性的數(shù)字表達(dá)式為：
（2）
等百分比流量特性（對(duì)數(shù)流量特性）是指單位相對(duì)位移變化所引起的相對(duì)流量變化與此點(diǎn)的相對(duì)流量成正比關(guān)系。用數(shù)字表達(dá)式為：
（3）
拋物線流量特性是指單位相對(duì)位移的變化所引起的相對(duì)流量變化與此點(diǎn)的相對(duì)流量值的平方根成正比關(guān)系，該特性介于直線特性與等百分比特性之間，使用上常以等百分比特性代之，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
（4）
快開(kāi)流量特性是指調(diào)節(jié)閥在開(kāi)度較小時(shí)就有較大流量，隨著開(kāi)度的增大，流量很快就達(dá)到較大；此后再增加開(kāi)度，流量變化很小。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
（5）
1.3 調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比
調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比R是指調(diào)節(jié)閥所能控制的較大流量Qmax和最小流量Qmin之比，即
R=Qmax/Qmin （6）
一般Qmin為較大流量的2%～4%，因此理想可調(diào)比的取值范圍在25～50之間。可調(diào)比反映了調(diào)節(jié)能力的大小，因此希望可調(diào)比大一些為好。但由于閥芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工的限制，理想可調(diào)比一般不會(huì)太大，目前我國(guó)調(diào)節(jié)閥的理想可調(diào)比只要有30和50兩種。
為了更好的研究調(diào)節(jié)閥的流量特性曲線，使得對(duì)畸變曲線進(jìn)行校正后，能更加直觀的進(jìn)行分析，下面列出了當(dāng)R分別取30，對(duì)應(yīng)的理想流量特性數(shù)據(jù)，供參照（表1、圖2）。
表1 流量特性的相對(duì)開(kāi)度和對(duì)應(yīng)流量（R=30）
圖2 R=30對(duì)應(yīng)的四種理想流量特性曲線
2 補(bǔ)償算法的介紹
本設(shè)計(jì)的流量特性補(bǔ)償算法是基于二分法求零點(diǎn)的原理，二分法求零點(diǎn)的原理是：對(duì)于一個(gè)必有解的f（x）=0方程，可構(gòu)造y=f（x）的函數(shù)，設(shè)y1=f（x1）＜0，y2=f（x2）＞0，則以（x1，y1），（x2，y2）兩點(diǎn)作直線，交于x軸一點(diǎn)（x3，0），若y3=f（x3）＞0，則以（x1，y1），（x3，y3）兩點(diǎn)作直線，否則以（x3，y3），（x2，y2）兩點(diǎn)作直線，交于x軸一點(diǎn)（x4，0），重復(fù)以上步驟，直到|yi=f（xi）-0|達(dá)到要求的精度范圍。此時(shí)所求的xi的值即為f（x）=0的解，對(duì)二分法求零點(diǎn)的介紹是為了讓讀者更好的理解補(bǔ)償算法，下面結(jié)合圖3即對(duì)該算法進(jìn)行詳細(xì)介紹：
1）初始化LH=Lmax（閥門(mén)達(dá)到的最大開(kāi)度），LL=Lmin（閥門(mén)達(dá)到的最小開(kāi)度），QH=Qmax（流量計(jì)達(dá)到的最大流量，一般對(duì)應(yīng)最大開(kāi)度），QL=Qmin（流量計(jì)達(dá)到的最小流量，一般對(duì)應(yīng)最小開(kāi)度）。
2）采集給定的閥門(mén)開(kāi)度值L0，根據(jù)已經(jīng)保存的理想流量特性函數(shù)算出應(yīng)達(dá)到的理想流量值Q0，輸出L0，通過(guò)流量計(jì)采集實(shí)際的流量值Q1。
3）若|Q1－Q0|＞error（error值決定補(bǔ)償達(dá)到的精度，視實(shí)際情況而定），則進(jìn)行步驟4，否則跳出補(bǔ)償。
4）若Q1＞Q0時(shí)，則LH=L0，QH=Q1，否則LL=L0，QL=Q1，計(jì)算出公式：
輸出L1，通過(guò)流量計(jì)采集實(shí)際的流量值Q1。
5）返回步驟（3）。算法會(huì)在（3），（4），（5）步驟中循環(huán)，直到Q1與Q0之間的差值小于預(yù)設(shè)的值rand時(shí)完成補(bǔ)償（圖3）。
圖3 補(bǔ)償算法的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用
本設(shè)計(jì)中算法采用MATLAB來(lái)實(shí)現(xiàn)，下面對(duì)該算法一些例程進(jìn)行介紹。
3.1 求某點(diǎn)對(duì)應(yīng)理想流量特性值補(bǔ)償函數(shù)
function［L，sum］=dotcompensation（l）
該函數(shù)功能是對(duì)某一開(kāi)度進(jìn)行補(bǔ)償，輸入?yún)?shù)為要補(bǔ)償?shù)拈_(kāi)度值（百分?jǐn)?shù)），返回的參數(shù)為補(bǔ)償后實(shí)際輸出的開(kāi)度值（百分?jǐn)?shù)）和在該點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算次數(shù)。改變f1和f2，可以改變理想流量特性和實(shí)際流量特性。函數(shù)中有很多畫(huà)圖的操作，目的是方便仿真分析時(shí)對(duì)補(bǔ)償過(guò)程的觀察。
如圖4所示，［Lsum］=dotcompensation函數(shù)，首先定義理想流量特性函數(shù)：
圖4 閥門(mén)開(kāi)度為30的補(bǔ)償過(guò)程
f1=exp（（x（i）－1）*log（R））（R為理想可調(diào)比），實(shí)際流量特性函數(shù)為：
f2=1/R+（1－1/R）*x（i）
此時(shí)理想流量為對(duì)數(shù)特性，實(shí)際流量為線性，
l=30時(shí)，得到［Lsum］=［6.1206 1］。
3.2 求對(duì)全區(qū)間流量特性補(bǔ)償函數(shù)
function［L，sum］=linecompensation（float）
該補(bǔ)償函數(shù)對(duì)全區(qū)間進(jìn)行補(bǔ)償，從而可以觀察到補(bǔ)償?shù)恼w效果，該補(bǔ)償函數(shù)的輸入?yún)?shù)是補(bǔ)償達(dá)到的精度，如0.05，則補(bǔ)償出來(lái)的效果理想流量與理想流量的差值不超過(guò)0.05，輸出參數(shù)為兩個(gè)數(shù)組，L為0到100這些整數(shù)點(diǎn)上進(jìn)行補(bǔ)償后實(shí)際輸出的開(kāi)度，sum為對(duì)這些點(diǎn)補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算次數(shù)。
以畸變函數(shù)為凹函數(shù)為例，令理想流量特性曲線的函數(shù)表達(dá)式為：
f1=1/R+（1－1/R）*x
實(shí)際流量特性曲線的函數(shù)為
f2=1/R*（1+（sqrt（R）－1）*x）^2（凹函數(shù)），分析此種情況下的補(bǔ)償過(guò)程，當(dāng)float=0.05時(shí)，如圖5所示。
圖5 精度為0.05時(shí)流量特性補(bǔ)償
4 總結(jié)
本設(shè)計(jì)詳細(xì)介紹了關(guān)于流量補(bǔ)償算法的研究，無(wú)論是在生活還是在工業(yè)生產(chǎn)上，調(diào)節(jié)閥都被大量使用，難以避免地，在使用過(guò)程中會(huì)遇到流量特性畸變的問(wèn)題，所以關(guān)于流量特性補(bǔ)償算法的研究是很有意義的。該算法具有如下特點(diǎn)：
1）易編程實(shí)現(xiàn)，靈活，移植性強(qiáng)；
2）對(duì)于各種流量畸變特性都能夠很好的校正過(guò)來(lái)，能夠適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜多變的情況；
3）該算法除了能校正調(diào)節(jié)閥的流量特性曲線畸變外，還能按特殊需要而設(shè)計(jì)的流量特性曲線工作；
4）精度可調(diào)，但精度越高，補(bǔ)償時(shí)間越長(zhǎng)，需視具體情況而定。
同時(shí)，該算法也存在不足，如該算法對(duì)流量的采集有一定要求，當(dāng)調(diào)節(jié)閥在使用時(shí)流量采集的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，同時(shí)當(dāng)閥門(mén)動(dòng)作時(shí)，流量達(dá)到穩(wěn)定需要一定的時(shí)間，如3s～6s，嚴(yán)重影響補(bǔ)償時(shí)間，為解決該問(wèn)題，可以結(jié)合查表法，在流量穩(wěn)定的時(shí)候，預(yù)先存一些閥門(mén)開(kāi)度和其對(duì)應(yīng)的流量值，在下次補(bǔ)償時(shí)可以使用這些數(shù)據(jù)來(lái)盡量縮短補(bǔ)償時(shí)間。本設(shè)計(jì)屬于仿真研究，未經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，實(shí)際使用中可能還存在一些問(wèn)題，留待作進(jìn)一步的研究。
