摘 要：本文對(duì)控制閥機(jī)械本體構(gòu)成進(jìn)行分析，并對(duì)控制閥系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程展開動(dòng)態(tài)仿真分析。借鑒氣體減壓器的仿真模型，提出一種適用于氣動(dòng)薄膜控制閥的有限體積模型，與PID控制算法相結(jié)合創(chuàng)建模型，并從結(jié)構(gòu)形式、彈簧范圍、閥門口徑等方面闡述選型要點(diǎn)，由此提高控制閥應(yīng)用效率。

關(guān)鍵詞：氣動(dòng)薄膜控制閥;閥體選型;動(dòng)態(tài)仿真

引言：在社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展下，能源供應(yīng)日益緊張，控制閥門在海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展領(lǐng)域的地位逐漸提升。控制閥作為流體控制的關(guān)鍵元件，國(guó)內(nèi)每年消耗量較大，且元件性能對(duì)能源利用情況具有直接影響。以氣動(dòng)薄膜控制閥為例，應(yīng)明確機(jī)械本體與執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并結(jié)合現(xiàn)實(shí)需求科學(xué)選型，才可將各元件作用充分發(fā)揮出來(lái)。

1控制閥機(jī)械本體構(gòu)成

從整體來(lái)看，調(diào)節(jié)閥機(jī)械本體構(gòu)成內(nèi)容較多，以閥體、閥芯、填料、壓板與壓蓋為主，其核心為閥芯。流量曲線的確定不但要充足理論計(jì)算，還需要大量試驗(yàn)加以驗(yàn)證。在執(zhí)行機(jī)構(gòu)方面，該機(jī)構(gòu)可被看作氣壓執(zhí)行器，與氣壓缸較為相似，主要區(qū)別在于前者擁有一個(gè)薄膜。運(yùn)行原理是將薄膜與氣缸活塞相連接，當(dāng)氣源由氣缸下方進(jìn)入缸內(nèi)后，可推動(dòng)薄膜帶動(dòng)活塞上行;在氣流釋放完畢后，受彈簧作用力影響，活塞帶動(dòng)閥芯下行。伺服控制元件普遍以定位器形式存在，類型主要分為兩種，一種是角行程，另一種為直行程。大多控制信號(hào)為4—20mA，屬于流體控制自動(dòng)化部件，因國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家較少，故主要依賴進(jìn)口。因氣動(dòng)控制閥普遍在高溫、高壓的惡劣環(huán)境下作業(yè)，故障發(fā)生率較高，對(duì)工廠效益與人員安全帶來(lái)不良影響。對(duì)此，應(yīng)做好日常維護(hù)與檢修工作，引入智能故障診斷技術(shù)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證法，促進(jìn)其平穩(wěn)高效運(yùn)行[1]。

2控制閥系統(tǒng)工作過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真

2.1現(xiàn)場(chǎng)數(shù)值模型構(gòu)建

根據(jù)氣動(dòng)薄膜控制閥本體結(jié)構(gòu)，選擇反作用氣開式套筒閥，壓力設(shè)定為PN6.4MPa，通徑設(shè)定為DN25mm，控制腔內(nèi)部氣壓強(qiáng)范圍設(shè)定為0.02—0.100MPa之間，閥芯行程小于16mm，套筒開設(shè)窗口形狀與大小對(duì)流量特性具有決定作用，在此基礎(chǔ)上創(chuàng)建有限體積模型，如下：

式中，C1代表的是彈簧剛度;Cm代表的是膜片剛度;x0代表的閥芯充分閉合后膜片壓縮量;x1代表的是彈簧壓縮量;p1代表的是控制氣壓強(qiáng);p2代表的是低壓腔壓強(qiáng);Am代表的是膜片內(nèi)的有效面積;A2代表的是卸荷腔氣體影響下閥芯有效面積;m代表的閥芯質(zhì)量。

2.2系統(tǒng)選型

（1）結(jié)構(gòu)形式。控制閥結(jié)構(gòu)類型對(duì)閥門應(yīng)用與后期維護(hù)具有決定作用，是選型的關(guān)鍵所在，要求務(wù)必結(jié)合具體工況綜合分析，內(nèi)容如下。在工藝介質(zhì)方面，應(yīng)明確工藝介質(zhì)物理狀態(tài)，如氣體、蒸汽、懸浮物等等，由此選出最佳閥門，盡可能減少對(duì)閥門造成的沖蝕與磨損;在溫度與壓差方面，介質(zhì)溫度處于閥工作溫度之內(nèi)，環(huán)境溫度也應(yīng)與要求相符;壓差應(yīng)低于閥的允許壓差，如若無(wú)法實(shí)現(xiàn)，則要站在特殊角度分析或者選擇其他類型閥門;在泄漏量方面，閥門在安裝后便處于長(zhǎng)期工作狀態(tài)，要求泄露量務(wù)必符合工藝要求。個(gè)別種類閥門經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期作業(yè)后泄漏量會(huì)不斷增加，與泄漏要求嚴(yán)格的場(chǎng)合需求不相符合。結(jié)合上述因素綜合分析后，最佳閥門類型為碟閥，其次為單座閥、雙座閥，而球閥、隔膜閥的應(yīng)用相對(duì)較少[2]。

（2）彈簧范圍。在氣動(dòng)控制閥中，彈簧屬于關(guān)鍵元件，其作用在于克服氣室壓力反方向運(yùn)動(dòng)，可用壓力單位表示，如80—240kPa等，主要是指某閥門從靜止?fàn)顟B(tài)到開始移動(dòng)，再到走完行程的膜室壓力變化過(guò)程。為確保閥門正常關(guān)閉，應(yīng)采用執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力克服壓差對(duì)閥芯產(chǎn)生的負(fù)面影響。對(duì)此，膜室壓力先要確保閥門充分閉合，再持續(xù)加力，才可將閥芯緊緊壓在閥座上。在控制要求關(guān)閥期間，彈簧勢(shì)必要克服膜室壓力，才可使閥芯與閥座緊密相連。因執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力為彈簧張力、摩擦力以及膜片壓力等結(jié)合力。在彈簧選擇期間，應(yīng)充分借助氣源壓力使閥門穩(wěn)定下來(lái)，提高運(yùn)行效率。

（3）閥門口徑。對(duì)于閥芯為直線、等百分比與其他任意流量特性的各類控制閥來(lái)說(shuō)，其口徑計(jì)算方式可歸納為以下方面。按照工藝參數(shù)可計(jì)算出最小、最大流量時(shí)的Cvmin與Cvmax;選擇控制閥流量特性;根據(jù)理想流量曲線預(yù)定最大流量時(shí)的相對(duì)開啟度，用K表示，其范圍一般在60—90%之間，再對(duì)相對(duì)流量進(jìn)行查詢，計(jì)算出最佳狀態(tài)下理想流量特性，公式為Cg=Cvmax/G%;根據(jù)上述公式預(yù)選控制閥標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的Cg值，再對(duì)真實(shí)開啟度進(jìn)行檢驗(yàn)。綜上，可將閥門口徑計(jì)算流程總結(jié)為：首先計(jì)算出真實(shí)相對(duì)流量Gmax%=Cvmax/Cg;然后根據(jù)計(jì)算數(shù)值反查曲線獲得真實(shí)相對(duì)開啟度Kmax%，再結(jié)合Gmin=Cvmin/Cg，由此得出Kmin%;當(dāng)Kmax%值位于60—90%之間時(shí)，Kmin%值超過(guò)10%，則為合格;最后根據(jù)合格狀態(tài)下的Cg值計(jì)算出控制閥的口徑;如若得到的Kmax%值不在60—90%范圍內(nèi)，則要重復(fù)上述步驟，直至最終結(jié)果合格[3]。

2.3PID算法與應(yīng)用

在負(fù)反饋原理基礎(chǔ)上，將離散化后的PID控制算式表示為：

式中，e（n）代表的是第n次采樣期間被控制量的偏差信號(hào);p（n）代表的是薄膜氣室氣壓強(qiáng)信號(hào);Kp代表的是比例系數(shù);Kd代表的是微分系數(shù);Ki代表的是積分系數(shù);其中Ki的計(jì)算方式為KpT與Ti的比值，Ti代表的是積分時(shí)間常數(shù);T代表的是采樣周期。

本文借鑒氣體減壓器的有限體積模型，將膨脹功納入其中創(chuàng)建變體積氣體容積模型，由此創(chuàng)建可仿真的控制閥流場(chǎng)有限體積模型，并采用PID控制算法進(jìn)行仿真動(dòng)態(tài)分析。

不考慮管流軸向熱傳導(dǎo)問(wèn)題，將體積變化產(chǎn)生的膨脹功引入其中，可壓縮流體一維流動(dòng)守恒類型的能量方程如下：

式中，E代表的是單位體積總能量，A代表的是管道截面積;V代表的是控制體的體積;q代表的是熱流密度;C代表的是管道周長(zhǎng)?？偰芰康挠?jì)算公式為：

式中，e代表的是單位體積內(nèi)能;p代表的是壓強(qiáng);u代表的是流速;

結(jié)論：綜上所述，本文先從機(jī)械本體、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與伺服控制三方面著手探究氣動(dòng)控制閥的構(gòu)成與特點(diǎn)，為執(zhí)行機(jī)構(gòu)更新優(yōu)化提供便利，然后借鑒氣體減壓器的仿真模型，提出一種適用于氣動(dòng)薄膜控制閥的有限體積模型，最后與PID控制算法相結(jié)合創(chuàng)建模型，并從結(jié)構(gòu)形式、彈簧范圍、閥門口徑等方面闡述選型要點(diǎn)，促進(jìn)控制閥的推廣與應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳陽(yáng)，高芳，張振鵬，等.氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)工作過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真[J].火箭推進(jìn)，2019，32（006）：28-34.

[2]林振中.氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥的選型探討[J].科協(xié)論壇，2019，000（010）：108-110.

[3]于東林.氣動(dòng)溫度薄膜調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)械工程師，2019（11）：41-42.

作者簡(jiǎn)介：

蘇洋（1981年4月-），男，漢族，籍貫：遼寧省大連市，本科，研究方向：工業(yè)過(guò)程控制用的控制閥。