智能閥門定位器包含直線、等百分比、快開和用戶設(shè)定等流量特性，用戶可以自由設(shè)定。根據(jù)氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥的特點(diǎn)，閥桿位移的變化與旋轉(zhuǎn)電位器的變化呈非線性關(guān)系，通過非線性修正方法對(duì)閥位反饋進(jìn)行修正。采用曲線擬合的方法，得到流量特性曲線方程，最終實(shí)現(xiàn)了智能閥門定位器直線、等百分比和快開流量特性，達(dá)到更高精度的流量控制要求。

　　智能閥門定位器具有高可靠性，高控制精度，網(wǎng)絡(luò)通信，多功能擴(kuò)展等特點(diǎn)，能夠適應(yīng)工業(yè)控制體系間網(wǎng)絡(luò)化、集成化、智能化方向的發(fā)展要求，廣泛應(yīng)用于工業(yè)流量控制領(lǐng)域，在石化、冶金、電力、煉油等工業(yè)流量控制中發(fā)揮著不可替代的作用。然而，相對(duì)國外產(chǎn)品而言，國內(nèi)產(chǎn)品在流量控制方面，存在調(diào)節(jié)速度慢、精度低的缺點(diǎn)。

　　流量特性的精度與智能閥門定位器安裝精度、閥位反饋、AD采樣精度和流量特性曲線擬合精度等有關(guān)。本文主要針對(duì)影響流量特性實(shí)現(xiàn)的因素進(jìn)行分析和研究，致力于實(shí)現(xiàn)更高精度流量特性。

1、智能閥門定位器工作原理

　　微控制器根據(jù)閥位反饋信號(hào)與閥位設(shè)定信號(hào)的偏差大小和方向，輸出控制指令到壓電閥，通過壓電閥控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)膜室內(nèi)的氣壓。當(dāng)偏差較大時(shí)，定位器輸出一個(gè)高占空比PWM信號(hào)給壓電閥，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)快速進(jìn)/排氣;當(dāng)控制偏差較小時(shí)，定位器輸出低占空比PWM信號(hào)，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)慢速進(jìn)/排氣;當(dāng)偏差在允許誤差范圍(自適應(yīng)或死區(qū)設(shè)置)內(nèi)，則輸出保持信號(hào)，使膜室內(nèi)的氣壓保持不變。

　　智能電氣閥門定位器的工作原理如圖1所示。

圖1 智能閥門定位器工作原理圖

2、定位器的流量特性

　　調(diào)節(jié)閥流量特性和定位器的流量特性是兩個(gè)不同的概念。調(diào)節(jié)閥理想流量特性是指在調(diào)節(jié)閥前后壓差固定不變情況下的流量特性，用通過閥芯相對(duì)流量與控制信號(hào)相對(duì)變化的比值來表示。調(diào)節(jié)閥的流量特性取決于閥芯的形狀，有直線、等百分比、拋物線及快開4種典型的固有流量特性。

　　定位器的流量特性是指定位器輸入信號(hào)與閥門開度之間的關(guān)系。對(duì)于一個(gè)確定的閥，其結(jié)構(gòu)特性不變，即流量的相對(duì)變化與閥桿相對(duì)位移的比值是不變的。智能閥門定位器可以通過改變閥桿相對(duì)位移與控制信號(hào)的相對(duì)變化之間的比值，從而改變調(diào)節(jié)閥的流量特性。

　　在定位器的流量特性實(shí)現(xiàn)過程中，根據(jù)給定的流量特性數(shù)據(jù)，采用曲線擬合的方法，獲得流量特性曲線方程，編程實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)與閥門開度之間的關(guān)系。當(dāng)定位器安裝在調(diào)節(jié)閥上，用戶可以選擇不同的流量特性曲線，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的流量控制。

3、閥位反饋非線性修正

　　非線性修正是用于解決閥桿行程與閥位反饋信號(hào)之間的非線性。閥位反饋模塊是由反饋連桿、減速齒輪和位置傳感器等組成，其機(jī)械連接原理示意圖如圖2所示，位置傳感器采用高精度導(dǎo)電塑料旋轉(zhuǎn)電位器，將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的直行程轉(zhuǎn)換為角位移。

圖2 閥位反饋模塊機(jī)械連接原理圖

　　閥桿運(yùn)動(dòng)距離h與連桿轉(zhuǎn)角θ之間的關(guān)系為：

h=Ltanθ (1)

　　其中，θ∈[-α/2，α/2]，h∈[-H/2，H/2]，α為連桿全行程轉(zhuǎn)過的角度，H為閥桿全行程的距離。

　　由于電位器為線性電位器，所以電位器可變端電壓ui與連桿轉(zhuǎn)角θ之間的關(guān)系為：

　　其中，u0為閥桿行程0%對(duì)應(yīng)的閥位反饋信號(hào)，u1為閥桿行程100%對(duì)應(yīng)閥位反饋信號(hào)。

　　電位器可變端電壓ui與對(duì)應(yīng)的AD采樣值Di的關(guān)系可表示為：

Di=kui (3)

　　閥桿行程的相對(duì)變化與閥位反饋信號(hào)相對(duì)變化的比值為：

　　旋轉(zhuǎn)角度與電位器電壓成線性，閥桿行程與轉(zhuǎn)角成正切關(guān)系，通過非線性修正，閥桿行程與反饋信號(hào)才為線性關(guān)系。閥位反饋信號(hào)的非線性修正是實(shí)現(xiàn)更精確的流量控制的有效方法。

4、實(shí)驗(yàn)

　　以SEPP4000閥門定位器為研究對(duì)象，進(jìn)行靜態(tài)特性和流量特性實(shí)驗(yàn)。輸入信號(hào)為4mA～20mA的電流信號(hào)，輸出信號(hào)為閥門的開度，通過檢測閥位反饋信號(hào)獲取閥門的開度信息，為了使閥門開度與閥位反饋信號(hào)的百分比相等，采用公式(4)進(jìn)行閥位反饋的非線性修正。

4.1、靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn)

　　定位器靜態(tài)特性表現(xiàn)為定位器實(shí)測曲線與理想曲線之間的一致性。

　　安裝SEPP4000智能閥門定位器，使定位器的行程正好為全行程的一半時(shí)，定位器反饋桿在水平位置(即垂直于閥桿)。以線性流量特性為例，進(jìn)行定位器靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)處理流程圖如圖3所示，誤差對(duì)比如表1所示。

表1 閥位反饋非線性修正前后誤差

圖3 數(shù)據(jù)處理程序流程圖

　　修正前，實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)的重復(fù)性為0.3%，即小于0.5%，均達(dá)到待測定位器的指標(biāo)。但行程曲線的基本誤差、非線性誤差和最大測量誤差都較大。

　　修正后，實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)的重復(fù)性較小為0.48%，回滯誤差也較小為0.46%，均達(dá)到待測定位器的指標(biāo);而且所得行程曲線的基本誤差、非線性誤差和最大測量誤差均小于0.5%，達(dá)到定位器的指標(biāo)要求。

4.2、流量特性實(shí)驗(yàn)

　　選擇定位器的流量特性曲線線性、等百分比1∶25，等百分比1∶50，反等百分比25∶1，以10%為增量從0%到100%的等差輸入電流信號(hào)，測量閥位反饋電壓信號(hào)AD采樣值，得到實(shí)際流量特性曲線點(diǎn)集，用MATLAB軟件擬合實(shí)測曲線如圖4、圖5所示。星形點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)所測的行程值，實(shí)線為所測的流量曲線，虛線為定位器的理想流量特性曲線。

　　修正前后，流量特性誤差對(duì)比如表2所示。

表2 修正前后流量特性曲線誤差對(duì)比

圖4 修正前理論與實(shí)測流量特性曲線

圖5 修正后理論與實(shí)測流量特性曲線

　　各實(shí)測行程曲線均較光滑，以快開流量特性為例，采用不同擬合函數(shù)，誤差對(duì)比如表3所示。采用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行曲線擬合，誤差更小，效果更好。

表3 不同擬合函數(shù)擬合誤差對(duì)比

5、結(jié)論

　　可通過非線性修正方法減小由反饋機(jī)構(gòu)本身的非線性造成的誤差。通過非線性修正后，流量特性的非線性誤差、回滯誤差、重復(fù)性均達(dá)到智能閥門定位器的指標(biāo)，為達(dá)到了更高精度的流量控制要求打下基礎(chǔ)。