調(diao)(diao)節(jie)(jie)(jie)閥(fa)被廣泛用作(zuo)(zuo)汽、水(shui)流(liu)量控(kong)制(zhi)系統(tong)的(de)執(zhi)行組(zu)件，其(qi)工作(zuo)(zuo)性(xing)能的(de)好壞，直(zhi)接(jie)影響控(kong)制(zhi)質量的(de)優劣，由于調(diao)(diao)節(jie)(jie)(jie)閥(fa)在不(bu)同(tong)使用場合安裝方式不(bu)同(tong)和管路系統(tong)結構的(de)變化以及工作(zuo)(zuo)介質的(de)不(bu)同(tong)，使得調(diao)(diao)節(jie)(jie)(jie)閥(fa)工作(zuo)(zuo)條件變化較(jiao)大，引(yin)起壓降(jiang)比顯著(zhu)降(jiang)低(di)，這時閥(fa)的(de)工作(zuo)(zuo)流(liu)量特(te)性(xing)與其(qi)固有特(te)性(xing)相差很(hen)大引(yin)起特(te)性(xing)畸變，這種(zhong)畸變給控(kong)制(zhi)系統(tong)的(de)設計(ji)帶來了(le)困難，也(ye)會嚴重影響控(kong)制(zhi)系統(tong)的(de)性(xing)能指標(biao)。調(diao)(diao)節(jie)(jie)(jie)閥(fa)流(liu)量特(te)性(xing)補(bu)償的(de)算(suan)法是(shi)實現流(liu)量特(te)性(xing)補(bu)償的(de)關鍵(jian)。
調(diao)(diao)(diao)節閥的發展方(fang)向(xiang)是模塊化(hua)、精小型、智能型、總線型和(he)標準化(hua)，國內對調(diao)(diao)(diao)節閥流(liu)量(liang)特(te)性的補償(chang)主要采用專為調(diao)(diao)(diao)節閥設計的控制器，研(yan)究調(diao)(diao)(diao)節閥流(liu)量(liang)特(te)性補償(chang)模塊符(fu)合調(diao)(diao)(diao)節閥技術的發展方(fang)向(xiang)，也有實際(ji)應用價值(zhi)。
1 調(diao)節(jie)閥的流(liu)量(liang)特(te)性(xing)及應用
1.1 定義
調節閥(fa)(fa)的流量特性是指介質流過調節閥(fa)(fa)的相(xiang)對(dui)(dui)流量與相(xiang)對(dui)(dui)位(wei)移（即閥(fa)(fa)的相(xiang)對(dui)(dui)開度(du)）之間(jian)的關系，數學表(biao)達(da)式為：
（1）
式中：Q/Qmax—相對流量，調節閥某一開度時流量Q與全開時流量Qmax之比；
l/L—相對位(wei)(wei)移，調節閥(fa)某一開度時閥(fa)芯(xin)位(wei)(wei)移l與全開時閥(fa)芯(xin)位(wei)(wei)移L之(zhi)比。
1.2 理想流量特性
所謂理想流量(liang)特性是指調節閥(fa)前(qian)后差一定(ding)時的(de)流量(liang)特性，它(ta)是調節閥(fa)的(de)固有(you)特性，由閥(fa)芯的(de)形狀所決定(ding)。理想流量(liang)特性主要有(you)等百分比、拋(pao)物線、直線及(ji)快開等四種（圖1）。
圖1 理想流量特(te)性曲線
直線(xian)(xian)流量特性是指調節(jie)閥的相(xiang)對(dui)(dui)流量與相(xiang)對(dui)(dui)位移成直線(xian)(xian)關系，即單(dan)位相(xiang)對(dui)(dui)行(xing)程變(bian)化引起的相(xiang)對(dui)(dui)流量變(bian)化是一個常數。
線性(xing)流量特性(xing)的數(shu)字表達(da)式為：
（2）
等百分比(bi)流量特性(xing)（對(dui)數(shu)流量特性(xing)）是指單位相對(dui)位移變(bian)化所引起的(de)相對(dui)流量變(bian)化與(yu)此(ci)點的(de)相對(dui)流量成正比(bi)關(guan)系。用(yong)數(shu)字表達式為：
（3）
拋物線流量特(te)性是指單位相(xiang)對(dui)位移的(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)所引起的(de)(de)相(xiang)對(dui)流量變(bian)化(hua)(hua)與此點的(de)(de)相(xiang)對(dui)流量值的(de)(de)平方(fang)根成正比(bi)(bi)關系，該特(te)性介于直線特(te)性與等百分比(bi)(bi)特(te)性之間，使(shi)用上常以等百分比(bi)(bi)特(te)性代之，其數(shu)學表達式為：
（4）
快開流(liu)量(liang)特性是指(zhi)調節閥(fa)在開度較(jiao)小時就有較(jiao)大(da)流(liu)量(liang)，隨(sui)著開度的增大(da)，流(liu)量(liang)很快就達(da)到較(jiao)大(da)；此后再增加開度，流(liu)量(liang)變化很小。其數學表(biao)達(da)式為(wei)：
（5）
1.3 調節閥的可調比
調節閥的可調比R是指調節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(da)(da)流量(liang)的(de)2%～4%，因此(ci)理(li)(li)想(xiang)可(ke)(ke)調(diao)比(bi)的(de)取值范圍在(zai)25～50之間。可(ke)(ke)調(diao)比(bi)反映了調(diao)節(jie)能力的(de)大(da)(da)小，因此(ci)希望(wang)可(ke)(ke)調(diao)比(bi)大(da)(da)一些(xie)為好(hao)。但由于(yu)閥(fa)芯結構設計和(he)加工的(de)限制，理(li)(li)想(xiang)可(ke)(ke)調(diao)比(bi)一般(ban)不會太大(da)(da)，目前我國調(diao)節(jie)閥(fa)的(de)理(li)(li)想(xiang)可(ke)(ke)調(diao)比(bi)只要有(you)30和(he)50兩種。
為(wei)了更好的研究調節閥的流量特性曲(qu)線，使得對畸變曲(qu)線進(jin)行(xing)校正(zheng)后，能更加直觀的進(jin)行(xing)分析，下面列出了當R分別(bie)取(qu)30，對應的理想流量特性數(shu)據，供(gong)參照(zhao)（表1、圖2）。
表1 流量特性的相對開度和對應流量（R=30）
圖2 R=30對應的四種理想流量特性(xing)曲線(xian)
2 補(bu)償算(suan)法的介紹
本設計的流量特性補償算法是基于二分法求零點的原理，二分法求零點的原理是：對于一個必有解的f（x）=0方程，可構造y=f（x）的函數，設y1=f（x1）＜0，y2=f（x2）＞0，則以（x1，y1），（x2，y2）兩點作直線，交于x軸一點（x3，0），若y3=f（x3）＞0，則以（x1，y1），（x3，y3）兩點作直線，否則以（x3，y3），（x2，y2）兩點作直線，交于x軸一點（x4，0），重復以上步驟，直到|yi=f（xi）-0|達到要求的精度范圍。此時所求的xi的(de)(de)值即(ji)為f（x）=0的(de)(de)解(jie)，對二分法求零點的(de)(de)介(jie)紹是(shi)為了(le)讓讀者更(geng)好的(de)(de)理(li)解(jie)補(bu)償算法，下(xia)面結合(he)圖3即(ji)對該算法進行(xing)詳細介(jie)紹：
1）初始化LH=Lmax（閥門達到的最大開度），LL=Lmin（閥門達到的最小開度），QH=Qmax（流量計達到的最大流量，一般對應最大開度），QL=Qmin（流量(liang)計達到的(de)最小(xiao)(xiao)流量(liang)，一般對應最小(xiao)(xiao)開度）。
2）采集給定的閥門開度值L0，根據已經保存的理想流量特性函數算出應達到的理想流量值Q0，輸出L0，通過流量計采集實際的流量值Q1。
3）若|Q1－Q0|＞error（error值決定補償達到的精度，視實際(ji)情(qing)況(kuang)而定），則(ze)進(jin)行步驟(zou)4，否則(ze)跳(tiao)出補償。
4）若Q1＞Q0時，則LH=L0，QH=Q1，否則LL=L0，QL=Q1，計算出公式：
輸出L1，通過流量計采集實際的流量值Q1。
5）返回步驟（3）。算法會在（3），（4），（5）步驟中循環，直到Q1與Q0之間的(de)差值小(xiao)于預(yu)設的(de)值rand時完成(cheng)補償（圖(tu)3）。
圖3 補償算法的實現和(he)應用
本(ben)設計中算法采用MATLAB來實(shi)現(xian)，下(xia)面對該算法一些例程進行介紹。
3.1 求某點對應(ying)理(li)想(xiang)流量(liang)特(te)性值補償函(han)數
function［L，sum］=dotcompensation（l）
該函數功能是對某一開度進行補償，輸入參數為要補償的開度值（百分數），返回的參數為補償后實際輸出的開度值（百分數）和在該點進行補償的運算次數。改變f1和f2，可以改變理想流量(liang)特(te)性(xing)和實(shi)際流量(liang)特(te)性(xing)。函數(shu)中有很多畫圖的(de)操作，目的(de)是方便仿真分析時對補(bu)償過(guo)程的(de)觀察。
如圖(tu)4所示(shi)，［Lsum］=dotcompensation函數，首先定義理想流量特性函數：
圖4 閥門(men)開度為30的補償過程
f1=exp（（x（i）－1）*log（R））（R為(wei)理(li)想可調比），實際流量(liang)特(te)性函數為(wei)：
f2=1/R+（1－1/R）*x（i）
此時理想(xiang)流量(liang)為對數特性，實際流量(liang)為線性，
l=30時，得到［Lsum］=［6.1206 1］。
3.2 求對全(quan)區間流量(liang)特(te)性補(bu)償函數
function［L，sum］=linecompensation（float）
該(gai)補(bu)(bu)(bu)償函數對全區間進行(xing)(xing)補(bu)(bu)(bu)償，從而可(ke)以(yi)觀(guan)察到(dao)補(bu)(bu)(bu)償的(de)(de)整(zheng)體效(xiao)果，該(gai)補(bu)(bu)(bu)償函數的(de)(de)輸入參(can)數是補(bu)(bu)(bu)償達到(dao)的(de)(de)精度，如(ru)0.05，則補(bu)(bu)(bu)償出來(lai)的(de)(de)效(xiao)果理想(xiang)流(liu)量與理想(xiang)流(liu)量的(de)(de)差(cha)值不超過0.05，輸出參(can)數為兩個(ge)數組，L為0到(dao)100這(zhe)些整(zheng)數點上進行(xing)(xing)補(bu)(bu)(bu)償后(hou)實際輸出的(de)(de)開度，sum為對這(zhe)些點補(bu)(bu)(bu)償的(de)(de)運算次(ci)數。
以畸(ji)變函(han)數為凹函(han)數為例(li)，令理想(xiang)流量特性曲線(xian)的函(han)數表達式為：
f1=1/R+（1－1/R）*x
實際流量特性(xing)曲線的函數(shu)為
f2=1/R*（1+（sqrt（R）－1）*x）^2（凹函數），分析此種情況下的補償(chang)過程，當float=0.05時，如圖5所(suo)示。
圖5 精度為0.05時流量特性補償
4 總(zong)結
本設(she)計詳細(xi)介紹了關于流量(liang)補(bu)償算法的(de)研究，無論是(shi)(shi)在(zai)生(sheng)活還(huan)是(shi)(shi)在(zai)工業生(sheng)產上，調節閥都被(bei)大量(liang)使用，難以避免地(di)，在(zai)使用過程(cheng)中會(hui)遇(yu)到流量(liang)特(te)性畸變(bian)的(de)問(wen)題，所以關于流量(liang)特(te)性補(bu)償算法的(de)研究是(shi)(shi)很有意義(yi)的(de)。該算法具有如下特(te)點：
1）易編程實現，靈活，移植性強；
2）對(dui)于(yu)各種流(liu)量畸變特性都能(neng)夠(gou)(gou)很好的(de)校正(zheng)過來(lai)，能(neng)夠(gou)(gou)適(shi)應工業現場(chang)復雜(za)多變的(de)情況；
3）該(gai)算法除了能(neng)(neng)校正調節閥的(de)流(liu)量(liang)特(te)性(xing)曲線畸變(bian)外(wai)，還能(neng)(neng)按(an)特(te)殊需(xu)要(yao)而設計的(de)流(liu)量(liang)特(te)性(xing)曲線工作(zuo)；
4）精度(du)可調，但(dan)精度(du)越高，補償(chang)時間越長，需(xu)視具體情況而定(ding)。
同時(shi)，該算(suan)法(fa)(fa)也存(cun)(cun)在不足，如該算(suan)法(fa)(fa)對流(liu)量(liang)(liang)的采集(ji)有一(yi)定(ding)(ding)要(yao)求，當調節閥(fa)在使用(yong)(yong)時(shi)流(liu)量(liang)(liang)采集(ji)的信(xin)號會產生波動(dong)，同時(shi)當閥(fa)門動(dong)作(zuo)時(shi)，流(liu)量(liang)(liang)達到穩(wen)定(ding)(ding)需要(yao)一(yi)定(ding)(ding)的時(shi)間，如3s～6s，嚴重影(ying)響補償(chang)時(shi)間，為解決該問(wen)題，可(ke)以結合查(cha)表法(fa)(fa)，在流(liu)量(liang)(liang)穩(wen)定(ding)(ding)的時(shi)候，預先存(cun)(cun)一(yi)些閥(fa)門開度和其對應的流(liu)量(liang)(liang)值，在下次(ci)補償(chang)時(shi)可(ke)以使用(yong)(yong)這些數據來盡量(liang)(liang)縮短(duan)補償(chang)時(shi)間。本設計屬于仿真(zhen)研(yan)究，未經過實際(ji)測(ce)試，實際(ji)使用(yong)(yong)中可(ke)能還存(cun)(cun)在一(yi)些問(wen)題，留待作(zuo)進(jin)一(yi)步的研(yan)究。
