張曉榮，徐善智，喬凌霄，蔣衛(wèi)東

（山西能源學(xué)院 電氣與控制工程系，榆次 030600）

調(diào)節(jié)閥作為流體流量控制系統(tǒng)的執(zhí)行單元，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)閥管路結(jié)構(gòu)的變化或者工作條件的變化，使得閥門壓差發(fā)生變化，導(dǎo)致閥門的工作流量特性偏離其期望流量特性發(fā)生畸變，嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度[1-2]。解決這一問題的方法主要分為2 種，一種是通過優(yōu)化設(shè)計調(diào)節(jié)閥閥瓣結(jié)構(gòu)改變調(diào)節(jié)閥期望流量特性，使其與工作流量特性保持一致[3-4]，然而僅對某一特定工況適用，適用性較差；另外一種方法是在調(diào)節(jié)閥期望流量特性不變的情況下采用輔助設(shè)備校正工作流量特性，使其與期望流量特性保持一致[5-9]，該方法雖然簡單經(jīng)濟且適用性較強，但需要配備額外輔助設(shè)備實現(xiàn)工作流量特校正，增加了成本。

因此，本文基于流量特性校正原理設(shè)計僅依托調(diào)節(jié)閥執(zhí)行控制器的調(diào)節(jié)閥流量特性校正系統(tǒng)，通過上位機軟件設(shè)計和下位機程序設(shè)計，實現(xiàn)流量特性快速、可靠的校正，為開發(fā)具有流量特性校正功能的調(diào)節(jié)閥執(zhí)行控制器提供一定的技術(shù)參考。

1 調(diào)節(jié)閥的流量特性

典型的期望流量特性有線性、等百分比、快開和拋物線4 種，其流量特性的數(shù)學(xué)表達式如表1所示[10]。

表1中l(wèi)=L/Lmax為相對開度，L 為調(diào)節(jié)閥實際開度，Lmax為調(diào)節(jié)閥最大開度，r=Qmax/Qmin為調(diào)節(jié)閥的理想可調(diào)范圍，Qmin為調(diào)節(jié)閥最小開度時的流量，Qmax為調(diào)節(jié)閥最大開度時的流量，q=Q/Qmax為調(diào)節(jié)閥相對流量，Q 為調(diào)節(jié)閥實際流量。

表1 期望流量特性理論模型Tab.1 Theoretical models of ideal flow characteristics

由于工作流量特性受工作環(huán)境、壓力損失及壓差變化等許多因素影響，調(diào)節(jié)閥在實際工況下的流量特性曲線往往偏離期望流量特性曲線而發(fā)生畸變且很難用理論公式準(zhǔn)確描述，通常采用實驗測量方法來獲取調(diào)節(jié)閥的工作流量特性。

2 校正原理

2.1 校正算法

通過校正調(diào)節(jié)閥工作流量特性，可使調(diào)節(jié)閥獲得期望流量特性，其基本原理如下：

假設(shè)工作流量特性為

而期望流量特性為

式中：期望流量特性相對開度l*=L*/Lmax。在F（l）=G（l*）約束條件下便可獲得兩種流量特性相對開度間的函數(shù)關(guān)系，即校正函數(shù)：

由于工作流量特性是通過測量相對開度及其對應(yīng)的相對流量獲得的一系列離散數(shù)據(jù)，因此依據(jù)工作流量特性計算出的校正函數(shù)也為離散數(shù)據(jù)，可以表示為

式中：lk和qk分別為工作流量特性的第k 個相對開度和相對流量測量數(shù)據(jù)；lk*為期望流量特性相對流量為qk時對應(yīng)的相對開度數(shù)據(jù)。

2.2 期望開度算法

在調(diào)節(jié)閥流量調(diào)節(jié)過程中，需要依據(jù)校正函數(shù)實時計算實際相對開度對應(yīng)的期望相對開度，與給定期望相對開度比較，實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥流量的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)?？紤]到校正函數(shù)是單調(diào)遞增函數(shù)，因此開度算法采用查表法和插值法。計算方法如下：

（1）利用查表方法確定實測流量特性相對開度l 所在的離散數(shù)據(jù)區(qū)間，滿足lk＜l≤lk+1，對應(yīng)的期望流量特性相對開度l*滿足

（2）由于校正函數(shù)在相鄰兩離散點間近似為線性關(guān)系，因此采用線性插值算法，便可計算出期望流量特性相對開度。

3 校正系統(tǒng)設(shè)計

校正系統(tǒng)由上位機軟件和下位機軟件兩部分組成，其中下位機軟件包括數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、開度校正模塊、數(shù)據(jù)存取模塊；上位機軟件包括數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和數(shù)據(jù)管理模塊，總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 校正系統(tǒng)總體設(shè)計Fig.1 Overall design of calibration system

3.1 上位機軟件設(shè)計

Mathworks 公司推出的Matlab App Designer 開發(fā)工具，由于能夠方便調(diào)用Matlab 功能函數(shù)進行數(shù)據(jù)分析、處理和圖形顯示[11]，因此上位機軟件開發(fā)采用MATLAB R2019a 內(nèi)部集成的App Designer 開發(fā)工具，上位機總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 校正系統(tǒng)的上位機界面圖Fig.2 PC interface of calibration system

3.1.1 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊主要完成期望流量特性設(shè)置和開度校正數(shù)據(jù)計算，如圖2區(qū)域（1）所示。按照表1選擇需要的流量特性及相關(guān)參數(shù)配置便可獲得期望流量特性；根據(jù)導(dǎo)入的工作流量數(shù)據(jù)和式（4）便可計算出開度校正數(shù)據(jù)；同時生成校正數(shù)據(jù)指令，格式見數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。

3.1.2 數(shù)據(jù)收發(fā)模塊

數(shù)據(jù)收發(fā)模塊是采用RS-232 串口通訊方式與下位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，上位機界面如圖2區(qū)域（2）所示，具體包括串口通信通道的建立、校正數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收、實際開度和校正開度數(shù)據(jù)的接收。數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送采用操作指令實現(xiàn)，如表2所示。校正數(shù)據(jù)發(fā)送指令中每個“XX”為16 進制表示的單字節(jié)數(shù)據(jù)，每個開度校正數(shù)據(jù)采用2 個字節(jié)表示，前一字節(jié)表示數(shù)據(jù)整數(shù)部分、后一字節(jié)表示兩位小數(shù)部分；末尾為校驗位，定義為所有校正數(shù)據(jù)求和后對100 求余。

表2 操作指令集Tab.2 Operation instruction set

3.1.3 數(shù)據(jù)顯示模塊

數(shù)據(jù)顯示模塊包含流量特性、校正數(shù)據(jù)的圖形及數(shù)據(jù)表顯示，如圖2區(qū)域（3）所示。具體功能有期望流量特性曲線繪制、工作流量特性離散數(shù)據(jù)散點圖繪制、校正數(shù)據(jù)散點圖繪制及對應(yīng)數(shù)據(jù)表格顯示。

3.1.4 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊主要包括工作流量特性數(shù)據(jù)導(dǎo)入、期望流量特性數(shù)據(jù)、校正數(shù)據(jù)及測試數(shù)據(jù)的選擇及保存功能，如圖2區(qū)域（4）所示。導(dǎo)入或?qū)С鰯?shù)據(jù)文件格式為“.xls”文件。

3.2 下位機軟件設(shè)計

目前，調(diào)節(jié)閥執(zhí)行控制器采用的微處理器絕大部分為自帶AD 的STM32 或普通51 單片機，因此下位機軟件設(shè)計采用Keil uVision4 開發(fā)工具。

3.2.1 數(shù)據(jù)收發(fā)模塊

下位機數(shù)據(jù)收發(fā)模塊功能包括接收上位機下發(fā)的操作指令并響應(yīng)操作指令向上位機發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)，其流程如圖3所示。

圖3 下位機數(shù)據(jù)收發(fā)流程Fig.3 Data transmitting and receiving flow chart of MCU

上傳數(shù)據(jù)類型及格式如表3所示，數(shù)據(jù)表示方式與上位機數(shù)據(jù)指令格式類似，首位為數(shù)據(jù)類型標(biāo)識位，中間部分為數(shù)據(jù)位和校驗位，末尾為串口事件回調(diào)標(biāo)志位“～”。

表3 下位機發(fā)送的數(shù)據(jù)格式Tab.3 Format of data transmitted by MCU

3.2.2 校正函數(shù)模塊

校正函數(shù)模塊功能是根據(jù)調(diào)節(jié)閥實際相對開度和期望開度算法實時計算期望相對開度，與給定期望相對開度比較進行調(diào)節(jié)閥開度控制，期望開度算法已在2.2 節(jié)進行了詳細敘述。

3.2.3 數(shù)據(jù)存取模塊

為保證硬件掉電重啟后校正數(shù)據(jù)不丟失，需要對上位機下發(fā)的校正數(shù)據(jù)進行掉電存儲和上電讀取，數(shù)據(jù)存取流程如圖4所示。數(shù)據(jù)存儲硬件為單片機內(nèi)置的EEPROM 存儲器。下位機每次上電讀取開度校正數(shù)據(jù)，每次接收到開度校正數(shù)據(jù)后進行存儲。

圖4 校正數(shù)據(jù)的存取流程Fig.4 Calibration data reading and writing flow chart

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試下位機采用自研的直行程調(diào)節(jié)閥執(zhí)行控制器，如圖5所示?？刂破鬈浻布O(shè)計參考文獻[12]，具備閥位上/下限位自檢、控制/反饋信號采集及處理、閥位調(diào)節(jié)控制和閥位控制/反饋信號顯示等功能。系統(tǒng)測試依托該調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器軟硬件，增加校正系統(tǒng)下位機各功能模塊，與上位機建立串口通信通道并開展測試工作。上位機與下位機通信以及下位機程序燒錄采用USB 轉(zhuǎn)串口連接器（CH340模塊）。

圖5 調(diào)節(jié)閥控制器實物圖Fig.5 Photograph of electric valve controller

4.1 數(shù)據(jù)處理功能測試

點擊導(dǎo)入“工作流量特性數(shù)據(jù)”按鈕后選擇工作流量特性數(shù)據(jù).xls 文件導(dǎo)入工作流量特性數(shù)據(jù)，如圖6散點圖和表格所示；流量特性設(shè)置為線性，可調(diào)范圍設(shè)置為100 后自動生成期望流量特性曲線，如圖6實線所示，可見工作流量數(shù)據(jù)導(dǎo)入和期望流量特性設(shè)置功能正常。

圖6 流量特性數(shù)的據(jù)導(dǎo)入和設(shè)置Fig.6 Import and setting of flow characteristic data

根據(jù)導(dǎo)入和工作流量特性數(shù)據(jù)和設(shè)置好的期望流量特性數(shù)據(jù)，單級“生成開度校正數(shù)據(jù)”后，生成的開度校正數(shù)如圖7散點圖和表格所示；同時生成校正數(shù)據(jù)發(fā)送指令，如圖7發(fā)送文本框數(shù)據(jù)所示。

圖7 開度校正數(shù)據(jù)生成Fig.7 Generation of opening calibration data

4.2 數(shù)據(jù)交互功能測試

配置串口參數(shù)并打開串口后，發(fā)送圖7自動生成的開度校正數(shù)據(jù)指令（發(fā)送文本框）。下位機接收數(shù)據(jù)完成后自動上傳接收到的開度校正數(shù)據(jù)，如圖8接收文本框所示，可見下發(fā)數(shù)據(jù)與上傳數(shù)據(jù)完全一致，說明校正數(shù)據(jù)下發(fā)功能工作正常。

圖8 開度校正數(shù)據(jù)下發(fā)Fig.8 Transmission of opening calibration data

在獲取類型下拉框選擇“校正獲取”后，在發(fā)送文本框中自動生產(chǎn)校正數(shù)據(jù)獲取指令，發(fā)送該指令后在接收文本中接收到下位機上傳的開度校正數(shù)據(jù)，如圖9所示?？梢钥闯觯摂?shù)據(jù)與圖8下發(fā)的數(shù)據(jù)完全一致，說明開度數(shù)據(jù)讀取功能正常。

圖9 開度校正數(shù)據(jù)讀取Fig.9 Reading of opening calibration data

為測試閥門執(zhí)行器開度校正功能，閥門執(zhí)行器上電后，設(shè)置控制信號為最小值（2 V 或4 mA），使閥門執(zhí)行器閥桿運行至下限位，對應(yīng)開度為0%；選擇開度獲取指令并選擇自動發(fā)送方式；然后快速將控制信號設(shè)定為最大值（10 V 或20 mA），此時閥門執(zhí)行器閥桿開始從下限位向上限位運動，下位機不斷回傳執(zhí)行器實際開度數(shù)據(jù)和校正開度數(shù)據(jù)，如圖10所示。可以看出，回傳的校正開度數(shù)據(jù)（圓點）和下發(fā)到下位機的開度校正數(shù)據(jù)（圓圈）完全一致，說明開度校正算法及開度數(shù)據(jù)讀取功能工作正常。

圖10 校正系統(tǒng)測試結(jié)果Fig.10 Test results of calibration system

5 結(jié)語

本文依據(jù)期望流量特性和工作流量特性的關(guān)系設(shè)計了工作流量特性校正算法，在此基礎(chǔ)上完成了基于串口通信的調(diào)節(jié)閥校正系統(tǒng)上、下位機的軟件設(shè)計，實現(xiàn)了校正數(shù)據(jù)的計算、顯示和存儲以及上下位機間校正數(shù)據(jù)的交互。最后對校正系統(tǒng)進行了測試。測試結(jié)果表明，該校正系統(tǒng)可準(zhǔn)確實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥工作流量特性的校正，且操作簡單，證明了基于調(diào)節(jié)閥執(zhí)行控制器的流量特性校正技術(shù)方案的可行性，為開發(fā)功能完備、使用簡單經(jīng)濟的調(diào)節(jié)閥執(zhí)行控制器提供一定的技術(shù)參考。