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：
（2）
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：
（4）
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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量誤差都較大。
修正后，實(shí)驗(yàn)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)曲線如圖4、圖5所示。星形點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)所測(cè)的行程值，實(shí)線為所測(cè)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(cè)流量特性曲線
圖5 修正后理論與實(shí)測(cè)流量特性曲線
各實(shí)測(cè)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)。