基于仿真技术的调节阀选型教学软件的设计

   在调节阀选型的环节中，由于经济和空间等因素的限制，用户不可能对所有调节阀进行试验，而且用户选择了自己认为适合的调节阀后，并不清楚该阀门应用在具体工况中的输入-输出特性的效果，这就造成了调节阀选型及教学的困难。本文研究的调节阀选型软件基于仿真技术，在为用户提供选型步骤及数据的同时能够更加直观地为用户提供所选调节阀的样式、特性及其在特定工况中的输入-输出关系曲线。另外，为了让用户能够更方便地了解实际工况中故障的产生原理及现象，本系统还增加了故障仿真环节。
1 仪表选型软件的设计
　本系统研究的意义在于为用户提供选型方法和选择众多厂家各系列的数据，在软件上实现对调节阀型号的选择及对所选阀门进行动态分析等。该选型软件的主要功能如图1所示。

　软件平台的设计类图如图2所示。

2 初步选型
    用户进入选型系统后首先对仪表厂家、阀门类型以及阀门型号进行选择。之后用户可以针对所选厂家的所选型号进行具体的调节阀定制，这两个步骤构成了调节阀的初步选型。这两步均有可显示的帮助信息，用户可以根据该帮助信息进行筛选。
3 输入输出曲线的实现
　调节阀输入与输出特性仿真曲线的实现对调节阀选型教学方面有着重要意义，用户根据选定工况下输出曲线的情况，可以直观判断出所选调节阀的优劣程度。而调节阀仿真技术是得到输入输出曲线的关键。仿真可以理解为运用物理模型或数学模型代替实际系统进行试验和研究。过程系统与数学模型的关系称为建模，数学模型与仿真机之间的关系称为仿真[1]。本文对调节阀的仿真研究包括执行机构的仿真和阀体的仿真，执行机构的仿真又包括气动执行机构的仿真和电动执行机构的仿真。
3.1 气动执行机构的数学模型
　气动执行机构通常会与阀门定位器配套使用，对气动执行机构的研究包括阀门定位器和执行机构两部分。阀门定位器又分为气动阀门定位器和电-气动阀门定位器两种方式。
3.1.1 气动阀门定位器与气动执行机构的数学模型
　气动阀门定位器与气动薄膜执行机构配套使用，是气动调节阀组合单元的一个主要配套件。从气动遥控板输出0.02～0.10 MPa的气动模拟信号，经气动阀门定位器将输出一个气动操作信号驱动执行机构动作，以此控制气动调节阀的行程，通过阀门位置反馈，从而使气动遥控板输出的控制信号与阀门的行程对应关系成比例，实现正确定位。气动阀门定位器输入量P与气动阀输出量L的关系式为：

3.1.2 电-气动阀门定位器与气动执行机构的数学模型
　电-气动阀门定位器与气动薄膜执行机构配套使用，定位器将4~20 Am的标准信号转换为0.2~1 Pa的标准气压信号，去改变气动执行机构阀杆位移，阀杆位移又通过机械反馈部分反馈至定位器的输入端，从而形成一个具有负反馈的闭环系统[2-3]。电-气动阀门定位器与前面介绍的气动阀门定位的区别在于输入信号的装置不同。气动阀门定位器输入压力信号的装置为波纹管，而电-气动阀门定位器输入压力信号的装置为力矩电动机，由此引出的两种定位器的输入力矩不同。基于前者的输入输出关系函数，将气动阀门定位器的输入信号至输出力矩部分式(1)转变为电-气动阀门定位器的输出力矩式(2)，即可得到该类型的输入量I与气动阀输出量L的关系式如式(3)：

3.3 阀体的仿真
　阀体部分的流量特性曲线分为四种：线性、快开、抛物线、等百分比。而阀门的流量特性主要与阀芯的形状及厂商的制造工艺有关[2]，故引用的函数是由厂家给出的流量特性曲线经过取点再插值所得的。  
3.4 执行机构与阀体联合实现仿真的方法
　将调节阀执行机构部分与阀体部分的仿真联系在一起得到整体的仿真函数，如图6所示。由于(l，Q)曲线由厂家提供，故l与Q为已知值，而Ii为输入值，故由l=f(Ii)在取一定步长的情况下，由Ii可得出l，再通过(l，Q)曲线查出Q的值，由此便得到点集(Ii，Q)。得出最终输入输出曲线如图7所示(以上海自动化仪表有限公司48-41000系列为例)。

4 调节阀故障的仿真
　为了让用户能够更真切地了解实际工矿中故障的产生原理及现象，以达到防微杜渐的目的，本文特增加了故障仿真环节。在完成对调节阀的输入与输出关系的仿真的基础上，对调节阀进行故障仿真。本系统中故障主要是源于仿真参数的变化，当调节阀内某一器件损坏或者磨损时其对应的常量必然会发生改变，也就导致该调节阀的传递函数改变，最终体现在输入输出曲线上，也就形成了相应的故障。
　本软件研究的各种调节阀在其他参数一定的情况下变量与故障之间的关系(部分)如表1所示。例如当设置故障为波纹管损坏，则参数变小，其故障表现在曲线上为输入输出曲线的斜率减小。
　本系统在对调节阀选型过程中，实现了：(1)用户在有帮助或无帮助情况下学习调节阀选型或自行测试。(2)用户可对所选调节阀进行不同介质下的试验，并形成输入电流、电压或压力与输出流量之间的关系曲线。(3)用户设置故障并观察故障现象曲线。本选型系统可以起到很好的教学作用，具有经济、快捷、安全等优点，并且与实际生产联系紧密，对故障起到警示作用。
参考文献
[1] 吴重光．PSE过程系统仿真技术[M]．北京：中国石化出版社，1998．
[2] 吴国熙．调节阀使用与维修[M]．北京：化学工业出版社，1998，9(5)：209-213．
[3] 孙洪程，李大字，翁维勤．过程控制工程[M]．北京：高等教育出版社，2006．
[4] 何衍庆，邱宣振，杨洁，等．控制阀工程设计与应用[M]．北京：化学工业出版社，2005.