Исследование методов выбора теории характеристик расхода регулирующего клапана

Thread Content

Исследование методов выбора теоретических характеристик расхода регулирующего клапана 1. На этапе проектирования системы управления правильный выбор характеристик расхода регулирующего клапана является важной технической задачей, которую необходимо решить; это способствует значительному улучшению качества регулирования системы. Судя по имеющейся литературе, методы выбора теории все еще находятся в стадии исследования; в проектировании для решения проблемы выбора в основном применяются эмпирические критерии. Однако эмпирические критерии, приводимые в различных источниках, не всегда совпадают, и некоторые из них не четко определяют область своего применения. Например, в случае распространенной системы управления температурой на выходе из теплообменника выводы относительно выбора между теплоотдачей с фазовыми превращениями и без них не всегда совпадают. Если не понимать выбранную теорию и механически применять эмпирические критерии, это может привести к ошибке в выборе. Поэтому крайне важно изучить выбранную теорию и методы. Рисунок 1. Блок-схема системы управления с одноканальной обратной связью. Из рисунка 1 видно, что когда регулятор настроен, Kc является константой. Теоретическое обоснование для этого заключается в том, что Ko = Kv·Kp·Km ≈ константа (1). Здесь: Ko, Kv, Km — это коэффициенты усиления соответственно генерального объекта системы, регулирующего клапана, управляемого объекта и датчика-трансмиттера. Анализ формулы (1) с точки зрения выбора: (1) Целью выбора является компенсация Kp и Km с помощью Kv, а также нелинейная коррекция Ko. Если в процессе работы системы не возникает никаких помех, то точки работы Kp и Km остаются неизменными. В таком случае не требуется проводить линейную коррекцию; любой регулирующий клапан с заданными характеристиками расхода будет соответствовать требованиям уравнения (1). Следовательно, при отсутствии помех не возникает проблемы с выбором. При изучении теорий и методов выбора необходимо учитывать факторы помех для оценки их применимости. (2) Выбор производится на основе закономерностей изменения значений Kp и Km под воздействием основных помех в системе; при этом выбирается та закономерность изменения значения Kv под действием данной помехи, которая соответствует требованиям, указанным в формуле (1). Поскольку закономерности изменения Km определяются внутренней функциональной связью между сигналами входа и выхода самого датчика-трансмиттера, они не зависят от факторов помех. Следовательно, ключ к решению проблемы выбора заключается в определении и понимании закономерностей изменения Kv и Kp под действием основных факторов помех в системе. (3) Судя по существующим методам выбора из различных теорий, по сути используются методы качественного анализа для решения проблемы выбора. Поэтому практически важно знать закономерности изменения значения Kv у наиболее часто используемых линейных, логарифмических и клапанов с быстрым регулированием расхода под действием различных факторов помех, чтобы использовать эту информацию в качестве основы для выбора ； Понимание различных распространенных методов выбора теорий и определение возможности и применимости получения закономерностей изменения Kp под воздействием помех будет иметь руководящее значение для проектировщиков при выборе подходящего метода. Согласно вышеизложенному анализу, в теоретических работах, посвященных выбору подходящих регулирующих клапанов, существуют определенные проблемы. В частности, при описании характеристик расхода клапанов и значения Kv уделяется слишком много внимания одной из форм выражения этих характеристик. С точки зрения выбора подходящего клапана, это является предметом для дальнейшего обсуждения ； Приводится лишь закономерность изменения значений Kv для различных клапанов в идеальных условиях работы (то есть при постоянном перепаде давления до и после клапана ΔPv); это используется для выбора клапанов. Область применимости данных данных при наличии возмущений неизвестна ； Не учитывались факторы, могущие повлиять на процесс определения закономерностей изменения Kv, а также на подходящесть выбранного метода. Следовательно, выбор таких вариантов не имеет практического смысла; его необходимо скорректировать и дополнить. Цель данной статьи — решить вышеуказанные проблемы; далее будет рассмотрено, что говорится в литературе о характеристиках расхода через клапан и о показателе Kv ； Начиная с рассмотрения характеристик расхода через клапан и четырех способов выражения значения Kv, на основе полученных формул, выражающих значение Kv для каждого клапана с использованием переменных Q/Qmax, Q, C/Cmax или C, определяются закономерности изменения значения Kv у клапанов с линейными, логарифмическими или быстроразвертывающимися характеристиками расхода под воздействием внешних факторов. Также указывается диапазон применения таких клапанов ； Обоснование целесообразности определения закономерностей изменения Kp под воздействием помех, а также применимости выбранного метода. 2. Рассмотрение в литературе характеристик расхода через клапан и значения Kv. 2.1 Анализ состояния соответствующих переменных под действием помех. Для удобства дальнейшего обсуждения необходимо сначала понять состояние этих переменных при наличии помех. Уравнения расхода клапана при определенном угле открытия или при полном открытии имеют вид: (2) и (3). В этих уравнениях: g — ускорение свободного падения, является постоянной величиной ； ρ — плотность, для непроницаемой жидкости p является постоянной величиной ； Пропускная способность клапана C ； Cmax — это максимальная пропускная способность регулирующего клапана; по сути, это значение C при максимальном расходе жидкости в системе, рассчитанном на основе технологических параметров. В стандартных сериях продукции клапанов инженеры выбирают такое значение номинальной пропускной способности Cg, которое будет постоянным. Следовательно, Cmax также является постоянной величиной. Независимо от того, используются ли критерии, основанные на опыте, или теоретические методы, обычно среди множества факторов помех выбирается тот, который встречается чаще всего и оказывает наибольшее влияние на контролируемую переменную y; его рассматривают в качестве основного фактора помех для системы. Остальные, менее значимые факторы помех считаются постоянными величинами. Существует множество форм помех; их можно в общем случае рассматривать как два типа: генеральные нагрузки (то есть помехи, не связанные с Δpv) или помехи типа Δpv. Следовательно, согласно уравнениям (2) и (3), можно сказать следующее: (1) Основным фактором помех является нагрузка системы с постоянным значением; второстепенные факторы помех, такие как Δpv, могут рассматриваться как константы ； Qmax — константа ； Cmax является постоянной величиной ； Q, C — переменные. (2) В системе с постоянными значениями основным источником помех является Δpv; второстепенные помехи, такие как нагрузка, могут считаться постоянными величинами ； Δpv — переменная ； Cmax является постоянной величиной ； Из формулы (3) следует, что Qmax∝Δpv, то есть Qmax является функцией от этих переменных ； Состояние Q можно проанализировать следующим образом: поскольку заданное значение X является константой, согласно принципам баланса материалов или энергии в процессе технологической обработки, а также с учетом процессов регулирования системы, изменения, вызванные воздействием фактора Δpv, быстро компенсируются изменением степени открытия клапанов. В устойчивом состоянии системы значение Q остается прежним — равным значению, которое имело место до появления воздействия фактора Δpv. Следовательно, Q можно считать константой ； C изменяется в зависимости от степени открытия клапана, поэтому C является переменной. Вышеизложенные выводы будут использоваться в дальнейшем обсуждении в качестве известных предпосылок. 2.2. Рассматриваемые в литературе способы описания характеристик расхода у клапанов обычно заключаются в определении функциональной зависимости между относительным расходом жидкости через клапан Q/Qmax и относительным перемещением штока клапана L/Lmax. Формула определения: Q/Qmax = f(L/Lmax) (4). Характеристики расхода для различных клапанов, а также значение Kv, могут быть представлены в таблице 1. Таблица 1. Зависимость параметра Kv от характеристик расхода.
Для линейных клапанов: K – это константа, то есть коэффициент усиления регулирующего клапана.
Для логарифмических клапанов: Kv∝Q; значение Kv увеличивается по мере увеличения расхода.
Для клапанов с быстрым открытием: Kv∝1/Q; значение Kv уменьшается по мере увеличения расхода.
В таблице K представляет собой пропорциональную константу. Для линейных клапанов K=1-1/R; для логарифмических клапанов K=lnR; для клапанов с быстрым открытием K=(1-1/R²)/2 ； R — идеальный диапазон регулировки клапана, R=Qmax/Qmin=Cmax/Cmin=30. Кривые идеальных характеристик расхода для различных клапанов, упомянутые в литературе, приведены на рисунке 2. 1: Быстро откройте ； 2: прямая линия ； 3: Логарифмическая диаграмма. Рисунок 2. Идеальные характеристики расхода. Анализируя определение характеристик расхода клапана, приведенное в литературе, можно сказать, что они описываются с помощью функциональной зависимости между двумя относительными безразмерными величинами – Q/Qmax и L/Lmax. По сути, это позволяет описать относительные характеристики расхода клапана. Следовательно, уравнение (4) следует точно называть формулой определения относительных характеристик расхода клапана ； На рисунке 2 следует четко обозначить кривые идеальных характеристик относительного расхода для каждого клапана ； На кривой на рисунке 2 проводятся касательные к отдельным точкам; изменение их угла наклона отражает закономерности изменения относительного коэффициента усиления каждого клапана, выражаемого через Q/Qmax (обозначаемого как K’VQ) ； Математическое выражение касательной, то есть формула, определяющая относительный коэффициент увеличения клапана, имеет вид K’VQ = d(Q/Qmax) / d(L/Lmax) (5). Следовательно, выражение характеристик расхода, приведенное в таблице 1, следует называть именно относительными характеристиками расхода регулирующего клапана. Из формулы (5) следует, что это и есть выражения K’VQ для каждого клапана (см. таблицу 2). Они отражают закономерности изменения значений K’VQ для каждого клапана в идеальных условиях работы, причем эти значения выражаются через Q/Qmax. Из формулы (3) видно, что в идеальных условиях Qmax является константой. Следовательно, закономерности изменения значений K’VQ для каждого клапана можно выразить в виде коэффициентов усиления K, которые также выражаются через величину Q, как указано в таблице 1. Следовательно, в таблице 1 приведена форма закона изменения Kv. Следовательно, закон изменения K, приведенный в таблице 1, по сути проистекает из закона изменения K’VQ для отдельных клапанов, причем он справедлив при идеальных условиях работы. Следовательно, закономерности изменения Kv для различных клапанов, приведенные в таблице 1, используются для выбора, но область их применимости не ясна; необходимо четко определить диапазон воздействия помех. (1) Основным источником помех является нагрузка системы с постоянным значением: при известном Δpv значение Qmax можно считать константой. Это соответствует условиям, при которых действуют закономерности изменения значений K’VQ или KV для различных клапанов, описанные в предыдущем анализе; поэтому это можно использовать при выборе подходящих решений. (2) Система с постоянным значением Δpv является основным источником помех ； Известно, что Δpv и Qmax являются переменными, которые не соответствуют условиям, предусмотренным для законов изменения значений K’VQ или KV у различных клапанов; кроме того, рисунок 2 также не соответствует этим условиям. Поэтому его нельзя использовать для выбора подходящего решения. Следовательно, с точки зрения выбора, таблица 1 должна выглядеть, как показано в таблице 2. Таблица 2. Зависимость значений K’VQ при нарушении нагрузки. Зависимость значения Kv при нарушении нагрузки.
У линейных клапанов: K’VQ = K – постоянная величина, не зависит от изменений нагрузки; Kv также является постоянной величиной и не зависит от изменений Q.
У логарифмических клапанов: значение Kv увеличивается от малых к большим значениям; Kv ∝ Q.
У клапанов с быстрым открытием: значение Kv уменьшается от больших к малым значениям