氣動薄膜控制閥研究

摘 要：本文對控制閥機械本體構成進行分析，并對控制閥系統運行過程展開動態仿真分析。借鑒氣體減壓器的仿真模型，提出一種適用于氣動薄膜控制閥的有限體積模型，與PID控制算法相結合創建模型，并從結構形式、彈簧范圍、閥門口徑等方面闡述選型要點，由此提高控制閥應用效率。

關鍵詞：氣動薄膜控制閥;閥體選型;動態仿真

引言：在社會經濟持續發展下，能源供應日益緊張，控制閥門在海洋經濟發展領域的地位逐漸提升。控制閥作為流體控制的關鍵元件，國內每年消耗量較大，且元件性能對能源利用情況具有直接影響。以氣動薄膜控制閥為例，應明確機械本體與執行機構，并結合現實需求科學選型，才可將各元件作用充分發揮出來。

1控制閥機械本體構成

從整體來看，調節閥機械本體構成內容較多，以閥體、閥芯、填料、壓板與壓蓋為主，其核心為閥芯。流量曲線的確定不但要充足理論計算，還需要大量試驗加以驗證。在執行機構方面，該機構可被看作氣壓執行器，與氣壓缸較為相似，主要區別在于前者擁有一個薄膜。運行原理是將薄膜與氣缸活塞相連接，當氣源由氣缸下方進入缸內后，可推動薄膜帶動活塞上行;在氣流釋放完畢后，受彈簧作用力影響，活塞帶動閥芯下行。伺服控制元件普遍以定位器形式存在，類型主要分為兩種，一種是角行程，另一種為直行程。大多控制信號為4—20mA，屬于流體控制自動化部件，因國內生產廠家較少，故主要依賴進口。因氣動控制閥普遍在高溫、高壓的惡劣環境下作業，故障發生率較高，對工廠效益與人員安全帶來不良影響。對此，應做好日常維護與檢修工作，引入智能故障診斷技術與實驗驗證法，促進其平穩高效運行[1]。

2控制閥系統工作過程動態仿真

2.1現場數值模型構建

根據氣動薄膜控制閥本體結構，選擇反作用氣開式套筒閥，壓力設定為PN6.4MPa，通徑設定為DN25mm，控制腔內部氣壓強范圍設定為0.02—0.100MPa之間，閥芯行程小于16mm，套筒開設窗口形狀與大小對流量特性具有決定作用，在此基礎上創建有限體積模型，如下：

式中，C1代表的是彈簧剛度;Cm代表的是膜片剛度;x0代表的閥芯充分閉合后膜片壓縮量;x1代表的是彈簧壓縮量;p1代表的是控制氣壓強;p2代表的是低壓腔壓強;Am代表的是膜片內的有效面積;A2代表的是卸荷腔氣體影響下閥芯有效面積;m代表的閥芯質量。

2.2系統選型

（1）結構形式。控制閥結構類型對閥門應用與后期維護具有決定作用，是選型的關鍵所在，要求務必結合具體工況綜合分析，內容如下。在工藝介質方面，應明確工藝介質物理狀態，如氣體、蒸汽、懸浮物等等，由此選出最佳閥門，盡可能減少對閥門造成的沖蝕與磨損;在溫度與壓差方面，介質溫度處于閥工作溫度之內，環境溫度也應與要求相符;壓差應低于閥的允許壓差，如若無法實現，則要站在特殊角度分析或者選擇其他類型閥門;在泄漏量方面，閥門在安裝后便處于長期工作狀態，要求泄露量務必符合工藝要求。個別種類閥門經過長期作業后泄漏量會不斷增加，與泄漏要求嚴格的場合需求不相符合。結合上述因素綜合分析后，最佳閥門類型為碟閥，其次為單座閥、雙座閥，而球閥、隔膜閥的應用相對較少[2]。

（2）彈簧范圍。在氣動控制閥中，彈簧屬于關鍵元件，其作用在于克服氣室壓力反方向運動，可用壓力單位表示，如80—240kPa等，主要是指某閥門從靜止狀態到開始移動，再到走完行程的膜室壓力變化過程。為確保閥門正常關閉，應采用執行機構輸出力克服壓差對閥芯產生的負面影響。對此，膜室壓力先要確保閥門充分閉合，再持續加力，才可將閥芯緊緊壓在閥座上。在控制要求關閥期間，彈簧勢必要克服膜室壓力，才可使閥芯與閥座緊密相連。因執行機構輸出力為彈簧張力、摩擦力以及膜片壓力等結合力。在彈簧選擇期間，應充分借助氣源壓力使閥門穩定下來，提高運行效率。

（3）閥門口徑。對于閥芯為直線、等百分比與其他任意流量特性的各類控制閥來說，其口徑計算方式可歸納為以下方面。按照工藝參數可計算出最小、最大流量時的Cvmin與Cvmax;選擇控制閥流量特性;根據理想流量曲線預定最大流量時的相對開啟度，用K表示，其范圍一般在60—90%之間，再對相對流量進行查詢，計算出最佳狀態下理想流量特性，公式為Cg=Cvmax/G%;根據上述公式預選控制閥標準內的Cg值，再對真實開啟度進行檢驗。綜上，可將閥門口徑計算流程總結為：首先計算出真實相對流量Gmax%=Cvmax/Cg;然后根據計算數值反查曲線獲得真實相對開啟度Kmax%，再結合Gmin=Cvmin/Cg，由此得出Kmin%;當Kmax%值位于60—90%之間時，Kmin%值超過10%，則為合格;最后根據合格狀態下的Cg值計算出控制閥的口徑;如若得到的Kmax%值不在60—90%范圍內，則要重復上述步驟，直至最終結果合格[3]。

2.3PID算法與應用

在負反饋原理基礎上，將離散化后的PID控制算式表示為：

式中，e（n）代表的是第n次采樣期間被控制量的偏差信號;p（n）代表的是薄膜氣室氣壓強信號;Kp代表的是比例系數;Kd代表的是微分系數;Ki代表的是積分系數;其中Ki的計算方式為KpT與Ti的比值，Ti代表的是積分時間常數;T代表的是采樣周期。

本文借鑒氣體減壓器的有限體積模型，將膨脹功納入其中創建變體積氣體容積模型，由此創建可仿真的控制閥流場有限體積模型，并采用PID控制算法進行仿真動態分析。

不考慮管流軸向熱傳導問題，將體積變化產生的膨脹功引入其中，可壓縮流體一維流動守恒類型的能量方程如下：

式中，E代表的是單位體積總能量，A代表的是管道截面積;V代表的是控制體的體積;q代表的是熱流密度;C代表的是管道周長。總能量的計算公式為：

式中，e代表的是單位體積內能;p代表的是壓強;u代表的是流速;

結論：綜上所述，本文先從機械本體、執行機構與伺服控制三方面著手探究氣動控制閥的構成與特點，為執行機構更新優化提供便利，然后借鑒氣體減壓器的仿真模型，提出一種適用于氣動薄膜控制閥的有限體積模型，最后與PID控制算法相結合創建模型，并從結構形式、彈簧范圍、閥門口徑等方面闡述選型要點，促進控制閥的推廣與應用。

參考文獻：

[1]陳陽，高芳，張振鵬，等.氣動薄膜調節閥控制系統工作過程的動態仿真[J].火箭推進，2019，32（006）：28-34.

[2]林振中.氣動薄膜調節閥的選型探討[J].科協論壇，2019，000（010）：108-110.

[3]于東林.氣動溫度薄膜調節閥的設計研究[J].機械工程師，2019（11）：41-42.

作者簡介：

蘇洋（1981年4月-），男，漢族，籍貫：遼寧省大連市，本科，研究方向：工業過程控制用的控制閥。