自動控制閥門的控制理論研究

羅華明

（杭州菲榭爾科技有限公司，浙江杭州 311400）

0.引言

當(dāng)前我國工業(yè)中應(yīng)用自動控制閥門非常廣泛。自動控制閥門在各行業(yè)的應(yīng)用中起著十分關(guān)鍵的控制作用。例如，在機(jī)械設(shè)備的加工過程中應(yīng)用自動控制閥門，它可以將流體速度控制得十分精準(zhǔn)，有效對工作過程中流體的速度、壓力進(jìn)行實時調(diào)節(jié)和分析，使得機(jī)械加工技術(shù)提高一個層次，更加增強(qiáng)了機(jī)械加工的穩(wěn)定性、可靠性[1]。

1.自動控制閥門的應(yīng)用現(xiàn)狀及優(yōu)勢

自動控制閥門的應(yīng)用范圍很廣，尤其是在機(jī)械構(gòu)建中，它是一種能夠進(jìn)行自我調(diào)節(jié)的重要部件。通過使用自動控制閥門，可以將大型的機(jī)械設(shè)備中的流體進(jìn)行靈活的節(jié)流、導(dǎo)流、分流等諸多控制，最終達(dá)到自如控制、使用機(jī)械加工中所用液體的目的，進(jìn)而提高機(jī)械加工的整體工作效率。

比如在現(xiàn)代的機(jī)械加工過程中，天然氣、水蒸氣、液體等都是在加工過程中必不可少的物料。當(dāng)前階段國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的閥門主要有3種形式：真空類閥門、截斷類閥門、特殊類閥門。真空類閥門一般應(yīng)用于液體控制加工過程中。截斷類閥門一般應(yīng)用于機(jī)械生產(chǎn)過程中的接通、斷開控制。特殊類閥門應(yīng)用場景一般都是特殊環(huán)境，如單閥門控制下的雙向管道、污水處理系統(tǒng)等。

自動控制閥門無須人為操作即可實現(xiàn)對氣體、液體等的流量控制，它是一種先進(jìn)的閥門裝置。與傳統(tǒng)手工控制閥門相比，自動控制閥門具有諸多優(yōu)點：（1）在閥門運行期間，電能消耗較低，既安全又節(jié)約能源；（2）自動控制閥門的安裝工藝并不復(fù)雜，使用起來也十分方便；（3）自動控制閥門在使用過程中，無須工作人員進(jìn)行人為操作控制，將人力資源大大節(jié)約；（4）自動控制閥門的生產(chǎn)工藝簡單，成本較低，且生產(chǎn)材料充足，并不是稀缺資源；（5）自動控制閥門的技術(shù)很先進(jìn)，運行可靠性高[2]。

閥門裝置對于流體使用、加工的生產(chǎn)企業(yè)而言，作用十分重要。在流體控制系統(tǒng)中，閥門裝置控制的自動運行將會給工作帶來極大的便利，具有十分重要的意義。簡言之，流體系統(tǒng)從本質(zhì)上看，其實是一種管道系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，液體在管道內(nèi)部流動傳遞，運動的力主要是靠重力以及壓力。在重力、壓力驅(qū)動下，液體順利在管道內(nèi)流轉(zhuǎn)。在實際工作過程中，設(shè)置閥門裝置可將液體的運動模式進(jìn)行改變，從而實現(xiàn)對流體的控制。自動控制閥門可對流體實行全過程的監(jiān)視、控制，還具有截流、分流、導(dǎo)流、溢流泄壓、節(jié)流等多種功能[3]。

在市面上流通的閥門具有多種類型，這些類型各異的閥門不管是在技術(shù)水平上，還是在質(zhì)量上，其間的差異都十分明顯。這些閥門當(dāng)中既包含有結(jié)構(gòu)簡單的截止閥，還包含了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的自動控制閥門[4]。大型流體利用企業(yè)中自動控制閥門是非常重要的環(huán)節(jié)，它是企業(yè)生產(chǎn)過程中十分重要的節(jié)點控制系統(tǒng)。未來自動控制閥門的發(fā)展趨勢是與數(shù)字化信息系統(tǒng)、電子感應(yīng)相結(jié)合，這種發(fā)展趨勢是將來的主流，是流體應(yīng)用企業(yè)中，流體系統(tǒng)運行工作監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點。所以，對自動控制閥門的控制理論研究十分必要，具有重要的現(xiàn)實意義。

2.自動控制閥門的控制原理及設(shè)計要點

現(xiàn)有的自動控制閥門應(yīng)用到的有紅外感應(yīng)技術(shù)、微電子線路等，這些技術(shù)成本偏高，某些規(guī)模小、投資不大的微小企業(yè)并不適用[5]。有資料顯示，與自動控制閥門設(shè)計相關(guān)的專利技術(shù)很多，其應(yīng)用原理、應(yīng)用場景都不相同。本文所闡述的是一種成本較低的、結(jié)構(gòu)簡單的自動化控制閥門。該種閥門在控制原理、設(shè)計方案上都相對簡單，對閥門的自動控制功能要求基本也能滿足，其控制原理及設(shè)計要點在下文進(jìn)行闡述。

2.1 自動控制閥門的設(shè)計要點

本文所闡述的自動控制閥門是以生產(chǎn)用水控制閥門為例的。作為本次設(shè)計的目標(biāo)，出水時間設(shè)置為5min為控制的標(biāo)準(zhǔn)值，自動控制功能下所需要實現(xiàn)的控制目標(biāo)設(shè)置為：5min后，自動將出水閥門切斷。想要再次使用，那么就需要工作人員進(jìn)行人工操作來對其進(jìn)行控制。

在該自動控制閥門裝置中，將一個立方體形狀的空腔裝置設(shè)置于管件的進(jìn)水一端。這個空腔裝置主要用于封閉，當(dāng)閥門切斷水流時，空腔裝置便進(jìn)行封閉。在該立方體空腔的下方，將一塊折板用焊接的方式固定在前段的位置。這塊折板的作用是固定傳動銷。在管件的出水口位置附近，一個細(xì)長的、管形的連通器被焊接在該處。在立方體形狀的空腔裝置上端，有細(xì)長方形的槽體設(shè)置在該處。這些槽體用于連接和固定閥門和計時裝置之間存在的圓柱形細(xì)桿。

自動控制閥門的裝置由五部分焊接而成，分別是閥門、手柄、寬方桿、連接用細(xì)桿、細(xì)方桿。傳動銷是折線形的，前端部位跟折線形板孔相配合，折線形板孔是連接在管件上的。計時器設(shè)計為一個圓柱形的空腔裝置，在其前端設(shè)置磁鐵裝置，該裝置具有高磁性，磁力足夠吸引折線形銷，執(zhí)行動作在細(xì)長管連通器內(nèi)執(zhí)行，該連通器位于管件下方。

2.2 自動控制閥門的控制原理

折板、折線銷之間位置設(shè)有一個壓縮彈簧。壓縮彈簧固定于折板與折線銷之間，這樣折線銷就能將閥門頂住。在實際操作過程中，基于工程操作需要，進(jìn)行計時放水時，位于閘門上的半圓環(huán)會被提起，提起后，閘門會被帶動，進(jìn)而執(zhí)行放水的動作。隨著閘門上方的半圓環(huán)被提起的位置逐漸升高，到最頂點時，閘門下方安置的粗長方體桿件最終會將管體頂住。這個時候，壓縮彈簧的壓力會對折線銷產(chǎn)生影響，最終使得該組件嵌入粗細(xì)長方形桿中間的槽體內(nèi)，該槽體呈臺階形。這個時候，該組件會把閘門卡住，可以保證該組件不掉落，同時還能將閥門關(guān)閉。

在這一流程當(dāng)中，水流的流速很快，短時間內(nèi)，水管的前端會有水進(jìn)入，并將其充滿。即在這種情況下，管壁所受到的水的壓力在某特定范圍內(nèi)基本是屬于一致的，而且在短時間內(nèi)，連通器被迅速充滿。因為在整個自動控制閥門系統(tǒng)中，水管、連通器的兩端，它們的連接關(guān)系一致保持，而且兩個連通口的大小是一樣的，也就是說面積一致，水通過的量一樣，所以，在連通器的細(xì)管中的水流可以被視為是靜止的狀態(tài)。采取這種形式，可以有效避免因不同的高度導(dǎo)致的水壓不一致，也避免了水壓差所帶給自動閥門計時器的準(zhǔn)確性的不利影響。而且在細(xì)管內(nèi)充滿水之后，這樣的狀態(tài)下，計時器受到多重的力，有自身重力、水的浮力、管道內(nèi)壁帶給計時器的摩擦阻力等。綜合考量這些力的影響，設(shè)置三個變量控制計時器的運動，使其到細(xì)管后端的時間控制在5min，即變量控制的精準(zhǔn)程度變高，可操作性更強(qiáng)。

當(dāng)計時器上升移動到最后端時，其上方所對應(yīng)的具有高磁性的磁鐵會將折線形銷吸引，然后，折線形銷會脫離彈簧壓力，并進(jìn)一步地發(fā)生位移，之后將閘門釋放開來，自此，整個計時過程就宣告結(jié)束，放水的動作被終止。在此流程后，細(xì)管內(nèi)的水會勻速、緩慢地從下端的通孔排出，使得計時器下落，最終落到最下方，這時一次完整的動作循環(huán)便完成了。

3.結(jié)語

自動控制閥門的應(yīng)用廣泛，對于流體應(yīng)用企業(yè)有著非常巨大的幫助作用。本文所提出的自動控制閥門控制理論及其應(yīng)用實例是一種純機(jī)械部件構(gòu)成的，成本較低的方案。其設(shè)計原理、控制原理都是簡單易懂的，而且經(jīng)過理論分析，在該種方案下，自動控制閥門相關(guān)的控制要求也可以被有效實現(xiàn)。在后續(xù)的研究中，可將理論設(shè)計進(jìn)一步擴(kuò)大范圍，在實踐中進(jìn)行應(yīng)用與嘗試，在自動控制閥門工作實際中進(jìn)行驗證，最終促進(jìn)自動控制閥門理論研究的發(fā)展，促進(jìn)其開發(fā)設(shè)計方案的完善。