基于App Designer的調節閥流量特性校正系統設計

張曉榮，徐善智，喬凌霄，蔣衛東

（山西能源學院 電氣與控制工程系，榆次 030600）

調節閥作為流體流量控制系統的執行單元，其工作性能的好壞直接影響控制質量的優劣。由于調節閥管路結構的變化或者工作條件的變化，使得閥門壓差發生變化，導致閥門的工作流量特性偏離其期望流量特性發生畸變，嚴重影響控制系統的調節精度[1-2]。解決這一問題的方法主要分為2 種，一種是通過優化設計調節閥閥瓣結構改變調節閥期望流量特性，使其與工作流量特性保持一致[3-4]，然而僅對某一特定工況適用，適用性較差；另外一種方法是在調節閥期望流量特性不變的情況下采用輔助設備校正工作流量特性，使其與期望流量特性保持一致[5-9]，該方法雖然簡單經濟且適用性較強，但需要配備額外輔助設備實現工作流量特校正，增加了成本。

因此，本文基于流量特性校正原理設計僅依托調節閥執行控制器的調節閥流量特性校正系統，通過上位機軟件設計和下位機程序設計，實現流量特性快速、可靠的校正，為開發具有流量特性校正功能的調節閥執行控制器提供一定的技術參考。

1 調節閥的流量特性

典型的期望流量特性有線性、等百分比、快開和拋物線4 種，其流量特性的數學表達式如表1所示[10]。

表1中l=L/Lmax為相對開度，L 為調節閥實際開度，Lmax為調節閥最大開度，r=Qmax/Qmin為調節閥的理想可調范圍，Qmin為調節閥最小開度時的流量，Qmax為調節閥最大開度時的流量，q=Q/Qmax為調節閥相對流量，Q 為調節閥實際流量。

表1 期望流量特性理論模型Tab.1 Theoretical models of ideal flow characteristics

由于工作流量特性受工作環境、壓力損失及壓差變化等許多因素影響，調節閥在實際工況下的流量特性曲線往往偏離期望流量特性曲線而發生畸變且很難用理論公式準確描述，通常采用實驗測量方法來獲取調節閥的工作流量特性。

2 校正原理

2.1 校正算法

通過校正調節閥工作流量特性，可使調節閥獲得期望流量特性，其基本原理如下：

假設工作流量特性為

而期望流量特性為

式中：期望流量特性相對開度l*=L*/Lmax。在F（l）=G（l*）約束條件下便可獲得兩種流量特性相對開度間的函數關系，即校正函數：

由于工作流量特性是通過測量相對開度及其對應的相對流量獲得的一系列離散數據，因此依據工作流量特性計算出的校正函數也為離散數據，可以表示為

式中：lk和qk分別為工作流量特性的第k 個相對開度和相對流量測量數據；lk*為期望流量特性相對流量為qk時對應的相對開度數據。

2.2 期望開度算法

在調節閥流量調節過程中，需要依據校正函數實時計算實際相對開度對應的期望相對開度，與給定期望相對開度比較，實現調節閥流量的準確調節。考慮到校正函數是單調遞增函數，因此開度算法采用查表法和插值法。計算方法如下：

（1）利用查表方法確定實測流量特性相對開度l 所在的離散數據區間，滿足lk＜l≤lk+1，對應的期望流量特性相對開度l*滿足

（2）由于校正函數在相鄰兩離散點間近似為線性關系，因此采用線性插值算法，便可計算出期望流量特性相對開度。

3 校正系統設計

校正系統由上位機軟件和下位機軟件兩部分組成，其中下位機軟件包括數據收發模塊、開度校正模塊、數據存取模塊；上位機軟件包括數據收發模塊、數據處理模塊、數據顯示模塊和數據管理模塊，總體設計如圖1所示。

圖1 校正系統總體設計Fig.1 Overall design of calibration system

3.1 上位機軟件設計

Mathworks 公司推出的Matlab App Designer 開發工具，由于能夠方便調用Matlab 功能函數進行數據分析、處理和圖形顯示[11]，因此上位機軟件開發采用MATLAB R2019a 內部集成的App Designer 開發工具，上位機總體結構如圖2所示。

圖2 校正系統的上位機界面圖Fig.2 PC interface of calibration system

3.1.1 數據處理模塊

數據處理模塊主要完成期望流量特性設置和開度校正數據計算，如圖2區域（1）所示。按照表1選擇需要的流量特性及相關參數配置便可獲得期望流量特性；根據導入的工作流量數據和式（4）便可計算出開度校正數據；同時生成校正數據指令，格式見數據收發模塊。

3.1.2 數據收發模塊

數據收發模塊是采用RS-232 串口通訊方式與下位機實現數據交互，上位機界面如圖2區域（2）所示，具體包括串口通信通道的建立、校正數據的發送和接收、實際開度和校正開度數據的接收。數據的接收和發送采用操作指令實現，如表2所示。校正數據發送指令中每個“XX”為16 進制表示的單字節數據，每個開度校正數據采用2 個字節表示，前一字節表示數據整數部分、后一字節表示兩位小數部分；末尾為校驗位，定義為所有校正數據求和后對100 求余。

表2 操作指令集Tab.2 Operation instruction set

3.1.3 數據顯示模塊

數據顯示模塊包含流量特性、校正數據的圖形及數據表顯示，如圖2區域（3）所示。具體功能有期望流量特性曲線繪制、工作流量特性離散數據散點圖繪制、校正數據散點圖繪制及對應數據表格顯示。

3.1.4 數據管理模塊

數據管理模塊主要包括工作流量特性數據導入、期望流量特性數據、校正數據及測試數據的選擇及保存功能，如圖2區域（4）所示。導入或導出數據文件格式為“.xls”文件。

3.2 下位機軟件設計

目前，調節閥執行控制器采用的微處理器絕大部分為自帶AD 的STM32 或普通51 單片機，因此下位機軟件設計采用Keil uVision4 開發工具。

3.2.1 數據收發模塊

下位機數據收發模塊功能包括接收上位機下發的操作指令并響應操作指令向上位機發送相應數據，其流程如圖3所示。

圖3 下位機數據收發流程Fig.3 Data transmitting and receiving flow chart of MCU

上傳數據類型及格式如表3所示，數據表示方式與上位機數據指令格式類似，首位為數據類型標識位，中間部分為數據位和校驗位，末尾為串口事件回調標志位“～”。

表3 下位機發送的數據格式Tab.3 Format of data transmitted by MCU

3.2.2 校正函數模塊

校正函數模塊功能是根據調節閥實際相對開度和期望開度算法實時計算期望相對開度，與給定期望相對開度比較進行調節閥開度控制，期望開度算法已在2.2 節進行了詳細敘述。

3.2.3 數據存取模塊

為保證硬件掉電重啟后校正數據不丟失，需要對上位機下發的校正數據進行掉電存儲和上電讀取，數據存取流程如圖4所示。數據存儲硬件為單片機內置的EEPROM 存儲器。下位機每次上電讀取開度校正數據，每次接收到開度校正數據后進行存儲。

圖4 校正數據的存取流程Fig.4 Calibration data reading and writing flow chart

4 系統測試

系統測試下位機采用自研的直行程調節閥執行控制器，如圖5所示。控制器軟硬件設計參考文獻[12]，具備閥位上/下限位自檢、控制/反饋信號采集及處理、閥位調節控制和閥位控制/反饋信號顯示等功能。系統測試依托該調節閥執行器軟硬件，增加校正系統下位機各功能模塊，與上位機建立串口通信通道并開展測試工作。上位機與下位機通信以及下位機程序燒錄采用USB 轉串口連接器（CH340模塊）。

圖5 調節閥控制器實物圖Fig.5 Photograph of electric valve controller

4.1 數據處理功能測試

點擊導入“工作流量特性數據”按鈕后選擇工作流量特性數據.xls 文件導入工作流量特性數據，如圖6散點圖和表格所示；流量特性設置為線性，可調范圍設置為100 后自動生成期望流量特性曲線，如圖6實線所示，可見工作流量數據導入和期望流量特性設置功能正常。

圖6 流量特性數的據導入和設置Fig.6 Import and setting of flow characteristic data

根據導入和工作流量特性數據和設置好的期望流量特性數據，單級“生成開度校正數據”后，生成的開度校正數如圖7散點圖和表格所示；同時生成校正數據發送指令，如圖7發送文本框數據所示。

圖7 開度校正數據生成Fig.7 Generation of opening calibration data

4.2 數據交互功能測試

配置串口參數并打開串口后，發送圖7自動生成的開度校正數據指令（發送文本框）。下位機接收數據完成后自動上傳接收到的開度校正數據，如圖8接收文本框所示，可見下發數據與上傳數據完全一致，說明校正數據下發功能工作正常。

圖8 開度校正數據下發Fig.8 Transmission of opening calibration data

在獲取類型下拉框選擇“校正獲取”后，在發送文本框中自動生產校正數據獲取指令，發送該指令后在接收文本中接收到下位機上傳的開度校正數據，如圖9所示。可以看出，該數據與圖8下發的數據完全一致，說明開度數據讀取功能正常。

圖9 開度校正數據讀取Fig.9 Reading of opening calibration data

為測試閥門執行器開度校正功能，閥門執行器上電后，設置控制信號為最小值（2 V 或4 mA），使閥門執行器閥桿運行至下限位，對應開度為0%；選擇開度獲取指令并選擇自動發送方式；然后快速將控制信號設定為最大值（10 V 或20 mA），此時閥門執行器閥桿開始從下限位向上限位運動，下位機不斷回傳執行器實際開度數據和校正開度數據，如圖10所示。可以看出，回傳的校正開度數據（圓點）和下發到下位機的開度校正數據（圓圈）完全一致，說明開度校正算法及開度數據讀取功能工作正常。

圖10 校正系統測試結果Fig.10 Test results of calibration system

5 結語

本文依據期望流量特性和工作流量特性的關系設計了工作流量特性校正算法，在此基礎上完成了基于串口通信的調節閥校正系統上、下位機的軟件設計，實現了校正數據的計算、顯示和存儲以及上下位機間校正數據的交互。最后對校正系統進行了測試。測試結果表明，該校正系統可準確實現調節閥工作流量特性的校正，且操作簡單，證明了基于調節閥執行控制器的流量特性校正技術方案的可行性，為開發功能完備、使用簡單經濟的調節閥執行控制器提供一定的技術參考。