基于流体物性参数自动匹配的流量阀线性化方法及系统

本发明属于流体流量控制，具体涉及一种基于流体物性参数自动匹配的流量阀线性化方法及系统。

背景技术：

1、在工业温度控制、换热冷却及流体输送系统中，通常需要通过调节流体流量控制换热能力或物料输送量。对于小流量、连续调节以及调节分辨率要求较高的应用，常采用针阀作为流量调节元件。随着电动执行和数字控制技术的发展，可以采用步进电机和丝杆传动机构驱动针阀阀芯运动，通过控制阀芯升程改变阀芯与阀座之间的有效流通面积，实现流量的连续调节。

2、针阀的输出流量与阀芯升程、有效流通面积、阀口流出系数以及流体密度、黏度等因素有关。其中，圆锥形阀芯与阀座之间形成的有效流通面积随阀芯升程呈非线性变化；不同流体的密度和黏度存在差异，流体黏度还会通过流动状态影响阀口流出系数。因此，即使能够准确控制阀芯升程，阀芯升程与实际输出流量之间仍不一定形成线性对应关系。由此可见，针阀流量线性化需要同时处理阀芯升程与有效流通面积之间的几何非线性以及流体雷诺数与阀口流出系数之间的流体特性非线性。

3、针对上述问题，现有技术主要采用三类方案：通过阀芯或流道结构实现流量特性线性化；通过实测标定数据、查表插值或数据纠偏确定阀门开度；在阀端集成流量计算和开度修正功能。

4、对于第一类方法，通过设计特定的阀芯轮廓或流道截面，使有效流通面积随阀芯位移或转角按照预定规律变化；然而，当不同介质均需要获得相近的流量线性特性时，通常需要分别设计或配置不同的阀芯型面，增加了阀芯设计、加工、装配和物料管理工作；对于第二类方法，当介质或工况发生变化后，通常需要补充标定数据、调整换算参数或者重新建立流量与开度关系，工作量大且繁琐；对于第三类方法，其控制过程还需要配置温度和压力检测元件，流量估算和开度调整结果会受到检测误差、历史数据适用性及迭代过程的影响。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种基于流体物性参数自动匹配的流量阀线性化方法及系统。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、基于流体物性参数自动匹配的流量阀线性化方法，方法由设置于流量阀端的步进电机驱动器执行；步进电机驱动器通过通信总线与外部控制设备连接，并根据编码器反馈控制步进电机经传动机构驱动阀芯产生轴向升程；

4、方法包括以下步骤：

5、s1、预设流体参数表；预设阀门与执行机构参数、雷诺数与流出系数关系模型结构参数；

6、s2、获取控制参数并进行有效性检查；

7、s3、调用流体物性并计算当前工况满量程流量；

8、s4、根据归一化流量指令计算目标流量；当归一化流量指令为0时，将机械关闭位置确定为目标位置并进入步骤s7；当归一化流量指令大于0时，进入步骤s5；

9、s5、计算目标雷诺数；根据雷诺数计算流出系数；计算目标有效流通面积；

10、s6、计算阀芯目标升程并换算步进电机目标位置；

11、s7、执行编码器闭环控制，根据步进电机目标位置脉冲和编码器实际位置脉冲之间的偏差控制步进电机运行，使阀芯运动至目标升程对应的位置；阀芯到达目标位置后，步进电机驱动器向步进电机绕组施加保持电流，并返回步进电机运行状态。

12、本发明还包括基于流体物性参数自动匹配的流量阀线性化系统，包括步进电机驱动器、带编码器的步进电机、丝杆螺母传动机构、针阀组件以及外部控制设备；

13、步进电机驱动器包括通信接口、处理器、非易失性存储器和功率驱动电路；

14、通信接口用于接收归一化流量指令、流体编号、阀门前后压差、运行控制指令以及流体参数新增或修改指令；

15、非易失性存储器用于保存流体参数表、阀门与执行机构参数、雷诺数与流出系数关系模型结构参数以及由阀门与执行机构参数中的有关参数计算得到的结构边界结果；

16、处理器用于执行本发明提供的基于流体物性参数自动匹配的流量阀线性化方法；

17、功率驱动电路用于根据处理器生成的目标位置控制步进电机运行，并在阀芯到位后向步进电机绕组施加保持电流；

18、针阀组件包括阀体、阀座以及锥形阀芯；阀座设有阀座孔，阀芯与阀座孔同轴配合；

19、步进电机驱动器与外部控制设备通过通信总线连接；

20、步进电机输出轴与丝杆连接，丝杆螺母传动机构将步进电机的旋转运动转换为阀芯的轴向升程运动；

21、系统工作时采用本发明提供的基于流体物性参数自动匹配的流量阀线性化方法。

22、本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

23、1、本发明针对固定针阀结构建立阀芯升程与有效流通面积之间的几何关系以及雷诺数与流出系数关系模型，并将两者结合用于反求目标流量对应的阀芯升程；现有机械线性化方案主要通过改变阀芯型面或流道截面形成预定的面积变化规律；而本发明采用同一固定结构的锥形阀芯，由阀口几何关系确定有效流通面积随阀芯升程的变化，并通过与该阀门型号对应的雷诺数与流出系数关系模型计算不同雷诺数下的流出系数，从而同时处理阀口几何关系和流体特性引起的两类非线性。

24、2、本发明在步进电机驱动器中建立流体编号与流体密度、动力黏度之间的对应关系，并结合在线输入的阀门前后压差完成目标升程计算；驱动器根据流体编号调用相应的密度和动力黏度，在最大有效流通面积处计算当前工况满量程流量，再根据归一化流量指令计算目标流量和目标雷诺数，利用雷诺数与流出系数关系模型确定流出系数，进而计算目标有效流通面积并反求阀芯目标升程；现有离散数据方案主要根据预先取得的流量与开度数据进行查表或插值；而本发明通过流体物性参数、雷诺数与流出系数关系模型和阀口几何关系完成连续计算，介质切换时由相应的流体参数记录进入同一计算过程；使阀体和阀芯具有较高的通用性，减少阀芯设计、加工及物料管理工作。

25、3、本发明将流体物性参数匹配、当前工况满量程流量计算、阀芯目标升程反求以及编码器位置闭环控制预设于数字针阀驱动器；外部控制设备发送归一化流量指令、流体编号和阀门前后压差，驱动器在阀端完成相应计算，生成电机目标位置，并根据编码器反馈位置控制阀芯到达目标升程；与由上位控制系统保存多套流量换算程序或反复调整阀门开度的方案相比，本发明将介质相关模型计算和阀芯位置执行集中于阀端，使不同介质采用统一的外部控制接口，降低不同阀门接入控制系统时的参数配置和程序适配工作，并减少上位控制系统与驱动器之间的实时控制交互。

1.基于流体物性参数自动匹配的流量阀线性化方法，其特征在于，方法由设置于流量阀端的步进电机驱动器执行；步进电机驱动器通过通信总线与外部控制设备连接，并根据编码器反馈控制步进电机经传动机构驱动阀芯产生轴向升程；

2.根据权利要求1所述的基于流体物性参数自动匹配的流量阀线性化方法，其特征在于，步骤s1具体为：

3.根据权利要求2所述的基于流体物性参数自动匹配的流量阀线性化方法，其特征在于，根据阀体、阀座、锥形阀芯及规定流动方向，建立雷诺数与流出系数关系模型如下：

4.根据权利要求3所述的基于流体物性参数自动匹配的流量阀线性化方法，其特征在于，步骤s2具体为：

5.根据权利要求4所述的基于流体物性参数自动匹配的流量阀线性化方法，其特征在于，步骤s3具体为：

6.根据权利要求5所述的基于流体物性参数自动匹配的流量阀线性化方法，其特征在于，步骤s4具体为：

7.根据权利要求6所述的基于流体物性参数自动匹配的流量阀线性化方法，其特征在于，步骤s5具体为：

8.根据权利要求1所述的基于流体物性参数自动匹配的流量阀线性化方法，其特征在于，步骤s6中，计算阀芯目标升程具体为：

9.根据权利要求1所述的基于流体物性参数自动匹配的流量阀线性化方法，其特征在于，步骤s6中，换算步进电机目标位置具体为：

10.基于流体物性参数自动匹配的流量阀线性化系统，其特征在于，包括步进电机驱动器、带编码器的步进电机、丝杆螺母传动机构、针阀组件以及外部控制设备；