基于LabVIEW的调节阀流量特性实验平台设计

    0 引言

    LabVIEW是一种图形化的编程语言的开发环境，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。调节阀是自动化控制系统的重要组成部分，其性能好坏直接影响生产运行安全和经济效益。在控制系统设计中，调节阀流量特性曲线的畸变常常使系统控制质量得不到保证，气流量特性对控制质量影响很大。

    1 流量特性

    1.1 定义

    调节阀的流量特性是指介质流过调节阀的相对流量与相对位移（即阀的相对开度）之间的关系，数学表达式为：

    Q/Qmax=f（l/L）

    式中，Q/Qmax（相对流量）为调节阀某一开度时流量Q与全开时流量Qmax之比；l/L（相对位移）为调节阀某一开度时阀芯位移l与全开时阀芯位移L之比。

    1.2 理想流量特性

    理想流量特性主要有直线、等百分比、抛物线及快开等4种，如图1所示。

1—快开，2—直线，3—抛物线，4—对数

图1 调节阀理想流量特性

    直线流量特性是指调节阀的相对流量和阀芯的相对位移成正比：

    式中，k为常数，即调节阀的放大系数。

    积分得：

    式中，c为积分常数。

    2 平台硬件设计

    测控技术与仪器实验室水箱实验对象组成如图2所示。实验所需仪器设备如下：流量计、调节器、操作器、伺服放大器、调节阀、万用表、连接导线、PCI-1710HG采集卡、端子板及其它主要仪器的连接端子。

图2 水箱实验对象

    设计中调节器被用作电压/电流转换器，测量值输入为1~5V，操作输出信号为4~20mA。每个调节器设有多对插座孔（＋，－插孔）：1、2孔为测量值输入；11、12孔为外部供压信号；27、28孔为调节器输出。27孔（＋）插孔接电压/电流转换器来的正信号，28孔（－）插孔接电压/电流转换器来的负信号，不能接错。

    伺服放大器，输入信号4~20mA，每个通道有两个插座孔，1孔（＋）接调节器来的信号，2孔（－）接电动操作端子的信号。

    电动调节阀为电子小流量调节阀，输入4~20mA电流信号，对应阀门输出开度0~100%。

    系统通过流量计将采集的流量信号变成电信号，并采集阀位信号，经过信号调理模块后，由电缆将信号传输到PCI-1710HG多功能数据采集卡，然后用LabVIEW软件进行处理，在此过程中完成阀位信号数据和流量数据的保存，并计算出理想流量，最后由多功能数据采集卡PCI-1710HG的输出端输出控制信号到调节阀，实现对调节阀流量特性的补偿。基于LabVIEW的调节阀流量特性的实验平台数据流向图如图3所示。

图3 数据框图

    3 平台软件设计

    3.1 数据采集与输出模块

    平台采用的是PCI-1710多功能数据采集卡，由于该卡不支持DAQmx驱动程序，所以该软件是在PCI-1710采集卡提供的多路采集的例子程序的基础上开发的，主要的采集参数的设置包括采集起始通道的选择、输出通道个数的采集、采样周期、波形衰减等。

    3.2 调节阀流量特性补偿算法模块

    流量特性曲线如图4所示，1为理想流量特性，2为实际流量特性。当给定输入为L₀时，理想输出为Q₀，实际输出为Q0′，该算法的目的就是寻找实际流量特性曲线上对应值为Q₀的开度e_n，具体步骤：

    （1）先令Q_H=Qmax，L_H=Lmax，Q_L=Qmin，L_L=Lmin。

    （2）比较Q₀与Q₀＇，若Q₀>_Q0＇则令Q_L=Q₀＇，L_L=l₀；否则Q_H=Q₀＇，L_H=l₀。图4属于Q₀>Q₀＇的情况。

    （3）过（Q_H，L_H），（Q_L，L_L）两点做直线，与y=Q0交于（l1，Q0）点，其中，。再根据实际流量特性曲线找出l₁对应的流量Q₁。

    （4）比较Q₁与Q0的大小，如果Q₀>Q₁，则令Q_L=Q₁，L₂=l₁；否则Q_H=Q₁，L_H=l₁。

图4 流量特性曲线

    （5）重复步骤（3），求出（l₂，Q₂），再进行类似步骤（2）的操作。

    （6）重复步骤（3），求出（l₃，Q₃）。如此重复，直至不小于某个数（控制精度）停止，此时Qn对应的ln即为所求的开度值。

    此调节阀流量特性补偿模块输出信号的计算公式：

    3.3 数据保存模块

    数据保存是把采集来的数据保存到datalog里。可以通过设置，将采集的数据按照一定的时间间隔保存到datalog的表格里，具体程序见图5。

图5 数据保存程序

    3.4 历史数据读取程序

    采集的数据保存在datalog里，可用读取程序将数据读出来，供计算时使用，每个数据在时间上是唯一的。历史数据查询具体程序见图6。

图6 历史数据查询程序

    4 结语

    利用软件实现调节阀流量特性变换，可在不增加设备投资、勿需改变硬件配置的情况下获得希望的流量特性，从而给控制系统的设计和实施提供了极大的方便。