用拟合曲线的方法优化控制阀流量特性

    控制阀作为过程控制的“执行者”，在炼油化工企业生产过程中应用广泛。但由于实际生产过程往往比较复杂，影响控制阀运行的因素较多种多样。控制阀的选择，尤其是流量特性的确定，对控制质量的影响至关重要。

    调节阀的流量特性是指相对流量和阀门相对开度之间的关系。在理想情况下，流量仅随阀门开度变化而变化。在常用的调节阀中，有四种典型的理想流量特性，即：直线特性、快开特性、抛物线特性和等百分比特性。理想流量特性是在阀前后压差固定的情况下得到的流量特性，它决定于阀芯的形状。本文所指的优化调节阀的流量特性，并不是指对阀芯进行重加工，而是通过调整控制系统的输出，使得输出通道的输出值与相对流量之间的关系呈现所需要的流量特性关系。

    在控制阀正常投运时，应根据工艺需求、调节阀的运行状况选择控制阀的流量特性。例如：当控制阀经常工作在开度比较小的条件下时，应选用对数特性的阀；有些控制阀在出厂时，其固有特性并不是我们需要的流量特性，所以这时需要对其进行调整、优化，使其满足装置生产运行的需要。例如工装自控工程（无锡）有限公司（KOSO）生产的220E偏心旋转阀40%缩腔型的流量特性如图（1）所示，它既不是线性的，又不是等百分比、抛物线或者快开特性的。若想把它作为线性特性的调节阀使用，就必须对其流量特性进行优化。

图1 根据出厂数据描点绘制的调节阀流量特性曲线

    根据特性曲线，可以通过描点，得到流量在10%，20%，30%……等一系列点的阀门开度值。如下表所示：

    要使得操作员输出值与相对流量之间的关系呈线性，则对应于相对流量的10%，20%，30%……等点对应的DCSMV值也为10%，20%，30%……一般来说（调节阀工作正常且定位器设置为线性输出），相对开度与输出电流百分比（DCSAO值占4-20mA电流信号的百分比）之间呈线性关系，所以，只需要改变MV值（PID模块输出值）与输出电流百分比之间的关系，就可以达到优化流量特性的目的，如下表所示。

    由上表格中第3、第4行的数据，借助于Matlab软件，可以得到需要拟合的输出电流百分比与DCS输出MV值之间的函数关系，Matlab软件输出为：Matlab输出结果为：

    即得到的拟合曲线方程为：

    Y=9.837e-005x³-0.0216x²+2.159+1.779拟合系数为：0.9999

    所以只需要修改DCS组态，使得输出电流按照函数关系式：Y=9.837e-005x³-0.0216x²+2.159+1.779进行输出，记得达到将调节阀固有特性修正为线性特性的目的。

    为了验证这一结论，我们对这个方法进行反算，用Matlab软件拟合出调节阀相对流量（%）与相对开度（%）之间的函数关系（拟合方法相同，不做赘述），得到的最终的相对流量（%）与DCS的MV值（%）之间的关系曲线如图（2）所示：

图2

    由上图知，这种拟合曲线的方法达到了优化调节阀流量特性的目的，使得调节阀的流量特性由固有特性调整为线性，如果需要校正为等百分比、快开、或抛物线特性的阀门，也可以用这种方法。

    需要注意的是，由于本文中的流量特性数据取自于调节阀出厂说明书中理想数据，实验状态下调节阀前后端差压无变化，所以与正常工况中的调节阀实际特性存在一定的偏差。