非线性调节阀输流管道系统的分析与控制研究

发布时间：2020-06-03 11:05

【摘要】：调节阀输流管道系统在过程自动化中有着重要的作用,其中调节阀中阀芯-阀杆系统的动态特性影响了整个调节阀输流管道系统的性能,然而,许多学者忽略了管道与调节阀之间的相互影响,无法完整地揭示整个系统的振动规律。本文通过建立单座式调节阀和调节阀输流管道系统的数学模型,分析了系统的动态特性及响应,同时采用李雅普诺夫稳定性准则对阀芯-阀杆系统的稳定性进行研究,并设计了相应的振动控制器。首先,根据调节阀薄膜气室在动态条件下气室压力、体积、目标开度之间的关系建立气动控制力模型;分析了不平衡力产生的原因及影响,建立了阀芯上的流体不平衡力模型;推导了反映调节阀流通能力的流量系数的计算公式,并利用ANSYS软件对调节阀不同开度下流场模型进行处理、网格划分、求解,得到了不同开度、不同压差下用于计算流量系数的体积流率,拟合得到了开度和流量系数之间的关系;根据库伦摩擦定律,建立了摩擦力模型,并计算了摩擦力大小;将调节阀模型简化为阀芯-阀杆模型,根据受力建立了阀芯-阀杆非线性动力学模型。其次,对上述建立的模型进行无量纲化,并利用龙格库塔算法对不同开度、不同压差的阀芯非线性振动时域响应进行求解。仿真结果表明:不同开度、不同压差下阀芯响应由瞬态进入稳态之后出现等幅值振荡,其运动对应着稳定的极限环;通过对不同开度、不同压差下流体力的仿真表明:当压差一定时,阀芯开度越小,流体不平衡力越大,当开度一定时,压差越小,流体不平力越小。此外,利用李亚普诺夫稳定性法则,针对阀芯-阀杆非线性动力学模型计算出了阀芯固定开度振动的平衡点,并在其邻域内进行线性化,根据赫尔维茨判据对平衡点的稳定性进行了判断,工作点是临界稳定的。同时,考虑到工作点的稳定性主要由系统的线性部分决定,针对系统的线性定常部分设计了二次型最优控制器,并对控制器的有效性进行了验证,结果表明,控制器可以有效控制阀芯的振动。而当经过阀芯的流速存在激励时,通过仿真显示阀芯由周期运动逐渐进入混沌状态。最后,采用Simulink和有限体积法,分别分析了储液箱-输流管道-阀门系统中的水锤现象,求解了力方程和连续方程,证明了利用Simulink结合差商处理对管道建模的有效性。同时,分别建立了管道轴向四方程和横向四方程的Simulink模型,并与非线性调节阀模型结合,实现对阀芯在不同开度、不同压差下振动的闭环求解,并对比利用二次型最优控制器对调节阀输流管道系统的控制结果。仿真结果表明:由管道横向运动引起的阀体的振动速度、位移在稳态阶段趋于稳定,同时,考虑管道横向运动影响时,阀芯在瞬态时振荡加剧,并逐渐偏离目标开度;在相同压差时,开度越小,阀芯的超调量、振幅越大,而在开度相同时,压差越大,阀芯到达目标开度前的超调量越大;两端固定的管道有助于提高系统刚度,可以降低阀芯在大开度下的振动;二次型最优控制器可以有效抑制阀芯的振动和超调量。
【图文】：

物理结构,调节阀

通过阀门定位器的输出控制信号，、温度、液位等工艺参数。常用的调节节阀、液动调节阀；如果按运动行程进行程和反行程；其流量特性又可以分为对象是正作用式气动薄膜单座式调节阀芯-阀杆系统的受力，，建立单座式调节制力、流体不平衡力、摩擦力的建模。场模型进行仿真，获得流量特性。模型构和执行机构两部分组成，见图 2-1。室中膜片上的气压信号来产生推力。制信号进一步转换为流体流通体积的变

正反作用,执行机构,薄膜

特点是阀芯受到介质的作用力大，即流体不平衡力大，特别是在高压差的情况，所以仅适用于低压差的场合。执行机构为了实现介质的调节，调节阀通过气动执行机构来克服内部存在的各种阻力，芯上所受到的流体不平衡力和阀杆上受到的弹簧力、摩擦力，推动阀杆产生位位移与控制器转换得到的气压信号成一定比例。本文研究的是气动薄膜阀，典膜执行器由弹性薄膜、压缩弹簧和推杆组成，分为正作用薄膜式执行机构和反构，见图 2-2。气动式单座调节阀执行机构的气室在薄膜的上方，当该气室中压力增加时，阀动。这样的机构通常被称为正作用式薄膜执行机构。当气动单座调节阀的调节系统的气动信号连接到薄膜气室上，上气室会与大气改变弹簧的安装方案，推杆向上移动时弹簧会被压缩。因此，阀杆会随着下气加而运动。这种形式的执行机构通常被称为反作用执行机构。本文主要采用正执行机构。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH134

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