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2011,47(12)
ComputerEngineeringandApplications计算机工程与应用
气动控制阀粘滞模型的改进与比较丛雨，谢磊，王树青
CONGYu,XIELei,WANGShuqing
浙江大学智能系统与控制研究所工业控制技术国家重点实验室，杭州310027
National Key Laboratory of Industrial Control Technology,Institute of Cyber-Systems and Control,Zhejiang University,Hang zhou 310027,China
CONG Yu,XIE Lei,WANG Shuqing.Improvement sand comparison of pneumatic control valve stietion models.Computer Engineering and Applications,2011,47(12):234-238.
Abstract: Choudhury's model and two-layer binary tree model for valve stiction are widely used in valve stiction research.How. ever,some defects in the models still exist.The model structures of pneumatic control valve of Choudhury and two-layer binary tree model are improved to overcome the existing defects so that the outputs are consistent with the physical properties.The mod els are implemented in Simulink/Matlab and compared using the different friction coefficients and input signals.The improved
models are able to reproduce the stick-slip phenomenon and pass all the tests,which are applied following ISA standards. Key words: pneumatic control valve;stiction;Industry Standard Architecture(ISA) standards
摘要：Choudhury模型和双层二叉树模型在执行阀粘滞特性研究中应用广泛，但各自存在一定的不足，在详细分析各模型不足的基础上，给出改进方案，使得模型输入和输出符合物理特性，原模型以及改进后的模型在MatlabSimulink平台下完成了针对
不同参数和输入曲线的粘滞现象的模拟与比较，根据ISA标准，改进后的模型与控制阀实际粘滞特性相持。关键调：气动控制阀；粘滞现象；美国仪器学会标准(ISA)
DOI:10.3778/j.issn.1002-8331.2011.12.065
文章编号：1002-8331(2011)12-0234-05文献标识码：A，中图分类号：TP311*.32
流程工业过程中存在大量的控制回路，其性能状况直接影响企业生产效益。根据Honeywell公司针对26000多个控制回路历时2年多的跟踪调查发现，有2/3的回路控制性能不佳"，其中最突出的表现为回路振荡。而引起振荡的原因主要包括以下三方面"-；控制器的参数整定不佳；周期性的外部干扰：控制阀存在显著的粘滞作用。据统计4控制阀粘滞占控制回路振荡原因中的20%~30%。因此针对控制阀粘滞现象的研究对化工、石油等工业过程的安全、稳定、高效的生产有着非常重要的意义。
由于控制阀粘滞特性比较复杂，为了方便研究与模拟，对控制阀粘滞现象进行建模成为首要的任务。目前，比较成熟的粘滞数据驱动模型主要有三种：Kano模型*、Choudhury模型和双层二叉树模型国。Choudhury数据驱动模型与双层二叉树模型结构简单并得到广泛应用，但存在一定的漏润，其中，Choud hury数据驱动模型在输入控制信号变向或者由不变到再次同向变化以及阀位处于物理物理输出的上下界时，输出与实际物理过程不符；双层二叉树模型在无死区且控制信号变向时，输出与实际物理过程不符。本文详细分析了各个模型存在的错误与不足，在原有模型的基础上，修改了控制阀状态改变的判断条件，使得模型逻辑更加严谨，输入、输出在物理特性上更加合理。
本文在改进Choudhury数据驱动模型与双层二叉树模型
各自存在不足的同时，比较了二者之间的异同点，并根据ISA 标准(ISA2000，2006)*调中的实际控制阀特性及5种检测特性方法，分析了原模型及其改进后的模型在不同参数和输入不同曲线情况下的模型输出，与实际控制阀特性比较，验证了
改进后的模型更符合实际控制阀特性。 1气动控制阀粘滞定义及模型
气动控制阅门具有结构简单、使用安全、维护方便、价格低廉等特点，广泛应用于石油化工等流程工业中。气动控制阅门根据输入气体信号大小来控制阅芯的位置，进而调节流过阀门的介质流量-。阀芯的位置由阀芯和阀杆上所受各作用力的合力决定，根据牛顿第二定律，可以得到控制阀机理模型如公式(1)所示。
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-f,sgn()-f.ifv0
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(1)(2)
其中，了为气体压力，J，为弹簧弹力，为阀杆与保护装置之间的摩擦力，为流体差压，与为阅芯上下面面积不等所受
基金项目：国家自然科学基金(theNational Natural ScienceFoundationof China underGrant No.60721062）；国家高技术研究发展（863）计划
(No.2007AA04Z162)。
作者育介：丛雨（1984—），女，硕士生，主要研究方向：工业过程控制，控制阅待性研究；谢磊（1979—），男，博士，副研究员；王树青（1939—），男，
教授，博士生导师。E-mail：leix@cac.zju.edu.cn
收精日期：2009-08-19：佳回日期：2009-10-26 万方数据