【摘要】：調(diào)節(jié)閥輸流管道系統(tǒng)在過程自動(dòng)化中有著重要的作用,其中調(diào)節(jié)閥中閥芯-閥桿系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性影響了整個(gè)調(diào)節(jié)閥輸流管道系統(tǒng)的性能,然而,許多學(xué)者忽略了管道與調(diào)節(jié)閥之間的相互影響,無法完整地揭示整個(gè)系統(tǒng)的振動(dòng)規(guī)律。本文通過建立單座式調(diào)節(jié)閥和調(diào)節(jié)閥輸流管道系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,分析了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及響應(yīng),同時(shí)采用李雅普諾夫穩(wěn)定性準(zhǔn)則對(duì)閥芯-閥桿系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行研究,并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的振動(dòng)控制器。首先,根據(jù)調(diào)節(jié)閥薄膜氣室在動(dòng)態(tài)條件下氣室壓力、體積、目標(biāo)開度之間的關(guān)系建立氣動(dòng)控制力模型;分析了不平衡力產(chǎn)生的原因及影響,建立了閥芯上的流體不平衡力模型;推導(dǎo)了反映調(diào)節(jié)閥流通能力的流量系數(shù)的計(jì)算公式,并利用ANSYS軟件對(duì)調(diào)節(jié)閥不同開度下流場(chǎng)模型進(jìn)行處理、網(wǎng)格劃分、求解,得到了不同開度、不同壓差下用于計(jì)算流量系數(shù)的體積流率,擬合得到了開度和流量系數(shù)之間的關(guān)系;根據(jù)庫倫摩擦定律,建立了摩擦力模型,并計(jì)算了摩擦力大小;將調(diào)節(jié)閥模型簡(jiǎn)化為閥芯-閥桿模型,根據(jù)受力建立了閥芯-閥桿非線性動(dòng)力學(xué)模型。其次,對(duì)上述建立的模型進(jìn)行無量綱化,并利用龍格庫塔算法對(duì)不同開度、不同壓差的閥芯非線性振動(dòng)時(shí)域響應(yīng)進(jìn)行求解。仿真結(jié)果表明:不同開度、不同壓差下閥芯響應(yīng)由瞬態(tài)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)之后出現(xiàn)等幅值振蕩,其運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)著穩(wěn)定的極限環(huán);通過對(duì)不同開度、不同壓差下流體力的仿真表明:當(dāng)壓差一定時(shí),閥芯開度越小,流體不平衡力越大,當(dāng)開度一定時(shí),壓差越小,流體不平力越小。此外,利用李亞普諾夫穩(wěn)定性法則,針對(duì)閥芯-閥桿非線性動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算出了閥芯固定開度振動(dòng)的平衡點(diǎn),并在其鄰域內(nèi)進(jìn)行線性化,根據(jù)赫爾維茨判據(jù)對(duì)平衡點(diǎn)的穩(wěn)定性進(jìn)行了判斷,工作點(diǎn)是臨界穩(wěn)定的。同時(shí),考慮到工作點(diǎn)的穩(wěn)定性主要由系統(tǒng)的線性部分決定,針對(duì)系統(tǒng)的線性定常部分設(shè)計(jì)了二次型最優(yōu)控制器,并對(duì)控制器的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果表明,控制器可以有效控制閥芯的振動(dòng)。而當(dāng)經(jīng)過閥芯的流速存在激勵(lì)時(shí),通過仿真顯示閥芯由周期運(yùn)動(dòng)逐漸進(jìn)入混沌狀態(tài)。最后,采用Simulink和有限體積法,分別分析了儲(chǔ)液箱-輸流管道-閥門系統(tǒng)中的水錘現(xiàn)象,求解了力方程和連續(xù)方程,證明了利用Simulink結(jié)合差商處理對(duì)管道建模的有效性。同時(shí),分別建立了管道軸向四方程和橫向四方程的Simulink模型,并與非線性調(diào)節(jié)閥模型結(jié)合,實(shí)現(xiàn)對(duì)閥芯在不同開度、不同壓差下振動(dòng)的閉環(huán)求解,并對(duì)比利用二次型最優(yōu)控制器對(duì)調(diào)節(jié)閥輸流管道系統(tǒng)的控制結(jié)果。仿真結(jié)果表明:由管道橫向運(yùn)動(dòng)引起的閥體的振動(dòng)速度、位移在穩(wěn)態(tài)階段趨于穩(wěn)定,同時(shí),考慮管道橫向運(yùn)動(dòng)影響時(shí),閥芯在瞬態(tài)時(shí)振蕩加劇,并逐漸偏離目標(biāo)開度;在相同壓差時(shí),開度越小,閥芯的超調(diào)量、振幅越大,而在開度相同時(shí),壓差越大,閥芯到達(dá)目標(biāo)開度前的超調(diào)量越大;兩端固定的管道有助于提高系統(tǒng)剛度,可以降低閥芯在大開度下的振動(dòng);二次型最優(yōu)控制器可以有效抑制閥芯的振動(dòng)和超調(diào)量。
【圖文】：

通過閥門定位器的輸出控制信號(hào)，、溫度、液位等工藝參數(shù)。常用的調(diào)節(jié)節(jié)閥、液動(dòng)調(diào)節(jié)閥；如果按運(yùn)動(dòng)行程進(jìn)行程和反行程；其流量特性又可以分為對(duì)象是正作用式氣動(dòng)薄膜單座式調(diào)節(jié)閥芯-閥桿系統(tǒng)的受力，，建立單座式調(diào)節(jié)制力、流體不平衡力、摩擦力的建模。場(chǎng)模型進(jìn)行仿真，獲得流量特性。模型構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩部分組成，見圖 2-1。室中膜片上的氣壓信號(hào)來產(chǎn)生推力。制信號(hào)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為流體流通體積的變

特點(diǎn)是閥芯受到介質(zhì)的作用力大，即流體不平衡力大，特別是在高壓差的情況，所以僅適用于低壓差的場(chǎng)合。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)為了實(shí)現(xiàn)介質(zhì)的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)閥通過氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來克服內(nèi)部存在的各種阻力，芯上所受到的流體不平衡力和閥桿上受到的彈簧力、摩擦力，推動(dòng)閥桿產(chǎn)生位位移與控制器轉(zhuǎn)換得到的氣壓信號(hào)成一定比例。本文研究的是氣動(dòng)薄膜閥，典膜執(zhí)行器由彈性薄膜、壓縮彈簧和推桿組成，分為正作用薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)和反構(gòu)，見圖 2-2。氣動(dòng)式單座調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣室在薄膜的上方，當(dāng)該氣室中壓力增加時(shí)，閥動(dòng)。這樣的機(jī)構(gòu)通常被稱為正作用式薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)氣動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的氣動(dòng)信號(hào)連接到薄膜氣室上，上氣室會(huì)與大氣改變彈簧的安裝方案，推桿向上移動(dòng)時(shí)彈簧會(huì)被壓縮。因此，閥桿會(huì)隨著下氣加而運(yùn)動(dòng)。這種形式的執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常被稱為反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本文主要采用正執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TH134

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本文編號(hào)：2694733