电磁流量测控系统在大型水力模型试验中应用的改进与特性分析

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1、电磁流量测控系统在大型水力模型试验中应用的改进与特性分析

2、第1...　摘要：对由电磁流量计与电动执行阀组成的入流控制系统的传统控制方式进行了改进。对该系统的实际测控效果和动态性能指标进行了试验研究和理论探讨，并与数字化量水堰组成的入流控制系统作了相应的对比分析。关键词：水力模型；电磁流量计；电动执行阀；闭环系统；数字化量水堰1引言水力模型进口流量的测控精度直接影响模型上边界的相似。对于非恒定流水力模型，保证入流过程的相似尤其重要。电磁流量计与电动执行阀组成的闭环控制系统作为流量自动测控的首选系统，应用较为普遍。其优点是定型产品，既适合于清水模型，也适合于浑水模型，受介质影响较小

3、。目前研究较多的是系统组成、工作原理和控制方法［1～3］，而对其动态性能指标，实际应用效果和误差分析等方面研究较少［7］。我们在淮干正淮段河工模型中设置了一套电磁流量计～电动执行阀闭环测控系统，并平行设置了一套数字化量水堰测控系统，进行动态性能指标与跟踪效果比较的试验分析。2系统构成在该流量测控系统中，选用了具有RS485通讯口的智能型电磁流量计。电动调节阀选用带开度指示的碟阀，为了提高调节精度，加了一级减速机进行改进。其系统组成框图如图1。电磁流量计（E—mag）由传感器和转换器两部分组成，传感器主要由测量管、电极、励磁线圈等组成，主要完成流量的测量。转换器是将微弱的测量信号

4、进行放大处理，并率定成流量值。执行机构电动碟阀的开度与流量呈非线性关系，为改善非线性工作区的特性，加了一级减速机构，适当减速后可大大改善调节性能和提高控制精度。本系统选用电动碟阀的开度与原型流量的关系曲线如图2。电动碟阀电路原理如图3。3　系统控制原理及控制方式改进3.1　传统控制方式笔者曾对以往资料介绍的电磁流量闭环控制系统进行过分析，发现大都采用如图4的方式控制。先通过实验方法率定出流量计测量的流量与碟阀的开度关系(见图3)，进而再将流量计测量的流量换算成开度电位器抽头电位，得到一个流量与电位的换算关系式。闭环控制时，通过对开度电位器抽头电位的控制间接的控制流量计流量。从控

5、制理论角度讲，这是常用的PID位置式控制方式。这种控制方式的不足之处是，控制精度不仅取决于流量计测量精度，更为关键的取决于率定出数学关系式的准确性。率定出的数学关系式又与管内水压、碟阀结构以及人为因素有关。电动碟阀带有一个开度指示器，还有一个与开度同步旋转的电位器，常规的控制方法是给定电位器固定电压（5V或10V），电位器中间抽头的电位就与开度相对应，率定出流量与电位的关系式，控制中间抽头的电位就达到流量控制的目的。3.2　改进的控制方式我们吸取数字化量水堰流量控制的经验［4～8］，抛弃了人工率定流量与电位的换算关系式这一环节，改位置式PID调节为增量式PID调节，并采用步进式

6、控制方式，步进式动作可以有效抑制振荡。用控制理论分析：给定的原型流量就是给定量，测量得到并经过换算后的原型流量就是被调量，偏差就是这两个量之差，所以改进的增量式PID调节可以达到更加精确的控制。改进后的系统组成框图见图5。本系统还做了如下几点改进：3.2.1　增加了数字滤波功能智能型电磁流量转换器采用计算机技术，具有更高的灵敏度。实际测量时由于微量气泡、水压波动、电网波动等众多偶然因素干扰，都会造成采集值的跳变。系统每隔500ms采集一次流量数据qi，然后用平均值法(三次平均)进行数字滤波。q=(q1+q2+q3)/33.2.2　对输出量增加死区控制与饱和限幅为消除频繁动作，

7、又不影响控制精度，对流量偏差设置了死区；由于实际输出量是电机的动作时间，而采样周期又是一个恒定值3秒，所以输出量幅度受采样周期限制，设置了饱和区。即①当

8、r(n)-y(n)

9、=

10、e(n)

11、B，计算输出，根据计算结果又分两种情况：a)当

12、T

13、≥2500毫秒To=2500毫秒；b)当

14、T

15、