气动控制阀摩擦力的测量及对控制性能影响的研究

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1、杭州电子科技大学硕士学位论文气动控制阀摩擦力的测量及对控制性能影响的研究研究生：方亚尧指导教师：徐晓滨副教授尚群立教授2015年3月DissertationSubmittedtoHangzhouDianziUniversityfortheDegreeofMasterResearchonmeasurementofpneumaticcontrolvalve’sfrictionandtheinfluenceoncontrolperformanceCandidate:FangYayaoSupervisor:Prof.XuXiaobinProf.ShangQunli

2、March，2015杭州电子科技大学硕士学位论文摘要气动控制阀因为结构简单，安全防爆等特点在流程工业中有着十分广泛地使用。作为控制系统中运动最频繁的元件，其控制性能的好坏将直接影响整个控制系统的运行状况。从气动控制阀的结构来看，填料函在起到动密封作用的同时，产生的摩擦力会影响到控制阀定位控制动作性能。所以，近年来研究控制阀摩擦现象，以及摩擦对气动控制阀控制性能的影响受到国内外学者越来越多的关注。本文首先介绍了气动控制阀的结构，以及几种重要的摩擦力现象，如库仑摩擦、Stribeck效应、黏性摩擦等。基于以上几点，本文展开了一系列的分析，主要包括：(1)基于摩

3、擦力Karnopp模型对控制阀执行机构进行建模，通过Matlab/Simulink仿真，搭建执行机构的仿真模型。说明摩擦力对控制阀性能的影响。(2)设计了控制阀故障诊断系统，该系统的硬件部分可以采集阀杆形变信号、阀位信号以及气室气压信号，通过系统软件处理获得控制阀摩擦力、阀位和气压数据。搭建了气动控制阀控制实验平台，该平台可以发送给定阀位信号到定位器，并实时地采集、存储给定信号和阀位反馈信号，通过计算获得给定值与反馈值之间的误差积分值能反映出系统的控制情况。(3)提出了一种间接测量摩擦力的方法。该方法基于牛顿运动学定律，通过分析控制阀阀位与气压数据，得到摩

4、擦力的计算值。最后通过故障诊断系统的测得摩擦力值验证。(4)研究了控制性能误差积分指标与摩擦力之间的定量关系。首先利用TOPSIS法选择合适的误差积分指标，然后用选出的误差积分指标对摩擦力进行描述。实验结果发现，控制阀摩擦力的变化情况与控制回路的误差积分值之间存在关联性。从而为研究摩擦力对控制性能的影响奠定基础。本文是在大量文献和理论指导的基础上，通过实验室和企业生产车间近1000小时的实验研究完成的，研究成果已成功应用于核电控制阀生产企业中。论文创新点：1）给出了阀杆动、静、最大静摩擦力的间接测量方法；2）得出了摩擦力与控制性能误差积分指标之间的定量关系

5、。该定量关系已经被应用于指导阀门定位器PID参数整定，并为摩擦力的软测量以及控制阀故障诊断提供了新的研究方向。关键词：气动调节阀，摩擦力，间接测量，控制性能误差积分指标I杭州电子科技大学硕士学位论文ABSTRACTPneumaticcontrolvalveiswidelyusedintheprocessindustry,thatcontributestoitssimpleandsafetystructure.Theperformanceofcontrolvalveisimportanttothecontrolsystem.Becauseitisthemos

6、tfrequentlyusedoneinthecontrolsystem.Stuffingboxinthecontrolvalveisappliedtoleakproofseal.Ontheotherhand,itcreatesfriction.Thecontrolofvalvelocationwilldeteriorateduetothisfriction.So,manyinvestigatorspayattentiontotheresearchoffrictionanditsimpactonthecontrolvalve.Thispaperintrod

7、ucesthestructureofthepneumaticcontrolvalveandseveralimportantfrictionphenomenon.Basedonthat,thisarticlehaslaunchedaseriesofanalysis,suchas:(1)BasedontheKarnoppfrictionmodeling,theactuatormodelinghasbeenconstruct.ThentheMATLAB/Simulinkisgivenbytoprovethat,thenonlinearcharacteristic

8、ofcontrolvalveiscausedbyfriction.