专利名称：：一种线性温控阀的控制方法及实现该方法的阀门的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种电动调节阀的控制方法及阀门，具体的说就是一种基于末端设备特征值和压差无关特征值的线性温控阀的控制方法及实现该方法的阀门。
背景技术：
：中央空调系统的目的是通过保证空调控制区域的温度或湿度来满足人们对舒适性或工艺性的要求。在建筑物暖通空调水力系统中，传统的保证空调区域温度的手段是通过在末端空调设备的空调水管道安装电动调节阀，并由现场控制器或楼宇控制系统采集空调区域的测量温度，然后与控制器中的设定温度相比较，输出标准控制信号到电动调节阀，通过调节阀门的开度从而调节水流量，最终改变末端设备输出的热量来实现对目标区域的温度控制。这种对目标区域的温度控制方法对于一般精度的温度控制是可行的，但是对于高精度的温度控制要求，特别是在一些对节能舒适性要求很高的大型暖通空调变流量水系统中，由于末端设备热输出特性的复杂性，以及水系统的水力失调程度很高，则很难达到，具体有以下几点原因1.由于传统的采用一般电动调节阀的温度调节方法没有考虑到不同末端空调设备热输出特性对温度调节精度的影响，而空调末端设备的热输出特性是影响目标空调区域温度控制精度的重要指标。空调末端设备的热输出特性，也就是末端设备特征值，是指在一定的工况条件下流过末端换热设备的水流量与热输出量之间的关系。影响末端设备特征值的主要因素有设备的运行工况、换热盘管排数、盘管类型及盘管散热翅片形式等。传统的温度调节方法由于没有充分考虑到末端设备特征值的影响必然导致目标区域的温度调节都是非线性的，在大部分情况下这种非线性的程度还非常高，因此必然影响对目标区域温度的精确调节；2.由于传统的采用一般电动调节阀的温度调节方法是压差相关型的，即电动调节阀的输出水流量不但与电动调节阀的开度有关，还与系统压力变化有关。对于大型的暖通空调变流量水力系统，由于动态水力失调在某些情况下会非常严重，必然导致系统压力的波动很大，从而水流量的波动也很大，这必然会严重地影响末端设备的温度调节精度，导致传统电动调节阀的调节精度变差。目前公知的还没有发现一种基于末端设备特征值和压差无关特征值的线性温控阀的控制方法及实现该方法的阀门。
发明内容本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于末端设备特征值和压差无关特征值的线性温控阀的控制方法及实现该方法的阀门。为实现上述目的，本发明提供一种线性控阀的控制方法，它包括以下步骤步骤一、根据末端设备的特性，在可实现数学高级计算和PID-比例、积分、微分控制算法的线性温度串级控制器内的末端设备特征值数据库中，选择相应的末端设备特征值；步骤二、在线性温度串级控制器中根据末端设备要求选择最大流量设定值；步骤三、读入上级控制器的标准输出信号作为线性温度串级控制器的标准输入控制信号；步骤四、根据最大流量设定值和选取的末端设备特征值，获取末端设备的最大热输出量设定值；步骤五、根据标准输入控制信号与目标区域温度的线性温度控制关系和最大热输出量设定值，获取末端设备动态瞬时热输出量设定值；步骤六、根据末端设备动态瞬时热输出量设定值和末端设备特征值，获取动态瞬时水流量设定值；步骤七、根据动态瞬时水流量设定值和压差无关特征值感应装置的特性，获取压差无关特征值的动态瞬时设定值；步骤八、将压差无关特征值的动态瞬时设定值与经过压差无关特征值感应装置、压差变送器采集的测量值进行比较，并通过PID-比例、积分、微分的控制算法，输出标准控制信号到电动执行器内的标准控制驱动器中去控制调节阀的动作。本发明还提供实现上述控制方法的阀门，包括调节阀，在位于调节阀上部的电动执行器内设有一线性温度控制驱动装置，该线性温度控制驱动装置的输入端通过控制电缆线与压差变送器的输出端相连接，线性温度控制驱动装置的输出端与调节阀相连；调节阀一端的直管连接段设有压差无关特征值感应装置，该压差无关特征值感应装置通过取压管一和取压管二与一压差变送器相连接。作为本发明的一种改进，所述的线性温度控制驱动装置由线性温度串级控制器和标准控制驱动器组成，线性温度串级控制器的输出端通过控制电缆线与标准控制驱动器的输入端连接。作为本发明的一种改进，所述的压差无关特征值感应装置采用毕托管式，由静压引压管道、静压感受孔、全压感受孔和全压引压管道组成；静压引压管道与取压管二相连通，全压引压管道与取压管一相连通；全压感受孔中心轴线方向与调节阀直管连接段中心轴线方向一致，静压感受孔中心轴线方向与调节阀直管连接段中心轴线方向垂直。作为本发明的一种改进，所述的压差无关特征值感应装置采用孔板装置，孔板进口压力与取压管一相连，孔板出口压力与取压管二相连。作为本发明的一种改进，所述的电动执行器为直行程模拟量电动执行器。作为本发明的一种改进，所述的调节阀为截止阀型调节阀门。作为本发明的一种改进，所述的压差变送器装设于电动执行器的壳体外侧。作为本发明的一种改进，所述的压差变送器装设于电动执行器的壳体内部。作为本发明的一种改进，所述的直管连接段设在调节阀的入口处或出口处。与现有技术相比，本发明的有益效果是通过引入"末端设备特性值"，并在线性温度串级控制器中建立末端设备特性值数据库，从而将末端设备的水流量与热输出量准确地关联起来；通过建立热输出量与目标区域温度变化的关系，以及电动调节阀输入标准控制信号与目标区域控制温度的线性关系，从而建立起从调节阀标准输入控制信号到流量的一一对应关系，并通过对流量的动态适时准确控制，从而实现对温度的线性高精度控制；通过引入"压差无关特征值"，并在电动执行器内的线性温度串级控制器上采用双回路串级控制，主环路为目标区域温度控制环路，辅助环路为压差无关特性值控制环路，压差无关特征值控制环路的设定值采用压差无关特征值的动态瞬时设定值，该动态设定值由标准输入控制信号、末端设备特征值以及压差无关特征值感应装置的特性共同确定。压差无关特征值具有仅与电动调节阀的流量成单调的一一对应关系，而不受其它因素波动影响的技术特征，凡满足这些特征的参数都可以作为压差无关特征值，比如调节阀进出口管道内特定位置的压差、流速或者流量等，压差无关特征值由相应的传感器来进行采集。本发明的基于末端设备特征值和压差无关特征值的线性温控阀，开创性的引入末端设备特征值从而建立起调节阀和调节对象之间的内在联系，并且通过引入压差无关特征值采用双回路串级控制，提高了阀门的控制精度、稳定性和抗干扰能力，因此本发明能够实现对目标区域温度、末端设备热输出量的高精度线性调节，调节控制方式新颖、成本较低、调节阀结构要求简单、流通阻力小，大幅度地提高了电动调节阀的整体性能，流量、温度控制精度高、抗干扰能力强、调试及维修简便，能够广泛地应用在具有较高的温度、流量控制精度要求的场合，并且该发明的应用能够带来很好的节能效应。本发明的压差无关型高精度线性温控阀还可以广泛地应用到其它设备的流量、温度、压力控制，只需根据相应的设备和参数控制要求提供满足要求的末端设备特征值数据库即可。图1是本发明实施例中的线性温控阀的结构示意图；图2是毕托管示意图。具体实施例方式图1和图2是一种线性温控阀实施例的结构，包括由调节阀9和用于实现电动调节功能的电动执行器8。在调节阀9的入口处设有压差无关特征值感应装置毕托管1;压差变送器4通过取压管一2和取压管二3与压差无关特征值感应装置毕托管1连接；在电动执行器8内装设有线性温度控制驱动装置，该线性温度控制驱动装置的输入端分别与压差变送器4输出的压差测量信号和其它上级标准控制器输出的标准输入信号相连接，线性温度控制驱动装置的输出端与调节阀9相连接。本实施例中的线性温度控制驱动装置由线性温度串级控制器6和标准控制驱动器7组成，线性温度串级控制器6输出端输出的标准主控制信号与标准控制驱动器7的输入端连接。电动执行器8采用模拟量直行程电动执行器，调节阀9是截止阀型调节阀门；本实施例中的直管连接段10安装在调节阀的入口处，直管连接段10也可以安装在调节阀的出口处。直管连接段10、压差无关特征值感应装置1、压差变送器4、电动执行器8及其内部的线性温度串级控制器6和标准控制驱动器7、调节阀9共同构成了压差无关型的高精度线6性温控阀。所述的线性温度串级控制器6是一个可实现数学高级计算的PID-比例、积分、微分控制器，内嵌"末端设备特征值数据库"和"一种基于末端设备特征值和压差无关特征值实现压差无关型线性温度精确控制的高级控制算法"的高级程序。通过该程序，线性温度串级控制器6输出标准控制信号到标准控制驱动器7，通过改变调节阀9的开度从而调节压差无关特征值感应装置毕托管1处的压差无关特征值毕托管动压测量值，使其与动态瞬时设定值一致，这样就实现了对目标区域温度的压差无关型线性精确控制。对于本发明的压差无关型的线性温控阀，线性温度串级控制器6的输入信号是来自上级控制器的标准控制信号。设标准输入控制信号为(Xmin，Xmax)，则(Xmin，Xmax)为(0-10V)、(2-10V)、(0-20mA)或(4-20mA)等，设瞬时标准输入控制信号X，AX=X-Xmin;设目标区域设定温度为Ts，实际测量温度为T，则温度偏差AT=T-Ts。根据标准输入控制信号与目标区域温度的线性控制要求，则AT=KlXAX，其中Kl为线性温度系数(I)末端设备热输出量W与目标区域温度变化AT的关系在空气为等湿变化时有W=(1.01+1.84Xd)XQ空气XAT其中d为空气的含湿量，Qg，为空气的质量流量，在一定的空调环境中，均为定值，所以上式可以简化为W=K2XAT，其中K2为线性热输出量系数(II)对于非等湿变化，我们可以通过对K2参数进行修正来获取，所以上式对于等湿和非等湿变化都是适用的。末端空调设备的水流量Q和热输出量W之间的关系即末端设备特征值可以通过实验在一定的空调工况下测得数据，然后通过数值分析的方法获得关系函数曲线，记做W=f(Q)由于末端空调设备的水流量Q和热输出量W之间是单调的一一对应关系，存在反函数，其反函数为Q=f—、W)(III)将(1)、(II)带入(III)得:Q=f—乂K2XKlXAX)简化后得动态瞬时流量设定值QS公式QS=f—、KXAX)，其中K为线性控制系数(IV)K=f(Qmax)/AXmax(V)由于压差无关特征值PI与水流量Q成单调的一一对应关系，记做Q=g(PI)，，其反函数为:PI=g-1{Q}，带入(IV)、(V)得压差无关特征值动态瞬时设定值Pis公式Pis=g—1{f—1(f(Qmax)XAX/AXmax)}(VI)式中(1)、g—1{}为压差无关特征值反函数，由压差无关特征值感应装置的特性及位置确定；(2)、f—1()为末端设备特征值反函数，由实验测得不同类型和工况的末端设备流量和热输出量，通过数值分析的方法获取函数关系，内嵌入线性温度串级控制器6的末端设备特征值数据库中；(3)、Qmax为最大设定流量，该流量由客户根据需要在线性温度串级控制器6中设定；(4)、f(Qmax)为最大设定热输出量；(5)、AX为输入信号，AXmax为输入信号带宽；显然，公式(VI)就是本发明基于"末端设备特征值"和"压差无关特征值"实现压差无关型线性温度精确控制的高级电动阀门控制算法。当压差无关型线性温度精调阀接受标准输入控制信号AX开始工作时，位于电动调节阀入口处的压差无关特征值感应装置毕托管1采集压差无关特征值参数PI，并通过压差变送器4转换成测量电信号输送到线性温度串级控制器6的测量信号输入端，与标准输入控制信号AX通过压差无关型线性温度高级控制算法得出的压差无关特征值动态瞬时设定值PIs相比较，并通过PID-比例、积分、微分的控制算法，输出标准控制信号到标准控制驱动器7去控制调节阀9的开度，调整测量值使其与动态瞬时设定值一致，这样就实现了压差无关型的线性控制要求。所述的线性温度串级控制器6位于电动执行器9内，是一种内嵌"末端设备特征值数据库"和"压差无关型线性温度高级控制程序"的专门开发的高级控制器产品。当来自于上级控制器的标准输入控制信号X给定时，对应的与最小输入控制信号Xmin的偏差AX也随之确定在线性温度串级控制器6的"末端设备特征值数据库"中选定末端设备特征值"()，并设定最大设定流量Qmax，然后根据公式(VI)计算出压差无关特征值动态瞬时设定值Pis——此动态设定值随标准输入控制信号X的变化而变化，当压差无关特征值感应装置毕托管1采集的压差无关特征值测量值PI存在偏差时，通过线性温度串级控制器6内置的PID-比例、积分、微分控制算法输出控制信号去改变电动调节阀的开度，对压差无关特征值进行动态调节，使之自动地恒定于动态瞬时设定值，从而实现压差无关型的线性温度精确控制。本发明的压差无关型的线性温控阀的计算和控制流程如下—种基于末端设备特征值和压差无关特征值的线性温控阀的控制方法，它包括以下步骤步骤一、根据末端设备的特性，在可实现数学高级计算和PID-比例、积分、微分控制算法的线性温度串级控制器6内的末端设备特征值数据库中，选择相应的末端设备特征值；步骤二、在线性温度串级控制器6中根据末端设备要求选择最大流量设定值；步骤三、读入上级控制器的标准输出信号作为线性温度串级控制器6的标准输入控制信号；步骤四、根据最大流量设定值和选取的末端设备特征值，获取末端设备的最大热输出量设定值；步骤五、根据标准输入控制信号与目标区域温度的线性温度控制关系和最大热输出量设定值，获取末端设备动态瞬时热输出量设定值；步骤六、根据末端设备动态瞬时热输出量设定值和末端设备特征值，获取动态瞬时水流量设定值；步骤七、根据动态瞬时水流量设定值和压差无关特征值感应装置1的特性，获取压差无关特征值的动态瞬时设定值；步骤八、将压差无关特征值的动态瞬时设定值与经过压差无关特征值感应装置1、压差变送器4采集的测量值进行比较，并通过PID-比例、积分、微分的控制算法，输出标准控制信号到电动执行器8内的标准控制驱动器7中去控制调节阀9的动作。本发明的压差无关型的线性温控阀具体举例如下电动执行器8中线性温度串级控制器6的标准输入控制信号为420mA，调节阀9的规格为DN100，最大流量设定值Qmax设定为64m3/h。压差无关特征值感应装置1为毕托管，毕托管位于调节阀9直管连接段10内，其全压感受孔13的轴线方向与直管连接段轴线方向一致，静压感受孔14的轴线方向与直管连接段轴线方向垂直，则压差无关特征值函数gH为Qs=KQXAXSQRT(APs/(2Xp)(VII)式中(1)、Qs为流量动态瞬时设定值；(2)、KQ为流量修正系数，此处设为1;(3)、A为调节阀直管连接段的内横截面积，内径为0.lm，A=7.854X10—3(m2)(4)、APs为毕托管动压的动态瞬时设定值，也即为此处的压差无关特征值动态瞬时设定值PI"(5)、P为流体的密度，P=1000Kg/m3对(VII)式进行简化得压差无关特征值反函数g—1{}如下PIS=APs=2.50176X10—3XQS2(VIII)其中Pis单位为KPa，Q单位为m3/h线性温度串级控制器6的末端设备特征值数据库中存储多组末端设备特征值反函数f—1()，根据实际末端设备的特性选取其中之一，其原始数据获取及数值分析的过程如下该类末端设备在一定的工况下进行实验，获取的流量与热输出量的关系数据见下表<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>通过数值分析的方法获得末端设备特征值函数的反函数f—1()为QS=f—1(f(Qmax)XAX//AXmax)=64X(1+2.3026X①+2.6509X02+2.0347X03+l.1713XO4+0.5394XO5)(IX)其中①=AX/AXmax-1则根据以上公式(VIIX)，可以得到下表的高级控制算法结果<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>由上表可知，对应标准输入信号20mA，其最大热输出量设定值达到371KW，最大流量设定值为64m3/h，压差无关特征值即毕托管动压的动态瞬时设定值为10.247KPa，对应于每个输入控制信号，都有唯一的最大热输出量设定值、最大流量设定值以及毕托管动压的动态瞬时设定值与之对应，由此可见这种控制算法能够方便、适时、准确地提供高精度的压差无关型线性温度控制。对于压差无关特征值感应装置1为孔板的，只需将压差无关特征值反函数公式g—(公式VIII)改为PIS=APS=100XQS7KV2其中Kv为孔板的流量系数本发明除以上实施例以外还有很多变形，凡是本行业技术人员能够根据以上公开的内容直接推导或联想出的所有内容，均应视为是本发明的保护范围。1权利要求一种线性温控阀的控制方法，包括以下步骤步骤一、根据末端设备的特性，在可实现数学高级计算和PID控制算法的线性温度串级控制器(6)内的末端设备特征值数据库中，选择相应的末端设备特征值；步骤二、在线性温度串级控制器(6)中根据末端设备要求选择最大流量设定值；步骤三、读入上级控制器的标准输出信号作为线性温度串级控制器(6)的标准输入控制信号；步骤四、根据最大流量设定值和选取的末端设备特征值，获取末端设备的最大热输出量设定值；步骤五、根据标准输入控制信号与目标区域温度的线性温度控制关系和最大热输出量设定值，获取末端设备动态瞬时热输出量设定值；步骤六、根据末端设备动态瞬时热输出量设定值和末端设备特征值，获取动态瞬时水流量设定值；步骤七、根据动态瞬时水流量设定值和压差无关特征值感应装置(1)的特性，获取压差无关特征值的动态瞬时设定值；步骤八、将压差无关特征值的动态瞬时设定值与经过压差无关特征值感应装置(1)、压差变送器(4)采集的测量值进行比较，并通过PID的控制算法，输出标准控制信号到电动执行器(8)内的标准控制驱动器(7)中去控制调节阀(9)的动作。2.—种实现权利要求l所述控制方法的阀门，包括调节阀(9)，其特征在于在位于调节阀(9)上部的电动执行器(8)内设有一线性温度控制驱动装置，该线性温度控制驱动装置的输入端通过控制电缆线(5)与压差变送器(4)的输出端相连接，线性温度控制驱动装置的输出端与调节阀(9)相连；调节阀(9)一端的直管连接段(10)设有压差无关特征值感应装置(l)，该压差无关特征值感应装置(1)通过取压管一(2)和取压管二(3)与一压差变送器(4)相连接。3.根据权利要求2所述的阀门，其特征在于所述的线性温度控制驱动装置由线性温度串级控制器(6)和标准控制驱动器(7)组成，线性温度串级控制器(6)的输出端通过控制电缆线(5)与标准控制驱动器(7)的输入端连接。4.根据权利要求2所述的阀门，其特征在于所述的压差无关特征值感应装置(1)采用毕托管式，由静压引压管道(12)、静压感受孔(14)、全压感受孔(13)和全压引压管道(11)组成；静压引压管道(12)与取压管二(3)相连通，全压引压管道(11)与取压管一(2)相连通；全压感受孔(13)中心轴线方向与调节阀(9)直管连接段(10)中心轴线方向一致，静压感受孔(14)中心轴线方向与调节阀(9)直管连接段(10)中心轴线方向垂直。5.根据权利要求2所述的阀门，其特征在于，所述的压差无关特征值感应装置(1)采用孔板装置，孔板进口压力与取压管一(2)相连，孔板出口压力与取压管二(3)相连。6.根据权利要求2所述的阀门，其特征在于，所述的电动执行器(8)为直行程模拟量电动执行器。7.根据权利要求2所述的阀门，其特征在于，所述的调节阀(9)为截止阀型调节阀门。8.根据权利要求2所述的阀门，其特征在于，所述的压差变送器(4)装设于电动执行器(8)的壳体外侧。9.根据权利要求2所述的阀门，其特征在于，所述的压差变送器(4)装设于电动执行器(8)的壳体内部。10.根据权利要求2所述的阀门，其特征在于，所述的直管连接段(10)设在调节阀(9)的入口处或出口处。全文摘要本发明公开了一种线性温控阀的控制方法及实现该方法的阀门，通过引入“末端设备特征值”和“压差无关特征值”，旨在提供一种基于这二种特征值实现压差无关型线性温度精确控制的高级阀门控制方法及实现该方法的阀门。通过这种控制方法，电动执行器内部的线性温度控制驱动装置能够根据标准输入信号和来自调节阀直管处的压差无关特征值测量信号的关系，输出信号去控制调节阀的开度，通过调节流量从而实现对温度的高精度控制。本发明调节控制方式新颖、控制精度高、抗干扰能力强、调节阀结构要求简单、流通阻力小，调试及维修简便，能够广泛地应用在具有较高温度控制精度要求的场合，并且该发明具有很好的节能效果。文档编号F16K31/64GK101737554SQ200810180059公开日2010年6月16日申请日期2008年11月21日优先权日2008年11月21日发明者赵萍申请人:赵萍