经由智能致动器的定制的阀门流量控制优化的制作方法

经由智能致动器的定制的阀门流量控制优化的制作方法
【专利摘要】本发明提供了包括阀门和阀门致动装置的阀门装置。阀门具有已知流动剖面。阀门包括阀门构件和阀门杆，所述阀门杆可操作地耦合到所述阀门构件，以用于调整所述阀门构件的位置。所述阀门致动装置可操作地耦合到所述阀门杆。所述阀门致动装置包括驱动装置和控制装置。所述驱动装置可操作地耦合到所述阀门杆，并且被配置为基于实际杆位置信号来调整所述阀门杆的实际杆位置。所述控制装置被配置为生成所述实际杆位置信号。所述控制装置被配置为基于输入控制信号，生成所述实际杆位置信号，所述输入控制信号表示基于不同于已知流动剖面的期望流动剖面的期望杆位置。
【专利说明】经由智能致动器的定制的阀门流量控制优化
【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及用于控制阀门的开启与闭合从而控制通过阀门以及相关系统的流体的流率的阀门致动器。
【背景技术】
[0002]阀门用于调整通过系统的流体流动。阀门用于控制流体流动的一个特定系统是在加热、通风和空调系统(HVAC系统)中。例如，液体阀门可以用于调节流过加热系统的水，或者风门形式的阀门可以用于调节进入被调节的环境中的冷却或加热空气。
[0003]当前，大多数HVAC系统具有HVAC控制系统，其包括末端控制设备，例如阀门致动器，所述阀门致动器响应于来自HVAC控制器或建筑管理系统(BMS)的控制信号来控制诸如阀门的末端控制元件的机械调整。典型地，控制信号被发送到阀门致动器，阀门致动器调整其输出，以开启-闭合、浮置或调制控制方式来改变阀门(或风门)的阀门构件在闭合或开启位置之间的位置。假定末端控制元件的位置中的这些改变将导致(经由冷或热水传热或经调节温湿度的空气)传送到受控区的能量中的变化。
[0004]不幸地是，不同类型或尺寸的阀门不具有相同的流量响应曲线。这同样适用于风门。因此，不是所有阀门都准确地提供相同的流量vs.受控阀门位置。许多HVAC控制系统基于发送到阀门致动器的控制信号，如同阀门具有是等百分比流量曲线(equal percentageflow curve)的流动剖面。不幸地是，因为许多(即使不是大多数)阀门不具有相同的流动剖面，尤其是不具有遵循等百分比流量曲线的流动剖面，在控制阀门的流量方面存在大量误差。
[0005]例如，对于等百分比流量曲线，当阀门在50%阀门位置(即在开启与闭合之间的一半)时，控制系统典型地期望按照阀门额定流量(Cv或Kv)的百分比的大约15%阀门流量。在一些阀门系列(即，相同类型的阀门，仅在阀门尺寸上有变化)中，根据阀门尺寸，在50%阀门位置处，实际阀门流量可以在阀门额定流量(Cv或Kv)的6%到60%范围内。考虑到从HVAC控制器到阀门致动器的命令的高准确度，阀门与阀门之间的这个变化可以在系统中提供相当大的误差。
[0006]来自理论流量曲线(典型地是等百分比流量曲线)的这些固有误差常常可以使得系统设计者加大阀门尺寸，以确保系统在所有条件下都可以提供足够的流率。这是因为尺寸不足的阀门从不会提供足够的流量，从而不能传送足够的能量以满足所有应用需要。这个习惯的阀门尺寸过大趋向于导致需要更大的泵，需要更多能量以供应设施的加热/冷却需要。较大的阀门还趋向于需要较大的加热器散热器线圈，提高了安装实际HVAC系统的成本。
[0007]与尺寸过大的阀门或在HVAC控制系统所用的理论流动剖面与阀门的实际流动剖面之间的显著误差有关的进一步的问题在于HVAC控制系统可能在HVAC系统的控制中导致相当大的过冲(overshoot)，使得系统在高度加热与之后的高度制冷之间来回循环，以提供区域的所期望的调节。尽管高级HVAC控制系统可以具有足够的反馈控制，以适当地加热或制冷区域或环境，但是系统会不断地对抗自身，导致HVAC系统的低效运行。

【发明内容】

[0008]本发明的实施例允许基于阀门的已知流动剖面的更为智能的阀门控制。本发明的方法和装置允许基于期望流动剖面的输入控制信号到基于受控制的阀门的已知流动剖面的实际阀杆位置信号的校正。
[0009]在根据本发明实施例的特定方法中，提供了一种操作阀门致动器装置的方法，所述阀门致动器装置用于具有已知流动剖面的阀门。该方法包括接收第一输入控制信号，所述第一输入控制信号表示基于第一期望流动剖面的第一期望杆位置，所述第一期望流动剖面不同于所述已知流动剖面，所述第一期望杆位置具有相应的第一理论杆位置信号和相应的第一理论流率；并且基于所述已知流动剖面来生成不同于所述第一理论杆位置信号的实际第一杆位置信号，所述实际第一杆位置信号对应于提供所述第一理论流率的实际第一杆位置。
[0010]在所述方法的实施例中，所述方法还包括向致动装置提供所述实际杆位置信号，并且基于所述实际杆位置信号驱动所述致动装置。
[0011]在一个实施例中，从由如下项构成的组中选择所述期望流动剖面:等百分比流动剖面、快速作用流动剖面以及线性流动剖面。还可以是等百分比改进流动剖面。
[0012]在一个实施例中，所述期望流动剖面是用户自定义流动剖面。在一个实施例中，从由如下项构成的组中选择所述用户定义流动剖面:A)减速流动剖面，所述减速流动剖面是通过百分比缩减系数减小的流动剖面，使得所述减速剖面小于所述阀门的满流量，以及B)流动限制剖面，所述流动限制剖面是上限小于满流量的流动剖面。
[0013]在另一实施例中，所述方法允许在使用不同校正机制的模式之间切换，例如在用于不同阀门或用于不同期望流动剖面的不同已知流动剖面之间切换。所述方法还包括接收第二输入控制信号，所述第二输入控制信号表示基于第二期望流动剖面的第二期望杆位置，所述第二期望流动剖面不同于所述已知流动剖面和所述第一期望流动剖面，所述第二期望杆位置具有相应的第二理论杆位置信号和相应的第二理论流率；以及基于所述已知流动剖面来生成不同于所述第二理论杆位置信号的实际第二杆位置信号，所述实际第二杆位置信号对应于提供所述第二理论流率的实际第二杆位置。
[0014]在更具体的实现方式中，在第一模式期间进行如下步骤:
[0015]接收第一输入控制信号，第一输入控制信号表示基于第一期望流动剖面的第一期望杆位置，所述第一期望流动剖面不同于所述已知流动剖面，所述第一期望杆位置具有相应的第一理论杆位置信号和相应的第一理论流率；以及
[0016]基于所述已知流动剖面来生成不同于所述第一理论杆位置信号的实际第一杆位置信号，所述实际第一杆位置信号对应于提供所述第一理论流率的实际第一杆位置。
[0017]在第二模式期间进行如下步骤:
[0018]接收第二输入控制信号，所述第二输入控制信号表示基于第二期望流动剖面的第二期望杆位置，所述第二期望流动剖面不同于所述已知流动剖面和所述第一期望流动剖面，所述第二期望杆位置具有相应的第二理论杆位置信号和相应的第二理论流率；
[0019]基于所述已知流动剖面来生成不同于所述第二理论杆位置信号的实际第二杆位置信号，所述实际第二杆位置信号对应于提供所述第二理论流率的实际第二杆位置。
[0020]所述方法还包括从所述第一模式切换到所述第二模式。
[0021]在另一实施例中，基于所述已知流动剖面来生成不同于所述第一理论杆位置信号的实际第一杆位置信号，所述实际第一杆位置信号对应于提供所述第一理论流率的实际第一杆位置的所述步骤包括使用将所述第一输入控制信号与所述实际第一杆位置信号相关联的第一查找表或等效数学方程，以确定所述实际第一杆位置信号。并且
[0022]基于所述已知流动剖面来生成不同于所述第二理论杆位置信号的实际第二杆位置信号，所述实际第二杆位置信号对应于提供所述第二理论流率的实际第二杆位置的所述步骤包括使用将所述第二输入控制信号与所述实际第二杆位置信号相关联的第二查找表或等效数学方程，以确定所述实际第二杆位置信号。
[0023]在一个实施例中，所述第一和第二查找表或等效数学方程被同时存储在所述阀门致动装置中。所述方法还包括从所述第二模式切换到所述第一模式。
[0024]在一个实施例中，生成实际第一杆位置信号的所述步骤包括将所述第一输入控制信号与所述实际第一杆位置信号相关联。
[0025]在一个实施例中，将所述第一输入控制信号与所述实际第一杆位置信号相关联包括使用查找表或等效数学方程。
[0026]在一个实施例中，生成实际第一杆位置信号的所述步骤包括将所述第一输入控制信号与所述实际第一杆位置信号相关联；并且生成实际第二杆位置信号的所述步骤包括将所述第二输入控制信号与所述实际第二杆位置信号相关联。
[0027]在本发明的一个实施例中，提供了 一种包括阀门和阀门致动装置的阀门装置。所述阀门具有已知流动剖面。所述阀门包括阀门构件和阀门杆，所述阀门杆可操作地耦合到所述阀门构件，以用于调整所述阀门构件的位置。所述阀门致动装置可操作地耦合到所述阀门杆。所述阀门致动装置包括驱动装置和控制装置。所述驱动装置可操作地耦合到所述阀门杆，并且被配置为基于实际杆位置信号来调整所述阀门杆的实际杆位置。所述控制装置被配置为生成所述实际杆位置信号。所述控制装置被配置为基于输入控制信号来生成所述实际杆位置信号，所述输入控制信号表示基于不同于已知流动剖面的期望流动剖面的期望杆位置。
[0028]在一个实施例中，所述已知流动剖面不同于所述期望流动剖面之处在于针对所述已知流动剖面和期望流动剖面的每一个流动剖面的至少一个相同阀门杆位置具有不同的流率。
[0029]在一个实施例中，所述期望流动剖面是等百分比流动剖面。
[0030]在一个实施例中，所述控制装置包括查找表或等效数学方程，其将所述输入控制信号与所述实际杆位置信号相关联。
[0031 ] 在一个实施例中，所述阀门致动装置包括主控制器、中间信号转换器设备和阀门致动器，所述阀门致动器包括驱动装置。所述中间信号转换器设备插入所述主控制器之间。所述主控制器被配置为生成输入控制信号。中间信号转换器被配置为基于来自所述主控制器的所述输入控制信号生成所述实际杆位置信号。
[0032]在一个实施例中，所述主控制器具有输出接口。所述阀门致动器具有输入接口。所述中间信号转换器具有耦合到所述主控制器的输出接口的输入接口。所述中间信号转换器具有耦合到所述阀门致动器的输入接口的输出接口。所述阀门致动器被封装为第一单元。所述中间信号转换器被封装为与所述第一单元独立的第二单元。这允许现有系统中的改型翻新。
[0033]在一个实施例中，所述中间信号转换器被编程为具有查找表或等效数学方程，所述查找表或等效数学方程被配置为将所述输入控制信号与所述实际杆位置信号相关联。
[0034]在一个实施例中，所述控制装置进一步被配置为基于第二输入控制信号来生成所述实际杆位置信号，所述第二输入控制信号表示基于第二期望流动剖面的第二期望杆位置，所述第二期望流动剖面不同于所述已知流动剖面并且不同于所述第一期望流动剖面。
[0035]在一个实施例中，所述控制装置能够在基于所述期望流动剖面生成所述实际杆位置信号与基于所述第二期望流动剖面生成所述实际杆位置信号之间切换。
[0036]在一个实施例中，所述控制装置被配置为使用第一查找表或等效数学方程将所述输入控制信号与所述实际杆位置信号相关联，并且被配置为使用第二查找表或等效数学方程将所述第二输入控制信号与所述实际杆位置信号相关联，所述第二查找表或等效数学方程不同于所述第一查找表或等效数学方程。
[0037]在一个实施例中，所述控制装置被配置为使用查找表或等效数学方程将所述输入控制信号与所述实际杆位置信号相关联。
[0038]在一个实施例中，所述控制装置包括主控制器和阀门致动器，所述阀门致动器可操作地耦合到所述主控制器。所述阀门致动器包括驱动装置。所述阀门致动器被封装为第一单元。所述主控制器被封装为独立于所述第一单元的第二单元。所述主控制器被配置为生成输入控制信号，并且随后将所述输入控制信号与实际杆位置信号相关联。
[0039]在一个实施例中，所述控制装置包括主控制器和阀门致动器。所述阀门致动器包括可操作地耦合到所述主控制器的致动器控制器。将阀门致动器封装为第一单元，包括致动器控制器和驱动装置。将主控制器封装为独立于所述第一单元的第二单元。所述主控制器被配置为生成输入控制信号，所述致动器控制器被配置为接收所述输入控制信号，及将所述输入控制信号与实际杆位置信号相关联。
[0040]在另一实施例中，提供了一种阀门致动装置，所述阀门致动装置可操作地耦合到具有已知流动剖面的阀门。所述阀门包括阀门构件和阀门杆，所述阀门杆可操作地耦合到所述阀门构件，以用于调整所述阀门构件的位置。所述阀门致动装置包括驱动装置和控制装置。所述驱动装置可操作地耦合到所述阀门杆，并且被配置为基于实际杆位置信号调整所述阀门杆的实际杆位置。所述控制装置被配置为生成所述实际杆位置信号，以控制所述驱动装置的操作。所述控制装置被配置为基于输入控制信号来生成所述实际杆位置信号，所述输入控制信号表示基于不同于所述已知流动剖面的期望流动剖面的期望杆位置。
[0041]在另一实施例中，提供了一种对阀门致动装置进行编程的方法，所述阀门致动装置用于具有已知流动剖面的阀门。所述方法包括获得关联表，所述关联表将表示基于期望流动剖面的期望杆位置的输入控制信号与基于已知流动剖面的实际杆位置信号相关联。所述期望流动剖面不同于所述已知流动剖面。所述方法进一步包括将所述关联表存储在所述阀门致动装置中。
[0042]在更具体的方法中，所述方法包括向主机发送标识阀门的阀门标识符；向所述主机发送期望流动剖面标识符；以及接收所述关联表。[0043]所述方法可以进一步包括获得第二关联/查找表或等效数学方程，其将表示基于第二期望流动剖面的第二期望杆位置的输入控制信号与基于已知流动剖面的实际杆位置信号相关联。所述第二期望流动剖面不同于所述已知流动剖面和所述期望流动剖面。所述方法进一步包括将所述第二关联表存储在所述阀门致动装置中。
[0044]优选地，所述关联表和第二关联表都被存储在所述阀门致动装置中。
[0045]在另一种方法中，提供了一种生成关联表的方法，所述关联表将输入控制信号与用于具有已知流动剖面的阀门的实际杆位置信号相关联。所述方法包括从用户接收标识阀门的阀门标识符，所述阀门具有已知流动剖面；从用户接收期望流动平面标识符；以及生成关联表，所述关联表将表示基于期望流动剖面的期望杆位置的输入控制信号与基于已知流动剖面的实际杆位置信号相关联，所述期望流动剖面不同于所述已知流动剖面；以及向用户发送所述关联表。
[0046]所述方法可以进一步包括接收期望流动剖面标识符包括接收用户定义的期望流动剖面信息。
[0047]提供了一种控制阀门致动器的方法，所述阀门致动器用于具有已知流动剖面的阀门。所述方法包括接收输入控制信号，所述输入控制信号表示基于期望流动剖面的期望流量输出，所述期望流动剖面与所述已知流动剖面不同；将所述期望流量输出与会生成期望流量输出的已知杆位置信号相关联；以及生成所述已知杆位置信号。
[0048]结合附图，依据以下的详细说明，本发明其他方案、目的和优点会变得更为显而易见。
【专利附图】

【附图说明】
[0049]并入且构成说明书一部分的附图示出了本发明的几个方面，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中:
[0050]图1是根据本发明实施例使用阀门和阀门致动装置的HVAC系统的示意图；
[0051]图2是根据本发明的使用阀门和阀门致动装置的第二实施例的HVAC系统的示意图；
[0052]图3是用于主控制器的理论流动剖面的曲线图；
[0053]图4是用于已知阀门的实际流动剖面的曲线图；
[0054]图5是示出了阀门致动装置如何可以使得具有已知剖面的阀门仿效(emulate)期望流动剖面的曲线图；
[0055]图6是示出了如何将控制输入信号与期望杆位置信号相关联的图示；
[0056]图7是修改的阀门响应曲线的图示；
[0057]图8和9是用户定义的期望流动剖面的示例。
[0058]图10是根据本发明的用户如何编程阀门致动装置的示意性表示。
[0059]图11是根据本发明的使用阀门和阀门致动装置的第三实施例的HVAC系统的示意图；
[0060]尽管将结合特定优选实施例来描述本发明，但是并非旨在将本发明限于这些实施例。相反地，意图覆盖所有替代、修改和等效物，如同包括在由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内。【具体实施方式】
[0061]图1示出了根据本发明实施例用于调节环境102的HVAC系统100的简化示意图。HVAC系统100可以使用流动的水或空气作为用于调节环境102的流体。
[0062]HVAC系统100包括流体源113和泵106，所述泵106用于泵送用来调节环境102的流体。阀门108介于流体源113与环境之间，以控制流体向环境的流动，尤其是到流体用于调节环境的位置。例如，在图1中，阀门108控制水流动至用于冷却或加热环境102的散热器110或其他传热设备。在这个实施例中，阀门108可以采用水流控制阀门的形式，流体源113可以包括加热线圈，用于在将水传送到散热器110之前对水进行加热。在替代实施例中，阀门108可以采用风门的形式，流体源113可以是锅炉或空调器，而输出端(B卩，电热器110)可以是与环境流体连通的通风口的形式。
[0063]尽管未示出，但是HVAC系统100可以具有不同区域，为其全都提供有来自流体源113的流体。
[0064]为了控制阀门108的操作，HVAC系统100包括可操作地耦合到阀门108的阀门致动装置112。在所示实施例中，阀门致动装置112可操作地耦合到阀门杆114，所述阀门杆114可操作地耦合到阀门的阀门构件116。阀门杆114的移动可操作地相对于阀体118移动阀门构件116。阀门构件116的移动在最小流量(典型地没有流量)与最大流量之间调整允许通过阀门108的流量。阀门杆114可以围绕旋转轴旋转阀门构件116，沿线性轴轴向移动阀门构件116，如果阀门108是风门的形式，则可以开启与闭合百叶窗或其他构件等。阀门108具有已知流动剖面148(参见图5)，其相对于杆位置与流体流量相关联。在图5中，按照作为满行程的百分比的函数的最大流量的百分比来表示阀门108的流动剖面148。
[0065]在图1的实施例中，阀门致动装置112包括阀门致动器122，其可操作地耦合到阀门108，阀门致动器122在物理上控制阀门杆114的移动，因而控制阀门构件116的移动。阀门致动器122包括驱动机构124，其至少可以包括驱动电机，用于驱动阀门杆114。驱动机构124还可以包括齿轮和/或变速器，用于将电机的输出转移到阀门杆114。在所述阀门致动器122的电机和/或变速器与阀门杆114之间设置联接器126，以帮助将阀门致动器122可操作地耦合到阀门杆114。阀门致动器112以及典型的驱动机构可以包括电子控制机构(其可以包括微处理器和一些储存介质)，用于响应于实际杆位置信号来控制电机可操作地驱动阀门杆114，并且从而相对于阀体118驱动所连接的阀门构件116。与驱动机构124相关联的电子装置尤其可以允许在阀门108的满行程的相对端之间定位阀门杆114。在一些实施例中，驱动机构是步进电机的形式，其将满行程分为独立的相等大小步长。可替换地，驱动机构可以包括定时控制的同步电机或DC电机。
[0066]所示实施例中的阀门致动器122还包括可操作地耦合到驱动机构124的致动器控制器128，所述致动器控制器128可操作地被配置为生成实际杆位置信号。所示实施例的致动器控制器128被配置为从主控制器130接收输入控制信号。致动器控制器128可以包括微处理器和储存介质。驱动机构124基于从致动器控制器128发送的该实际杆位置信号来控制阀门杆。
[0067] 主控制器130可操作地被配置为生成输入控制信号，所述输入控制信号可操作地用于控制阀门杆114对于特定位置的定位。这个特定位置旨在适当地调整通过阀门108的流体流量，以调整出现在环境102内的调节量，例如，在加热操作过程中增加的能量的量。典型地，主控制器130将可操作地连接到环境102内的传感器131，以允许主控制器130确定如何调整HVAC系统100的控制，从而适当地调节环境102。典型地，传感器131是位于环境102内的温度传感器。传感器131也可以是或包括用于感测环境102内的湿度的其他传感器。此外，主控制器130可以控制用于整个建筑物的HVAC系统，该建筑物具有用于不同环境的多个区域，例如不同房间、楼层等。因此，主控制器130可以与多个传感器进行通信。
[0068]典型地，主控制器130被编程为基于控制流体流量的期望阀门的理论流动剖面生成输入控制信号。图3是通常用于编程主控制器130的理论流动剖面的曲线图。流动剖面134是等百分比流动剖面(下文中的“等百分比流动剖面134”)。流动剖面136是快速作用流动剖面(fast acting flow profile)(下文中的“快速作用流动剖面136”)。流动剖面138是线性流动剖面(下文中的“线性流动剖面138”)。
[0069]主控制器130的理想编程典型地使用理论流动剖面，例如这些流动剖面134、136、138之一，或者程序员认为是最接近于HVAC系统内的阀门的实际流动剖面的其他理论流动剖面。这允许末端程序正确地确定阀门杆的期望位置，以便提供流体流量的预期量。
[0070]在这个实施例中，可以单独地考虑致动器控制器128，或者可以结合控制装置而将所述致动器控制器128配置为生成实际杆位置信号，实际杆位置信号基于输入控制信号，输入控制信号表示基于期望流动剖面的期望杆位置。
[0071]不幸地是，图4示出了甚至在一系列类似设计的阀门内(典型地仅在尺寸上有变化)，其流动剖面也并非总是保持共同的形状。除了上述的等百分比流动剖面134以外，图4描绘了第一、第二和第三已知流动剖面140、142、144，其用于单一产品线内的不同阀门，但仅具有不同阀门尺寸(即满流量)。可以看出，在三个不同已知流动剖面140、142、144以及等百分比流动剖面134之间存在显著的变化。当编程主控制器130以基于与受控阀门的实际流动剖面不匹配或者接近匹配的理论流动剖面生成输入控制信号时，与理论流动剖面，即在这个示例中是等百分比流动剖面134的显著的变化在系统中提供了相当大的误差。
[0072]参考图4，如果主控制器130例如确定它需要生成满行程的50%的阀门杆位置信号，那么根据受控制的阀门生成显著不同的百分比流率。真实的等百分比流动剖面具有约15%的百分比流率，在最低情况下，第一已知流动剖面140具有约6%的百分比流率，而在最高情况下，第三已知流动剖面140具有约60%的百分比流率。如所见的，鉴于在不同阀门之间的流动剖面中的变化，在往来于环境传送的能量的实际量中会存在显著的差别和相当大的误差。
[0073]应注意，尽管图4示出了阀门尺寸之间存在较大变化，但典型地，在同一准确尺寸的个体阀门之间存在小得多的变化。因此，当确定了给定阀门的流动剖面时，其余类似配置的阀门应具有基本上相同的流动剖面。
[0074]本发明的实施例提供了对阀门制动装置112的智能控制，其实现了基于特定阀门108的已知流动剖面的阀门制动装置112的特别调整适应，所述特定阀门108耦合到阀门制动装置112，至少是耦合到控制特定阀门108的阀门制动装置112的特定阀门致动器122。
[0075]另外参考图5，在一个实施例中，例如在图1中，阀门致动器122的致动器控制器128被配置成使得用户可以基于阀门致动器122控制的阀门108的已知流动剖面148进行编程，以使得阀门108仿效期望流动剖面的流动剖面，例如等百分比剖面134。因此，当致动器控制器128从主控制器130接收输入控制信号时，致动器控制器128会将该输入控制信号与实际杆位置信号相关联，所述实际杆位置信号表示与期望杆位置不同的实际杆位置，其中，输入控制信号表示基于由主控制器130的编程所使用的期望流动剖面，即例如等百分比流动剖面134，的期望杆位置。致动器控制器128随后将生成实际杆位置信号，其将控制驱动装置124以在适当取向上定位阀门杆114，并提供期望百分比流率。
[0076]更具体而言，致动器控制器128被配置为生成实际阀门杆位置信号，其将阀门108的阀门杆114设置在适当位置，以提供对应于期望杆位置的期望流率。
[0077]典型地，来自主控制器130的输入控制信号是线性模拟信号。在一些实施例中，线性信号是在O到10伏DC之间的线性电压信号，或者在4到20mA之间的线性电流信号。在一些实施例中，该信号可以是例如经由通信网络的数字。
[0078]在图5中，描绘了理论响应曲线150，理论响应曲线150示出了主控制器130被编程为致动器基于由主控制器130生成的线性输入控制信号来展现的理论响应曲线。更具体而言，理论响应曲线150表示作为阀门杆位置的百分比的函数的输入电压。
[0079]在一个实施例中，致动器控制器128被编程为使用查找表或等效数学方程，其将从主控制器130发送的基于是主控制器130的编程基础的理论期望流动剖面的输入控制信号关联到实际杆位置信号，所述实际杆位置信号表示基于阀门108的已知流动剖面148的相同流率。同样，阀门108的已知流动剖面148典型地不同于期望流动剖面134。但致动器控制器128可以使用其他机构或编程来执行关联。致动器控制器128随后将生成实际杆位置信号，其对应于主控制器130基于阀门108的实际已知流动剖面148提供理论流率所必需的实际杆位置。该信号随后发送到驱动装置126。在一种方式中，可以通过生成查找表的数据点，随后将曲线拟合到数据点并生成回归方程而生成查找表的等效数学方程。尽管仅总体上临时论述了以下实施例具有查找表，但这些实施例也可以使用等效数学方程。
[0080]图6示出了生成查找表的数据的一种方法，用于将从主控制器130发送的输入控制信号关联到用于控制驱动机构124的实际杆位置信号。
[0081]每一个输入控制信号都表示期望阀门杆位置，因而表示期望流率。该期望阀门杆位置由垂直线152表示。对于这个示例，我们将使用50%的期望阀门杆位置。在期望阀门杆位置的垂直线152与主控制器的编程所基于的线性理论响应曲线150的交叉点154确定用于该期望阀门杆位置的输入控制信号的值。在这个实例中，来自主控制器130的输入控制号是5.0伏。
[0082]接下来，基于这个阀门杆位置确定期望理论流率。垂直线152与期望流动剖面，即等百分比流动剖面134，的交叉点156基于用于杆位置和输入控制信号的等百分比流动剖面134标识期望百分比流率。在这个实例中，用于5.0伏的输入控制电压的期望百分比流率约为15%。
[0083]接下来，将15%的期望百分比流率用于基于阀门已知流动剖面148确定阀门108所需的实际阀门杆位置。在表示15%的期望百分比流率的水平线158与用于阀门108的已知流动剖面148的交叉点157标识这个实际阀门杆位置值。在这个示例中，实际阀门杆位置约为33%。接下来，确定将阀门108的阀门杆114定位在33%的适当实际杆位置所必须生成的实际杆位置信号。在垂直线160与线性响应曲线150的交叉点159标识这个实际杆位置信号。在这个位置，确定约3.3伏的实际杆位置信号是将阀门108的阀门杆114定位在适当位置以便阀门提供期望流率所必需的。可以针对期望流量曲线134的所有期望杆位置重复这个过程，以生成查找表和修改的致动器响应曲线。
[0084]图7示出了如果期望使用在前步骤使得阀门108仿效等百分比阀门，就会在用于具有已知流动剖面148的阀门108的查找表中的数据的曲线图。
[0085]曲线图162表示被重新编程的致动器响应曲线。曲线图162是作为输入控制信号(X轴)的函数的实际阀门杆位置信号(y轴)的图。一旦为给定结构，即具有是主控制器130的编程的前提的已知流动剖面和特定期望流动剖面的特定阀门，生成这个曲线图162或者具有沿曲线图162的足够数据点的相应查找表，就可以容易地将任何输入控制信号值与关联到控制驱动机构124所必需的实际阀门杆位置信号。同样，在所示实施例中，这种关联由致动器控制器128执行。依据本文的图7和曲线图162，可以看出被重新编程的致动器响应曲线162是非线性的。
[0086]使用上述系统，阀门108可以被配置为基本上仿效任何期望流动剖面，只要流动剖面的最大流量不大于阀门108的最大流量。
[0087]图8示出了流量限制剖面164。流量限制剖面将阀门的最大流量限制为小于阀门的满Cv/Kv的某些流量。在所示的实施例中，流量限制剖面164是有限等百分比曲线，其上限为70%最大流量。更具体而言。一旦流量限制剖面164达到最大流量的70%，则流量限制剖面164就包括水平区166。实际上，这个流量剖面对于限制通过HVAC系统的一个回路的最大流量是有用的，以便允许到建筑物中其他回路的足够流量，同时仍提供与阀门额定Cv/Kv有关的等百分比流动剖面。可以基于不同应用需要电子地重新调整最大流率。
[0088]图9示出了减速流动剖面168。为减小流率流动剖面给与通过百分比减小系数减小的期望流动剖面，以使得减速流动剖面小于阀门的满流量，但仍保持基本上相同的形状。在这个实施例中，减速流动剖面168是减速等百分比流动剖面。更具体而言，减速流动剖面168是等百分比流动剖面134乘以70%的恒定百分比缩减系数。这种结构允许流动剖面在阀门全范围上仿效等百分比流动剖面，但以减小的速率。实际上，这允许尺寸过大的阀门利用减速流动剖面168仿效较小流量Cv/Kv。
[0089]以上的流量限制剖面和减速流动剖面都可以应用于不同理论曲线，例如线性、快速作用等。
[0090]以上系统和信息的使用允许完全用户定义的流动剖面。用户可以生成用户定义流动剖面，随后通过生成允许阀门仿效期望流动剖面的重新编程的致动器响应曲线使得阀门仿效用户定义流动剖面。
[0091]阀门致动器122优选地是用户可编程的。更具体而言，阀门致动器122被配置为使得用户可以重新编程致动器控制器128。例如，在致动器122应用于不同类型的阀门的情况下，用户可以基于新阀门的已知流动剖面重新编程致动器控制器128，尤其是关联机制，即查找表。类似的，如果使用相同的阀门，但用户决定仿效不同的期望流动剖面，用户可以基于阀门的已知剖面和新的期望流动剖面，通过提供例如新的查找表来重新编程致动器控制器128。
[0092]图10详述了重新编程能力特征。在这个图示中，阀门108包括阀门ID标记172，其存储或表示阀门108的特定信息，例如阀门零件编号、修订版本编号、额定流量、生产日期等。用户可以从阀门108获得阀门标识信息，如箭头174所示。用户随后可以使用阀门标识信息通过诸如互联网的网络178而从诸如由制造商提供的数据库的数据库180请求阀门流动剖面数据。用户170可以为特定阀门请求特定期望流动剖面或生成用户定义流动剖面和关联机制，即查找表，期望流动剖面随后可以通过网络178发送回用户，如箭头182所示。用户随后可以将新的关联机制上载到致动器控制器128，由箭头184所示，以重新编程阀门致动器122。
[0093]在一些实施例中，期望阀门致动器122能够一次存储不同关联机制，即不同的查找表。这允许在如果需要系统修改的初始设置期间，用户在不同预编程的配置之间切换，即在每一个不同查找表之间切换。例如，如果在现场测试HVAC系统时，确定HVAC系统的一个区域运行不适当，用户可以立即在不同模式之间切换，以尝试调试系统，而无需访问新的关联机制。
[0094]这些智能致动器的使用允许以期望的方式且更准确地控制低成本阀门。
[0095]在一个实施例中，系统不使用流体流量反馈。更具体而言,通过阀门108的实际流量或者横跨阀门108的压降不直接用于编程或重新编程致动器控制器128或者甚至用于控制阀门杆114的定位。作为替代，用以获得通过阀门108的期望流率的阀门杆114的定位是开路的，完全由主控制器130的编程建立。
[0096]图2示出了 HVAC系统200的另一实施例。该HVAC系统200类似于先前的HVAC系统100，因为其包括阀门致动装置212，其被配置为使得具有已知流动剖面的阀门208仿效具有期望流动剖面的阀门。但这个实施例尤其适用于现有HVAC系统的式样翻新。
[0097]在这个实施例中，阀门致动装置212包括介于阀门致动器222与主控制器230之间的中间信号转换器设备220。中间信号转换器设备220优选地是独立单元，其可以安装在具有现有阀门致动器22和现有主控制器230的现有系统中。中间信号转换器设备220被配置为将由主控制器230生成的输入控制信号与实际杆位置信号相关联，随后将所述实际杆位置信号发送到阀门致动器222。
[0098]因此，利用上述查找表来对中间信号转换器设备220进行编程。因而在这个实施例中，相关于阀门控制器128讨论的关联功能将由中间信号转换器设备220来提供。
[0099]中间信号转换器设备220具有中间信号转换器设备输出接口，其与阀门致动器222的相应致动器输入接口协作。这两个接口由联接器280示意性地示出。该联接器280允许中间信号转换器设备220可操作地耦合到阀门致动器224，并向阀门致动器222输出修改的阀门定位信号。该装置允许将中间信号转换器设备220封装为整体上独立于阀门致动器222的单独单元。在这个实施例中，包括其内部控制器和驱动单元224的阀门致动器222是与中间信号转换器设备220分离的独立单元。
[0100]中间信号转换器设备220还具有中间信号转换器设备输入接口，其与主控制器230的相应主控制器输出接口协作。这两个接口由联接器282示意性地示出。多个接口，尤其是联接器280、282允许易于式样翻新现有系统，其仅包括主控制器230和具有中间信号转换器设备220的阀门致动器222，因而被配置为适当地将主控制器230基于期望流动剖面生成的信号与基于阀门208的实际流动剖面的适当信号相关联。
[0101]同样，中间信号转换器设备220可以具有存储于其中的多个关联机制，即查找表或数学方程，以使得它可以允许在不同模式下操作并且可以是如上所述用户可重新编程的。[0102]图11示出了 HVAC系统300的另一实施例。该HVAC系统300类似于先前的HVAC系统100和200，因为它包括阀门致动装置312，其被配置为当期望流动剖面与阀门308的已知流动剖面不同时，使得具有已知流动剖面的阀门308仿效具有期望流动剖面的阀门。
[0103]然而，在这个实施例中，在主控制器330中执行从输入控制信号到实际杆位置信号的关联。随后将实际杆位置信号发送到阀门致动器322。根据主控制器330连接的阀门致动器322，实际杆位置信号可以是模拟的或数字的。主控制器330可以具有分离的内部模块331、333。在最简单的形式中，内部模块331、333可以是由主控制器330执行的单独的子例程。一个模块可以是输入控制信号模块331，其基于如在前系统中的期望流动剖面生成输入控制信号。但在将该输入控制信号发送到阀门致动器322之前，将信号发送到转换器模块333，其执行关联功能并且生成实际杆位置信号，随后将实际杆位置信号发送到阀门致动器 322。
[0104]同样，主控制器330优选是可重新编程的，并且能够存储多于一个关联机制，例如查找表或等效数学方程，以使得它可以基于具有不同流动剖面或不同期望流动剖面的阀门在分离模式下操作。
[0105]包括本文引用的公开、专利申请和专利的所有参考都由此通过相同程度的参考而并入本文中，如同将每一个参考都单独且特定地指示为通过参考而被包含，并在本文中整体上加以阐述。
[0106]说明本发明的环境中的(尤其是在以下权利要求书的环境中的)术语“一”和“这个”及类似所指对象应解释为覆盖单数和复数，除非本文中另有指出，或者与上下文明显矛盾。术语“由...组成”、“具有”、“包括”、“包含”应解释为开放式术语(即，表示“包括但不限于”)，除非另有指出。本文中数值范围的列举仅仅旨在充当对属于该范围内的每一个分离数值的个别提及的便捷方式，除非本文另有指出，每一个分离数值都包含在说明书中，如同它在本文中被个别提及了。本文所述的所有方法都可以以任何适合的顺序执行，除非本文另有指出，或者与上下文明显矛盾。本文提供的任意及全部示例或示例性语言(例如，“诸如”)的使用都仅仅旨在更好地阐明本发明，并非在本发明的范围施加限制，除非另有要求。说明书中的语言不应解释为指示任何未要求的要素对于本发明的实践是必要的。
[0107]本文说明了本发明的优选实施例，包括发明人为了实施本发明而获知的最佳模式。对于本领域普通技术人员，在阅读了在前说明后，这些优选实施例的变化是显而易见的。发明人期望技术人员适当地利用这些变化，发明人意图以除了本文特别说明的以外的其他方式来实践本发明。因此，本发明包括适用法律所允许的所附权利要求书中表述的主题的所有修改和等效替代。此外，本发明包含其所有可能的变化中的上述要素的任意组合，除非本文另有指出或者与上下文明显矛盾。
【权利要求】
1.一种操作阀门致动器装置的方法，所述阀门致动器装置用于具有已知流动剖面的阀门，所述方法包括: 接收第一输入控制信号，所述第一输入控制信号表示基于第一期望流动剖面的第一期望杆位置，所述第一期望流动剖面不同于所述已知流动剖面，所述第一期望杆位置具有相应的第一理论杆位置信号和相应的第一理论流率； 基于所述已知流动剖面来生成不同于所述第一理论杆位置信号的实际第一杆位置信号，所述实际第一杆位置信号对应于提供所述第一理论流率的实际第一杆位置。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括向致动装置提供所述实际杆位置信号，并且基于所述实际杆位置信号驱动所述致动装置。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，从由如下项构成的组中选择所述期望流动剖面:等百分比流动剖面、快速作用流动剖面以及线性流动剖面。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述期望流动剖面是用户自定义流动剖面。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，从由如下项构成的组中选择所述用户定义流动剖面:A)减速流动剖面，所述减速流动剖面是通过百分比缩减系数减小的流动剖面，使得所述减速剖面小于所 述阀门的满流量，以及B)流动限制剖面，所述流动限制剖面是上限小于满流量的流动剖面。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括: 接收第二输入控制信号，所述第二输入控制信号表示基于第二期望流动剖面的第二期望杆位置，所述第二期望流动剖面不同于所述已知流动剖面和所述第一期望流动剖面，所述第二期望杆位置具有相应的第二理论杆位置信号和相应的第二理论流率； 基于所述已知流动剖面来生成不同于所述第二理论杆位置信号的实际第二杆位置信号，所述实际第二杆位置信号对应于提供所述第二理论流率的实际第二杆位置。
7.根据权利要求6所述的方法， 其中，在第一模式期间进行如下步骤: 接收第一输入控制信号，第一输入控制信号表示基于第一期望流动剖面的第一期望杆位置，所述第一期望流动剖面不同于所述已知流动剖面，所述第一期望杆位置具有相应的第一理论杆位置信号和相应的第一理论流率； 基于所述已知流动剖面来生成不同于所述第一理论杆位置信号的实际第一杆位置信号，所述实际第一杆位置信号对应于提供所述第一理论流率的实际第一杆位置；并且其中，在第二模式期间进行如下步骤: 接收第二输入控制信号，所述第二输入控制信号表示基于第二期望流动剖面的第二期望杆位置，所述第二期望流动剖面不同于所述已知流动剖面和所述第一期望流动剖面，所述第二期望杆位置具有相应的第二理论杆位置信号和相应的第二理论流率； 基于所述已知流动剖面来生成不同于所述第二理论杆位置信号的实际第二杆位置信号，所述实际第二杆位置信号对应于提供所述第二理论流率的实际第二杆位置；并且所述方法还包括从所述第一模式切换到所述第二模式。
8.根据权利要求7所述的方法，其中， 基于所述已知流动剖面来生成不同于所述第一理论杆位置信号的实际第一杆位置信号，所述实际第一杆位置信号对应于提供所述第一理论流率的实际第一杆位置的所述步骤包括使用将所述第一输入控制信号与所述实际第一杆位置信号相关联的第一查找表或等效数学方程，以确定所述实际第一杆位置信号；并且 其中，基于所述已知流动剖面来生成不同于所述第二理论杆位置信号的实际第二杆位置信号，所述实际第二杆位置信号对应于提供所述第二理论流率的实际第二杆位置的所述步骤包括使用将所述第二输入控制信号与所述实际第二杆位置信号相关联的第二查找表或等效数学方程，以确定所述实际第二杆位置信号。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一和第二查找表或等效数学方程被同时存储在所述阀门致动装置中，并且还包括从所述第二模式切换到所述第一模式的步骤。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，生成实际第一杆位置信号的所述步骤包括将所述第一输入控制信号与所述实际第一杆位置信号相关联。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，将所述第一输入控制信号与所述实际第一杆位置信号相关联包括使用查找表或等效数学方程。
12.根据权利要求6所述的方法，其中，生成实际第一杆位置信号的所述步骤包括将所述第一输入控制信号与所述实际第一杆位置信号相关联；并且生成实际第二杆位置信号的所述步骤包括将所述第二输入控制信号与所述实际第二杆位置信号相关联。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，将所述第一输入控制信号与所述实际第一杆位置信号相关联包括使用第一查找表或等效数学方程；并且其中将所述第二输入控制信号与所述实际第二杆位置信号相关联包括使用第二查找表或等效数学方程。
14.一种阀门装置。包括: 阀门，所述阀门具有已知流动剖面，所述阀门包括阀门构件和阀门杆，所述阀门杆可操作地耦合到所述阀门构件，以用于调整所述阀门构件的位置； 阀门致动装置，所述阀门致动装置可操作地耦合到所述阀门杆，所述阀门致动装置包括: 驱动装置，所述驱动装置可操作地耦合到所述阀门杆，并且被配置为基于实际杆位置信号调整所述阀门杆的实际杆位置； 控制装置，所述控制装置被配置为生成所述实际杆位置信号，所述控制装置被配置为基于输入控制信号来生成所述实际杆位置信号，所述输入控制信号表示基于不同于所述已知流动剖面的期望流动剖面的期望杆位置。
15.根据权利要求14所述的阀门装置，其中，所述已知流动剖面不同于所述期望流动剖面在于针对所述已知流动剖面和期望流动剖面的每一个流动剖面的至少一个相同阀门杆位置具有不同的流率。
16.根据权利要求14所述的阀门装置，其中，所述期望流动剖面是等百分比流动剖面。
17.根据权利要求14所述的阀门装置，其中，所述控制装置包括将所述输入控制信号与所述实际杆位置信号相关联的查找表或等效数学方程。
18.根据权利要求14所述的阀门装置，其中，所述阀门致动装置包括主控制器、中间信号转换器设备和阀门致动器，所述阀门致动器包括驱动装置，所述中间信号转换器设备插入所述主控制器之间，所述主控制器被配置为生成所述输入控制信号，所述中间信号转换器被配置为基于来自所述主控制器的所述输入控制信号生成所述实际杆位置信号。
19.根据权利要求18所述的阀门装置，其中，所述主控制器具有输出接口，所述阀门致动器具有输入接口，所述中间信号转换器具有耦合到所述主控制器的所述输出接口的输入接口，所述中间信号转换器具有耦合到所述阀门致动器的所述输入接口的输出接口 ；并且 所述阀门致动器被封装为第一单元，并且 所述中间信号转换器被封装为与所述第一单元独立的第二单元。
20.根据权利要求18所述的阀门装置，其中，所述中间信号转换器被编程为具有查找表或等效数学方程，所述查找表或等效数学方程被配置为将所述输入控制信号与所述实际杆位置信号相关联。
21.根据权利要求14所述的阀门装置，其中，所述控制装置进一步被配置为基于第二输入控制信号来生成所述实际杆位置信号，所述第二输入控制信号表示基于第二期望流动剖面的第二期望杆位置，所述第二期望流动剖面不同于所述已知流动剖面并且不同于所述第一期望流动剖面。
22.根据权利要求21所述的阀门装置，其中，所述控制装置能够在基于所述期望流动剖面生成所述实际杆位置信号与基于所述第二期望流动剖面生成所述实际杆位置信号之间切换。
23.根据权利要求22所述的阀门装置，其中，所述控制装置被配置为使用第一查找表或等效数学方程将所述输入控制信号与所述实际杆位置信号相关联，并且被配置为使用第二查找表或等效数学方程将所述第二输入控制信号与所述实际杆位置信号相关联，所述第二查找表或等效数学方程不同于所述第一查找表或等效数学方程。
24.根据权利要求14所述的阀门装置，其中，所述控制装置被配置为使用查找表或等效数学方程将所述输入控制信号与所述实际杆位置信号相关联。
25.根据权利要求14所述的阀门装置，其中，所述控制装置包括主控制器和阀门致动器，所述阀门致动器可操作地耦合到所述主控制器，所述阀门致动器包括驱动装置； 所述阀门致动器被封装为第一单元； 所述主控制器被封装为独立于所述第一单元的第二单元，所述主控制器被配置为生成所述输入控制信号，并且随后将所述输入控制信号与所述实际杆位置信号相关联。
26.根据权利要求14所述的阀门装置，其中，所述控制装置包括主控制器和阀门致动器，所述阀门致动器包括可操作地耦合到所述主控制器的致动器控制器； 所述阀门致动器被封装为包括所述致动器控制器和所述驱动装置的第一单元； 所述主控制器被封装为独立于所述第一单元的第二单元，所述主控制器被配置为生成所述输入控制信号，并且所述致动器控制器被配置为接收所述输入控制信号并且将所述输入控制信号与所述实际杆位置信号相关联。
27.一种阀门致动装置，所述阀门致动装置可操作地耦合到具有已知流动剖面的阀门，所述阀门包括阀门构件和阀门杆，所述阀门杆可操作地耦合到所述阀门构件，以用于调整所述阀门构件的位置，所述阀门致动装置包括: 驱动装置，所述驱动装置可操作地耦合到所述阀门杆，并且被配置为基于实际杆位置信号来调整所述阀门杆的实际杆位置， 控制装置，所述控制装置被配置为生成所述实际杆位置信号，以控制所述驱动装置的操作，所述控制装置被配置为基于输入控制信号来生成所述实际杆位置信号，所述输入控制信号表示基于不同于所述已知流动剖面的期望流动剖面的期望杆位置。
28.—种对阀门致动装置进行编程的方法，所述阀门致动装置用于具有已知流动剖面的阀门，所述方法包括: 获得关联表，所述关联表将表示基于期望流动剖面的期望杆位置的输入控制信号与基于所述已知流动剖面的实际杆位置信号相关联，所述期望流动剖面不同于所述已知流动剖面；以及 将所述关联表存储在所述阀门致动装置中。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，获得关联表的所述步骤包括: 向主机发送标识所述阀门的阀门标识符； 向所述主机发送期望流动剖面标识符；以及 接收所述关联表。
30.根据权利要求28所述的方法，还包括获得第二关联表，所述第二关联表将表示基于第二期望流动剖面的第二期望杆位置的输入控制信号与基于所述已知流动剖面的实际杆位置信号相关联，所述第二期望流动剖面不同于所述已知流动剖面和所述期望流动剖面；以及 将所述第二关联表存储在所述阀门致动装置中。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，将所述关联表和第二关联表都存储在所述阀门致动装置中。
32.—种生成关联表的方法，所述关联表将输入控制信号与用于具有已知流动剖面的阀门的实际杆位置信号相关联，所述方法包括: 从用户接收标识阀门的阀门标识符，所述阀门具有已知流动剖面； 从用户接收期望流动平面标识符； 生成关联表，所述关联表将表示基于所述期望流动剖面的期望杆位置的输入控制信号与基于所述已知流动剖面的实际杆位置信号相关联，所述期望流动剖面不同于所述已知流动剖面；以及 向所述用户发送所述关联表。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，接收期望流动剖面标识符包括接收用户定义的期望流动剖面信息。
34.一种控制阀门致动器的方法，所述阀门致动器用于具有已知流动剖面的阀门，所述方法包括: 接收输入控制信号，所述输入控制信号表示基于期望流动剖面的期望流量输出，所述期望流动剖面不同于所述已知流动剖面； 将所述期望流量输出与产生所述期望流量输出的已知杆位置信号相关联；以及 生成所述已知杆位置信号。
35.根据权利要求34所述的方法，其中，接收所述控制信号的所述步骤由线性装置执行。
【文档编号】G05D7/06GK104024966SQ201180076074
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2011年12月29日 优先权日:2011年12月29日
【发明者】S·S·德德李希 申请人:施耐德电气建筑有限公司