一种基于智能计量阀的流量控制方法及装置与流程

文档序号：20696738发布日期：2020-05-12 15:05阅读：534来源：国知局

本发明涉及工业自动化中电动调节阀技术领域，尤其涉及一种基于智能计量阀的流量控制方法及装置。

背景技术：

流量控制是工业自动化中主要的控制系统之一，其中流量的精密计量控制也是一些行业生产的必需。它一般由流量驱动源(可能是带压的流体，或用泵驱动的流体)，流量控制系统，电动调节阀和流量计组成。流量控制系统中最复杂和施工难度最大的是控制系统与调节阀的连接，调节阀具有流量控制的给定输入(4-20ma或其他的输入方式，阀门开度反馈4-20ma等)，控制系统要配置流量控制器，调节阀的控制和反馈一般采用plc系统的模拟量输出输入模块，plc对调节阀的控制还涉及流量控制算法软件，当调节阀与控制系统距离远时还有考虑防雷，因此组成一个流量控制系统技术复杂，费用高。而且，常规的电动调节阀的量程范围算法有限，一般理论设计的最大和最小流量比为1:30，而实际运行只有1:5，这种调节阀用于一般工业控制没有问题，但对于需要在宽量程范围内对流量进行精密的计量和控制，是无能为力的。因此对于一些急需流量精密计量控制但经济比较困难或技术力量不足的用户，常规的流量控制系统既在技术上无法满需要，其经济成本也使很多用户无法接受。

目前，需要流量精密计量控制的用户，一般都采用计量泵来完成技术要求，但近20年的计量泵的应用中，其机械的往返运动带来的机械磨损严重，噪声大，振动大，故障率高，可靠性比较低，长期运行非线性严重，维修费用高而且有一定的难度，成为业界公认的流量精密计量投加设备的痛点。

所以，亟需一种流量精密计量控制方法，能够在经济可靠的基础是实现对流量的精密控制。

上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出了一种基于智能计量阀的流量控制方法及装置，旨在解决现有技术无法在经济可靠的基础是实现对流量的精密控制的技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一方面，本发明提供了一种基于智能计量阀的流量控制方法，所述基于智能计量阀的流量控制方法包括以下步骤：

s1，实时监测流量数值，获取流量实时数值，根据该流量实时数值确定待计算流量数值；

s2，建立pid控制算法，根据pid控制算法对待计算流量数值进行计算，获取阀门动作增量；

s3，获取本地设定的阀门动作增量以及对应的阀门动作，建立阀门增量动作对应表，根据阀门动作增量从阀门增量动作对应表中查找对应的阀门动作，并根据该阀门动作对流量进行控制。

在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s1中，实时监测流量数值，获取流量实时数值，根据该流量实时数值确定待计算流量数值之前，还包括以下步骤，接收流量控制指令，检测流量控制指令中是否存在参数修改指令，当存在参数修改指令，根据该参数修改指令对相应参数进行修改，所述参数包括：流量阈值以及流量平衡态比值；当不存在参数修改指令时，实时监测流量数值，获取流量实时数值，根据该流量实时数值确定待计算流量数值。

在以上技术方案的基础上，优选的，实时监测流量数值，获取流量实时数值，根据该流量实时数值确定待计算流量数值，还包括以下步骤，获取本地流量阈值，将流量实时数值与流量阈值进行比较，当流量实时数值等于流量阈值时，重新接受流量监控指令；当流量实时数值不等于流量阈值时，建立pid控制算法，根据pid控制算法对待计算流量数值进行计算，获取阀门动作增量。

在以上技术方案的基础上，优选的，还包括以下步骤，所述pid控制算法为：

δu[n]＝kp{e[n]-e[n-1]}+kie[n]+kd{e[n]-2e[n-1]+e[n-2]}；

其中，δu[n]代表阀门动作增量，kp代表比例系数，e[n]代表n时刻的控制量，n代表离散自变量，ki代表积分系数，且kd代表微分系数，且t代表采样周期，ti代表积分时间常数，td代表微分时间常数。

在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s3中，获取本地设定的阀门动作增量以及对应的阀门动作，建立阀门增量动作对应表，根据阀门动作增量从阀门增量动作对应表中查找对应的阀门动作，并根据该阀门动作对流量进行控制，还包括以下步骤，实时获取阀门当前动作幅度，根据阀门动作增量以及阀门当前动作幅度确定阀门最终动作幅度，根据阀门动作对阀门进行控制，并实时记录阀门停止时的动作幅度，将该动作幅度与阀门最终动作幅度进行比较，根据比较结果，对流量进行控制。

在以上技术方案的基础上，优选的，将该动作幅度与阀门最终动作幅度进行比较，根据比较结果，对流量进行控制，还包括以下步骤，将该动作幅度与阀门最终动作幅度进行比较，当动作幅度与阀门最终动作幅度不同时，计算动作幅度之间的偏差值，根据该偏差值重新确定阀门动作量，对阀门进行控制；当动作幅度与阀门最终动作幅度相同时，检测此时的已调节流量数值。

在以上技术方案的基础上，优选的，当动作幅度与阀门最终动作幅度相同时，检测此时的流量数值，还包括以下步骤，设定流量平衡态比值，从已调节流量数值中提取最大流量数值与最小流量数值，计算最大流量数值与最小流量数值之间的比值，将该比值与流量平衡态比值进行比较，当比值与流量平衡态比值相同时，重新等待流量控制指令；当比值与流量平衡态比值不相同时，通过pid控制算法，根据已调节流量数值重新对流量进行控制。

更进一步优选的，所述基于智能计量阀的流量控制方法装置包括：

监测模块，用于实时监测流量数值，获取流量实时数值，根据该流量实时数值确定待计算流量数值；

计算模块，用于建立pid控制算法，根据pid控制算法对待计算流量数值进行计算，获取阀门动作增量；

控制模块，用于获取本地设定的阀门动作增量以及对应的阀门动作，建立阀门增量动作对应表，根据阀门动作增量从阀门增量动作对应表中查找对应的阀门动作，并根据该阀门动作对流量进行控制。

第二方面，所述基于智能计量阀的流量控制方法还包括一种设备，所述设备包括：存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的基于智能计量阀的流量控制方法程序，所述基于智能计量阀的流量控制方法程序配置为实现如上文所述的基于智能计量阀的流量控制方法的步骤。

第三方面，所述基于智能计量阀的流量控制方法还包括一种介质，所述介质为计算机介质，所述计算机介质上存储有基于智能计量阀的流量控制方法程序，所述基于智能计量阀的流量控制方法程序被处理器执行时实现如上文所述的基于智能计量阀的流量控制方法的步骤。

本发明的一种基于智能计量阀的流量控制方法相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)通过建立pid控制算法，能够利用流量数值精确计算出阀门动作量，然后通过阀门动作量实现对流量的精密控制，减小了系统误差，提高了系统的响应速度和响应效果；

(2)通过将pid控制算法与阀门控制结合起来作为一个整体，通过pid控制算法直接对阀门进行控制，不仅减少了系统的反应时间，提高了流量控制的精密度，同时也降低了造价成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的设备的结构示意图；

图2为本发明基于智能计量阀的流量控制方法第一实施例的流程示意图；

图3为本发明基于智能计量阀的流量控制方法控制流程示意图；

图4为本发明基于智能计量阀的流量控制方法第一实施例的功能模块示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，该设备可以包括：处理器1001，例如中央处理器(centralprocessingunit，cpu)，通信总线1002、用户接口1003，网络接口1004，存储器1005。其中，通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信。用户接口1003可以包括显示屏(display)、输入单元比如键盘(keyboard)，可选用户接口1003还可以包括标准的有线接口、无线接口。网络接口1004可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如无线保真(wireless-fidelity，wi-fi)接口)。存储器1005可以是高速的随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)存储器，也可以是稳定的非易失性存储器(non-volatilememory，nvm)，例如磁盘存储器。存储器1005可选的还可以是独立于前述处理器1001的存储装置。

本领域技术人员可以理解，图1中示出的结构并不构成对设备的限定，在实际应用中设备可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。

如图1所示，作为一种介质的存储器1005中可以包括操作系统、网络通信模块、用户接口模块以及基于智能计量阀的流量控制方法程序。

在图1所示的设备中，网络接口1004主要用于建立设备与存储基于智能计量阀的流量控制方法系统中所需的所有数据的服务器的通信连接；用户接口1003主要用于与用户进行数据交互；本发明基于智能计量阀的流量控制方法设备中的处理器1001、存储器1005可以设置在基于智能计量阀的流量控制方法设备中，所述基于智能计量阀的流量控制方法设备通过处理器1001调用存储器1005中存储的基于智能计量阀的流量控制方法程序，并执行本发明实施提供的基于智能计量阀的流量控制方法。

结合图2，图2为本发明基于智能计量阀的流量控制方法第一实施例的流程示意图。

本实施例中，所述基于智能计量阀的流量控制方法包括以下步骤：

s10：实时监测流量数值，获取流量实时数值，根据该流量实时数值确定待计算流量数值。

应当理解的是，系统在监测流量数值之前，还会接收流量控制指令，然后判断流量控制指令中是否包含参数修改指令，当存在参数修改指令，根据该参数修改指令对相应参数进行修改，所述参数包括：流量阈值以及流量平衡态比值；当不存在参数修改指令时，实时监测流量数值，获取流量实时数值。

应当理解的是，在通过pid控制算法计算流量实时数值之前，系统会将流量实时数值与之前设定的本地流量阈值进行比较，通过这个比较方式来判断流量是否失衡，如果流量实时数值等于流量阈值，表示流量没有失衡，不需要进行控制，此时系统返回到第一步，继续等待流量控制指令；如果流量实时数值不等于流量阈值，则表示需要对流量进行控制，此时系统会通过pid控制算法对流量实时数值进行计算来获取阀门的动作增量。通过这种判断方式，可以减少系统的工作量，节省资源的使用。

s20：建立pid控制算法，根据pid控制算法对待计算流量数值进行计算，获取阀门动作增量。

应当理解的是，这里说的pid控制算法为增量式pid控制，具体公式如下：

δu[n]＝kp{e[n]-e[n-1]}+kie[n]+kd{e[n]-2e[n-1]+e[n-2]}；

应当理解的是，增量式pid控制是数字pid控制算法的一种基本形式，是通过对控制量的增量(本次控制量和上次控制量的差值)进行pid控制的一种控制算法，pid控制，即比例-积分-微分控制，是自动控制原理中定义的一种控制方法，也可以称为是校正方法，pid控制主要是对系统偏差进行比例、积分、微分三种操作并线性组合成控制量，以减小系统误差，提高系统响应速度和响应效果。

应当理解的是，本实施例中使用的是增量式pid控制方法来实现流量控制逻辑，但流量控制逻辑还可以采取标准pid控制、自适应pid控制、模糊控制以及智能控制来实现。

s30：获取本地设定的阀门动作增量以及对应的阀门动作，建立阀门增量动作对应表，根据阀门动作增量从阀门增量动作对应表中查找对应的阀门动作，并根据该阀门动作对流量进行控制。

应当理解的是，系统会根据本地预先设定的阀门动作增量以及对应的阀门动作，建立阀门增量动作对应表，在通过增量式pid算法计算出阀门动作增量后，根据阀门动作增量从阀门增量动作对应表中找到对应的阀门动作，然后驱动阀门进行相应动作。

应当理解的是，在阀门进行相应动作之后，系统会实时获取阀门当前动作幅度，然后根据阀门动作增量以及阀门当前动作幅度确定阀门最终动作幅度，根据这个阀门最终动作幅度来判断阀门是否完成了指定的动作，如果完成了，系统会检测此时的已调节流量数值；如果没有完成，系统会计算动作幅度之间的偏差值，根据该偏差值重新确定阀门动作量，对阀门进行控制。

应当理解的是，系统最后会检测流量控制是否达到了平衡，具体检测方法是，系统会设定流量平衡态比值，从已调节流量数值中提取最大流量数值与最小流量数值，计算最大流量数值与最小流量数值之间的比值，将该比值与流量平衡态比值进行比较，当比值与流量平衡态比值相同时，重新等待流量控制指令；当比值与流量平衡态比值不相同时，通过pid控制算法，根据已调节流量数值重新对流量进行控制。通过这种方法，就可以实现对流量的精密控制，同时也降低了成本。

结合图3，图3为本发明基于智能计量阀的流量控制方法控制流程示意图。

应当理解的是，本实施例是将流量的智能控制算法集成到控制电路软件中，使得调节阀和流量控制器构成一个整体，成为一种特制的精密智能流量计量控制阀，大大简化了流量计量控制系统的设计和施工，对于需要对流量进行精密计量控制的用户，特制阀门只增加一台流量计和选择合适的流体驱动源就可以构成一套精密流量计量控制系统，系统组成简单，造价低，施工简单，在水工业、制药、化工等领域，应用面极其广泛，具有显著的经济和社会效益。

应当理解的是，本实施例的控制流程有两种控制模式：本地常规控制模式和远程通讯智能控制模式。

本地控制模式是利用本身具备的键盘和显示，可标定调节阀的上下限，阀门控制灵敏度，报警信息等，以及设定流量控制指标，流量控制量程、控制算法的各种控制参数，如pid的参数设定等，在这种模式下，以该阀门为核心组成的流量精密计量控制只需要在控制阀的电动执行机构上接入流量计的4-20ma流量信号，就可以构成流量计量控制系统，电动执行机构的显示单元可直接采用多级菜单显示阀门开度等动作状态，流量的设定和实际值，以及其他相关信息。

远程通讯智能控制时利用modbus通讯协议，电动执行机构的所有参数如流量量程，控制点，控制算法的参数等都可以采用通讯的方式设定，它所有的运行参数都可以远传到控制系统上显示，这种控制模式只需要采用plc(可编程逻辑控制器)通讯接口，不用模拟量输入和输出接口模块，或者不采用plc(可编程逻辑控制器)而直接采用触摸屏或上位机通过通讯的方式进行控制，大大简化了控制系统的设计，节约了系统费用，增加了系统的可靠性。

应当理解的是，本实施例使用的是一中流量计量方法，计量是利用技术和法制手段实现单位统一和量值准确可靠的测量。在计量过程中，认为所使用量具和仪器是标准的，用它们来校准、检定受检量具和仪器设备，以衡量和保证使用受检量具仪器进行测量时所获得测量结果的可靠性。计量涉及到计量单位的定义和转换；量值的传递和保证量值统一所必须采取的措施、规程和法制等。计量要求的精度很高。

这个特制的电动执行机构配置本公司特制的计量控制阀，与常规的角行程调节阀有很大的不同。以工业控制常用的角行程调节阀为例，其阀芯为一个圆球，中间开了一个“o”形圆孔，随着角行程执行机构的旋转，带动阀芯旋转，阀门的开度增加，流通截面积逐渐加大，流通形状从小椭圆到大椭圆到正圆，流通面积为最大，再继续旋转，流通截面积又逐渐变小，最后到截止关闭。随着角行程中心机构的旋转，流量变化是一个从小到大又变小的过程，但流量变化是一个非线性，而且初始可控流量不可能很小。这种特制的计量控制阀的阀芯是在实心球芯上开了一个“w”形的流通孔，随着球芯的旋转，流通面积与旋转角度成线性比例增加，在起始位置，阀门的流通面积很小，以保证流量控制从很小的流量作为起始值(一般的角行程调节阀的起始控制流量很难做到100l/h以下)，在一般的压差条件下，流量计量控制阀的流量控制范围从8-800l/h，其最大流量和最小流量的比值达到1:100，远远超过一般的电动调节阀1:5的控制范围，控制精度一般在0.5％以内，远超计量泵理论控制精度5％，而实际长期运行非线性误差很大，实现了流量的精密计量控制目标。

这种控制阀在流量控制达到控制指标后阀位维持流量的动态平衡，停止动作，与计量泵不停往返运行比较，机械磨损大大降低，因此可靠性大大增加，整个系统噪声低，振动小，控制精度高，能够长期无故障无维修运行。

需要说明的是，以上仅为举例说明，并不对本申请的技术方案构成任何限定。

通过上述描述不难发现，本实施例通过实时监测流量数值，获取流量实时数值，根据该流量实时数值确定待计算流量数值，建立pid控制算法，根据pid控制算法对待计算流量数值进行计算，获取阀门动作增量，获取本地设定的阀门动作增量以及对应的阀门动作，建立阀门增量动作对应表，根据阀门动作增量从阀门增量动作对应表中查找对应的阀门动作，并根据该阀门动作对流量进行控制。本实施例通过将pid控制算法与阀门控制相结合，将流量的智能控制算法集成到控制电路软件中，使得调节阀和流量控制器构成一个整体，成为一种特制的精密智能流量计量控制阀，改变了传统流量精密计量控制模式，能够长期高可靠性免维护运行，大大降低了经济投入，加大了量程范围，而且对于流量的控制能加精密。

此外，本发明实施例还提出一种基于智能计量阀的流量控制方法装置。如图4所示，该基于智能计量阀的流量控制方法装置包括：监测模块10、计算模块20、控制模块30。

监测模块10，用于实时监测流量数值，获取流量实时数值，根据该流量实时数值确定待计算流量数值；

计算模块20，用于建立pid控制算法，根据pid控制算法对待计算流量数值进行计算，获取阀门动作增量；

控制模块30，用于获取本地设定的阀门动作增量以及对应的阀门动作，建立阀门增量动作对应表，根据阀门动作增量从阀门增量动作对应表中查找对应的阀门动作，并根据该阀门动作对流量进行控制。

此外，需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，并不对本发明的保护范围构成限定，在实际应用中，本领域的技术人员可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的，此处不做限制。

另外，未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明任意实施例所提供的基于智能计量阀的流量控制方法，此处不再赘述。

此外，本发明实施例还提出一种介质，所述介质为计算机介质，所述计算机介质上存储有基于智能计量阀的流量控制方法程序，所述基于智能计量阀的流量控制方法程序被处理器执行时实现如下操作：

s1，实时监测流量数值，获取流量实时数值，根据该流量实时数值确定待计算流量数值；

s2，建立pid控制算法，根据pid控制算法对待计算流量数值进行计算，获取阀门动作增量；