【摘要】：調節(jié)閥輸流管道系統(tǒng)在過程自動化中有著重要的作用,其中調節(jié)閥中閥芯-閥桿系統(tǒng)的動態(tài)特性影響了整個調節(jié)閥輸流管道系統(tǒng)的性能,然而,許多學者忽略了管道與調節(jié)閥之間的相互影響,無法完整地揭示整個系統(tǒng)的振動規(guī)律。本文通過建立單座式調節(jié)閥和調節(jié)閥輸流管道系統(tǒng)的數(shù)學模型,分析了系統(tǒng)的動態(tài)特性及響應,同時采用李雅普諾夫穩(wěn)定性準則對閥芯-閥桿系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行研究,并設計了相應的振動控制器。首先,根據(jù)調節(jié)閥薄膜氣室在動態(tài)條件下氣室壓力、體積、目標開度之間的關系建立氣動控制力模型;分析了不平衡力產生的原因及影響,建立了閥芯上的流體不平衡力模型;推導了反映調節(jié)閥流通能力的流量系數(shù)的計算公式,并利用ANSYS軟件對調節(jié)閥不同開度下流場模型進行處理、網(wǎng)格劃分、求解,得到了不同開度、不同壓差下用于計算流量系數(shù)的體積流率,擬合得到了開度和流量系數(shù)之間的關系;根據(jù)庫倫摩擦定律,建立了摩擦力模型,并計算了摩擦力大小;將調節(jié)閥模型簡化為閥芯-閥桿模型,根據(jù)受力建立了閥芯-閥桿非線性動力學模型。其次,對上述建立的模型進行無量綱化,并利用龍格庫塔算法對不同開度、不同壓差的閥芯非線性振動時域響應進行求解。仿真結果表明:不同開度、不同壓差下閥芯響應由瞬態(tài)進入穩(wěn)態(tài)之后出現(xiàn)等幅值振蕩,其運動對應著穩(wěn)定的極限環(huán);通過對不同開度、不同壓差下流體力的仿真表明:當壓差一定時,閥芯開度越小,流體不平衡力越大,當開度一定時,壓差越小,流體不平力越小。此外,利用李亞普諾夫穩(wěn)定性法則,針對閥芯-閥桿非線性動力學模型計算出了閥芯固定開度振動的平衡點,并在其鄰域內進行線性化,根據(jù)赫爾維茨判據(jù)對平衡點的穩(wěn)定性進行了判斷,工作點是臨界穩(wěn)定的。同時,考慮到工作點的穩(wěn)定性主要由系統(tǒng)的線性部分決定,針對系統(tǒng)的線性定常部分設計了二次型最優(yōu)控制器,并對控制器的有效性進行了驗證,結果表明,控制器可以有效控制閥芯的振動。而當經(jīng)過閥芯的流速存在激勵時,通過仿真顯示閥芯由周期運動逐漸進入混沌狀態(tài)。最后,采用Simulink和有限體積法,分別分析了儲液箱-輸流管道-閥門系統(tǒng)中的水錘現(xiàn)象,求解了力方程和連續(xù)方程,證明了利用Simulink結合差商處理對管道建模的有效性。同時,分別建立了管道軸向四方程和橫向四方程的Simulink模型,并與非線性調節(jié)閥模型結合,實現(xiàn)對閥芯在不同開度、不同壓差下振動的閉環(huán)求解,并對比利用二次型最優(yōu)控制器對調節(jié)閥輸流管道系統(tǒng)的控制結果。仿真結果表明:由管道橫向運動引起的閥體的振動速度、位移在穩(wěn)態(tài)階段趨于穩(wěn)定,同時,考慮管道橫向運動影響時,閥芯在瞬態(tài)時振蕩加劇,并逐漸偏離目標開度;在相同壓差時,開度越小,閥芯的超調量、振幅越大,而在開度相同時,壓差越大,閥芯到達目標開度前的超調量越大;兩端固定的管道有助于提高系統(tǒng)剛度,可以降低閥芯在大開度下的振動;二次型最優(yōu)控制器可以有效抑制閥芯的振動和超調量。
【圖文】：

通過閥門定位器的輸出控制信號，、溫度、液位等工藝參數(shù)。常用的調節(jié)節(jié)閥、液動調節(jié)閥；如果按運動行程進行程和反行程；其流量特性又可以分為對象是正作用式氣動薄膜單座式調節(jié)閥芯-閥桿系統(tǒng)的受力，，建立單座式調節(jié)制力、流體不平衡力、摩擦力的建模。場模型進行仿真，獲得流量特性。模型構和執(zhí)行機構兩部分組成，見圖 2-1。室中膜片上的氣壓信號來產生推力。制信號進一步轉換為流體流通體積的變

特點是閥芯受到介質的作用力大，即流體不平衡力大，特別是在高壓差的情況，所以僅適用于低壓差的場合。 執(zhí)行機構為了實現(xiàn)介質的調節(jié)，調節(jié)閥通過氣動執(zhí)行機構來克服內部存在的各種阻力，芯上所受到的流體不平衡力和閥桿上受到的彈簧力、摩擦力，推動閥桿產生位位移與控制器轉換得到的氣壓信號成一定比例。本文研究的是氣動薄膜閥，典膜執(zhí)行器由彈性薄膜、壓縮彈簧和推桿組成，分為正作用薄膜式執(zhí)行機構和反構，見圖 2-2。氣動式單座調節(jié)閥執(zhí)行機構的氣室在薄膜的上方，當該氣室中壓力增加時，閥動。這樣的機構通常被稱為正作用式薄膜執(zhí)行機構。當氣動單座調節(jié)閥的調節(jié)系統(tǒng)的氣動信號連接到薄膜氣室上，上氣室會與大氣改變彈簧的安裝方案，推桿向上移動時彈簧會被壓縮。因此，閥桿會隨著下氣加而運動。這種形式的執(zhí)行機構通常被稱為反作用執(zhí)行機構。本文主要采用正執(zhí)行機構。
【學位授予單位】：西安理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TH134

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本文編號：2694733