B樣條即基本樣條 (basic spline) 。1946年由舍恩貝格 (Schoenberg) 提出, 并在1972年由德布爾和考克斯 (deBoor-Cox) 分別獨(dú)立給出B樣條計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)算法[1-2]。理論上常采用截尾冪函數(shù)的差商定義B樣條曲線, 實(shí)際應(yīng)用則常采用B樣條的遞推定義。

B樣條曲線采用控制頂點(diǎn)定義曲線[1-2]。曲線方程可描述為

式中:Pi———控制多邊形的頂點(diǎn), i=0, 1, …, n;Ni, k (u) ———k次 (k-1次) B樣條基函數(shù), i=0, 1, …, n。

其中, 每個(gè)k次規(guī)范B樣條基函數(shù)稱為規(guī)范B樣條, 或簡(jiǎn)稱B樣條。由于它由非遞減節(jié)點(diǎn)矢量u的序列T:u0≤u1≤…≤un+k所決定的k次分段多項(xiàng)式, 因而, 稱為k-1次多項(xiàng)式樣條。

根據(jù)德布爾-考克斯的遞推公式, 曲線方程可寫為

式中:i, k———下標(biāo), i表示序號(hào), k表示次數(shù)。

三次非均勻有理B樣條函數(shù)描述為

式中:wi———權(quán)因子, 分別與控制頂點(diǎn)Pi相聯(lián)系, (i=0, 1, …, n) ;Ni, k (u) ———節(jié)點(diǎn)矢量, u=[u0, u1, …, un+k+1]按遞推公式確定的k次規(guī)范B樣條基函數(shù);P1, P2, P3, P4———分子系數(shù), 為矢量;Q0, Q1, Q2, Q3———分母系數(shù)。B樣條基函數(shù)的遞推公式見(jiàn)式 (3) ~式 (4) 。

在數(shù)控技術(shù)中, NURBS曲線插補(bǔ)算法將定義NURBS曲線的控制頂點(diǎn)、權(quán)因子、節(jié)點(diǎn)矢量和進(jìn)給速度等作為NC程序指令, 在CNC系統(tǒng)生成NURBS曲線, 驅(qū)動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng), 加工出NURBS曲線的形狀, 這就是NURBS曲線插補(bǔ)。在非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)中應(yīng)用的NURBS曲線, 可根據(jù)應(yīng)用要求選用不同的階次。

差壓式流量計(jì)是應(yīng)用歷史***久遠(yuǎn)的流量計(jì)之一[3-4], 其測(cè)量原理是孔板上游側(cè)與下游側(cè)之間產(chǎn)生的靜壓差與流過(guò)該裝置的流體流量之間存在下列關(guān)系:

當(dāng)滿足0.2≤β≤0.6時(shí), 流出系數(shù)C的不確定度為0.5%。其他條件下, 不確定度會(huì)有所增加。其中, C經(jīng)Reader-Harris/Gallagher修改, 可表示為

當(dāng)工藝管道的管道內(nèi)徑D<71.12mm時(shí), 增加下列項(xiàng):

式中:β———節(jié)流孔直徑d與D之比, 即β=d/D;ReD———根據(jù)D和流體流量等數(shù)據(jù)計(jì)算出的雷諾數(shù);L1———孔板上游端面到上游取壓口的距離l1除以D得出的商。

式中:L′2———孔板下游端面到下游取壓口的距離l′2除以D得出的商。對(duì)不同取壓方式, L1和L′2的值不同, 參見(jiàn)文獻(xiàn)[5]。

根據(jù)Reader-Harris/Gallagher公式, 可畫(huà)出不同管道直徑和不同取壓方式下, C與ReD, β之間的關(guān)系曲面。角接取壓, D=150 mm時(shí), C與ReD, β的關(guān)系如圖1所示。

從圖1可見(jiàn), 當(dāng)D確定后, 如果d也確定, 則當(dāng)流體的ReD大于某限值時(shí), 其C可基本穩(wěn)定在某個(gè)規(guī)定的值。通常在0.60~0.61, 而測(cè)量不確定度應(yīng)滿足小于0.5%。

角接取壓, D大于72.12 mm時(shí), β在0.4~0.5, C與ReD的關(guān)系見(jiàn)表1所列。根據(jù)表1中數(shù)據(jù)的分析, 可以發(fā)現(xiàn), 當(dāng)***大流量與***小流量之比為10∶1時(shí), 即小流量時(shí), 其C的誤差可達(dá)2%。但如果***小雷諾數(shù)大于2×104, 則C的誤差就可小于0.5%。該條件是采用差壓式流量計(jì)有***小雷諾數(shù)限制的原因。由于受到流體流速的限制, ***大流量不能設(shè)置很大。又由于小流量時(shí), ReD成比例縮小, 在C的非線性影響下造成流量測(cè)量的精度下降。因而, 該情況是差壓式流量計(jì)的范圍度不能較大的原因。其根本原因是在流量小時(shí), ReD也小, 這時(shí), C與ReD之間存在較大的非線性關(guān)系, 造成小流量時(shí)流量測(cè)量誤差大, 和流量測(cè)量范圍度不能大的結(jié)果。

解決該類非線性關(guān)系的***好方法是進(jìn)行非線性補(bǔ)償[6-7]。對(duì)差壓式流量計(jì)由于存在迭代運(yùn)算, 加上在DCS中進(jìn)行式 (7) 的運(yùn)算比較困難, 因此, 實(shí)際應(yīng)用時(shí)可采用兩種實(shí)現(xiàn)的方法。

當(dāng)實(shí)際差壓流量計(jì)已安裝在工藝管道中時(shí), 可采用理論補(bǔ)償方法。該方法根據(jù)Reader-Harris或Gallagher公式, 根據(jù)已知的β和取壓方式, 計(jì)算出C與ReD之間的關(guān)系。根據(jù)兩者關(guān)系, 有多種方法實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償, 如采用多段折線近似法進(jìn)行補(bǔ)償;采用擬合函數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償;也可用其他非線性環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn), 例如, 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。

示例是已經(jīng)安裝的某節(jié)流裝置, 已知D=100.00mm, β=0.40, 角接取壓方式。為提高擬合精度, 取點(diǎn)較多, 其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2所列。采用NURBS函數(shù)進(jìn)行擬合, 其NURBS函數(shù)表示為 

從表2可見(jiàn), 用式 (10) 擬合Reader-Harris或Gallagher計(jì)算公式, 具有很高的精度, ***大誤差小于0.013%。因此, 可直接根據(jù)ReD確定C。

在新建項(xiàng)目中, 可用實(shí)流標(biāo)定的方法確定不同流量時(shí)ReD與C的關(guān)系曲線, 采用上述擬合方法確定其非線性關(guān)系。***簡(jiǎn)單的方法是用多段折線方法擬合, 但需設(shè)置段數(shù), 并用內(nèi)插方法確定其輸出值[8-10]。例如, DCS可以實(shí)現(xiàn)其他非線性環(huán)節(jié)[11], 也可采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)非線性關(guān)系, 或用有關(guān)方法獲得該非線性關(guān)系的描述, 在此不多述。本文采用NURBS函數(shù)擬合在特定徑比條件下的ReD與C之間的非線性關(guān)系, 并實(shí)際實(shí)施。將NURBS函數(shù)表示為下列形式。

利用可編程控制器編程語(yǔ)言中的可重用性, 發(fā)現(xiàn)NURBS函數(shù)的基本算式是y=Ax+B。為此, 可編寫AXB函數(shù)實(shí)現(xiàn)。NURBS函數(shù)的程序?qū)崿F(xiàn)如圖2所示。

為在線實(shí)施, 先建立Online功能塊, 用于實(shí)現(xiàn)非線性的ReD與C的關(guān)系, 再針對(duì)本文的實(shí)際應(yīng)用, 編寫主程序, 它由QCal, ReCal和NUBRS 3個(gè)功能塊組成。以C作為反饋?zhàn)兞? 該程序?yàn)榈绦颉Cal功能塊用于計(jì)算流體流量, ReCal功能塊用于計(jì)算ReD, NUBRS函數(shù)用于計(jì)算不同ReD下的C。

在線實(shí)現(xiàn)時(shí), 將Online與用常規(guī)開(kāi)方計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較, 確定其誤差。如圖3所示。

從圖3可見(jiàn), 當(dāng)實(shí)際差壓輸入信號(hào)是205.2Pa時(shí), 實(shí)際流量應(yīng)為4.983 542kg/s。如果沒(méi)有非線性補(bǔ)償, 顯示值是4.921 6kg/s, 顯示值偏小, 誤差達(dá)1.24%。通過(guò)該方法的補(bǔ)償, 使原流量計(jì)的范圍度提高到接近10∶1。

為提高差壓式流量計(jì)的流量測(cè)量度和范圍度, 可對(duì)小流量進(jìn)行在線非線性補(bǔ)償。由于標(biāo)準(zhǔn)孔板C的計(jì)算公式實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜, 在DCS中計(jì)算較困難, 因而采用NURBS函數(shù)[9]來(lái)擬合該非線性關(guān)系, 并用它計(jì)算小流量時(shí)的C, 通過(guò)該非線性補(bǔ)償?shù)姆椒? 提高了小流量測(cè)量精度, 同時(shí)提高了測(cè)量范圍度。