减压阀在引水、城市供水、水力发电等工程中有大量的应用。国外在供水管网中应用智能减压阀已有10多年的历史,在供水企业取得了良好的经济效益。近几年,国内阀门企业通过引进吸收国外技术,使国内的减压阀设计、制造水平有了长足的进步,但智能减压阀一直由国外厂商主导,国内产品在智能化水平、核心技术、制造工艺、产品性能等方面和国外还有一定的差距。当前,以德国为代表的工业4.0概念为当代国外先进国家的工业发展描绘了美好的蓝图。而中国推出的《中国制造2025》战略则表明了中国发展智能制造工程,开发智能装备的决心。提高减压阀产品的性能和智能化水平是当前的重要研究任务,既符合用户提质增效的内在需求,也符合国家的产业政策。依托国家十二五水体污染控制与治理科技重大专项子课题—基于流量、压力实时反馈的智能压力管理一体化设备,本文展开对供水管网智能减压阀的研究,主要研究内容如下:(1)在分析传统减压阀结构的基础上,研究了智能压力监控系统组成及功能,设计了智能减压阀和智能压力监控系统。对智能调压原理和稳压原理进行了研究,得出了其误差表达式和传递函数方块图。从功耗、可靠性、寿命等方面分析对比智能调压的几种不同实现方式,确定了最优方案。开展对智能压力监控系统的系统设计,确定其硬件和软件总体设计方案,详细从阀门设计、集成电路设计、软件设计、通信设计、液压系统设计五个方面对设计方案进行了论述。(2)采用工程控制论方法,对先导阀、传统减压阀、智能减压阀进行分析,建立其数学模型,得出其时域微分方程和复域方程。分别建立先导阀、传统减压阀、智能减压阀的仿真模型,对其静态特性、动态特性进行研究,着重对调压范围、上升时间、行程等特征参数进行仿真计算,验证系统设计的可行性。通过研究先导阀开环系统、传统减压阀开环系统,智能减压阀开环系统的稳定性,得出了相应闭环系统的稳定性。(3)智能减压阀的活塞尺寸影响主阀的动态性能,而执行器尺寸影响先导系统的保压性能,从而影响减压阀的稳压精度。采用优化设计方法分别对智能减压阀活塞尺寸和执行器膜片尺寸进行了设计。对活塞尺寸的优化工作不仅能平衡开向和关向的安全系数,保证主阀的动态性能,而且能降低智能减压阀的重量和制造成本。对执行器的优化降低了执行器与上游和下游的工作压差,有效改善电磁阀的工作条件,减少电磁阀的泄漏并提升保压性能和阀后压力稳定性。(4)建立了智能减压阀的流量系数计算理论模型,并将计算流体动力学(CFD)分析方法与理论计算方法进行对比。采用多种CFD模型分别对孔距与孔径变化情况下的减压阀流动特性进行研究:采用气蚀与多相流混合模型对减压阀进行气蚀对比研究;采用大涡模拟与声学组合模型进行噪声研究;采用湍流模型进行了流量系数、消能率、过流速度的对比研究,得出了小孔径和大孔距具有相对更优的流动特性的结论。(5)将人工化学反应(ACROA)用于支持矢量回归机(SVR)参数优化,提出了基于人工化学反应优化算法的支持矢量回归机(ACROA-SVR),并将其应用于智能减压阀压力预测,通过实验数据与基于遗传算法的支持矢量回归机(GA-SVR)和传统SVR进行了对比,论证了 ACROA-SVR用于智能减压阀核心控制算法的可行性。(6)为验证本文所研究的理论的正确性、设计方案的可行性、样机的可靠性,搭建了小型液体试验台,对简化的智能减压阀进行了实验,验证了控制算法的可行性。采用样机在乌鲁木齐水务集团和深圳粤港供水有限公司供水管网上进行工业运行实验,先后了进行有/无蓄能器的保压试验和调压试验,实验结果表明,智能减压阀原理可行、性能参数达到了设计目标;自来水阀前压力每天呈现有规律的波动,而阀后压力则呈现不规律的简谐波动,波动规律与主阀活塞腔(上腔)压力一致;根据调压时间和时滞时间可以进行减压阀的故障诊断。