調節閥流量特性控制分析 |資料

1 調節閥的流量特性

眾所周知，調節閥是自動控制中直接與流體相接觸的執行器。對熱工對象來說，其控制流體（往往是水）的流量和壓力，關系著生產過程、空氣調節等自動化的技術目標的實現。正確選取調節閥的結構形式、流量特性和產品規格，對于自控系統的穩定性、經濟合理性有十分重要的作用。

常用的調節閥有座式和蝶閥兩類。隨著生產技術的發展，調節閥的結構型式越來越多，調節閥結構型式的選擇主要是根據工藝參數（溫度、壓力、流量）、介質性質（粘度、腐蝕性、毒性、雜質狀況）以及調節系統的要求（可調節比、噪音、泄漏量）綜合考慮來確定。一般情況下，應首選普通單、雙座閥和套筒閥。因為此類調節閥結構簡單，閥芯形狀易于加工，比較經濟；或根據具體的特殊要求選擇相應結構形式的調節閥。結構型式確定以后，調節閥的具體規格關系到閥的流量特性是否與系統特性相匹配，關系到系統是否穩定性高、經濟性好。調節閥的流量特性，是指流體流過調節閥的相對流量與調節閥的相對開度之間的關系。易推知，相對流量與相對開度成正相關，即閥門通道越小，相對開度越小，相對流量越小；閥門通道越大，相對開度越大，相對流量越大。閥門通道為零時，這時流量為零，即閥門關閉。由流體力學可知，通過閥門的流量與閥門前后的壓差成正相關的關系，即：

式中：Q指通過閥門的流量；ΔP是指閥門前后形成的壓差；K是指系數。

壓差往往是由閥門開度（閥芯的位移L）所形成的流體通道決定，開度越小，相對開度越小，閥門前后壓差越大；開度越大，相對開度越大，閥門前后的壓差越小。可以說，通過調節閥的流量大小不僅與閥的開度有關，而且和閥前后的壓差有關。工作中的調節閥，當閥的開度改變時，不僅流量發生了變化，閥前后壓差也發生了變化。為了便于討論，先假定閥前后壓差一定，即先討論理想流量特性，然后再考慮調節閥在管路中的實際情況，即討論工作流量特性。

2 理想流量特性

理想流量特性是在閥前后壓差固定的情況下得到的流量特性，它決定于閥芯的形狀，因此也稱之為結構特性。在理想情況下，流量僅隨閥門開度變化而變化，從控制的角度看，觀察調節閥的控制指標，研究流量特性，是一種常用的方法。在常用的調節閥中，有四種典型的理想流量特性，如圖1^[1]所示。

2.1 直線特性

調節閥的相對流量與相對開度成直線關系，如圖1中（1）曲線所示。曲線斜率不變，即它的放大系數不變。以相對行程等于10%、50%、80%三點為例，當行程變化10%時，所引起相對流量變化10%，而它的相對變化值（即靈敏度）分別為100%、20%、12.5%。

可以推知，在變化相同行程情況下，閥門相對開度較小時，相對流量變化值大，靈敏度高；相對開度較大時，相對流量變化值小，靈敏度低。這往往使直線特性閥門控制性能變壞：在小開度時，放大系數相對來說很大，調節過程往往產生振蕩；在大開度時，放大系數相對來說不大，靈敏度低，容易使閥門動作遲緩，調節時間延長。

2.2 對數特性

其單位相對行程的變化引起的相對流量的變化與此點相對流量成正比例，如圖1中（2）曲線所示。以同樣的行程L等于10%、50%、80%三點為例，當行程變化10%時，流量變化值分別為1.9%、7.4%、20.5%，可以說其放大系數隨閥門的開大而增大。因此，這種閥門在小開度時，放大系數小，工作得緩和平穩；在大開度時，放大系數大，工作得靈敏有效。同樣，各點靈敏度為40%處處相等（也可稱等百分比特性），便于控制。

2.3 快開特性和拋物線特性

快開特性如圖1中（3）曲線所示，在閥門開度小時，流量變化較大，隨著開度增大，流量很快達到最大值，放大系數大，靈敏度高。在閥門開度大時，流量變化不大，放大系數較小，靈敏度也較低。在壓力不太大、調節要求不高的場合應用，開則快，關則慢，不易引起管網大的壓力波動。拋物線特性如圖1中（4）曲線所示。這種閥的單位相對行程的變化所引起的相對流量與此點的相對流量值的平方根成正比關系。它介于曲線（1）（2）之間，其特性接近對數閥特性，但由于其閥芯加工復雜，較少采用。

3 工作流量特性

調節閥處于工藝管路系統中工作時，管路系統的阻力變化或旁路閥的開啟程度的閥前后壓差變化，使得在同樣的閥門開度時，不再像理想流量特性那樣流量保持不變，對應的流量將有所變化。我們把調節閥前后壓差變化的流量特性稱為工作特性。

3.1 串聯管路時的工作流量特性

在工程中，調節閥是裝在具有阻力的管道系統上，見圖2。當該系統兩端總壓差一定時，調節閥上的壓差就會隨著流量的增加而減少^[2]。隨著閥門開大，閥前后壓差減少，因此，在閥相對開度相同的情況下，此時的流量比理想流量特性下要小一些。在閥門開度較大時，調節閥前后的壓差減小，流量較大。

圖2中ΔP為管路系統的總壓差，ΔP₁為調節閥的壓差，ΔP₂為串聯管道及設備上的壓差。令S=（ΔP_1m /（ΔP），式中S為閥門的權度系數，ΔP_1m為閥全開時的調節閥兩端壓差。當閥門不變，而改不同的管道阻力時，其S值是不同的。隨著管道阻力的增大，S值遞減。在不同的S值下，對于理想特性為直線和等百分比流量特性的調節閥，工作特性如圖3^[3]所示。

由圖3可知，當S=1時，即系統總壓力都作用在調節閥上，并保持恒定，則為理想特性。隨著S值減少，調節閥全開的流量遞減，但在某一相對開度下的相對流量q卻隨S值的減少而增大（q=Q/Q₁₀₀，Q₁₀₀表示管道有阻力時，調節閥全開時的流量）。因此，相對理想流量特性而言，工作特性發生了畸變，成為一組向上拱起的曲線簇。這樣，在小開度時，放大系數更大，靈敏度更高；在大開度時，放大系數更小，靈敏度更低。同時，我們若把相對開度為零時的流量稱為最小流量，且此最小流量與最大流量Q₁₀₀之比的倒數稱之為可調比，則隨著S值的減少，由于串聯管道阻力的影響，閥的可調比變小。可以推知，可調比R與閥門權度的大關系為：

式中R為理想流量特性時的可調比，叫做理想可調比；R_s為工作流量特性時的可調比，叫做實際可調比。

可調比越小，則調節閥的調節能力越低；可調比越大，則調節閥的調節能力越強。但實際可調比相對于理想可調比來說，不能太大，因為要考慮系統的能耗，一般情況下，S采用0.3~0.5之間^[4]，把實際可調比控制在理想可調比的0.55~0.70之間。

3.2 并聯管道時的工作流量特性

圖4為調節閥并聯的情況。調節閥兩端壓力雖為恒定，其并聯的旁路閥的開啟程度也會影響調節閥的流量特性。若以Q₁₀₀表示調節閥全開時的通過調節閥的流量，以Q_max表示總管最大流量，以x來表示旁路的程度，則。在不同的x值下，其工作流量特性如圖5^[5]所示。由圖可知，x等于1時，旁路閥關閉，調節閥的工作流量特性即理想流量特性。隨著旁路閥的逐步開啟，旁路閥的流量增加，x值不斷減小，流量特性不改變，但可調比大大下降。實際可調比與旁路程度x的關系為：

在實際應用中，總是存在串聯管道的影響，這樣使調節閥的可調節流量變得很小，甚至調節閥幾乎不起調節作用。一般情況下，希望X值最小不低于0.8^[6]，這樣調節閥的最大流量為總流量的80%，工作特性曲線較接近理想特性，可調比R不至于減少太多。對于直線閥來說，在小開度時又降低了靈敏度，可避免振蕩現象的發生。對于對數閥來說，在小開度時放大系數小一些，整個行程的靈敏度變化趨于恒定，近似呈等百分比特性，仍然可保持較高的調節質量。對于快開特性閥和拋物線特性閥，工作特性曲線有相同的變化趨勢，在使用時也需注意。還需指出的是，在并聯工作時，有（1-x）Q_max的流量不能被調節，因為這部分流量經旁路閥流出。從控制的角度說，在調節閥相對開度較小時，相對流量較小，相對于理想特性來說，調節閥的調節遲鈍，調節時間延長，調節能力下降。

4 調節閥的穩定性分析

調節閥在實際應用時是作用于系統上的，僅僅討論調節閥本身或者簡單討論閥與系統的關系是不夠的，應該進行整體分析。一般來說，系統整體上可分為調節系統和被調對象兩部分，前者包括測量傳感裝置、調節器和執行器（執行器又包括調節機構、調節閥和加熱器）三部分。以溫度為例，各個組成部分之間的信號聯系如圖6所示。一般說來，被調量信號經過被調量→比較器→調節器→調節機構→調節閥→加熱（冷卻）設備→被調對象→被調量這一循環反復的過程，才完成控制被調對象中的被調量的任務。

從被調對象的角度看，大多數熱工對象在階躍信號作用下，響應曲線符合指數衰減規律，如圖7^[7]所示。在過渡過程中，被調對象的被調量相對其輸入信號來說，放大系數Kc不是個常數，往往是由小向大的方向變化。而從調節系統看，除加熱器和調節閥外，其他組成部分的控制特性均可簡化為一放大系數不變的比例環節^[8]。對于熱水加熱器來說，隨著其相對流量的增加，被加熱流體進、出溫度差減小，相對溫升減小。它的靜特性如圖8^[9]所示，可見其放大系數是隨著相對流量的遞增而減小，不是一個常數。

這樣，把調節閥除外，對整個系統來說，系統總放大系數是隨著負荷加大而趨小，而在相對小的一段時間（過渡過程時間）內，總放大系數又是隨著時間遞增的。這對系統的調節質量有很大影響。

若控制回路的總放大系數在控制系統的整個范圍內保持不變^[10]，對于系統的穩定是大有裨益的。在實際生產過程中，由于被調對象和加熱器等的非線性特性，控制回路的放大系數在選擇上就應該考慮這一因素。因此，適當選擇調節閥特性，以調節閥的放大系數來補償控制對象的放大系數的變化，可將系統的總放大系數整定不變，從而保證控制質量在整個操作范圍內保持一定。若被調對象和加熱器的特性為線性特性，調節閥可以采用直線工作特性，即可保證調節系統在操作范圍內近似呈直線特性，系統總放大系數也是一個常數了。對于大多數的熱工對象和熱水設備，它們的放大系數是隨著其負荷加大而趨小的，我們就可選擇放大系數隨負荷加大而趨大的對數特性的調節閥，二者正好相互補償。這樣系統總放大系數也為常數，有利于提高系統的穩定性。

調節對象和設備的動態特性的非線性，僅靠不同口徑的直線和等百分比特性較難保證系統的總放大系數的穩定。對于較復雜的情況，可考慮拋物線特性調節閥和其他高難度的調節閥，也有必要考慮合適的調節器的特性，來保證總放大系數的穩定。從控制的角度看，穩定性的提高，往往會引起系統快速性的下降，準確性也會下降。我們可以選擇，的調節器與調節閥配合起來，縮短過渡過程時間，以提高系統的快速性。同時，盡量使操作范圍內的控制靈敏度也保持不變：不太大，使系統調節不會振蕩劇烈動作；不太小，使系統調節時間縮短。若再加上系統設計方面的準確性，則系統就會達到“靈敏準確，穩定快速”的高級控制水平。

5 結語

調節閥在小的相對開度工作時，靈敏度較高，易使系統動作頻繁，影響調節質量；在大的相對開度工作時，靈敏度低，放大系數小，系統也不易穩定下來。在熱工領域內應用時力求：①盡量使系統兩端壓差恒定，使系統趨于理想工作特性，便于控制。②使調節閥的權度系數大些，增大可調比，改善調節能力。③使調節閥的特性與被調對象和設備的動態特性相補償，使系統在操作范圍內的放大系數穩定。這樣，整個調節系統就可達到一定的高級控制水平。