調(diào)節(jié)閥流量特性控制分析 |資料

1 調(diào)節(jié)閥的流量特性

眾所周知，調(diào)節(jié)閥是自動(dòng)控制中直接與流體相接觸的執(zhí)行器。對(duì)熱工對(duì)象來(lái)說(shuō)，其控制流體（往往是水）的流量和壓力，關(guān)系著生產(chǎn)過(guò)程、空氣調(diào)節(jié)等自動(dòng)化的技術(shù)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。正確選取調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)形式、流量特性和產(chǎn)品規(guī)格，對(duì)于自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)合理性有十分重要的作用。

常用的調(diào)節(jié)閥有座式和蝶閥兩類。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)型式越來(lái)越多，調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)型式的選擇主要是根據(jù)工藝參數(shù)（溫度、壓力、流量）、介質(zhì)性質(zhì)（粘度、腐蝕性、毒性、雜質(zhì)狀況）以及調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求（可調(diào)節(jié)比、噪音、泄漏量）綜合考慮來(lái)確定。一般情況下，應(yīng)首選普通單、雙座閥和套筒閥。因?yàn)榇祟愓{(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，閥芯形狀易于加工，比較經(jīng)濟(jì)；或根據(jù)具體的特殊要求選擇相應(yīng)結(jié)構(gòu)形式的調(diào)節(jié)閥。結(jié)構(gòu)型式確定以后，調(diào)節(jié)閥的具體規(guī)格關(guān)系到閥的流量特性是否與系統(tǒng)特性相匹配，關(guān)系到系統(tǒng)是否穩(wěn)定性高、經(jīng)濟(jì)性好。調(diào)節(jié)閥的流量特性，是指流體流過(guò)調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與調(diào)節(jié)閥的相對(duì)開(kāi)度之間的關(guān)系。易推知，相對(duì)流量與相對(duì)開(kāi)度成正相關(guān)，即閥門(mén)通道越小，相對(duì)開(kāi)度越小，相對(duì)流量越小；閥門(mén)通道越大，相對(duì)開(kāi)度越大，相對(duì)流量越大。閥門(mén)通道為零時(shí)，這時(shí)流量為零，即閥門(mén)關(guān)閉。由流體力學(xué)可知，通過(guò)閥門(mén)的流量與閥門(mén)前后的壓差成正相關(guān)的關(guān)系，即：

式中：Q指通過(guò)閥門(mén)的流量；ΔP是指閥門(mén)前后形成的壓差；K是指系數(shù)。

壓差往往是由閥門(mén)開(kāi)度（閥芯的位移L）所形成的流體通道決定，開(kāi)度越小，相對(duì)開(kāi)度越小，閥門(mén)前后壓差越大；開(kāi)度越大，相對(duì)開(kāi)度越大，閥門(mén)前后的壓差越小?？梢哉f(shuō)，通過(guò)調(diào)節(jié)閥的流量大小不僅與閥的開(kāi)度有關(guān)，而且和閥前后的壓差有關(guān)。工作中的調(diào)節(jié)閥，當(dāng)閥的開(kāi)度改變時(shí)，不僅流量發(fā)生了變化，閥前后壓差也發(fā)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(diào)節(jié)閥在管路中的實(shí)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(jié)構(gòu)特性。在理想情況下，流量?jī)H隨閥門(mén)開(kāi)度變化而變化，從控制的角度看，觀察調(diào)節(jié)閥的控制指標(biāo)，研究流量特性，是一種常用的方法。在常用的調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與相對(duì)開(kāi)度成直線關(guān)系，如圖1中（1）曲線所示。曲線斜率不變，即它的放大系數(shù)不變。以相對(duì)行程等于10%、50%、80%三點(diǎn)為例，當(dāng)行程變化10%時(shí)，所引起相對(duì)流量變化10%，而它的相對(duì)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(mén)相對(duì)開(kāi)度較小時(shí)，相對(duì)流量變化值大，靈敏度高；相對(duì)開(kāi)度較大時(shí)，相對(duì)流量變化值小，靈敏度低。這往往使直線特性閥門(mén)控制性能變壞：在小開(kāi)度時(shí)，放大系數(shù)相對(duì)來(lái)說(shuō)很大，調(diào)節(jié)過(guò)程往往產(chǎn)生振蕩；在大開(kāi)度時(shí)，放大系數(shù)相對(duì)來(lái)說(shuō)不大，靈敏度低，容易使閥門(mén)動(dòng)作遲緩，調(diào)節(jié)時(shí)間延長(zhǎng)。

2.2 對(duì)數(shù)特性

其單位相對(duì)行程的變化引起的相對(duì)流量的變化與此點(diǎn)相對(duì)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(diǎn)為例，當(dāng)行程變化10%時(shí)，流量變化值分別為1.9%、7.4%、20.5%，可以說(shuō)其放大系數(shù)隨閥門(mén)的開(kāi)大而增大。因此，這種閥門(mén)在小開(kāi)度時(shí)，放大系數(shù)小，工作得緩和平穩(wěn)；在大開(kāi)度時(shí)，放大系數(shù)大，工作得靈敏有效。同樣，各點(diǎn)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(kāi)特性和拋物線特性

快開(kāi)特性如圖1中（3）曲線所示，在閥門(mén)開(kāi)度小時(shí)，流量變化較大，隨著開(kāi)度增大，流量很快達(dá)到最大值，放大系數(shù)大，靈敏度高。在閥門(mén)開(kāi)度大時(shí)，流量變化不大，放大系數(shù)較小，靈敏度也較低。在壓力不太大、調(diào)節(jié)要求不高的場(chǎng)合應(yīng)用，開(kāi)則快，關(guān)則慢，不易引起管網(wǎng)大的壓力波動(dòng)。拋物線特性如圖1中（4）曲線所示。這種閥的單位相對(duì)行程的變化所引起的相對(duì)流量與此點(diǎn)的相對(duì)流量值的平方根成正比關(guān)系。它介于曲線（1）（2）之間，其特性接近對(duì)數(shù)閥特性，但由于其閥芯加工復(fù)雜，較少采用。

3 工作流量特性

調(diào)節(jié)閥處于工藝管路系統(tǒng)中工作時(shí)，管路系統(tǒng)的阻力變化或旁路閥的開(kāi)啟程度的閥前后壓差變化，使得在同樣的閥門(mén)開(kāi)度時(shí)，不再像理想流量特性那樣流量保持不變，對(duì)應(yīng)的流量將有所變化。我們把調(diào)節(jié)閥前后壓差變化的流量特性稱為工作特性。

3.1 串聯(lián)管路時(shí)的工作流量特性

在工程中，調(diào)節(jié)閥是裝在具有阻力的管道系統(tǒng)上，見(jiàn)圖2。當(dāng)該系統(tǒng)兩端總壓差一定時(shí)，調(diào)節(jié)閥上的壓差就會(huì)隨著流量的增加而減少^[2]。隨著閥門(mén)開(kāi)大，閥前后壓差減少，因此，在閥相對(duì)開(kāi)度相同的情況下，此時(shí)的流量比理想流量特性下要小一些。在閥門(mén)開(kāi)度較大時(shí)，調(diào)節(jié)閥前后的壓差減小，流量較大。

圖2中ΔP為管路系統(tǒng)的總壓差，ΔP₁為調(diào)節(jié)閥的壓差，ΔP₂為串聯(lián)管道及設(shè)備上的壓差。令S=（ΔP_1m /（ΔP），式中S為閥門(mén)的權(quán)度系數(shù)，ΔP_1m為閥全開(kāi)時(shí)的調(diào)節(jié)閥兩端壓差。當(dāng)閥門(mén)不變，而改不同的管道阻力時(shí)，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(duì)于理想特性為直線和等百分比流量特性的調(diào)節(jié)閥，工作特性如圖3^[3]所示。

由圖3可知，當(dāng)S=1時(shí)，即系統(tǒng)總壓力都作用在調(diào)節(jié)閥上，并保持恒定，則為理想特性。隨著S值減少，調(diào)節(jié)閥全開(kāi)的流量遞減，但在某一相對(duì)開(kāi)度下的相對(duì)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(shí)，調(diào)節(jié)閥全開(kāi)時(shí)的流量）。因此，相對(duì)理想流量特性而言，工作特性發(fā)生了畸變，成為一組向上拱起的曲線簇。這樣，在小開(kāi)度時(shí)，放大系數(shù)更大，靈敏度更高；在大開(kāi)度時(shí)，放大系數(shù)更小，靈敏度更低。同時(shí)，我們?nèi)舭严鄬?duì)開(kāi)度為零時(shí)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(shù)稱之為可調(diào)比，則隨著S值的減少，由于串聯(lián)管道阻力的影響，閥的可調(diào)比變小?？梢酝浦烧{(diào)比R與閥門(mén)權(quán)度的大關(guān)系為：

式中R為理想流量特性時(shí)的可調(diào)比，叫做理想可調(diào)比；R_s為工作流量特性時(shí)的可調(diào)比，叫做實(shí)際可調(diào)比。

可調(diào)比越小，則調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)能力越低；可調(diào)比越大，則調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)。但實(shí)際可調(diào)比相對(duì)于理想可調(diào)比來(lái)說(shuō)，不能太大，因?yàn)橐紤]系統(tǒng)的能耗，一般情況下，S采用0.3~0.5之間^[4]，把實(shí)際可調(diào)比控制在理想可調(diào)比的0.55~0.70之間。

3.2 并聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性

圖4為調(diào)節(jié)閥并聯(lián)的情況。調(diào)節(jié)閥兩端壓力雖為恒定，其并聯(lián)的旁路閥的開(kāi)啟程度也會(huì)影響調(diào)節(jié)閥的流量特性。若以Q₁₀₀表示調(diào)節(jié)閥全開(kāi)時(shí)的通過(guò)調(diào)節(jié)閥的流量，以Q_max表示總管最大流量，以x來(lái)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(shí)，旁路閥關(guān)閉，調(diào)節(jié)閥的工作流量特性即理想流量特性。隨著旁路閥的逐步開(kāi)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(diào)比大大下降。實(shí)際可調(diào)比與旁路程度x的關(guān)系為：

在實(shí)際應(yīng)用中，總是存在串聯(lián)管道的影響，這樣使調(diào)節(jié)閥的可調(diào)節(jié)流量變得很小，甚至調(diào)節(jié)閥幾乎不起調(diào)節(jié)作用。一般情況下，希望X值最小不低于0.8^[6]，這樣調(diào)節(jié)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(diào)比R不至于減少太多。對(duì)于直線閥來(lái)說(shuō)，在小開(kāi)度時(shí)又降低了靈敏度，可避免振蕩現(xiàn)象的發(fā)生。對(duì)于對(duì)數(shù)閥來(lái)說(shuō)，在小開(kāi)度時(shí)放大系數(shù)小一些，整個(gè)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(diào)節(jié)質(zhì)量。對(duì)于快開(kāi)特性閥和拋物線特性閥，工作特性曲線有相同的變化趨勢(shì)，在使用時(shí)也需注意。還需指出的是，在并聯(lián)工作時(shí)，有（1-x）Q_max的流量不能被調(diào)節(jié)，因?yàn)檫@部分流量經(jīng)旁路閥流出。從控制的角度說(shuō)，在調(diào)節(jié)閥相對(duì)開(kāi)度較小時(shí)，相對(duì)流量較小，相對(duì)于理想特性來(lái)說(shuō)，調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)遲鈍，調(diào)節(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，調(diào)節(jié)能力下降。

4 調(diào)節(jié)閥的穩(wěn)定性分析

調(diào)節(jié)閥在實(shí)際應(yīng)用時(shí)是作用于系統(tǒng)上的，僅僅討論調(diào)節(jié)閥本身或者簡(jiǎn)單討論閥與系統(tǒng)的關(guān)系是不夠的，應(yīng)該進(jìn)行整體分析。一般來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)整體上可分為調(diào)節(jié)系統(tǒng)和被調(diào)對(duì)象兩部分，前者包括測(cè)量傳感裝置、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行器（執(zhí)行器又包括調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)閥和加熱器）三部分。以溫度為例，各個(gè)組成部分之間的信號(hào)聯(lián)系如圖6所示。一般說(shuō)來(lái)，被調(diào)量信號(hào)經(jīng)過(guò)被調(diào)量→比較器→調(diào)節(jié)器→調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)→調(diào)節(jié)閥→加熱（冷卻）設(shè)備→被調(diào)對(duì)象→被調(diào)量這一循環(huán)反復(fù)的過(guò)程，才完成控制被調(diào)對(duì)象中的被調(diào)量的任務(wù)。

從被調(diào)對(duì)象的角度看，大多數(shù)熱工對(duì)象在階躍信號(hào)作用下，響應(yīng)曲線符合指數(shù)衰減規(guī)律，如圖7^[7]所示。在過(guò)渡過(guò)程中，被調(diào)對(duì)象的被調(diào)量相對(duì)其輸入信號(hào)來(lái)說(shuō)，放大系數(shù)Kc不是個(gè)常數(shù)，往往是由小向大的方向變化。而從調(diào)節(jié)系統(tǒng)看，除加熱器和調(diào)節(jié)閥外，其他組成部分的控制特性均可簡(jiǎn)化為一放大系數(shù)不變的比例環(huán)節(jié)^[8]。對(duì)于熱水加熱器來(lái)說(shuō)，隨著其相對(duì)流量的增加，被加熱流體進(jìn)、出溫度差減小，相對(duì)溫升減小。它的靜特性如圖8^[9]所示，可見(jiàn)其放大系數(shù)是隨著相對(duì)流量的遞增而減小，不是一個(gè)常數(shù)。

這樣，把調(diào)節(jié)閥除外，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)總放大系數(shù)是隨著負(fù)荷加大而趨小，而在相對(duì)小的一段時(shí)間（過(guò)渡過(guò)程時(shí)間）內(nèi)，總放大系數(shù)又是隨著時(shí)間遞增的。這對(duì)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量有很大影響。

若控制回路的總放大系數(shù)在控制系統(tǒng)的整個(gè)范圍內(nèi)保持不變^[10]，對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定是大有裨益的。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于被調(diào)對(duì)象和加熱器等的非線性特性，控制回路的放大系數(shù)在選擇上就應(yīng)該考慮這一因素。因此，適當(dāng)選擇調(diào)節(jié)閥特性，以調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)來(lái)補(bǔ)償控制對(duì)象的放大系數(shù)的變化，可將系統(tǒng)的總放大系數(shù)整定不變，從而保證控制質(zhì)量在整個(gè)操作范圍內(nèi)保持一定。若被調(diào)對(duì)象和加熱器的特性為線性特性，調(diào)節(jié)閥可以采用直線工作特性，即可保證調(diào)節(jié)系統(tǒng)在操作范圍內(nèi)近似呈直線特性，系統(tǒng)總放大系數(shù)也是一個(gè)常數(shù)了。對(duì)于大多數(shù)的熱工對(duì)象和熱水設(shè)備，它們的放大系數(shù)是隨著其負(fù)荷加大而趨小的，我們就可選擇放大系數(shù)隨負(fù)荷加大而趨大的對(duì)數(shù)特性的調(diào)節(jié)閥，二者正好相互補(bǔ)償。這樣系統(tǒng)總放大系數(shù)也為常數(shù)，有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

調(diào)節(jié)對(duì)象和設(shè)備的動(dòng)態(tài)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(tǒng)的總放大系數(shù)的穩(wěn)定。對(duì)于較復(fù)雜的情況，可考慮拋物線特性調(diào)節(jié)閥和其他高難度的調(diào)節(jié)閥，也有必要考慮合適的調(diào)節(jié)器的特性，來(lái)保證總放大系數(shù)的穩(wěn)定。從控制的角度看，穩(wěn)定性的提高，往往會(huì)引起系統(tǒng)快速性的下降，準(zhǔn)確性也會(huì)下降。我們可以選擇，的調(diào)節(jié)器與調(diào)節(jié)閥配合起來(lái)，縮短過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，以提高系統(tǒng)的快速性。同時(shí)，盡量使操作范圍內(nèi)的控制靈敏度也保持不變：不太大，使系統(tǒng)調(diào)節(jié)不會(huì)振蕩劇烈動(dòng)作；不太小，使系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間縮短。若再加上系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的準(zhǔn)確性，則系統(tǒng)就會(huì)達(dá)到“靈敏準(zhǔn)確，穩(wěn)定快速”的高級(jí)控制水平。

5 結(jié)語(yǔ)

調(diào)節(jié)閥在小的相對(duì)開(kāi)度工作時(shí)，靈敏度較高，易使系統(tǒng)動(dòng)作頻繁，影響調(diào)節(jié)質(zhì)量；在大的相對(duì)開(kāi)度工作時(shí)，靈敏度低，放大系數(shù)小，系統(tǒng)也不易穩(wěn)定下來(lái)。在熱工領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用時(shí)力求：①盡量使系統(tǒng)兩端壓差恒定，使系統(tǒng)趨于理想工作特性，便于控制。②使調(diào)節(jié)閥的權(quán)度系數(shù)大些，增大可調(diào)比，改善調(diào)節(jié)能力。③使調(diào)節(jié)閥的特性與被調(diào)對(duì)象和設(shè)備的動(dòng)態(tài)特性相補(bǔ)償，使系統(tǒng)在操作范圍內(nèi)的放大系數(shù)穩(wěn)定。這樣，整個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)就可達(dá)到一定的高級(jí)控制水平。