调节阀流量特性控制分析 |资料

1 调节阀的流量特性

众所周知，调节阀是自动控制中直接与流体相接触的执行器。对热工对象来说，其控制流体（往往是水）的流量和压力，关系着生产过程、空气调节等自动化的技术目标的实现。正确选取调节阀的结构形式、流量特性和产品规格，对于自控系统的稳定性、经济合理性有十分重要的作用。

常用的调节阀有座式和蝶阀两类。随着生产技术的发展，调节阀的结构型式越来越多，调节阀结构型式的选择主要是根据工艺参数（温度、压力、流量）、介质性质（粘度、腐蚀性、毒性、杂质状况）以及调节系统的要求（可调节比、噪音、泄漏量）综合考虑来确定。一般情况下，应首选普通单、双座阀和套筒阀。因为此类调节阀结构简单，阀芯形状易于加工，比较经济；或根据具体的特殊要求选择相应结构形式的调节阀。结构型式确定以后，调节阀的具体规格关系到阀的流量特性是否与系统特性相匹配，关系到系统是否稳定性高、经济性好。调节阀的流量特性，是指流体流过调节阀的相对流量与调节阀的相对开度之间的关系。易推知，相对流量与相对开度成正相关，即阀门通道越小，相对开度越小，相对流量越小；阀门通道越大，相对开度越大，相对流量越大。阀门通道为零时，这时流量为零，即阀门关闭。由流体力学可知，通过阀门的流量与阀门前后的压差成正相关的关系，即：

式中：Q指通过阀门的流量；ΔP是指阀门前后形成的压差；K是指系数。

压差往往是由阀门开度（阀芯的位移L）所形成的流体通道决定，开度越小，相对开度越小，阀门前后压差越大；开度越大，相对开度越大，阀门前后的压差越小。可以说，通过调节阀的流量大小不仅与阀的开度有关，而且和阀前后的压差有关。工作中的调节阀，当阀的开度改变时，不仅流量发生了变化，阀前后压差也发生了变化。为了便于讨论，先假定阀前后压差一定，即先讨论理想流量特性，然后再考虑调节阀在管路中的实际情况，即讨论工作流量特性。

2 理想流量特性

理想流量特性是在阀前后压差固定的情况下得到的流量特性，它决定于阀芯的形状，因此也称之为结构特性。在理想情况下，流量仅随阀门开度变化而变化，从控制的角度看，观察调节阀的控制指标，研究流量特性，是一种常用的方法。在常用的调节阀中，有四种典型的理想流量特性，如图1^[1]所示。

2.1 直线特性

调节阀的相对流量与相对开度成直线关系，如图1中（1）曲线所示。曲线斜率不变，即它的放大系数不变。以相对行程等于10%、50%、80%三点为例，当行程变化10%时，所引起相对流量变化10%，而它的相对变化值（即灵敏度）分别为100%、20%、12.5%。

可以推知，在变化相同行程情况下，阀门相对开度较小时，相对流量变化值大，灵敏度高；相对开度较大时，相对流量变化值小，灵敏度低。这往往使直线特性阀门控制性能变坏：在小开度时，放大系数相对来说很大，调节过程往往产生振荡；在大开度时，放大系数相对来说不大，灵敏度低，容易使阀门动作迟缓，调节时间延长。

2.2 对数特性

其单位相对行程的变化引起的相对流量的变化与此点相对流量成正比例，如图1中（2）曲线所示。以同样的行程L等于10%、50%、80%三点为例，当行程变化10%时，流量变化值分别为1.9%、7.4%、20.5%，可以说其放大系数随阀门的开大而增大。因此，这种阀门在小开度时，放大系数小，工作得缓和平稳；在大开度时，放大系数大，工作得灵敏有效。同样，各点灵敏度为40%处处相等（也可称等百分比特性），便于控制。

2.3 快开特性和抛物线特性

快开特性如图1中（3）曲线所示，在阀门开度小时，流量变化较大，随着开度增大，流量很快达到最大值，放大系数大，灵敏度高。在阀门开度大时，流量变化不大，放大系数较小，灵敏度也较低。在压力不太大、调节要求不高的场合应用，开则快，关则慢，不易引起管网大的压力波动。抛物线特性如图1中（4）曲线所示。这种阀的单位相对行程的变化所引起的相对流量与此点的相对流量值的平方根成正比关系。它介于曲线（1）（2）之间，其特性接近对数阀特性，但由于其阀芯加工复杂，较少采用。

3 工作流量特性

调节阀处于工艺管路系统中工作时，管路系统的阻力变化或旁路阀的开启程度的阀前后压差变化，使得在同样的阀门开度时，不再像理想流量特性那样流量保持不变，对应的流量将有所变化。我们把调节阀前后压差变化的流量特性称为工作特性。

3.1 串联管路时的工作流量特性

在工程中，调节阀是装在具有阻力的管道系统上，见图2。当该系统两端总压差一定时，调节阀上的压差就会随着流量的增加而减少^[2]。随着阀门开大，阀前后压差减少，因此，在阀相对开度相同的情况下，此时的流量比理想流量特性下要小一些。在阀门开度较大时，调节阀前后的压差减小，流量较大。

图2中ΔP为管路系统的总压差，ΔP₁为调节阀的压差，ΔP₂为串联管道及设备上的压差。令S=（ΔP_1m /（ΔP），式中S为阀门的权度系数，ΔP_1m为阀全开时的调节阀两端压差。当阀门不变，而改不同的管道阻力时，其S值是不同的。随着管道阻力的增大，S值递减。在不同的S值下，对于理想特性为直线和等百分比流量特性的调节阀，工作特性如图3^[3]所示。

由图3可知，当S=1时，即系统总压力都作用在调节阀上，并保持恒定，则为理想特性。随着S值减少，调节阀全开的流量递减，但在某一相对开度下的相对流量q却随S值的减少而增大（q=Q/Q₁₀₀，Q₁₀₀表示管道有阻力时，调节阀全开时的流量）。因此，相对理想流量特性而言，工作特性发生了畸变，成为一组向上拱起的曲线簇。这样，在小开度时，放大系数更大，灵敏度更高；在大开度时，放大系数更小，灵敏度更低。同时，我们若把相对开度为零时的流量称为最小流量，且此最小流量与最大流量Q₁₀₀之比的倒数称之为可调比，则随着S值的减少，由于串联管道阻力的影响，阀的可调比变小。可以推知，可调比R与阀门权度的大关系为：

式中R为理想流量特性时的可调比，叫做理想可调比；R_s为工作流量特性时的可调比，叫做实际可调比。

可调比越小，则调节阀的调节能力越低；可调比越大，则调节阀的调节能力越强。但实际可调比相对于理想可调比来说，不能太大，因为要考虑系统的能耗，一般情况下，S采用0.3~0.5之间^[4]，把实际可调比控制在理想可调比的0.55~0.70之间。

3.2 并联管道时的工作流量特性

图4为调节阀并联的情况。调节阀两端压力虽为恒定，其并联的旁路阀的开启程度也会影响调节阀的流量特性。若以Q₁₀₀表示调节阀全开时的通过调节阀的流量，以Q_max表示总管最大流量，以x来表示旁路的程度，则。在不同的x值下，其工作流量特性如图5^[5]所示。由图可知，x等于1时，旁路阀关闭，调节阀的工作流量特性即理想流量特性。随着旁路阀的逐步开启，旁路阀的流量增加，x值不断减小，流量特性不改变，但可调比大大下降。实际可调比与旁路程度x的关系为：

在实际应用中，总是存在串联管道的影响，这样使调节阀的可调节流量变得很小，甚至调节阀几乎不起调节作用。一般情况下，希望X值最小不低于0.8^[6]，这样调节阀的最大流量为总流量的80%，工作特性曲线较接近理想特性，可调比R不至于减少太多。对于直线阀来说，在小开度时又降低了灵敏度，可避免振荡现象的发生。对于对数阀来说，在小开度时放大系数小一些，整个行程的灵敏度变化趋于恒定，近似呈等百分比特性，仍然可保持较高的调节质量。对于快开特性阀和抛物线特性阀，工作特性曲线有相同的变化趋势，在使用时也需注意。还需指出的是，在并联工作时，有（1-x）Q_max的流量不能被调节，因为这部分流量经旁路阀流出。从控制的角度说，在调节阀相对开度较小时，相对流量较小，相对于理想特性来说，调节阀的调节迟钝，调节时间延长，调节能力下降。

4 调节阀的稳定性分析

调节阀在实际应用时是作用于系统上的，仅仅讨论调节阀本身或者简单讨论阀与系统的关系是不够的，应该进行整体分析。一般来说，系统整体上可分为调节系统和被调对象两部分，前者包括测量传感装置、调节器和执行器（执行器又包括调节机构、调节阀和加热器）三部分。以温度为例，各个组成部分之间的信号联系如图6所示。一般说来，被调量信号经过被调量→比较器→调节器→调节机构→调节阀→加热（冷却）设备→被调对象→被调量这一循环反复的过程，才完成控制被调对象中的被调量的任务。

从被调对象的角度看，大多数热工对象在阶跃信号作用下，响应曲线符合指数衰减规律，如图7^[7]所示。在过渡过程中，被调对象的被调量相对其输入信号来说，放大系数Kc不是个常数，往往是由小向大的方向变化。而从调节系统看，除加热器和调节阀外，其他组成部分的控制特性均可简化为一放大系数不变的比例环节^[8]。对于热水加热器来说，随着其相对流量的增加，被加热流体进、出温度差减小，相对温升减小。它的静特性如图8^[9]所示，可见其放大系数是随着相对流量的递增而减小，不是一个常数。

这样，把调节阀除外，对整个系统来说，系统总放大系数是随着负荷加大而趋小，而在相对小的一段时间（过渡过程时间）内，总放大系数又是随着时间递增的。这对系统的调节质量有很大影响。

若控制回路的总放大系数在控制系统的整个范围内保持不变^[10]，对于系统的稳定是大有裨益的。在实际生产过程中，由于被调对象和加热器等的非线性特性，控制回路的放大系数在选择上就应该考虑这一因素。因此，适当选择调节阀特性，以调节阀的放大系数来补偿控制对象的放大系数的变化，可将系统的总放大系数整定不变，从而保证控制质量在整个操作范围内保持一定。若被调对象和加热器的特性为线性特性，调节阀可以采用直线工作特性，即可保证调节系统在操作范围内近似呈直线特性，系统总放大系数也是一个常数了。对于大多数的热工对象和热水设备，它们的放大系数是随着其负荷加大而趋小的，我们就可选择放大系数随负荷加大而趋大的对数特性的调节阀，二者正好相互补偿。这样系统总放大系数也为常数，有利于提高系统的稳定性。

调节对象和设备的动态特性的非线性，仅靠不同口径的直线和等百分比特性较难保证系统的总放大系数的稳定。对于较复杂的情况，可考虑抛物线特性调节阀和其他高难度的调节阀，也有必要考虑合适的调节器的特性，来保证总放大系数的稳定。从控制的角度看，稳定性的提高，往往会引起系统快速性的下降，准确性也会下降。我们可以选择，的调节器与调节阀配合起来，缩短过渡过程时间，以提高系统的快速性。同时，尽量使操作范围内的控制灵敏度也保持不变：不太大，使系统调节不会振荡剧烈动作；不太小，使系统调节时间缩短。若再加上系统设计方面的准确性，则系统就会达到“灵敏准确，稳定快速”的高级控制水平。

5 结语

调节阀在小的相对开度工作时，灵敏度较高，易使系统动作频繁，影响调节质量；在大的相对开度工作时，灵敏度低，放大系数小，系统也不易稳定下来。在热工领域内应用时力求：①尽量使系统两端压差恒定，使系统趋于理想工作特性，便于控制。②使调节阀的权度系数大些，增大可调比，改善调节能力。③使调节阀的特性与被调对象和设备的动态特性相补偿，使系统在操作范围内的放大系数稳定。这样，整个调节系统就可达到一定的高级控制水平。