1、前言

    在過程控制系統的設計階段，正確選用調節閥的流量特性（以下簡稱選用），是一個必須要解決的技術問題，對提高系統的調節品質起事半功倍的作用。

     從現有文獻看，理論選用方法尚在研究探索之中，設計中大都采用經驗準則解決選用問題。然而各種文獻給出的經驗準則并非全都一致，有些經驗準則對適用范圍交待不清。例如常見的換熱器出口溫度控制系統，有相變傳熱與無相變傳熱的選用結論不全相同。若不明白選用理論，機械地套用經驗準則，有可能會導致選用失誤。因此，對選用的理論、及方法進行研究很有必要。

圖1 單回路反饋控制系統組成方塊圖

     由圖1可知，當調節器已整定，則Kc為常量，選用的理論依據為

     K_o = K_v*K_p*K_m≈常量           （1）

     式中：K_o、K_v、K_m—分別為系統廣義對象、調節閥、被控對象、檢測變送器的放大系數。

     從選用角度分析式（1）：

    （1）選用的目的是以K_v補償K_p、K_m，對K_o作非線性校正。若系統運行中無干擾施入，即K_p、K_m的工作點不變，則不需作非線性校正，選用任何一種流量特性調節閥都能符合式（1）要求。所以，無干擾就不存在選用問題，研究選用的理論與方法，必須聯系干擾因素來了解其適用性。

     （2）選用的過程是根據系統主要干擾作用下的K_p、K_m變化規律，選定符合式（1）要求的，在該干擾作用下的K_v變化規律。由于K_m的變化規律決定于檢測、變送器整機輸出入信號之間的固有函數關系，與干擾因素無關。因此，解決選用的關鍵，在于對系統主要干擾作用下的K_v、K_p變化規律的求取與了解。

     （3）從現有的各種理論選用方法看，實質上都是采用定性分析的方法，來解決選用問題。所以對選用有實用意義的是了解常用的線性、對數，快開流量特性調節閥在各種干擾作用下所反映的K_v變化規律，以用作選用依據；了解常用的各種理論選用方法，求取干擾作用下K_p變化規律的可行性與適用性，這將對設計人員選擇選用的方法，具有指導意義。

     根據以上分析，文獻通常給出的關于選用的論述，存在的問題主要表現為：對調節閥流量特性、K_v的論述，偏重一種形式，從選用角度看，有值得商榷之處；只給出理想工況（即閥前閥后壓降ΔP_v為恒值）下的各閥K_v變化規律，用于選用，對干擾的適用范圍不清；沒有聯系干擾因素來論證求取K_v變化規律的可行性，以及對選用方法的適用性。因此，對選用缺乏實用意義，需加以修正與補充。

     本文旨在解決上述問題，下文將探討文獻對閥流量特性、K_v的論述；從討論閥流量特性與K_v的四種表達形式著手，以推導所得的用變量Q/Q_max、Q、C/C_max或C所表征的各閥四種K_v表達式為依據，根據分析給出的有關變量在干擾作用下的狀態，給出線性、對數、快開流量特性調節閥在干擾作用下所呈現的K_v變化規律，以及對選用的適用范圍；論證求取干擾作用下K_p變化規律的可行性，及對選用方法的適用性。

      2、探討文獻對閥流量特性、K_v的論述

      2.1 分析有關變量在干擾作用下的狀態

     為方便下文的討論，需先了解有關變量在干擾作用下的狀態。某一開度或全開時閥的流量方程分別為：

                                   （2）

                          （3）

      式中：
      g—重力加速度，是恒值；
      ρ—密度，不可壓縮流體p為恒值；
      C—閥的流通能力；
      C_max—已確定通徑調節閥的最大流通能力，實質上即為根據工藝參數計算所得的系統最大流量下的C值，在閥的標準產品系列中經設計人員合理圓整、選定的閥公稱流通能力C_g，C_g為恒值，即C_max為恒值。

     無論用經驗準則、或是理論方法選用，通常都是在眾多干擾中，確定一個出現最頻，對被控變量y影響最大的干擾，作為系統主要干擾變量來考慮選用，其它次要干擾則均視為常量。

     干擾形式眾多，一般可等效視為廣義的負荷（即非Δp_v干擾）或Δp_v干擾兩種類型。
由此，依據式（2）、（3）可知：

     （1）定值系統負荷為主要干擾，Δp_v等次要干擾可視為常量；Q_max為常量；C_max為恒值；Q，C為變量。

     （2）定值系統Δp_v為主要干擾，負荷等次要干擾可視為常量；Δp_v為變量；C_max為恒值；由式（3）知，Q_max∝Δp_v，即Q_max為變量；Q的狀態可作如下分析，因給定值X為恒值，由工藝操作的物料或能量平衡原理，以及系統的調節過程可知，Δp_v干擾施入之初引起Q的變化，會很快被系統的調節作用改變閥的開度所克服，系統穩態時Q仍為Δp_v干擾施入前的流量值不變，所以Q仍可視為常量；C隨閥的開度而變，所以C為變量。

     以上結論，下文討論中作為已知條件引用。

      2.2、探討文獻通常采用的論述形式

     對閥的流量特性，通常都以流體流過閥的相對流量Q/Q_max與閥桿相對行程L/L_max之間的函數關系定義。定義式為

     Q/Q_max=f（L/L_max）      （4）

     對各閥流量特性、K_v的論述可歸納如表1所述。

表 1 

名稱 流量特性表達式 Kv變化規律 線性閥
 
K—常數，即調節閥放大系數 對數閥

  Kv∝Q，由小到大變化 快開閥
 
Kv∝1/Q,由大到小變化

表中K為比例常數，線性閥K=1-1/R，對數閥K=InR，快開閥K=（1-1/R²）/2；R為閥的理想可調范圍，R=Q_max/Q_min=C_max/C_min=30。

     文獻所稱的各閥理想流量特性曲線見圖2。

1：快開；2：直線；3：對數
圖2理想流量特性

     結合圖2分析文獻對閥流量特性的定義，是用Q/Q_max與L/L_max兩個相對無因次變量之間的函數關系來表征，實質上是表征閥的相對流量特性。所以（4）式應確切地稱為閥的相對流量特性定義式；圖2應確切地稱為各閥的理想相對流量特性曲線圖；在圖2曲線上的各點作切線，其斜率的變化反映了以Q/Q_max表征的各閥相對放大系數（記為K'_VQ）的變化規律；切線的數學式，即為閥相對放大系數的定義式

     K'_VQ =d（Q/Q_max）/d（L/L_max）   （5）

     因而表1中的流量特性表達式，應確切地稱為調節閥相對流量特性表達式。由式（5）可知，即為各閥的K'_VQ表達式（見表2），反映了理想工況下，以Q/Q_max表征的各閥K'_VQ變化規律，由式（3）知，理想工況下Q_max為常量，由此方可把各閥的K'_VQ變化規律表達為如表1所述，以有因次變量Q所表征的各閥放大系數K，變化規律的形式。所以，表1給出的Kv變化規律的形式。所以，表1給出的K，變化規律，實質上出自各閥的K'_VQ變化規律，其成立條件為理想工況。

     因此，表1給出的各閥K_v變化規律用于選用，適用范圍不清，需明確對干擾的適用范圍。

     （1）定值系統負荷為主要干擾：已知Δp_v，Q_max可視為常量，與以上分析給出的各閥K'_VQ或K_V變化規律的成立條件相同，可適用于選用。

     （2）定值系統Δp_v為主要干擾；已知Δp_v、Q_max為變量，與各閥K'_VQ或K_V變化規律的成立條件不符，圖2也不成立，所以不能適用于選用。

      由此，從選用角度看表1，應如表2所示。

表 2

名稱 K'_VQ表達式 負荷干擾下K'_VQ變化規律 負荷干擾下Kv變化規律 線性閥
K'_VQ=K
K'_VQ為常數，與變化無關
Kv為常數，與Q變化無關 對數閥
 

，由小到大變化

Kv∝Q，由小到大變化 快開閥


，由大到小變化
，由大到小變化