第二十章控制机构习题与思考题解答.docx

1、第二十章控制机构习题与思考题解答第二十章习题与思考题20-1控制机构在过程控制中起什么作用?控制机构指的就是调节阀，也称控制阀，是执行器的控制部分，用于控制操纵变量的流量。20-2控制阀在过程控制中常出现哪些问题?控制阀的品种多，规格多，参数多。控制阀为适应不同工业生产过程的控制要求，例如温度、压力、介质特性等，有近千种不同规格、不同类型的产品，使控制阀的选型不方便、安装应用不方便、维护不方便、管理也不方便。控制阀的可靠性差。控制阀在出厂时的特性与运行一段时间后的特性有很大差异，例如，泄漏量增加、噪声增大、阀门复现性变差等，给长期稳定运行带来困难。控制阀笨重，给控制阀的运输、安装、维护带来不便

2、。通常，控制阀重量比一般的仪表重量要重几倍到上百倍，例如，一台大口径的控制阀重达1吨，运输、安装和维护都需要动用一些机械设备才能完成，给控制阀的应用带来不便。控制阀的流量特性与工业过程被控对象特性不匹配，造成控制系统品质变差。控制阀的理想流量特性已在产品出厂时确定，但工业过程被控对象特性各不相同，加上压降比变化，使控制阀工作流量特性不能与被控对象特性匹配，并使控制系统控制品质变差。控制阀噪声过大。工业应用中，控制阀噪声已成为工业设备的主要噪声源，因此，降低控制阀噪声成为当前重要的研究课题，并得到各国政府的重视。控制阀是耗能设备，在能源越来越紧缺的当前，更应采用节能技术，降低控制阀的能耗，提高能

3、源的利用率。20-3根据公式说明控制阀控制流体流量的原理。qV=A=A2(P1-P2)=A2P由公式可知，当调节阀口径A一定，及P/一定时，流量仅随阻力系数而变。阻力系数是与阀门结构形式、开度及流体性质有关的量，所以在运行中，即在既定的条件下，改变阀门开度就改变了阻力系数，达到调节流量的目的。20-4流通能力（流量系数）的定义如何?为了便于选择调节阀，我国给出统一的条件来定义流量系数，在这个条件下的流量系数记为K，定义K的条件为：在调节阀前后压差为lOOkPa、流体密度为1g/cm3(即540水的密度)的条件下，调节阀全开时，K是每小时通过阀门的流量。20-5何谓控制阀的可控比（可调比）?调节

4、阀的可调比反映了调节阀的调节能力，是指最大流量qmax与最小流量qmin之比，也称可调范围。可调比记为R。20-6控制阀可控制的最小流量与泄漏量是如何定义的?可控制的最小流量qmin是可调流量的下限值，它一般为最大流量qmax的24%；是阀全关时泄漏的量，泄漏量仅为最大流量qmax的0.50.001%。20-7什么是控制阀的流量特性?常用的流量特性有哪几种?调节阀的流量特性是指流体流经阀门的相对流量与阀门的相对开度之间的关系。流量特性主要有直线、等百分比（对数）、抛物线及快开四种。20-8什么是理想流量特性?有何特点?理想流量特性是指调节阀前后的压差固定不变时的特性，取决于阀芯的形状，是调节阀

5、的固有特性。直线流量特性调节阀的相对流量与相对位移成直线关系。直线流量特性调节阀的放大倍数虽是常数，但其流量相对变化值是不同的。小开度时，流量相对变化大，而在大开度时，流量相对变化小。因此，直线阀在小开度时，灵敏度高，调节作用强，易产生振荡；在大开度时，灵敏度低，调节作用弱，调节缓慢。控制阀的相对流量与相对行程的函数关系为 dlKqdq= 。这种流等百分比流量特性（对数流量特性）调节阀的单位相对位移变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系。等百分比流量特性曲线的斜率是随着流量增大而增大，即它的放大系数随流量增大而增大。但流量相对变化值是相等的。因此，具有等百分比流量特性的调节阀，在小

6、开度时，放大系数小，调节缓和平稳；在大开度时，放大系数大，调节灵敏、有效。抛物线流量特性调节阀的单位相对位移的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量的平方根成正比关系。它在相对位移30及相对流量20以下为抛物线关系，而在此以上的范围内是线性关系。快开流量特性-1量特性的控制阀在小开度时就有较大流量，再增大开度，流量变化已很小，因此称为理想快开流量特性。20-9什么是工作流量特性?在串、并联管道中，工作流量特性和理想流量特性有什么不同(以直线和等百分比特性阀为例说明)?调节阀的工作流量特性是指在实际工作中，因阀前后的压差有变化，从而使调节阀的流量特性发生变化。以线性流量特性为例，参看图20-8

7、和图20-9，可看出流量特性发生畸变的情形。20-10一台线性控制阀，其最大流量为800kgh，最小流量为40kgh，若阀杆全行程lOmm，那么阀杆在5mm处其流量是多少（420kg/h）?如果是一台等百分比控制阀，其阀杆在5mm处的流量又是多少（249.2kg/h）?R=80040=20q=QQmax=1R15R10=120120=0.05+(1-0.05)0.5=0.525Q=0.525Qmax=420kg/hq=QQmax=Rl-1=200.5-1=1200.5=0.22Q=0.22800=178.89kg/h20-11为什么调节阀可以调节流量?（提示：当阀杆移动时，改变了流通的阻力系数

8、，可以达到调节流量的目的）20-12何谓调节阀的流量特性?常用流量特性有哪几种?举例说明在实际工作情况下流量特性与理想情况有何不同。20-13线性流量特性控制阀相对行程和相对流量关系如表20-1所示，计算线性流量特性控制阀，行程变化量为10时，不同行程位置（10%、50%、90%）的相对流量变化量（答案：74.38%；18.70%；10.71%）。表20-1线性流量特性控制阀相对行程和相对流量关系(R=30)相对行程变化10%，在相对行程10%处，相对流量的变化=22.67-1313=74.38%；在相对行程50%处，相对流量的变化=61.33-51.6751.67=18.70%；在相对行程9

9、0%处，相对流量的变化=100-90.3390.33=10.71%；由此可见，对直线流量特性的控制阀，在小开度时，行程变化了10%，流量就在原有的基础之上增加了74.38%，控制作用很强，容易使系统振荡；在大开度时（90%），行程变化了10%，流量就在原有的基础之上增加了10.71%，控制作用很弱，控制不够及时有力，这是直线流量特性的控制阀的一个缺陷。20-14等百分比流量特性控制阀相对行程和相对流量关系(R=30)如表20-2所示，计算等百分比流量特性控制阀，行程变化量为10时，不同行程位置（10%、50%、90%）的相对流量变化量(答案：40.5%；40.5%；40.5%)。表20-2等百

10、分比流量特性控制阀相对行程和相对流量关系(R=30)相对行程变化10%，在相对行程10%处，相对流量的变化=6.58-4.684.68=40.50%；在相对行程50%处，相对流量的变化=25.65-18.2618.26=40.5%；在相对行程90%处，相对流量的变化=100-71.1771.17=40.5%；由此可见，对等百分比流量特性的控制阀，在小开度时（10%），行程变化了10%，流量就在原有的基础之上增加了40.50%；在大开度时（90%），行程变化了10%，流量就在原有的基础之上还是增加了40.50%。故对等百分比流量特性的控制阀不管是小开度还是大开度时，行程同样变化了10%，流量在原

11、有的基础之上变化的相对百分数是相等的，故取名为等百分比流量特性。具有这种特性的控制阀，在同样的行程变化值下，小开度时，流量变化小，控制比较平稳缓和；大开度时，流量变化大，控制灵敏有效，这是他的一个优点。20-15试根据阀芯的结构，阐述调节阀的分类及特点。见图20-7，根据阀芯结构分为快开1、直线2、抛物线3和等百分比4等4类。特点与20-8叙述相同。20-16风机风量的控制机构有几种?它们各有何优缺点?风机的控制机构现有多种，如出口控制闸阀、控制挡板、入口导流器、导(静)叶和动叶安装角控制机构。出口控制闸阀：这种调节本身是不经济的，但不需要复杂的调节设备，而且调节简单可靠，多用于小功率的离心式

12、风机。入口控制挡板：入口节流调节比出口节流调节要经济些。入口导流器：入口导流器产生的节流损失较小，而且工作点始终处于风机性能曲线的下降段，使风机能保持稳定运行。导(静)叶：在叶轮后放置导叶。当流体从叶轮流出时，其圆周分速度经导叶后改变了流动方向，并将流体的旋转运动的动能转换为压力能，最后使流体沿轴向流出；在叶轮前设置导叶。前置导叶使流体在进入叶轮之前先产生反预旋，因而流体通过叶轮时获得能量较高，这样，可使风机的体积相应减小；叶轮前后均设置导叶。这种型式是单个叶轮后置导叶和前置导叶两种型式的综合，工作效果较好。动叶安装角：轴流式风机叶轮的叶片安装角若可改变，则可使风机的流量发生较大变化，从而改变

13、了风机的性能曲线形状，而风机的全压变化不大，这就非常适合于流量控制。20-17试推导式20-4。见图20-1，得到关系式P1-P2=22（20-1）式中：是比例系数叫阻力系数；是流体密度；是接管处流体的平均流速。由式(20-1)可以得到流经调节阀流体的体积流量式为qV=A=A2(P1-P2)=A2P（20-2）式中：A是接管处的流通面积，cm2；qv,m3/s；P=P1-P2,Pa；,kg/m3实际应用中（20-2）常用下列单位：A,cm2；,kg/m3；P=P1-P2,kPa（1Pa=1N/m2=1kgm/s2/m2=m-1kgs-2）；qv,m3/h。则（20-2）可改写成qv(m3/h)

14、=-422103113600kg/m3h)2=A(10-4m2)A(10-4m2)210321033600P(m-1kgh-2)kgm-3)3600P(h-2)km-2)=A(10-4m2)33600P(m2)h2)=A4)2103P=16.1AP(m3/h)把式(20-2)改写成实用流量方程式qV=KP（20-3）为了便于选择调节阀，我国给出统一的条件来定义流量系数，在这个条件下的流量系数记为K，定义K的条件为：在调节阀前后压差为lOOkPa、流体密度为1g/cm3(即540水的密度)的条件下，调节阀全开时，K是每小时通过阀门的流量。k=qV=16.1A1001000=5.09A=5.094

15、D2=4.0D2（20-4）式(20-4)说明，在一定条件下，根据流量系数就可以确定阀门的口径尺寸。2-18什么是串联管道中的阻力比 s？s值的减少为什么会使理想流量特性发生畸变？s是调节阀全开时阀前后差压与管道系统的差压之比。s值的减少会使理想的直线流量特性畸变为快开特性，使理想的等百分比流量特性畸变为直线流量特性。2-19什么是并联管道中的分流比 x？试说明x值的变化对控制阀流量特性的影响。x值表示并联管道时，控制 阀全开时流过控制阀的流量与系统（总管）最大（总）流量之比。当x=1时说明流过控制阀的流量等于 系统（总管）流量，即旁路流量为零，如果这时阀的流量为理想力量特性，那么，随着x值的减少，说明流过旁路的流量增加。这时， 控制阀既使关死，也有一部分流体从旁路通过，所以控制阀所能控制的最小流量比原先大大增加，使控制阀的可调范围减小，阀的流量特性发生畸变。严重时，会使控制阀几乎失去作用，因为x值很小时，大部分流量都从旁路通过，控制阀对这部分流量是不起控制作用的。