第二十章控制机构习题与思考题解答.docx

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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?

⑴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。

⑵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。

⑶控制阀笨重，给控制阀的运输、安装、维护带来不便。

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。

⑷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。

⑸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。

⑹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。

q V = Aυ = A

2（ P1 - P2 ）

ζρ

= A

2∆P

ζρ

由公式可知，当调节阀口径 A一定，及 ∆P / ρ 一定时，流量仅随

阻力系数ζ而变。

阻力系数 ζ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ζ，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5～40℃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）?

调节阀的可调比反映了调节阀的调节能力，是指最大流量 q max 与

最小流量 q min 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 2～4%；

是阀全关时泄漏的量，泄漏量仅为最大流量 qmax 的

0.5～0.001%。

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，是调节阀的 固有特性。

⒈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

⒉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。

⒊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。

⒋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 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 800kg／h，最小流量为

40kg／h，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（249.2 kg/h）?

R =

800

40

= 20

q =

Q

Qmax

=

1

R

⎛

⎝

1 ⎫ 5

R ⎭ 10

=

1 ⎛

20 ⎝

1 ⎫

20 ⎭

= 0.05 + （1 - 0.05） ⨯ 0.5 = 0.525

Q = 0.525Qmax = 420kg / h

q =

Q

Qmax

= R l -1 = 200.5-1 =

1

200.5

= 0.22

Q = 0.22 ⨯ 800 = 178.89kg/h

20-11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，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 - 13

13

= 74.38%；

在相对行程50%处，

相对流量的变化 =

61.33 - 51.67

51.67

= 18.70%；

在相对行程90%处，

相对流量的变化 =

100 - 90.33

90.33

= 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 - 4.68

4.68

= 40.50%；

在相对行程50%处，

相对流量的变化 =

25.65 - 18.26

18.26

= 40.5%；

在相对行程90%处，

相对流量的变化 =

100 - 71.17

71.17

= 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 = ζρ

υ 2

2

（ 20-1）

式中 ：

 ζ是 比例系数叫阻力系数 ； ρ 是流体密度； υ 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

q V = Aυ = A

2（ P1 - P2 ）

ζρ

= A

2∆P

ζρ

（ 20-2）

式中：

 A是接管处的流通面积 ， cm2 ； q v , m3 / s ； ∆P = P1 - P2 , Pa ；

ρ, kg / m3

实际应用中（ 20-2）常用下列单位：

 A, cm2 ； ρ, kg / m3 ；

∆P = P1 - P2 , kPa （ 1Pa = 1N / m2 = 1kg ⋅ m/s2 / m2 = m-1 ⋅ kg ⋅ s-2 ）； qv , m3 / h 。

则（ 20-2）可改写成

q v （m 3 / h） =

-4 2

ς

⨯ 2 ⨯ 103 ⨯

1

1

3600

ρ kg/m3

h）2

=

=

A（10-4 m 2 ）

ς

A（10-4 m 2 ）

ς

⨯ 2 ⨯ 103 ⨯

⨯ 2 ⨯ 103 ⨯

3600 ⨯ ∆P（m -1 ⋅ kg ⋅ h -2 ）

ρ kg ⋅ m -3 ）

3600 ⨯ ∆P（h -2 ）

ρ km-2 ）

==

A（10-4 m 2 ）

ς

3

3600 ⨯ ∆P（m 2 ）

ρ h 2 ）

=

A

ς

⨯

4

） 2 ⨯ 103 ⨯

∆P

ρ

= 16.1

A

ς

∆P

ρ

（m 3 / h）

把式（20-2）改写成实用流量方程式

q V = K

∆P

ρ

（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5～40℃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 = q V = 16.1

A

ς

100

1000

= 5.09

A

ς

π

= 5.09 ⨯ 4

D2

ς

= 4.0

D2

ς

（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。