控制仪表及装置运算器和执行器教学PPT.ppt

控制仪表及装置 第三章 运算器和执行器 第一节 运算器 一、乘除器 二、开方器 第二节 执行器 一、电动执行机构 二、气动执行机构 三、阀门定位器 四、调节机构 五、执行器的选型 运算器接受来自变送器或转换器的统一 标准信号，可对一个或几个输入信号进 行加、减、乘、除、开方、平方等多种 运算，以实现各种算法，满足自动检测 和控制系统的要求。 本章介绍两种典型的运算器： 乘除器和开方器 第一节 运算器 （一）概述 一、乘除器 可对两个或三个15V的直流电压信号进行四种运 算, 结果以15V 直流电压或420mA 直流电流输 出。乘除运算关系式为： U0 = N (Ui11)(Ui2 + K2) Ui3 + K3 + 1 式中：Ui1、Ui2、Ui3 乘除器的输入信号； U0 乘除器的输出信号； N 运算系数； K2、 K3 可调偏置电压。 另可实现乘后开方、乘法和除法三种运算。 对于单向矩形脉冲（图3-1）， 其直流分量为： 矩形脉冲周期矩形脉冲幅值 矩形脉冲宽度直流分量 Um T t 0 tp U 图3-1 单向矩形脉冲 乘法运算的实现方法 滤波取直流分量，完成乘法运算 控制矩形脉冲的宽度（调宽） 控制矩形脉冲的幅值（调高） 调宽电路 k1 滤波电路 调高电路 k2 x1s UD x2 M 图3-2 简单乘法电路方框图 x2 滤波电路 调高电路 k2 调宽电路 k1 S UD M1 放大器 K x3 调高电路 k3 滤波电路 xf M2 x1 图3-3 乘除器构成方框图 乘除器的构成原理负反馈 x2 滤波电路 调高电路 k2 调宽电路 k1 S UD M1 放大器 K x3 调高电路 k3 滤波电路 xf M2 x1 输入电路1 N1 乘法电路1比较器 比例放大 电路N0 输出电路 输入电路2 N2 附加偏置 电路1 乘法电路2 附加偏置 电路2 输入电路3 N3 Ui1 Ui2 Ui3Uo3 + Uf S U22 Uo2 Uo U11 U31 U21 U23 图3-4 乘除器方框图 自激振荡时间分割器 U22U11U21/U31 （二）工作原理 U11 UF UT + IC1 R3 C1 R1 R2 R4 C2 Ui1 + UB =UB0.5V UB=10V 图3-5 输入电路 （三）线路分析 输入电路 UF UT R26 R27 Ui2 + + IC5 U02 UB 1V R29 C19 R28 R32 VZ1 R52 R53 C20 R30 * * 8 7 6 5 R31 附加偏置电路 13 14 15 16 R36 R33 R34R35 VB V21 V o2 R55 R54 W6 M N P *Vp2- C22 + - IC6 （a）原理电路 自激振荡时间分割器 （b）等效电路 U11 Uf U 22 U21 K1 K3 K 4 U31 R9 R6 C12 C5 C7 K2 a b c d + - IC2 Q 当U11Uf+h Q为正 K1、K3通 K2 、 K4断 U31通过R6向C7充电 Uf增加 直至Uf U11 IC2翻转 Q为负 K1 、 K3断 K2 、 K4通 C7 通过R6放电 Uf降低 直至Uf U11 Q又为正 调整电位器RP1，可改变N0的大小，借此改变仪表量程。 比例放大电路 U22 UF + IC3U23 R10 R11 R12 RP1 将 U23转换成整流输出 信号Uo和Io 输出电路 VT5 8 7 4 5 24v VD3 R 18 R15 R16 R14 C14 R13 U23 UB Up=9v R 17 4 1 U + IC4 开方器对15V直流电压信号进行开方运算, 结果 以15V 直流电压或420mA 直流电流输出，运 算关系为： （一）概述 二、开方器 开方器在节流装置流量测量中的应用 差压 变送器 节流 装置 开方器 指示 记录仪 比例 积算器 控制器 瞬时流量 累计流量 q P x y 开方运算的实现 通过改变乘除器信号线的连接方式来实现开方 运算或对乘除器线路作适当改进，也可采用折 线逼近和应用霍尔元件等方法来实现。 小信号切除 2 y K dy dx 由可得x K x 可见，x很小时,动态放大系数很大，x稍有波动 ，就会引起输出y的很大变化，造成开方器在小 信号输入时的较大运算误差。所以, 在信号小于 输入满量程的1%时，应将输出信号切除。 UiUo 输入电路1 N1 乘法电路1 K2 比较器 乘法电路2 K3 + Uf S U22 U21 比例放大 电路N2 小信号 切除电路 输出电路 N0 U23 U23 开方运算部分 U11 图 3-13 开方器方框图 （二） 工作原理 振荡条件： U23 U21 （4.5V ） U11 自激振荡时间分割器的起振条件 实际的切除值可通过UL来调整 小信号切除电路 开方器的输入输出特性 执行器的构成： 执行机构产生推力或位移的装置。 调节机构直接改变能量或物料输送量的装置 ，通常称为控制阀或调节阀。 执行器的分类： 气动、电动和液动 第二节 执行器 一、电动执行机构 电动执行机构有角行程和直行程两种，是以两相交 流电机为动力的位置伺服机构，它将输入的直流电 流信号线性地转换成位移量。 （一）基本结构和工作原理 伺服放大器 位置发送器 伺服电机操作器减速器 阀位 指示 放大器执行机构 420mA Ii If 电动执行机构方框图 090O （二）伺服放大器 组成：信号隔离器 、综合放大电路、 触发电路、固态继 电器等。 信号隔离器采用光 电隔离电路，实现 信号隔离和电流 电压转换。 综合放大和触发电 路见图。 作用是将伺服放大器输出的电功率转换成机械转矩， 并且当伺服放大器没有输出时，电机又能可靠地制动 。 （三）执行机构 组成：伺服电机、减速机构、位置发送器等。 伺服电机 减速器 把伺服电机高转速、小转矩的输出功率转换成执行机构输 出轴的低转速、大力矩的输出功率，以推动调节机构。采 用正齿轮和行星齿轮机构相结合的机械传动机构。 i ( ) z1 摆轮的齿数 z2 内齿轮的齿数 行星齿轮机构 相结合的减速 比： z2 z1 z1 位置发送器 作用：将输出轴090的转角转换成420mADC直流电 流，作为阀位信号和反馈信号。 气 气 二、气动执行机构 接受电/气转换器 (或电/气阀门定位器) 输出的气 压信号，将其转换成相应的输出力和推杆直位移量 ，以推动调节动作。 有薄膜式执行机构和活塞式执行机构： 薄膜式：气压推动薄膜并带动连杆运动, 结构简单, 动 作可靠，维修方便，价格较低，但输出行程小； 活塞式：气压推动活塞并带动连杆运动，输出推力大 ，行程长，但价格较高，只用于特殊需要的场合。 输入信号 气体压力：0.020.1MPa 输出 连杆位移 行程，规格有： 10，16，25，40，60，100mm 气动薄膜式执行结构 有正作用(信号压力增加时推杆向下动作，ZMA)和 反作用(信号压力增加时推杆向上动作，ZMB)两种 型式。 结构 结构见右图。 当信号压力通过上膜 盖1和波纹膜片2组成 的气室时，在膜片上 产生推力,使推杆5下 移并压缩弹簧 6。当 弹簧力与膜片推力相 平衡时，推杆稳定在 相应的位置上。 膜片的有效面积有： 200、280、400、630 、1000、1600cm2等。 静态特性 在平衡状态时，气动薄膜式执行机构的力平衡方程 式可表示如下： 式中： P1 Cs Ae L = L 推杆位移； Ae 膜片有效面积； P1 输入压力； Cs 弹簧刚度。 输入输出特性见右图。 存在非线性偏差和正反 行程偏差。 动态特性 在动态情况下，输入信号管线存在阻力，管线和薄 膜气室近似作为气容，故执行机构可看成一个阻容 环节，薄膜气室压力P1与控制器输出压力P0关系为 ： RCS+1 1 = = P1 P0TS+1 1 式中 R、C分别为气阻、气容，T为时间常数。 可得控制器输出压力P0与推杆位移L之间的关系为： (TS+1)Cs Ae = = L P0TS+1 K 式中 T为执行机构的放大系数。 三、阀门定位器 阀门定位器与气动控制阀配套使用，它接受控制器 的输出信号，成比例地输出压力至执行机构，推杆 移动后的位移量反馈至定位器，构成一闭环系统。 定位器控制器 P0 气源 位置 反馈 P1 阀门定位器示意图 阀门定位器可增加执 行器输出功率，减小 信号传递滞后，加快 阀杆位移速度，提高 线性度，克服阀杆摩 擦力，保证正确定位 。 电气阀门定位器 具有电 / 气转换器和阀门定位器的双重作用， 它接 受电动控制器输出的420电流信号，成比例地输出 20100kPa(或40200kPa)气动信号至执行机构。 组成 转换组件：永久磁钢、线圈、杠杆、喷嘴、挡板及调 零装置等。 气路组件：气动放大器、气阻、压力表、手 - 自动切 换阀。 反馈组件：反馈弹簧、反馈拉杆、反馈压板等。 接线盒组件：接线盒、端子板及电缆引线等。 工作原理 见下图 应用场合 推力大，可用于高差压、大口径、高压、高温、低 温及介质中含有固体悬浮物或粘性流体的场合。 动作速度快，可用于控制器与执行机构距离较远的 场合。 可用于需分程控制的场合，两台定位器由一个控制 器操纵，每台定位器的工作由分程点决定。 可改善控制阀的流量特性，通过改变反馈凸轮的几 何形状，使定位器的输出特性发生变化，从而达到 修正流量特性的目的。 四、调节机构 又称控制阀(或调节阀)，是一个局部阻力可变的节 流元件。阀芯移动改变了阀芯 与阀座间的流通面积，即改变 了阀的阻力系数，使被控介质 流量相应改变。 （一）控制阀结构 由上阀盖、下阀盖、阀体、阀 座、阀芯、阀杆、填料和压板 等构成。为适应多种使用要求 ，阀芯和阀体有不同的结构， 使用的材料也各不相同。 阀的结构型式 直通单座阀 直通双座阀 角形阀 三通阀 蝶阀 套筒阀 偏心旋转阀 高压阀 阀芯型式 有直行程阀芯和角行程阀芯两类。直行程阀芯又分 为：平板型、柱塞型、窗口型和多级阀芯。各种阀 芯的型式见下图。 角行程阀芯有偏心旋转 型、蝶型和球型。见右 。 流体对阀芯作用形式 ：流开阀和流闭阀 阀芯的安装形式： 正装阀和反装阀 （二）控制阀特性 控制阀的流量方程： Q = 式中 Q 体积流量，m3/h A 2(P1 P2) P1 、P2 阀前后压力，100kPa 流体密度，g/cm3 A 阀接口流通面积，cm2 阀阻力系数，与阀门结构、开度等有关 = 5.09 A P 在阀口径一定和P、 不变的情况下，流量Q仅随阻 力系数 变化。 流量系数 上式可改写为： )( KV P Q= KV= 5.09 A KV称为流量系数，其大小反映了通过阀门的流量 ，即流通能力的大小。KV与流体性质、阀结构尺 寸有关，根据KV值可确定阀门口径。 采用国际单位制时，流量系数定义为：在阀全开 ，阀前后压差为100kPa，流体密度为 1g/cm3(5400C的水)时，每小时通过阀门的流量数 (m3)。 流量系数的计算：将上式中P的单位取为kPa，可 得不可压缩流体KV值的计算公式为： 10Q KV = P 在计算流量系数时，应考虑不同流体的影响因素 ，例如液体的粘度、气体的压缩因数等。流体的 流动状态也影响KV的大小，当阀前后压差达到某 一临界值时的阻塞流状态，KV计算要引入压力恢 复系数、临界压差比等。 流量系数的见教材表3-1计算公式,也可参阅控制 阀工程设计手册。 控制阀的可调比 控制阀所能控制的最大与最小流量之比。以R 表示 。 理想可调比 控制阀前后压差不变时的可调比： s Qmax R = Qmin = KVmax KVmin 实际可调比 (考虑阀前后压差变化时的可调比) 串联管道时的可调比 Rr = R= R Pmin Pmax P P1 Q 令 S = Pmin Pmax 并联管道时的可调比 令阀全开时的流量与总管最大流量之比：x Q1max Qmin 则 ： Rr = R R (R - 1)x 1 1 x Q1 Q P 并联管道可调比特性串联管道可调比特性 S x RrRr 30 30 1.0 1.0 0 0 控制阀的流量特性 指介质流过控制阀相对流量(与相对位移( Q1max Qmin ) 之间的关系，即： l L ) Q1max Qmin = f ( l L ) 理想流量特性(阀前后压差不随阀的开度而变) 直线特性： Q/Qmax= K ( l/L )+ C 对数特性： Q/Qmax= R (l/L-1) 抛物线特性：Q/Qmax= 1/R 1+( 1) l/L 2 快开特性：随着开度增大, 流量很快达最大。 各种流量特性及其阀芯形状如图所示。 1 快开；2 直线；3 抛物线；4 修 正抛物线；5 等百分比。 工作流量特性(阀前后压差随阀的开度而变) 串联管道时的工作流量特性 Qmax表示管道阻力等于零时的阀全开流量。 并联管道时的工作流量特性 使理想流量特性发生畸变, 串联管道尤为严重, 放 大大系数随开度增大而减小, 并联管道总比原来小 。 使控制阀可调比降低，并联管道尤为严重。 串联管道使总流量减少，并联管道则增加。 结论 （二）空化作用及其避免 闪蒸与空化 闪蒸是液体通过阀节流后，缩流处静压降至低于饱 和蒸汽压时，部分液体汽化成气液两相共存的现象 。 当静压回升到饱和蒸汽压以上时，闪蒸形成的气泡 破裂，重新转化为液体，其过程称为空化。 空化的破坏作用：损坏材质、振动和噪音 空化的避免 阀前后压差不大于最大允许压差 Pc： Pc Kc (P1 P2) P1 、P2分别为阀入口压力和饱和蒸汽压,Kc为气蚀系数 。 四、执行器的选择 包括结构型式、流量特性、阀门口径等的选择。 （一）结构型式的选择 执行机构的选