过程控制系统课件-第五章-执行单元分解

1、 第五章第五章 执行单元执行单元 第一节第一节 概述概述执行器由执行器由执行机构执行机构和和调节机构（调节阀）调节机构（调节阀）两部分组成。两部分组成。接受调节器输出的控制信号，并转换成直线位移或角位移来接受调节器输出的控制信号，并转换成直线位移或角位移来改变调节阀的流通面积，以控制流入或流出被控过程的物料改变调节阀的流通面积，以控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。或能量，从而实现对过程参数的自动控制。 执行器有自动调节阀门、自动电压调节器、自动电流调执行器有自动调节阀门、自动电压调节器、自动电流调节器、控制电机等。其中自动调节阀门是最常见的执行器，节器、控制电机

2、等。其中自动调节阀门是最常见的执行器，种类繁多。种类繁多。自动调节阀按照工作所用能源形式可分为：自动调节阀按照工作所用能源形式可分为：q电动调节阀电动调节阀：电源配备方便，信号传输快、：电源配备方便，信号传输快、损失小，可远距离传输；但推力较小。损失小，可远距离传输；但推力较小。q气动调节阀气动调节阀：结构简单，可靠，维护方便，：结构简单，可靠，维护方便，防火防爆；但气源配备不方便。防火防爆；但气源配备不方便。q液动调节阀液动调节阀：用液压传递动力，推力最大；：用液压传递动力，推力最大；但安装、维护麻烦，使用不多。但安装、维护麻烦，使用不多。 工业中使用最多的是气动调节阀和电动调节阀。工业中使

3、用最多的是气动调节阀和电动调节阀。 第二节第二节 电动执行机构电动执行机构 电动执行机构根据配用的调节机构不同，其输出方式有电动执行机构根据配用的调节机构不同，其输出方式有直行程、角行程和多转式三种类型，其电气原理完全相同，直行程、角行程和多转式三种类型，其电气原理完全相同，仅减速器不一样。仅减速器不一样。 电动执行机构的组成框图电动执行机构的组成框图 伺服放大器原理图伺服放大器原理图 校正网络原理图校正网络原理图 第三节第三节 气动执行机构气动执行机构 它由膜片、阀杆和平衡弹簧等组成，是执行器的推动装置。它接受气动调节器或电/气转换器输出的气压信号，经膜片转换成推力并克服弹簧力后，使阀杆产生

4、位移，带动阀芯动作。 1-上盖 2膜片 3一平衡弹簧 4一阀杆 5阀体 6阀座 7阀芯 气动执行机构有正作用和反作用两种形式气动执行机构有正作用和反作用两种形式: :当输入气压信号增加时阀杆向下移动时称当输入气压信号增加时阀杆向下移动时称正作用正作用；当输入气压信号增加时阀杆向上移动时称当输入气压信号增加时阀杆向上移动时称反作用反作用。在工业生产中口径较大的调节阀通常采用正作用方式。在工业生产中口径较大的调节阀通常采用正作用方式。 lKAp 气动薄膜执行机构的静态特性表示平衡状态时输入气动薄膜执行机构的静态特性表示平衡状态时输入的气压的气压p与阀杆位移与阀杆位移l的关系，即的关系，即 A为膜片

5、的有效面积；K为平衡弹簧的弹性系数 气动执行机构的动态特性可近似成一阶惯性环节，其惯气动执行机构的动态特性可近似成一阶惯性环节，其惯性的大小取决于膜头空间的大小与气管线的长度和直径。性的大小取决于膜头空间的大小与气管线的长度和直径。 二、调节阀的分类二、调节阀的分类（1） 直通单座阀直通单座阀流体对阀芯的不平流体对阀芯的不平衡作用力大。一般用在小衡作用力大。一般用在小口径、低压差的场合。口径、低压差的场合。q结构简单、泄漏量小。结构简单、泄漏量小。第四节第四节 气动薄膜调节阀气动薄膜调节阀 调节机构就是阀门，是一个局部阻力可以改变调节机构就是阀门，是一个局部阻力可以改变的节流元件。根据不同的使

6、用要求，阀门的结构型的节流元件。根据不同的使用要求，阀门的结构型式很多。式很多。 正装阀正装阀阀芯下移时，阀芯与阀阀芯下移时，阀芯与阀座间的流通截面积增大座间的流通截面积增大阀门中的柱式阀芯可以正装，也可以反装。阀门中的柱式阀芯可以正装，也可以反装。 反装阀反装阀阀芯下移时，阀芯与阀阀芯下移时，阀芯与阀座间的流通截面积减小座间的流通截面积减小（2 2） 直通双座阀直通双座阀 阀体内有两个阀芯和阀座。阀体内有两个阀芯和阀座。q流体流过时，作用在上、下两个阀芯上的推流体流过时，作用在上、下两个阀芯上的推力方向相反且大小相近，可以互相抵消，所以不平力方向相反且大小相近，可以互相抵消，所以不平衡力小。

7、衡力小。q但是，由于加工的但是，由于加工的限制，上下两个阀芯阀限制，上下两个阀芯阀座不易保证同时密闭，座不易保证同时密闭，因此泄漏量较大。因此泄漏量较大。（3）角形控制阀角形控制阀两个接管呈直角形，一般为底进侧出，这种阀的两个接管呈直角形，一般为底进侧出，这种阀的流路简单、对流体的阻力较小。流路简单、对流体的阻力较小。q适用于现场管道适用于现场管道要求直角连接，介质要求直角连接，介质为高粘度、高压差和为高粘度、高压差和含有少量悬浮物和固含有少量悬浮物和固体颗粒状的场合。体颗粒状的场合。 （4 4） 三通控制阀三通控制阀 有三个出入口与工艺管道连接。流通方式有合有三个出入口与工艺管道连接。流通方

8、式有合流型（两种介质混合成一路）和分流型（一种介质流型（两种介质混合成一路）和分流型（一种介质分成两路）两种。适用于配比控制与旁路控制。分成两路）两种。适用于配比控制与旁路控制。（5）隔膜控制阀隔膜控制阀 采用耐腐蚀材料作采用耐腐蚀材料作隔膜，将阀芯与流体隔隔膜，将阀芯与流体隔开。开。q结构简单、流阻小、流通能力比同口径的其他结构简单、流阻小、流通能力比同口径的其他种类的阀要大。由于介质用隔膜与外界隔离，故无填种类的阀要大。由于介质用隔膜与外界隔离，故无填料，介质也不会泄漏。料，介质也不会泄漏。q耐腐蚀能力强，适用于强酸、强碱、强腐蚀性耐腐蚀能力强，适用于强酸、强碱、强腐蚀性介质的控制，也能用

9、于高粘度及悬浮颗粒状介质的控介质的控制，也能用于高粘度及悬浮颗粒状介质的控制。制。 q适用于大口径、适用于大口径、大流量、低压差的场大流量、低压差的场合，也可以用于含少合，也可以用于含少量纤维或悬浮颗粒状量纤维或悬浮颗粒状介质的控制。介质的控制。（6）蝶阀蝶阀又名翻板阀。又名翻板阀。结构简单、重量轻、流阻极小，但泄漏量大。结构简单、重量轻、流阻极小，但泄漏量大。三、调节阀的选择三、调节阀的选择1. 调节阀的尺寸选择调节阀的尺寸选择 通常用公称直径通常用公称直径Dg和阀座直径和阀座直径dg表示，它们的确定是合理应用执表示，它们的确定是合理应用执行器的前提条件。确定调节阀尺寸的主要依据是流通能力行

10、器的前提条件。确定调节阀尺寸的主要依据是流通能力C，定义为，定义为调节阀全开、阀前后压差为调节阀全开、阀前后压差为0.1MPa、流体密度为、流体密度为1g/cm3时，每小时时，每小时通过阀门的流体流量（通过阀门的流体流量（m3或或kg）。）。 当流体为不可压缩时，通过调节阀的体积流量为当流体为不可压缩时，通过调节阀的体积流量为: 式中各参数的单位变化时，注意进行修正。 pAQ2maxqpmaxCmaxC调节阀尺寸的确定过程为：根据通过调节阀的最大流量，流体密度以及调节阀的前后压差，先由上式求得最大的流通能力，然后选取大于即可依据表52确定出Dg和dg的大小。 的最低级别的C值，公称直径Dg(m

11、m)202532405065阀门直径dg(mm)245678101215202532405065流通能力C单座阀0.080.120.200.320.500.801.22.03.25.0812203256双座阀1016254063公称直径Dg(mm)80100125150200250300阀门直径dg(mm)80100125150200250303流通能力C单座阀80120200280450双座阀10016025040063010001600表5-2 调节阀流通能力C与其尺寸的关系 2、执行器的“气开、气关”有四种构成方式 序号序号执行机构执行机构作用方式作用方式阀体作用阀体作用方式方式执行器气

12、开、执行器气开、气关形式气关形式a正正正正气关气关b正正反反气开气开c反反正正气开气开d反反反反气关气关4、 调节阀的调节阀的流量特性流量特性调节阀的阀芯位移与流量之间的关系，对控制调节阀的阀芯位移与流量之间的关系，对控制系统的调节品质有很大影响。系统的调节品质有很大影响。流量流量特性的定义：特性的定义：被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系称为调节阀的流量特性。度（相对位移）间的关系称为调节阀的流量特性。max( )qlfqLq/qmax 相对流量相对流量 l/L 相对开度相对开度 相对流量相对流量q/qmax 是控制阀某一开是

13、控制阀某一开度流量度流量q与全开时流量与全开时流量qmax之比；之比； 相对开度相对开度l/L 是控制阀某一开度是控制阀某一开度行程行程l与全开行程与全开行程L之比。之比。 调节阀的流量特性不仅与阀门调节阀的流量特性不仅与阀门的结构和开度有关，还与阀前后的的结构和开度有关，还与阀前后的压差有关，必须分开讨论。压差有关，必须分开讨论。max( )qlfqLlq为了便于分析，先将阀前后压差固定，然后为了便于分析，先将阀前后压差固定，然后再引伸到实际工作情况，于是有再引伸到实际工作情况，于是有理想流量特性理想流量特性与与工作流量特性工作流量特性之分。之分。(1) 固有（固有（理想）理想）流量特性流量

14、特性在将控制阀前后压差固定时得到的流量特性在将控制阀前后压差固定时得到的流量特性称为称为固有固有流量特性。它取决于阀芯的形状。流量特性。它取决于阀芯的形状。（a）快开特性）快开特性（b）直线特性直线特性（c）等百分比特性等百分比特性1）直线流量特性直线流量特性控制阀的相对流量与相对开度成直线关系，即控制阀的相对流量与相对开度成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数。用数学式单位位移变化所引起的流量变化是常数。用数学式表示为：表示为：KlldqqdmaxmaxmaxmaxqlKCql积分C为积分常数 可调比可调比R为调节阀所能为调节阀所能控制的最大流量与最小流量控制的最大流量与最小流量的

15、比值。的比值。 其中其中qmin不是指阀门全关时的泄漏量，而是阀不是指阀门全关时的泄漏量，而是阀门能平稳控制的最小流量，约为最大流量的门能平稳控制的最小流量，约为最大流量的24%一般阀门的可调比一般阀门的可调比R=30。maxmax11(1)qlqRlRmaxmin1qRqC控制力：阀门开度改变时，相对流量的改变比值。控制力：阀门开度改变时，相对流量的改变比值。 例如在不同的开度上，再分别增加例如在不同的开度上，再分别增加10%开度，开度，相对流量的变化比值为相对流量的变化比值为10时：时：（20-10）/10100%=100%50时：时：（60-50）/50100%=20%80时：时：（90

16、-80）/80100%=12.5%Q/Q100L/Lmaxs=1 v直线阀的流量放大系数在任何一点上都是相同直线阀的流量放大系数在任何一点上都是相同的，但其对流量的控制力却是不同的。的，但其对流量的控制力却是不同的。 2） 等百分比（对数）流量特性等百分比（对数）流量特性单位相对行程变化所引起的相对流量变化与单位相对行程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：此点的相对流量成正比关系：v曲线斜率（放大系数）曲线斜率（放大系数）随行程的增大而增大。流量随行程的增大而增大。流量小时，流量变化小；流量大小时，流量变化小；流量大时，流量变化大。时，流量变化大。VKqqKlldqqdmax1

17、maxmax1max1maxlnCllKqq1maxmaxllRqqv等百分比阀在各流量点的放大系数不同，但对等百分比阀在各流量点的放大系数不同，但对流量的控制力却是相同的。流量的控制力却是相同的。10%处：处：（6.58%-4.68%）/4.68%41%50%处：处：（25.7%-18.2%）/18.2%41%80%处：处：（71.2%-50.6%）/50.6%41% 同样以同样以10、50及及80三点为例，分别增加三点为例，分别增加10%开度，相对流量变化的比值为：开度，相对流量变化的比值为：Q/Q100L/Lmaxs=13）快开特性快开特性开度较小时就有较大流量，随开度的增大，流开度较小

18、时就有较大流量，随开度的增大，流量很快就达到最大，故称为快开特性。适用于迅速量很快就达到最大，故称为快开特性。适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。启闭的切断阀或双位控制系统。1max2maxmaxqqKlldqqd2/1max2max1) 1(1llRRqq积分(2) 调节阀的工作流量特性调节阀的工作流量特性实际使用时，调节阀装在具有阻力的管道系统实际使用时，调节阀装在具有阻力的管道系统中。管道对流体的阻力随流量而变化，阀前后压差中。管道对流体的阻力随流量而变化，阀前后压差也是变化的，这时流量特性会发生畸变。也是变化的，这时流量特性会发生畸变。1) 管道串联时的工作流量特性管道串联时的工作流

19、量特性如图，管道如图，管道系统总压力系统总压力P等于管路系统的压降等于管路系统的压降PG与控制阀的压降与控制阀的压降PT之和。之和。从串联管道中调节阀两端压差从串联管道中调节阀两端压差PT的变化曲线的变化曲线可看出，调节阀全关时阀上压可看出，调节阀全关时阀上压降最大，基本等于系最大，基本等于系统总压力；调节阀全开时阀上压力降至最小。统总压力；调节阀全开时阀上压力降至最小。为了表示调节阀两端压差为了表示调节阀两端压差PT的变化范围，以的变化范围，以阀权度阀权度s表示调节阀全开时，阀前后最小压差表示调节阀全开时，阀前后最小压差PTmin与总压力与总压力 P之比。之比。s = PTmin / Pv流

20、量特性畸变：流量特性畸变：以以qmax表示串联管道阻力为零时表示串联管道阻力为零时(s=1)，阀全，阀全开时达到的最大流量。可得串联管道在不同开时达到的最大流量。可得串联管道在不同s值时，值时，以自身以自身qmax作参照的工作流量特性。作参照的工作流量特性。对数阀变为直线阀对数阀变为直线阀 直线阀变为快开阀直线阀变为快开阀s 图图3 333 33 调节阀的流量特性曲线调节阀的流量特性曲线a)a)直线；直线；b)b)对数（等百分比）对数（等百分比）结论结论q串联管道使调节阀的流量特性发生畸变。串联管道使调节阀的流量特性发生畸变。q串联管道使调节阀的流量可调范围降低，最串联管道使调节阀的流量可调范

21、围降低，最大流量减小。大流量减小。q串联管道会使调节阀的放大系数减小，调节串联管道会使调节阀的放大系数减小，调节能力降低，能力降低，s值低于值低于0.3时，调节阀能力基本丧失。时，调节阀能力基本丧失。2) 与管道并联工作时的流量特性与管道并联工作时的流量特性 图中图中S=1时，旁路阀关闭，工时，旁路阀关闭，工作流量特性即为理想流量特性。作流量特性即为理想流量特性。随着旁路阀逐渐打开，值逐渐随着旁路阀逐渐打开，值逐渐减小，调节阀的可调范围也将减小，调节阀的可调范围也将大大降低，从而使调节阀的控大大降低，从而使调节阀的控制能力大大下降，影响控制效制能力大大下降，影响控制效果。根据实际经验，值不能低

22、果。根据实际经验，值不能低于于0.8。 图图3 337 37 并联管道时调节阀工作流量特性并联管道时调节阀工作流量特性a)直线阀直线阀 b)对数阀对数阀（3）流量特性的选择）流量特性的选择 调节阀流量特性的选择有理论分析法和经验法。前者还在研究中，调节阀流量特性的选择有理论分析法和经验法。前者还在研究中，目前较多采用经验法。一般可从以下几方面考虑。目前较多采用经验法。一般可从以下几方面考虑。 1）依据过程特性选择。）依据过程特性选择。 一个过程控制系统，在负荷变动的情况下，要使系统保一个过程控制系统，在负荷变动的情况下，要使系统保持期望的控制品质，则必须要求持期望的控制品质，则必须要求系统总的

23、放大系数在整个系统总的放大系数在整个操作范围内保持不变。操作范围内保持不变。一般变送器、已整定好的调节器、一般变送器、已整定好的调节器、执行机构等放大系数基本上是不变的，但过程特性则往往执行机构等放大系数基本上是不变的，但过程特性则往往是非线性的，其放大系数随负荷而变。因此，必须通过合是非线性的，其放大系数随负荷而变。因此，必须通过合理选择调节阀的工作特性，以补偿过程的非线性，其选择理选择调节阀的工作特性，以补偿过程的非线性，其选择原则为原则为 0vK K 常数调节阀的放大系数 被控过程的放大系数 2）依据配管情况选择。）依据配管情况选择。 在根据过程特性进行选择之后，再按照配管情况进在根据过

24、程特性进行选择之后，再按照配管情况进行进一步的选择，其选择原则可参照表行进一步的选择，其选择原则可参照表3-4进行。进行。 配管状况配管状况S=1-0.6S=0.6-0.3工作特性工作特性直线直线等百分比等百分比直线直线等百分比等百分比理想特性理想特性直线直线等百分比等百分比等在分比等在分比等百分比等百分比3）依据负荷变化情况选择。）依据负荷变化情况选择。 在负荷变化较大的场合，宜选用对数调节阀，因为在负荷变化较大的场合，宜选用对数调节阀，因为对数调节阀的放大系数可随阀芯位移的变化而变化，对数调节阀的放大系数可随阀芯位移的变化而变化，但它的相对流量变化率则是不变的，所以能适应负荷但它的相对流量

25、变化率则是不变的，所以能适应负荷变化大的情况；此外，当调节阀经常工作在小开度时，变化大的情况；此外，当调节阀经常工作在小开度时，则宜选用对数调节阀。因为直线调节阀工作在小开度则宜选用对数调节阀。因为直线调节阀工作在小开度时，其相对流量的变化率很大，不宜进行微调。时，其相对流量的变化率很大，不宜进行微调。 将将420mA的电流的电流信号信号转换成转换成20100KPa的标准气压信号。的标准气压信号。一、一、 电电/ /气转换器气转换器 为了使气动调节阀能够接收电动调节器的输出信号，必为了使气动调节阀能够接收电动调节器的输出信号，必须把标准电流信号转换为标准气压信号。须把标准电流信号转换为标准气压

26、信号。 电电/气转换器作用：气转换器作用：第五节第五节 电电/气转换器与阀门定位器气转换器与阀门定位器 I 吸力吸力Fi 杠杆偏转杠杆偏转 挡板与喷嘴间隙挡板与喷嘴间隙 背压背压 放大器输入放大器输入 输出压力输出压力P 杠杆杠杆的反馈力的反馈力Ff 杠杆平衡杠杆平衡 PI力平衡式电力平衡式电/气转换器的原理图气转换器的原理图负反馈负反馈磁铁磁铁调零调零FiFf背压背压二、电二、电- -气阀门定位器气阀门定位器气动调节阀中，阀杆的位气动调节阀中，阀杆的位移是由薄膜上气压推力与弹簧移是由薄膜上气压推力与弹簧反作用力平衡确定的。反作用力平衡确定的。为了防止阀杆处的泄漏要为了防止阀杆处的泄漏要压紧填

27、料，使阀杆摩擦力增大，压紧填料，使阀杆摩擦力增大，且个体差异较大，这会影响输且个体差异较大，这会影响输入信号入信号P P的执行精度。的执行精度。 解决措施解决措施 在调节阀上加装阀在调节阀上加装阀门定位器，引入阀杆位门定位器，引入阀杆位移负反馈。使阀杆能按移负反馈。使阀杆能按输入信号精确地确定自输入信号精确地确定自己的开度。己的开度。电电/ /气阀门定位器气阀门定位器 实际应用中，常把电实际应用中，常把电/气转换器和阀门定位器结气转换器和阀门定位器结合成一体，组成电合成一体，组成电/气阀门定位器。气阀门定位器。 I杠杆上端右移杠杆上端右移挡板挡板靠近喷嘴靠近喷嘴 P压力压力阀杆下移阀杆下移反馈凸轮反馈凸轮右转右转 反馈弹簧右拉反馈弹簧右拉杠杆平衡杠杆平衡1. 智能电动执行器的特点智能电动执行器的特点 与常规电动执