第4章 执行器

1、作用：根据调节器的命令，直接控制能量或物料作用：根据调节器的命令，直接控制能量或物料等被调介质的输送量，达到调节温度、压力、等被调介质的输送量，达到调节温度、压力、流量等工艺参数的目的流量等工艺参数的目的. .3.4 执行器和防爆栅现场仪表单元，直接接触介质，通常工作在高温现场仪表单元，直接接触介质，通常工作在高温高压、高粘度，易燃易爆，强腐蚀。高压、高粘度，易燃易爆，强腐蚀。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

2、。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。工业中使用最多的是气动调节阀和电动调节阀。 执行器有自动调节阀门、自动电压调节器、自动电流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调节器、控制电机等。其中自动调节阀门是最常见的执行器，种类繁多。器，种类繁多。l执行机构： 将调节器

3、的输出信号转换为位移信号。 （驱动） l调节机构：将位移信号转换成流通截面积的变化。 （阀芯）执行器的组成：执行器的组成： 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 1. 气动执行机构气动执行机构气动执行器气动执行器 气动薄膜单座气动薄膜单座 调节阀调节阀 执行机构执行机构 结构：结构：薄膜式薄膜式，活塞式两种结构。活塞式两种结构。 气动薄膜式执行机构分正作用（气动薄膜式执行机构分正作用（ZMA）和反作用）和反

4、作用 （ZMB）两类；或分为有弹簧和无弹簧两种。）两类；或分为有弹簧和无弹簧两种。 作用：作用：将控制信号压力的大小转换为阀杆的位移。将控制信号压力的大小转换为阀杆的位移。 阀杆的阀杆的行程规格行程规格：10、16、25、40、60、100mm等。等。 有弹簧气动薄膜式执行机构的输出位移与输入控制气信号有弹簧气动薄膜式执行机构的输出位移与输入控制气信号成比例关系，弹簧平衡作用。成比例关系，弹簧平衡作用。 控制机构：控制机构： 即控制阀，局部阻力可以改变的即控制阀，局部阻力可以改变的节流元件节流元件。将阀杆的位移。将阀杆的位移转换为被控介质流量的大小。控制阀有多种结构形式，（如转换为被控介质流量

5、的大小。控制阀有多种结构形式，（如图图6-56-56-14所示。所示。控制阀结构决定其流量特性。控制阀结构决定其流量特性。 气动执行器气动执行器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

6、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。 气动执行机构（补充参考）气动执行机构（补充参考）2. 电动执行机构电动执行机构 （不考）（不考） 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

7、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 =K Ii （电动执行器可看成比例环节）。 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 （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。3调节机构调节机构 调节机构就是阀门，是一个调节机构就是阀门，是一个局部阻力可以改变局部阻力可以改变的节流元件的节流元件。通过改变阀芯的行程可以改变调节阀。通过改变阀芯的行程可以改变调节阀的阻力系数，达到控制流量的目的。的阻力系数，达到控

8、制流量的目的。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。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，

9、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

10、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

11、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。3.4.2 气动执行器的应用气动执行器的应用1. 调节阀的流通能力调节阀的流通能力确定调节阀尺寸的主要依据是流通能力确定调节阀尺寸的主要依据是流通能力，它定义为调节阀全开、阀前，它定义为调节阀全开、阀前后压差为后压差为0.1MPa、流体重度为、流体重度为1g/cm3时，每小时通过阀门的流体流时，每小时通

12、过阀门的流体流量（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: 0122()VgqAppr为流量系数，它取决于调节阀的结构形状和流体流动状况，可从有关手册查阅或由实验确定；A0为调节阀接管截面积；g为重力加速度；r为流体重度。 依据流通能力的定义，则有依据流通能力的定义，则有 gAC20流通能力C与调节阀的结构参数有确定的对应关系。这就是确定调节阀尺寸的理论依据。 可得流通能力与流体重度、阀前后压差和介质流量三者的定量关系，即 VrCqpmaxqpmaxCmaxC调节阀尺寸的确定过程为：根据通过调节阀的最大流量，r流体重度以及

13、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32确定出Dg和dg的大小。 的最低级别的C值，公称直径Dg(mm)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3-2 调节阀流通能力

14、C与其尺寸的关系 序序号号执行执行机构机构作用作用方式方式阀体作阀体作用方式用方式执行器气执行器气开、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2. 执行器的“气开、气关” 方式“气”指输入到执行机构的信号“气开” 表示输入到执行机构的信号增加时，流过执行器的流量增加“气关” 表示输入到执行机构的信号增加时，流过执行器的流量减小气开：需要压缩空气才能开启，断气后阀门关闭。”气来了开,无气源则关” 气关：需要压缩空气才能关闭，断气后阀门打开。”气来了关,无气源则开”阀门气开气关式的选择原则阀门气开气关式的选择原则n工艺生产的安全工艺生产的安全 当

15、控制信号中断当控制信号中断(失气、失电失气、失电)时，阀门的复时，阀门的复位位置能使工艺设备处于安全状态。位位置能使工艺设备处于安全状态。 当气源切断时， 调节阀是处于关闭位置安全-选气开 FC 开启位置安全-选气关 FO 给水阀给水阀燃气阀燃气阀蒸汽蒸汽例如锅炉：例如锅炉： 选择蒸汽锅炉的控选择蒸汽锅炉的控制阀门时，为保证失控制阀门时，为保证失控状态下锅炉的安全：状态下锅炉的安全： 给水阀应选气关式给水阀应选气关式 燃气阀应选气开式燃气阀应选气开式示例：示例：举例来说，燃烧控制，调节阀安装在燃料气管道上，根据炉膛的温度或被加热物料在加热炉出口的温度来控制燃料的供应。这时，宜选用气开阀更安全些

16、，因为一旦气源停止供给，阀门处于关闭比阀门处于全开更合适。如果气源中断，燃料阀全开，会使加热过量发生危险。其他一般场合其他一般场合 阀门的选择：阀门的选择：n气源中断或电源中断时，进入装置的原料、热源应切断：进料阀选气开切断装置向外流出产品： 出料阀选气开精馏塔回流应打开： 回流阀选气关又如一个用冷却水冷却的的换热设备，热物料在换热器内与冷却水进行热交换被冷却，调节阀安装在冷却水管上，用换热后的物料温度来控制冷却水量，在气源中断时，调节阀应处于开启位置更安全些，宜选用气关式（即FO）调节阀。说明几点 ：n简单控制系统框图中的各个信号都是增量。图中的箭头表示信号的流向，并非物流或能流的方向。n各

17、环节的增益有正、有负。当该环节的输入增加时，其输出增加，则该环节的增益为正，反之，如果输出减小则增益为负。n对象的增益有正、有负。例如：加热系统的增益为正、冷却系统的增益为负；n气开阀的增益为正、气关阀的增益为负；n正作用控制器的增益为负，反作用控制器的增益为正；n检测变送器的增益一般为正。n通过调整控制器的正反作用来保证系统为负反馈。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。流量特性的定义：流量特性的定义：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

18、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 3 调节阀的流量特性调节阀的流量特性 相对流量相对流量q/qmax 是控制阀某一开是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压差有关，必须分开讨论。，必须分开讨论。max()qlfqLlq为了便于分

19、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，于是有固有流量特性固有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。它流量特性。它取决于阀芯的形状取决于阀芯的形状。（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控制阀的流量特性控制阀的流量特性 被控介质流过阀门的相对流量与阀门相对开度（相对位被控介质流过阀门的相对流量与阀门相对开度（相对位移）的关系，即

20、移）的关系，即 图图6-15 不同流量特性的阀芯形状不同流量特性的阀芯形状 图图6-16 理想流量特性理想流量特性 1-快开；快开；2-直线；直线；3-抛物线；抛物线；4-等百分比等百分比 1-快开；快开；2-直线；直线；3-抛物线；抛物线；4-等百分比等百分比LlfQQmax直线流量特性直线流量特性 积分可得积分可得式中式中C为积分常数。为积分常数。边界条件边界条件为：为：l = 0时时Q=Qmin（Qmin为控制为控制阀能控制的最小流量）；阀能控制的最小流量）；l = L时时Q= Qmax。把边界条件代。把边界条件代入上式，可分别得：入上式，可分别得：最后得到最后得到KLldQQdmaxC

21、LlKQQmaxRCKRQQC111;1maxminLlRRQQ111max可调比可调比R为调节阀所能控制的为调节阀所能控制的最大流量与最小流量的比值。最大流量与最小流量的比值。放大系数放大系数K为常数，不随为常数，不随Q的变化而变化。的变化而变化。国产阀门的可调比国产阀门的可调比R=30。maxmax11(1)qlqRlRmaxmin1qRqC%10Ll13. 0maxQQ%20Ll23. 0maxQQ流量的相流量的相对变化量对变化量%75%10013. 013. 023. 0小开度时，流量相对变化量太大，灵敏度高，小开度时，流量相对变化量太大，灵敏度高，控制作用太强，加剧振荡，易产生超调。

22、控制作用太强，加剧振荡，易产生超调。LlRRQQ)11 (1max30Rv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。 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。 %50Ll517. 0maxQQ%60Ll613. 0maxQQ流量的相对变化量流量的相对变化量%19%100517. 0517. 0613. 0%80Ll806. 0maxQQ%90Ll903. 0maxQQ流量的相对变化量流量的相对变化量%11%100806. 0806. 0903

23、. 0大开度时，流量相对变化量太小，调节作用大开度时，流量相对变化量太小，调节作用弱，调节缓慢。不适于负荷变化大的过程弱，调节缓慢。不适于负荷变化大的过程直线流量特性%5 .12%100808090%20%100505060%100%100101020)/()/(max KLldQQd直线流量特性特点n阀心相对开度变化所引起的流量变化是相等的n直线流量特性情况下，阀门处于不同开度时，在原来基础上阀门变化相同的行程，引起的流量相对变化量却是不同的(流量变化量与原有流量之比）。因而直线流量特性不利于控制。 ：在小开度时，流量相对变化量大；在大开度时，其流量相对变化最小。n直线流量特性调节阀在小开度

24、时，控制作用强，易引起振荡；在大开度时，控制作用弱，控制缓慢。 单位相对行程变化所引起的相对流量变化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：与此点的相对流量成正比关系： 放大系数与流量成正比，随q的增加，放大系数增大 流量的对数lnq与行程l 成正比，故称为对数特性 行程增加相同间隔，流量增加相同的百分比，故称为等百分比特性。VKqqKlldqqdmax1maxmax1max1maxlnCllKqq（2） 等百分比（对数）流量特性等百分比（对数）流量特性1maxmaxllRqq对数流量特性对数流量特性在不同的开度下具有同样的动作灵敏度，在不同的开度下具有同样的动作灵敏度

25、，适合于负荷变化较大的过程，广泛应用。适合于负荷变化较大的过程，广泛应用。%20%10Ll%60%50Ll%90%80Ll流量的相流量的相对变化量对变化量%401 . 01 . 02 . 0QQQ%405 . 05 . 06 . 0QQQ%408 . 08 . 09 . 0QQQ对数流量特性maxmax)/()/(QQKLldQQd流量相对变化值是相等的。故称为等百分比特性对数（等百分比）流量特性 n其数学表达式 n行程变化相同的百分数，流量在原来基础上变化的相对百分数是相等的，即具有等百分比流量特性。n对数（等百分比）流量特性特点：调节阀在小开度时，控制缓和平稳调节阀在大开度时，控制及时有效

26、。1maxmaxllRqq开度较小时就有较大流量，随开度的增大，流量很快开度较小时就有较大流量，随开度的增大，流量很快就达到最大，故称为快开特性。适用于迅速启闭的切断阀或就达到最大，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。双位控制系统。1max2maxmaxqqKlldqqd2/1max2max1) 1(1llRRqq积分 放大系数与q成反比，q增加，放大系数减小 q小时，放大系数大，上升快，因此称为快开特性（3）快开特性）快开特性2、调节阀的工作流量特性、调节阀的工作流量特性n实际应用时，调节阀两端的压差是变化的，此时调节阀的相对流量与相对开度之间的关系称为工作流量特性。如图，管道系统总压力如图，管道系统总压力P等于管路系统的压降等于管路系统的压降PG与控与控制阀的压降制阀的压降PV之和。之和。 P= Pg+ Pv 1) 管道串联时的工作流量特性管道串联时的工作流量特性可看出：可看出：调节阀全关时阀上压力最大，基本等于系统总压力；调节阀全关时阀上压力最大，基本等于系统总压力；调节阀全开时阀上压力降至最小。调节阀全开时阀上压力