第4章过程控制

1、概述概述1 1、执行器作用：、执行器作用：是接受来自调节器输出的控制信号，是接受来自调节器输出的控制信号，并转换成直线位移或角位移，来改变调节阀的流并转换成直线位移或角位移，来改变调节阀的流通截面积，以控制流入或流出被控过程的物料或通截面积，以控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而达到控制流量的目的。能量，从而达到控制流量的目的。 （1 1）气动调节阀：）气动调节阀：以压缩空气为动力源，输入信号以压缩空气为动力源，输入信号 0.02Mpa0.1Mpa0.02Mpa0.1Mpa。 优点：优点：结构简单、动作可靠稳定、输出力大、安结构简单、动作可靠稳定、输出力大、安 装维修方便、价格便宜和防火防

2、爆装维修方便、价格便宜和防火防爆 缺点：缺点：响应时间大，信号不适于远传响应时间大，信号不适于远传（2 2）电动调节阀：）电动调节阀：以电为动力源，输入信号为以电为动力源，输入信号为4-4-20mADC20mADC。 优点优点：动作较快、能源获取方便、特别适于远距离：动作较快、能源获取方便、特别适于远距离的信号传送的信号传送. . 缺点：缺点：输出力较小、价格贵一般只适用于防爆要求输出力较小、价格贵一般只适用于防爆要求不高的场合。不高的场合。（3 3）液动调节阀：液动调节阀：以高压液体为动力源，推力最大；以高压液体为动力源，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。2

3、2、执行器按照工作所用能源形式可分为：、执行器按照工作所用能源形式可分为：3 3、执行器的构成、执行器的构成 执行器由执行机构和调节机构（又称为控制阀）执行器由执行机构和调节机构（又称为控制阀）两个部分组成。两个部分组成。执行机构执行机构调节机构调节机构Ip,执行机构执行机构调节机构：调节机构：是执行器的调节部分，在执行机构推力的是执行器的调节部分，在执行机构推力的作用下，调节机构产生一定的位移或转角，直接调节作用下，调节机构产生一定的位移或转角，直接调节流体的流量。流体的流量。 电动执行器接受来自电动控制器输出的电动执行器接受来自电动控制器输出的4-20mADC4-20mADC信信号，并将其

4、转换成为适当的力或力矩，去操纵调节号，并将其转换成为适当的力或力矩，去操纵调节机构，从而达到连续调节生产过程中有关管路内流机构，从而达到连续调节生产过程中有关管路内流体的流量。体的流量。电动执行器（调节阀）也由执行机构和阀门电动执行器（调节阀）也由执行机构和阀门两部分组成。两部分组成。执行机构是调节阀的推动装置，它将输入信执行机构是调节阀的推动装置，它将输入信号转换成相应的动力，带动控制机构动作。号转换成相应的动力，带动控制机构动作。阀门是调节阀的控制机构，它与气动调节阀阀门是调节阀的控制机构，它与气动调节阀的阀门是通用的。的阀门是通用的。电动执行机构用控制电机作动力装置。输出形电动执行机构用

5、控制电机作动力装置。输出形式有：式有： 角行程：角行程：电机转动经减速器后输出电机转动经减速器后输出（把（把4-4-20mA20mA的直流电流信号线性的转换成输出轴的直流电流信号线性的转换成输出轴0-900-90的的机械转角）。机械转角）。 直行程：直行程：电机转动经减速器减速并转换为直电机转动经减速器减速并转换为直线位移输出。线位移输出。 多转式：多转式：转角输出，功率比较大，主要用来转角输出，功率比较大，主要用来控制闸阀、截止阀等多转式阀门。控制闸阀、截止阀等多转式阀门。 这几种执行机构在电气原理上基本相同，只这几种执行机构在电气原理上基本相同，只是减速器不一样。是减速器不一样。电动执行机

6、构电动执行机构 图图4-1 4-1 电动执行器框图电动执行器框图 电动执行器由伺服放大器和执行机构两部分组电动执行器由伺服放大器和执行机构两部分组成。执行机构又包括两相伺服电动机、减速器和成。执行机构又包括两相伺服电动机、减速器和位置发送器。位置发送器。 工作过程：工作过程：伺服放大器将输入信号和反馈信号相伺服放大器将输入信号和反馈信号相比较，得到偏差信号比较，得到偏差信号e e，并将，并将e e进行功率放大（当进行功率放大（当e0e0时，伺服放大器的输出驱动伺服电机正转，反之，伺时，伺服放大器的输出驱动伺服电机正转，反之，伺服电机反转），再经减速器减速后，带动输出轴改变服电机反转），再经减速

7、器减速后，带动输出轴改变转角，输出轴不同位置经位置发送器转换成相应的反转角，输出轴不同位置经位置发送器转换成相应的反馈电流，反馈到伺服放大器的输入端使馈电流，反馈到伺服放大器的输入端使e e减小。当减小。当e=0e=0时，伺服放大器无输出，伺服电机才停止运转，输出时，伺服放大器无输出，伺服电机才停止运转，输出轴也就稳定在输入信号相对应的位置上。轴也就稳定在输入信号相对应的位置上。 图图 4-2 4-2 电动执行结构输入输出关系电动执行结构输入输出关系图图 4-3 4-3 电动执行单元电器框图电动执行单元电器框图（1 1）伺服放大器）伺服放大器 伺服放大器是伺服放大器是由前置放大器、由前置放大器

8、、触发器，可控硅触发器，可控硅主回路及电源等主回路及电源等部分组成。部分组成。 伺服放大器的作用是综合输入信号和反馈信号，伺服放大器的作用是综合输入信号和反馈信号，并将该结果信号加以放大，使之有足够大的功率来并将该结果信号加以放大，使之有足够大的功率来控制伺服电动机的转动。根据综合后结果信号的极控制伺服电动机的转动。根据综合后结果信号的极性，放大器应输出相应极性的信号，以控制电动机性，放大器应输出相应极性的信号，以控制电动机的正、反运转。的正、反运转。 伺服放大器有伺服放大器有三个输入通道三个输入通道和和一个反馈通道一个反馈通道，可，可以同时输入三个输入信号和一个反馈信号，以满足以同时输入三个

9、输入信号和一个反馈信号，以满足复杂控制系统的要求。复杂控制系统的要求。 一般简单控制系统中只用一个输入通道和一个反一般简单控制系统中只用一个输入通道和一个反馈通道。馈通道。 前置放大器是一个增益很高的放大器，将来自控制器前置放大器是一个增益很高的放大器，将来自控制器的输入信号和位置反馈信号在放大器中进行比较，放大的输入信号和位置反馈信号在放大器中进行比较，放大器把偏差信号进行放大，根据输入信号与反馈相减后偏器把偏差信号进行放大，根据输入信号与反馈相减后偏差的正负，控制两个晶体管触发电路中一个工作，一个差的正负，控制两个晶体管触发电路中一个工作，一个截止。使主回路的可控硅导通，两相伺服电动机接通

10、电截止。使主回路的可控硅导通，两相伺服电动机接通电源而旋转，从而带动调节机构进行自动控制。源而旋转，从而带动调节机构进行自动控制。两相电机伺服驱动电路两相电机伺服驱动电路 线圈线圈、 CF例例 a（+）b（-）时）时 触发电路触发电路1 1工作工作 SCRSCR1 1导通导通c c、d d间短接间短接线圈线圈 电机正转电机正转220V220V通路通路 90 90 相移相移（2 2） 执行机构执行机构 执行机构由两相交流伺服电机、位置发送器和执行机构由两相交流伺服电机、位置发送器和减速器组成。减速器组成。A A、伺服电机、伺服电机 伺服电机是电动调节阀的动力部件，其作用是伺服电机是电动调节阀的动

11、力部件，其作用是将伺服放大器输出的电功率转换成机械转矩。将伺服放大器输出的电功率转换成机械转矩。B B、位置发送器、位置发送器 作用：将电动执行机构输出轴的位移线性地转作用：将电动执行机构输出轴的位移线性地转换成反馈信号，反馈到伺服放大器的输入端。换成反馈信号，反馈到伺服放大器的输入端。位置发送器包括：位移检测元件和转换电路。位置发送器包括：位移检测元件和转换电路。C C、减速器、减速器 作用：将伺服电机高转速、小力矩的输出功率作用：将伺服电机高转速、小力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。率，以推动调节机构。

12、 气动调节阀由执行机构和气动调节阀由执行机构和控制机构（阀）两部分组成。控制机构（阀）两部分组成。 执行机构：执行机构：推动装置，它推动装置，它是将信号压力的大小转换为是将信号压力的大小转换为阀杆位移的装置。阀杆位移的装置。 控制机构控制机构：是阀门，它将：是阀门，它将阀杆的位移转换为流通面积阀杆的位移转换为流通面积的大小。的大小。 是气动执行器的推动部分，它按控制信号的大是气动执行器的推动部分，它按控制信号的大小产生相应的输出力，通过执行机构的推杆，带动控小产生相应的输出力，通过执行机构的推杆，带动控制阀的阀芯使它产生相应的位移（或转角）。制阀的阀芯使它产生相应的位移（或转角）。 气动执行机

13、构常用的有薄膜执行机构和活塞执气动执行机构常用的有薄膜执行机构和活塞执行机构两种。行机构两种。正作用执行机构正作用执行机构 反作用执行机构反作用执行机构P图图4-6 4-6 气动执行器气动执行器KLPA KPAL （1 1） 直通单座阀直通单座阀结构简单、泄漏量小结构简单、泄漏量小。流体对阀芯的不平衡作流体对阀芯的不平衡作用力大。一般用在小口径、用力大。一般用在小口径、低压差的场合。低压差的场合。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

14、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。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。 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，所以不力方向相反且大小相近，可以互相抵消，所以不平衡力小。平衡力小。（3 3）蝶阀）蝶阀( (翻板阀翻板阀) ) 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。适用

15、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。（4 4）三通阀）三通阀 有三个出入口与工艺管道连接。适用于三个方有三个出入口与工艺管道连接。适用于三个方向流体的管路控制系统和配比控制系统。向流体的管路控制系统和配比控制系统。（5 5）隔膜阀）隔膜阀 采用耐腐蚀材料采用耐腐蚀材料作隔膜，将阀芯与流作隔膜，将阀芯与流体隔开。体隔开。结构简单、流阻小、流通能力比同口径的其结构简单、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，故他种类的阀要大。由于介质用隔膜与外界隔离

16、，故无填料，介质也不会泄漏。无填料，介质也不会泄漏。耐腐蚀能力强，适用于强酸、强碱、强腐蚀耐腐蚀能力强，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性介质的控制，也能用于高粘度及悬浮颗粒状介质的控制。的控制。 （6 6）角形控制阀）角形控制阀两个接管呈直角形，这种阀的流路简单、对流体两个接管呈直角形，这种阀的流路简单、对流体的阻力较小。的阻力较小。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。 气动薄膜三通气动薄膜三通调节阀调节阀气动薄膜精气动薄膜精

17、小型调节阀小型调节阀气动薄膜式隔气动薄膜式隔膜阀膜阀（2 2）控制阀流量特性的选择）控制阀流量特性的选择 按照过程控制系统的要求，确定工作流量特按照过程控制系统的要求，确定工作流量特 性，再根据流量特性曲线畸变程度及工艺要求和工性，再根据流量特性曲线畸变程度及工艺要求和工艺配管情况，确定理想流量特性。艺配管情况，确定理想流量特性。a a、固有（理想）流量特性、固有（理想）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固有流量特性。它取决于阀芯的形状。称为固有流量特性。它取决于阀芯的形状。b b、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，

18、调节阀装在具有阻力的管道系实际使用时，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，阀前后统中。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。压差也是变化的，这时流量特性会发生畸变。yt输出特性输 出 特 性对 象 特 性调 节 阀 特 性调节阀特性补偿作用 执行器的执行机构有正作用式执行器的执行机构有正作用式和反作用式两种，控制阀有正和反作用式两种，控制阀有正装和反装两种。装和反装两种。执行机构：执行机构： 正作用：当输入信号增大时，正作用：当输入信号增大时，执行机构推杆向下运动。执行机构推杆向下运动。 反作用：当输入信号增大时，反作用：当输入信

19、号增大时，执行机构推杆向上运动。执行机构推杆向上运动。控制阀：正装和反装控制阀：正装和反装阀芯下移时，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执行器的作用方式可分为气开和气关两种形式。执行器的作用方式可分为气开和气关两种形式。 气开阀气开阀是随着信号压力的增加而阀门开度增大，是随着信号压力的增加而阀门开度增大，无信号时，阀处于全关状态；无信号时，阀处于全关状态； 气关阀气关阀是随着信号压力的增加阀门逐渐关闭，是随着信号压力的增加阀门逐渐关闭，无信号时，阀处于全开状态。无信号时，阀处于全开

20、状态。图图 4-8 4-8 执行器组合方式执行器组合方式 a)a)气关气关 b)b)气开气开 c)c)气开气开 d)d)气关气关序序 号号执行机构执行机构阀体阀体气动控制阀气动控制阀a a正正正正（正）气关（正）气关b b正正反反（反）气开（反）气开c c反反正正（反）气开（反）气开d d反反反反（正）气关（正）气关 给水阀给水阀燃气阀燃气阀蒸汽蒸汽例如：例如： 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v阀门气开气关式的选择原则：阀门气开气关式的选择原则：当控

21、制信号中断时，阀门的复位位置能使工艺当控制信号中断时，阀门的复位位置能使工艺设备处于安全状态。设备处于安全状态。 对于一个控制系统来说，究竟选择气开作用对于一个控制系统来说，究竟选择气开作用方式还是气关作用方式要由生产工艺要求来决定。方式还是气关作用方式要由生产工艺要求来决定。一般来说，要根据以下几条原则来进行选择。一般来说，要根据以下几条原则来进行选择。 i i、从生产的安全出发、从生产的安全出发 iiii、从保产品质量考虑、从保产品质量考虑 iiiiii、从降低原料和动力的损耗考虑、从降低原料和动力的损耗考虑 iviv、从介质特点考虑、从介质特点考虑120.02QLLKvPP作用：作用：改

22、善调节阀的改善调节阀的定位精度和灵敏度定位精度和灵敏度工作原理：工作原理：负反馈负反馈 工作过程：工作过程：阀门定位阀门定位器将来自控制器的控制信器将来自控制器的控制信号（号（I I或或P P），成比例地转），成比例地转换成气压信号换成气压信号PaPa输出至执输出至执行机构，使阀杆产生位移，行机构，使阀杆产生位移，其位移量通过机械机构反其位移量通过机械机构反馈到阀门定位器，当位移馈到阀门定位器，当位移反馈信号与输入的控制信反馈信号与输入的控制信号相平衡时，阀杆停止动号相平衡时，阀杆停止动作，调节阀的开度与控制作，调节阀的开度与控制信号相对应。信号相对应。 4 4、电、电/ /气转换器气转换器 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气转换器和阀门定位器结合成一体，组成电结合成一体，组成电/ /气阀门定位器。气阀门定位器。 电电/ /气