控制仪表及装置第03章

1、控制仪表及装置控制仪表及装置第三章第三章 运算器和执行器运算器和执行器 第一节第一节 运算器运算器一、乘除器一、乘除器二、开方器二、开方器 第二节第二节 执行器执行器一、电动执行机构一、电动执行机构二、气动执行机构二、气动执行机构三、阀门定位器三、阀门定位器四、调节机构四、调节机构五、执行器的选型五、执行器的选型v 运算器接受来自变送器或转换器的统一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，满足自动检测运算，以实现各种算法，满足自动检测和控制系统

2、的要求。和控制系统的要求。v 本章介绍两种典型的运算器：本章介绍两种典型的运算器： 乘除器和开方器乘除器和开方器第一节第一节 运算器运算器（一）（一）概述概述一、乘除器一、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

3、度直流分量 = 3-1PDmtUUT（）UmTt0tpU图3-1 单向矩形脉冲乘法运算的实现方法乘法运算的实现方法1 12 21 2 1 2 , PPDmmDtTtSSTUS USk xUk xUkk x x，表征矩形脉冲的高电位与低电位持续时间的不对称程度，称为占空比，用 表示 即，于是设，则滤波取直流分量，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k2x1sUDx2M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k1SUDM1放大器Kx3调高电路k3滤波电路xfM2x1图3-3 乘除器构成方框图乘除器的构成原理负反馈乘除器的

4、构成原理负反馈11121222133331332123323123- 11,fDDfDDxxSKkKk k x xUUk SxKk k xxk SxKk k xk x xUk xkkx xUx当 ，设则x2滤波电路调高电路k2调宽电路k1SUDM1放大器Kx3调高电路k3滤波电路xfM2x1111102220333 1 0(-1)(-1)(-1)BiiiUUN UUN UUN U输入电路的作用： 减 ，电平移动（），输入电路1N1乘法电路1比较器比例放大电路N0输出电路输入电路2N2附加偏置电路1乘法电路2附加偏置电路2输入电路3N3Ui1Ui2Ui3Uo3+UfSU22Uo2UoU11U31

5、U21U23图3-4 乘除器方框图自激振荡时间分割器U22U11U21/U3122122223133333 (-1)(-1)oPiPoPiPUUUN UUUUUN UU附加偏置电路的作用：提供偏压23022UNU比例放大电路作用：调量程23022 1 011BUUoUN U 输出电路的作用：加电平移动（）功率放大12233(1)()1 iioiUUKUNUK（二）（二）工作原理工作原理U11UFUT+IC1R3C1R1R2R4C2Ui1+UB =UB0.5VUB=10V图3-5 输入电路（三）线路分析（三）线路分析输入电路输入电路UFUTR26R27Ui2+IC5U02UB1VR29C19R2

6、8R32VZ1R52R53C20R30*8765R31340202343312TRVVVRRTFVV2102pVVV附加偏置电路附加偏置电路13141516R36R33R34R35VBV21Vo2R55R54W6MNP*Vp2-C22+-IC6（a）原理电路自激振荡时间分割器自激振荡时间分割器（b）等效电路U11UfU22U21K1K3K4U31R9R6C12C5C7K2abcd+-IC2Q2 22 13 1ppftUUTtUUT112221113111212231fUUUUUUUUUU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 U1

7、1 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23022UNU1112p1012p1RRRNRR调整电位器RP1，可改变N0的大小，借此改变仪表量程。比例放大电路比例放大电路U22UF+IC3U23R10R11R12RP1 将 U23转换成整流输出信号Uo和Io23231oBpUUUUU输出电路输出电路VT5874524vVD3R18R15R16R14C14R13U23UBUp=9vR1741U+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：o 11oiiUK U

8、UUK式中开方器的输入信号开方器的输出信号开方系数（一）（一）概述概述二、开方器二、开方器22121212 PK qxKPK K qyKxKK Kqyq 这样，呈线性关系开方器在节流装置流量测量中的应用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qPxy 开方运算的实现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。小信号切除小信号切除2 y Kdydx由可得xKx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

9、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1N1乘法电路1K2比较器乘法电路2K3+UfSU22U21比例放大电路N2小信号切除电路输出电路N0U23U23开方运算部分U11图 3-13 开方器方框图 （二）（二） 工作原理工作原理 振荡条件：振荡条件：23111123232222222 0 4 4 4 2 2 BUUUUVVUVUN UUUV是以为参考的电压，取上限值，有即U23U21 （4.5V）U11212222181211 BG BG 4.5 2UVUUCBGUV当饱和，截止时，即为对的充电电压。忽略的饱和压降，则振荡条件为满足条件自

10、激振荡时间分割器的起振条件自激振荡时间分割器的起振条件 1.041%1.04 3-14iiUVUV（满量程的），切除；，正常工作电路见图23221111221231.04 13 1 1.040.60.6iiiiLLUVUN UUN N UUUUVUVUVU切除点的具体当时，输出被切除这时 当时值：，所以数实际的切除值可通过UL来调整小信号切除电路小信号切除电路开方器的输入输出特性开方器的输入输出特性v 执行器的构成：执行器的构成： 执行机构产生推力或位移的装置。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，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

11、。通常称为控制阀或调节阀。v 执行器的分类：执行器的分类： 气动、电动和液动气动、电动和液动第二节第二节 执行器执行器一、电动执行机构一、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（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420mAIiIf电动执行机构方框图电动执行机构方框图090O（二）伺服放大器（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

12、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（三）执行机构组成：伺服电机、减速机构、位置发送器等。 伺服电机伺服电机减速器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、气动执行机构二、气动执行机构接受电/气转换器 (或电/气阀门定

13、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。v 输入信号气体压力：0.020.1MPav 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。结构结构结构见右图。 当信号压力通过上膜盖1和波纹

14、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：P1CsAeL = 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+11 = =P1P0

15、TS+11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)CsAe = =LP0TS+1K式中 T为执行机构的放大系数。三、阀门定位器三、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

16、信号，成比例地输出20100kPa(或40200kPa)气动信号至执行机构。组成组成转换组件：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。工作原理工作原理 见下图应用场合应用场合推力大，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

17、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）（一）控制阀结构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。阀的结构型式阀的结构型式v 直通单座阀v 直通双座阀v 角形阀v 三通阀v 蝶阀v 套筒阀v 偏心旋转阀v 高压阀阀芯型式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

18、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：流体对阀芯作用形式：流开阀和流闭阀阀芯的安装形式：阀芯的安装形式： 正装阀和反装阀（二）（二）控制阀特性控制阀特性控制阀的流量方程：控制阀的流量方程：Q =式中 Q 体积流量，m3/hA 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= 5.09A 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。流量系数流量系数上式可改写为：)( KV PQ= KV= 5.09A 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

19、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： 10QKV = 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

20、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。理想可调比理想可调比控制阀前后压差不变时的可调比： sQmaxR =Qmin=KVmaxKVmin实际可调比实际可调比 (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= RPminPmax P P1Q令 S =PminPmax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 Q1maxQmin则：Rr =RR (R - 1)x11 x Q1Q P并联管道并联管道可调比特性可调比特性串联管道串联管道可调比特性可调比特性S x RrRr30 30 1.0 1.0 0 0 控制阀的流量特性控制阀的流量特性指介质流过控制阀

21、相对流量(与相对位移(Q1maxQmin) 之间的关系，即：lL) Q1maxQmin= f (lL) 理想流量特性理想流量特性(阀前后压差不随阀的开度而变)v 直线特性： Q/Qmax= K ( l/L )+ C v 对数特性： Q/Qmax= R (l/L-1) v 抛物线特性：Q/Qmax= 1/R 1+( 1) l/L 2 v 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

22、管道时的工作流量特性v 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。 v 使控制阀可调比降低，并联管道尤为严重。 v 串联管道使总流量减少，并联管道则增加。结论结论（二）（二）空化作用及其避免空化作用及其避免闪蒸与空化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：空化的破坏作用：损坏材质、振动和噪音空化的避免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