控制装置及仪表第三章(附答案)课件

1、自动化仪表第三章 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、执行器的选择第三节 模拟式控制仪表的应用（不讲） 一 、控制方案的拟定与仪表的选择 二、控制系统构成举例 三、仪表静态配合系数的确定（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。

2、另外，上式可实现乘后开方、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：UmTt0tpU图3-1 单向矩形脉冲乘法运算的实现方法矩形脉冲周期矩形脉冲幅值矩形脉冲宽度直流分量 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S表示，即 ，于是 ，设 ， ，则 ，其中 控制矩形脉冲的宽度（调宽）， 控制矩形脉冲的幅值（调高），滤波取直流分量，完成乘法运算。 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

3、负反馈输入电路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3N3Ui1Ui3Uo3+UfSU22UoU11U31U21U23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Ui2Uo2输入电路的作用：减1，电平移动（0UB） ， ，附加偏置电路的作用：提供偏置电压 比例放大电路作用：调量程输出电路的作用：加1；电平移动（UB0）；功率放大自激振荡时间分割器附加偏置电路13141516R36R33R34R35UBU21Uo2R55R54RP6MNPUp2-C22+-IC6同样，返回（b）等效电路U11U

4、fU22U21S1S3S4U31R9R6C12C5C7S2abcd-+IC2Q当U11Uf+h Q为正脉冲 S1、S3通 S2 、 S4断 U31通过R6向C7充电 （同时U21经R9向电容C12充电） Uf增加 直至U11 Uf-h IC2翻转 Q为负脉冲 S1 、 S3断 S2 、 S4通 C7通过R6放电 （同时C12两端的电压通过R9放电） Uf降低 直至Uf +h 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U22UF+IC3U23R10R11R12RP1 将 U23转换成整流输出信号Uo和Io。输出电路VT5875624vVD3R18R15R1

5、6R14C14R13U23UBUp=9vR17+1U-IC4Uo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（二极管开关电路）折线逼近和应用霍尔元件等方法来实现。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。（二） 工作原理Ui图 3-13 开方器方框图 U

6、o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以及输出电路的运算关系式：联立求解可得：若N1=1，N2=2，No=2/3，U21=4.5V，则K=2所以： 振荡条件：U23U21 （4.5V）U11自激振荡时间分割器的起振条件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，均是以两相交流电机为动力的位置伺服机构，它将输入

7、的直流电流信号线性地转换成位移量。以角行程为例。（一）基本结构和工作原理420mA伺服放大器位置发送器伺服电机操作器减速器阀位显示放大器执行机构IiIf电动执行机构方框图0O 90O位置反馈作用：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、减速器、位置发送器等。 伺服电机减速器把伺服电机高转速、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的减速比：z2 z1 z1位置发送器作用：将输

8、出轴090的转角转换成420mA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，并将其转换成相应的输出力和推杆直线位移，以推动调节机构动作。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

9、用(信号压力增加时推杆向上动作，ZMB)两种形式。结构（以正作用为例）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。推杆位移即执行机构的输出（行程）。膜片的有效面积有：200、280、400、630、1000、1600cm2等。3-24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变差。原因及解决方法。动态特性在动态情况下

10、，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 = =P1P0TS+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 K为执行机构的放大系数。K=Ae/Cs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阀门定位器功能示意图阀门定位器可增加执行机构的输出功率，减小信号传递滞后，加快

11、阀杆移动速度，提高信号与阀位间的线性度，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420mADC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 如图3-28阀门定位器的应用场合推力大，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

12、机构距离较远的场合。（60m以上的距离）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。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。3-291、阀的结构形式 直通单座阀 直通双座阀 角形阀 三通阀 蝶阀 套

13、筒阀 偏心旋转阀 高压阀3-302、阀芯形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。3-31角行程阀芯有偏心旋转型、蝶型和球型。见右。3、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3-323-343-33（二）控制阀特性1、控制阀的流量方程：对于不可压缩流体式中 Q 体积流量，m3/hP1 、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、开度和 流体的性质等有关。 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。2、流量系数上式可改写为

14、：)( 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，即流通能力的大小。KV与流体性质、工况、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(540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： 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

15、比等。流量系数的计算见教材表3-1计算公式,也可参阅控制阀工程设计手册。3、控制阀的可调比（可调范围）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：国内统一值为30QmaxR =Qmin=KVmaxKVmin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 sRr = R= RP1minP1max P P1Q 令 S =P1minP1max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 Q1maxQmax则：Rr = RR (R - 1)x11 x Q1Q P并联管道可调比特性串联管道可调比特性x Rr30 1.0 0 S Rr

16、30 1.0 0 4、控制阀的流量特性指介质流过控制阀的相对流量( 与相对位移( QQmax) 之间的关系，即：lL) QQmax= f (lL) 理想流量特性(又称固有流量特性，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（或等百分比）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。 各种理想流量特性及其阀芯形状如图所示。1快开；2直线；3抛物线；3-修正抛物线（虚线）；4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

17、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，部分液体汽化形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

18、为汽蚀系数。五、执行器的选择主要包括结构形式、流量特性、阀门口径等的选择。（一）结构形式的选择执行机构的选择 是根据能源、工艺条件、介质性质等来确定执行机构的规格品种。对于气动执行器，从工艺生产的安全考虑, 选择其作用方式是气开式或是气关式。按执行机构的正反作用和调节机构的正反安装方式，实现气动执行器的气开、气关时有四种组合方式。3-42调节机构的选择 是根据流体性质、流动状态、工艺条件和过程控制的要求，并兼顾经济性来确定合适的结构形式。（二）控制阀流量特性的选择从控制品质考虑 在负荷变化的情况下，应使控制系统总的放大系数不变。例如对于放大系数随负荷增大而减小的对象，选用放大系数随负荷增大而变

19、大的等百分比特性阀门，使系统总放大系数不变。从工艺配管情况考虑 选择相应的控制阀，见下表。配管情况阀的工作特性阀的理想特性S = 0.6 1S = 0.3 0.6直线直线抛物线抛物线等百分比等百分比直线抛物线等百分比等百分比直线等百分比从负荷变化情况考虑 在负荷变化小时可用直线特性阀，负荷变化幅度大的场合使用等百分比特性阀。（三）控制阀口径的选择1.确定计算流量 根据生产能力、设备负荷等来确定 Qmax和Qmin 。2.确定计算差压 按选定的S值来确定计算差压。 3.计算流量系数 按计算流量和计算差压求取KVmax 。 4.选择流量系数 在所选产品型号的标准系列中选取 大于KVmax且与其最接近的那一档KV值。 5.验算控制阀开度和可调比 6.确定控制阀口径 根据KV值决定控制阀的公称直径 和阀座直径。作 业书上：P127的T3-3、T3-17。补充：1、各种阀门都有自己特定的流量特性，在不能用改变阀芯曲面形状来改变其特性时，怎么改善控制阀的流量特性？2、如图为锅炉的生产情况，即冷水进入汽鼓，经燃烧加热产生蒸汽，在生产过程