自动控制系统的基本概念

自动控制系统的基本概念第一节自动控制系统的组成及分类一、自动控制系统的组成在工业生产中，各种生产工艺过程都必须在规定的工况条件下进行。如精馏塔的塔顶温度或塔底温度要保持在期望值，化学反应器内的反应温度要保持稳定，锅炉汽包水位要维持在规定范围内，调和作业时的配比关系要达到规定的比值范围等。这些生产过程中的工艺变量，需要根据工艺要求严格控制。控制分人工控制和自动控制两种。在绪论中以储罐液位系统为例介绍了人工控制和自动控制的基本概念。自动控制是在人工控制约基础上发展起来的，它是在生产设备上配备一些自动控制装置，对生产过程中重要的工艺变量进行控制，使生产过程自动地维持预定工况。自动控制装置和被控对象组成了自动控制系统。为进一步了解自动控制系统，再来分析一个实例。图13-1和13-2所示为一蒸汽加热器的温度人工和自动控制系统。生产中利用蒸汽作为载热体对温度较低的进料进行加热，工艺上希望保持出料温度t在一个恒定的数值。在这里，蒸汽加热器是被控对象，t是所要控制的变量，即被控变量，工艺上期望的t的数值是给定值。蒸汽流量、进料流量、进料温度等发生变化时，都会使出料温度发生变化，即系统的干扰。此处，采用的控制手段是调整加热蒸汽阀门的开度，改变蒸汽流量，来维持出料温度的恒定。蒸汽流量是操纵变量。若采用人工控制，当流体流量、进料温度等干扰使出料温度偏离工艺期望值时，操作工的调节过程是这样的：用眼睛观察加热器出口温度指示仪表；通过大脑计算出温度指示值与工艺期望值之间的差值，即偏差，根据偏差大小及方向发出相应操作命令；根据大脑的操作命令，通过手去改变蒸汽阀门开度；反复执行上述过程，直到出口温度回到期望值。操作工通过眼、脑、手相互配合，灾现了检测偏差，然脱纠正偏差的控制过程，自动控制实际上是用自动控制装置来实现上述过程。为了实现这一过程，用测量变送器、控制器和执行器去代替操作工的眼、脑、手，将它们按功能连接在一起与被控对象组成了一个自动控制系统。通常将控制器、变送器用通用符号来表示，表达成图13-2所示形式。由蒸汽加热器、温度变送器TT、温度控制器TC和蒸汽流量调节阀就构成了一个完整的自动控制系统。当进料流量或温度等因素的变化引起出料的温度变化时，通过温度变送器测得温度的变化，并转化为标准信号，如4〜20mA。这一测量信号送至温度控制器。在控制器内，测量值与给定值进行比较得到偏差，控制器的给定值由人工设定。根据偏差信号的正负、大小及变化情况，控制器按控制规律（如PID）进行运算，得到操纵值（也称为控制作用）。操纵值送往调节阀，改变蒸汽流量，使出料温度趋于给定值。图13-2通常称为工艺控制流程图，图中小圆圈表示某些自动化仪表，圆内写有两位（或三位）字母，第一位字母表示被测变量，后继字母表示仪表的功能。本书中常用的有；TT——温度变送器TC——温度控制器PT——压力变送器PC——压力控制器FT——流量变送器FC——流量控制器LT——液位变送器LC——液体控制器AT——成分变送器AC——成分控制器说明：为了画图的方便，各种变送器有时也可用表示。二、自动控制系统的方块图方块图的组成及画法规则已在绪论中做过介绍，此处不再详述。如同13—3所示，方块图可以将系统中变量之间的关系完整地表达出来。对方块图需要做几点说明：（1） 偏差Dv：给定值与测量值之差。Dv=Sv-Pv（13-1）注意，在方块图中的偏差与仪表中的偏差定义相差一负号。（2） 方块图中箭头方向表示的是信号的流向，而不是物料或能量的流向。特别要注意，被控对象的输出以及调节阀的输出不能与工艺流程图上的流入流出相混淆。比如绪论图1中液位控制系统，调节阀调节的是对象的流出量，而图13-2中温度控制系统调节的是流入对象的蒸汽量，它们都是操纵变量，因此在方块图中都是对象控制通道的输入。其他引起被控变量变化的因素则是对象干扰通道的输入。液位对象和加热器的输入输出如图13-4所示。（3） 有些框图表示中，各环节除控制器外，将执行器、被控对象、测量变送器合并成一个环节，称为广义对象，此时的方块图如图l3—5（a）。方块图还可进一步简化成图13—5（b）所示的最简方块图。大方框代表了组成自动控制系统的各个环节，自动控制系统的输入就是给定值和干扰，输出则是被控变量。、反馈控制系统参照图13-3，可以分析自动控制系统的特点：1、由负反馈构成闭环是自动控制系统的结构特点从信号传送角度看，各个环节在信号传递关系上形成了一个闭环。即其中任何—个信号，只要沿箭头方向前进，通过若干环节之后，最终又会回到原来的起点。自动控制系统之所以会形成闭外，是因为引入了反馈的缘故。所谓反馈，是将系统的输出直接或经过一些环节之后又返回到系统输人端的做法。反馈分正反馈与负反馈。注意图13-3中，在反馈信号Pv旁边有一个“一”号，给定信号Sv旁边有一个“十”号，说明反馈信号极性与输入信号相反，偏差Dv=Sv—Pv,图13—3中的Pv取负值称为负反馈，如果反馈信号Pv取正值则称为正反馈。自动控制系统必须采用负反馈，才能起到纠正偏差作用。若采用了正反馈，即Dv=Sv+Pv,当Pv=Sv时，表明工艺参数符合要求，这时应停止调节，但是由于DvHO,使控制器的输出继续发生变化，并使调节阀的开度也不断改变，从而产生不该有的控制作用，使被控变量偏离工艺规定的指标增大。因此，正反馈不但不能克服干扰的影响，反而使系统的偏差愈来愈大，直至被控变量超出了安全极限而破坏生产，所以自动控制系统绝对不能单独采用正反馈。2、控制作用的产生由偏差引起偏差产生的控制作用使系统沿减少或消除偏差的方向运动。综上所述。自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统，控制作用由偏差产生。正是因为有了负反馈，控制系统才可以随时了解被控变量的情况，有针对性地根据被控变量的变化情况而改变控制作用的大小和方向，从而维持被控变量等于或接近工艺所希望的状况。四、自动控制系统的分类关于自动控制系统的分类，从不同的角度可以有不同的分类方法。在分析自动控制系统的特性时，给定值的形式不同，会涉及到不同的分析方法，因此，常将自动控制系统按给定值的不同情况分为三类：即定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。1、 定值控制系统定值控制系统就是给定值恒定的控制系统。在工艺生产中，如果要求控制系统的被控变量保持在个生产指标上不变，或者说要求工艺参数的给定值不变，那么就要采用定位控制系统。在定值控制系统中，引起被控变量波动的原因是各种干扰，对于这类控制系统，设计的重点是在存在干扰的情况下如何将被控变量控制在所希望的给定值上。石油、化工生产中大多数控制系统属于这种类型。2、 随动控制系统随动控制系统即给定值不固定，是随时间不断变化的，而且这种变化不是预先规定好的，即给定值是随机变化的。随动控制系统的目的就是使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化。比如各种变送器均可看做是一个随动系统，它的输出应严格、及时地随输入而变化。3、程序控制系统这类系统的给定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即生产指标需按一定的时间程序变化。近年来，随着计算机的广泛应用、程序控制系统应用日益增多。第二节

简单控制系统所谓简单控制系统是指由一个被控对象（简称对象）、一个测量变送器、一个控制器和一个执行器所组成的单回路反馈控制系统，如图14—1。在生产过程中，大量的温度、流量、压力、液位控制系统都属于简单控制系统。简单控制系统的特点是结构简单，易于实现，而民具有相当广泛的适应性，因此即使在计算机控制迅速发展的今天，在高水平的自动化控制方案中，这类系统仍占控制回路的绝大多数。这体现了控制系统方案设计的基本准则：力求简单、可靠、经济与保证效果良好。而且，简单控制系统是复杂控制系统的基础，目前一些先进的控制系统也往往将其作为最低层的控制系统，因此，简单控制系统的分析和设计方法具有广泛的实用价值。简单控制系统的设计一、设计的内容简单控制系统的设计最重要的是控制系统方案的设计和控制器的设计与参数整定。控制系统方案的设计是系统设计的核心。它是在对被控对象做全面深入的了解和分析的基础上确定总体控制目标，根据工艺的要求选择被控变量，操纵变量，合理选择控制系统的测量元件和变送器，合理选择控制器、执行器、显示仪表和其他仪表，从而确定一个较为合理的简单控制系统方案。对于有多个控制系统的生产过程，还要考虑到各个控制系统之间的关联，并按控制系统之间相互影响最小的原则来建立各控制回路。控制系统方案的设计是一项复杂的工作。既要满足工艺过程的实际需要，又要受到许多客观环境和经济条件的制约。一个好的控制方案，既依赖于理论分析和计算，还要借助于许多实际工程经验。控制器设计与参数整定是在控制方案合理制定的前提下，使系统运行在最优状态的重要步骤。此外，简单控制系统的设计还包括系统的工程设计，如仪表选型、控制室设计、供电和供气系统设计等；以及控制系统的安装、投运等内容。二、被控变量的选择被控变量的选挥是十分重要的，它是自动控制系统设计的第一步。任何一个控制系统，总是希望能够在稳定生产操作、增加产品产量、提高产品质量以及改善劳动条件等方面发挥作用，因此，应该从生产过程对控制系统的要求出发，找出对产品产量、质量、安全等方面起决定作用的变量。如果被控变量选择不当，配备再好的自动化仪表也是无用的。根据工艺要求而设计的简单控制系统，它为工艺上某—目的服务应该是清楚的。例如生产上要求控制的工艺操作参数是温度、压力、流量、液位等，很明显被控变量就是温度、压力、流量、液位，它既直接又明了似乎毋需多加讨论。的确在某些情况下，对被控变量的选择是一目了然，但也有如下一些情况，需要对被控变量的选择认真加以考虑；1）表示某些质量指标的参数有好几个，应如何选样才能使所选的被控变量在工艺上和自动控制上是合理的，而正是独立可调的。2）某些质量指标，因无合适的测量仪表直接反映质量指标，从而采用选择与直接质量指标之间有单值线性对应关系而又反应快的间接指标作为被控变量的办法。3）虽有直接参数可测，但信号微弱或测量滞后太大，还不如选用具有单值线性对应关系的间接信号为好。下面举例来说明选择被控变量的一般原则。例如要对锅炉产生的饱和蒸汽质量进行控制，提出了三种方案：1） 压力P与温度T皆为被控变量；2） 温度T为被控变量；3） 压力P为被控变量。为了解决这一问题，必须深入了解工艺，首先弄清楚表征饱和蒸汽的质量指标在P与T之间有何内在联系？是否都为独立变量？应用物理化学中介绍的相律关系，自由度的表达式：F=C-P+2（14-1）式中F——自由度；C 组分数；P 相数。作为饱和蒸汽，实质上存在气液两相，即P=2，而组分数应皆为水即C=l,故F=l—2十2=1表示饱和蒸汽的自由度为1，或独立变量只有1个，所以要反映饱和蒸汽质量，不必选用两个被控变量，只要选取温度或压力其中之一就够了。至于选压力还是温度，可以从测量元件时间常数小，元件简单、可靠等方面来考虑，一般以选择压力为宜。我们在设计控制系统时，必须遵循有几个独立被控变量，最多只能设置几个控制系统的原则。否则当设计出既有温度又有压力作为被控变量的方案时，这种控制系统将是无法投运的。假如讨沦的是过热蒸汽的质量控制，因为蒸汽在过热状态下只存在一个气相，所以根据相律其自由度将交为2。在这种情况下把温度和压力都选做被控变量则是完全必要的。又例如在精馏过程中，通常是用温度采反映塔顶或塔底产品质量（浓度），其原因是缺乏直接测量浓度的成分仪表或成分测量仪表滞后过大，使控制系统的控制品质很差，不能满足工艺的要求，所以选用了温度这个间接参数作为被控变量。但是根据相律可知，在塔压恒定的情况下，并只有两个组分时、物料的温度与浓度才有单一对应关系，对于多组分只有近似的关系。对于这样的过程，近年来出现了软测量的方法。其原理是寻找与不可测输出量有函数关系的辅助输出变量，首先测量辅助输出变量，然后通过运算推算得到不可测输出量，将推算值作为被控变量，构成反馈控制系统。通过上述讨论，可以得到被控变量选择的原则为；（1）尽量选用直接指标作为被控变量，因为它最直接最可靠（2）当无法获得直接指标的信号，或其测量和变送信号滞后很大时，可选择与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控变量。（3）被控变量应可测并有足够大的灵敏度或足够大的信号；或可采用辅助输出变量推算。（4）被控变量应独立可调。（5）选择被控变量时，必须考虑到工艺过程的合理性及仪表的现状。三、操纵变量的选择当对象的被控变量选定后，下一步是如何构成简单控制回路，选择什么操纵变量去克服干扰对被控变量的影响。为此，在设计控制回踏时，要认真分析各种干扰，深入研究对象特性。最常见的操纵变量是流量。操纵变量的选择原则是：（1）首先要考虑工艺上的合理性、经济性，除物料平衡调节外，一般避免用主物料流量（生产负荷）作为操纵变量。（2）操纵变量应有克服干扰影响的校正能力，控制通道的放大系数应比较大。（3）控制通道的动态响应要较干扰通道的动态响应为快，滞后时间尽量小。下面通过一个实例说明操纵变量的选择原则。为了将浓缩的乳液干燥成乳粉，生产上采用喷雾式干燥设备，工艺流程如图14-2所示。已浓缩的乳液由高位槽流下经过滤器去掉凝结块，然后至干燥筒从喷嘴喷出，空气则由鼓风机送至换热器，热空气经风管至干燥筒，乳液中的水分即被蒸发，而乳粉则随湿空气一道送出再行分离。工艺要求干燥后的成品含水量不能波动太大。由于干燥筒出口的气体温度与产品质量（水分含量）的密切关系，因此可选间接参数T作为被控变量。操纵变量的确定需要对被控对象输入进行分析。在该设备中，影响干燥筒出口温度的因素有：乳化物的流量、蒸汽压力、旁路空气量。因此可供选择为操纵变量的有乳化物流量、旁路空气量和加热蒸汽量，图中分别以l，2，3调节阀位置代表这三种方案。由图分析，选乳化物流量作为操纵变量，乳液直接近入干燥器，滞后最小，对温度校正最灵敏、似乎控制方案最佳，但由于乳液流量是生产负荷，一般要求保证产量稳定，所以不宜选为操纵变量。选旁路空气量作为操纵变量，其过程是旁路空气量与热风量相混合，然后经风管进入干燥筒，风管特性可用一个纯滞后表示。这种方案与选乳化物流量作为操纵变量相比，控制通道滞后较大，对干燥温度校正作用灵敏反差一些。若选加热蒸汽量作为操纵变量，其过程是蒸汽流量经过换热器热交换，以改变空气温度，然后经风管进入干燥筒，由于换热器的时间常数大，此方案对干燥温度的校正作用灵敏度最差。综合上述考虑，生产中选用以旁路风作为操纵变量的方案。由上述可知，要做到合理地选择操纵变量，必须熟悉和掌握生产机理，认真分析生产过程各种影响被控变量的因素，以对象特性参数对控制质量影响为依据，这样选择的操纵变量才能组成符合工艺要求的、可控性良好的控制系统。四、测量变送环节对控制系统的影响测量变送装置是控制系统中获取信息的装置，是系统进行控制作用的依据。所以要求能及时、准确地反映被控变量的情况。对常规控制系统而言，将遇到以下几个问题。1、测量元件安装引起的纯滞后纯滞后是设计控制系统时最感头痛的事。在化工参数的测量中最易引入纯滞后的是对温度和物性参数的测量。图14—3所示的是一个PH控制系统，由于电极不能放置在流速较大的主管道上，只能安装在流速较小的支管道上，对于这种因测量元件的安装位置所引入的纯滞后，有时是不可避免的，但应力求减小。除了测量位置所引入的纯滞后外，有时仪器本身也会引入纯滞后，如成分测定仪等。这是造成目前不少在线分析仪不能投入闭环运行的原因之一。2、 测量元件本身的测量滞后测量滞后指的是由测量元件本身时间常数T所引起的动态误差。由于在实际控制系统中，操作人员所观察到的及控制器所接收的信号都是被控变量的测量值，由测量元件时间常数所引起的测量误差，将会引起幅值降低和滞后，使得测量值的变化小于真实值的变化，从而给人一种假象，误认力调节质量还可以。由于存在测量滞后，使控制器接受的是失真的信号，从而控制器不能正确发挥作用。克服测量滞后的方法为：选择快速测量元件。若能使测量元件的时间常数为对象时间常数的十分之一为宜。正确选择安装位置。在自动控制系统中，以温度测量元件和质量控制系统的采样装置所引起的测量滞后为最大，它与元件外围的流体的流动状态、流体的物理性质以及元件的插入深度等有关，如果把测量元件安装在死角，将大大增加测量滞后，因此要合理选择测量元件的安装位置，最好能选择在对被控失量的变化反映灵敏的位置。正确使用微分单元。测量滞后大的系统，通过引入具有超前作用的微分环节是解决问题的好办法。3、 测量信号的处理在过程变量的测量信号中，不可避免地掺杂一些随机干扰，也称噪声。这些噪声可能是由于测量元件本身的随机波动特性引起的，也可能是由于测量环境中的电磁干扰所致，所有这些都会使测量结果偏离真实值。如果将这种未经处理的测量信号直接用做反馈，参与控制，必然会使系统产生“错觉”，导致错误的调节。因此，对测量信号一般都需要进行“滤波”处理，将其中的随机干扰剔除掉。在计算机控制时，由于信号是采样输入的，随机干扰的危害将更为严重，必须进行滤波。另外，有些测量信号可能受到其他信号的影响，需要进行相应的校正补偿。例如，气体流流量信号会受到压力和温度变化的影响，需对其进行压力和温度校正或补偿。有些测量信号与被测变量之间呈现非线性关系，必要时还需进行线性化处理。最后还要说明的是，有些标准化测量仪表或仪器、已包含了信号补偿和线性化处理等功能，在这种情况下，输出信号可以直接使用，但必须搞清楚它的使用范围和条件。五、气动执行器的选择执行器是控制系统中非常重要的一个环节，因为它处在最终执行控制的位置，有人形象地称它为控制系统的“手脚”。执行器选择得好坏，对系统是否能够很好地起控制作用关系甚大。目前，工业上最常用的是气动执行器，即气动薄膜调节阀，因此，我们主要介绍气动调节阀的选择方法。在自动控制系统中，执行器是依据控制器送出的操纵信号，对生产过程（被控对象）施加影响、有目的地改变控制变量的装置。它就相当于人工控制系统中执行大脑命令的手的作用。执行器与变送器等仪表不同，它直接与生产过程相接触，并且对生产过程施加影响。换句话说，执行器要工作在高温、高压、腐蚀、振动等恶劣的现场环境中，同时要有足够的功率以影响生产过程。鉴于上述特点，我们有必要了解执行器的结构原理及性能指标，以便对其恰当地选择和使用，保证控制系统安全、正常、高效地远行。对应于不同的控制参数，执行器可以是风门、步进电机、变频调速器和调节阀等。所谓调节阀，就是改变流体流量的执行器。由于绝大部分控制系统的控制参数都选为某种介质的流量，所以调节阀是最常见的一种执行器。从结构功能上看，执行器由执行机构和调节机构两部分组成，见图10—1。执行机构按控制器送来的操纵信号产生相应的直线行程或转角行程；调节机构依靠这个行程来改变管道的阻力，实现对流量的控制。下面分别讲述执行机构和调节机构的结构原理，最后讲述整体性能及选择。（一）执行机构按所使用的能源不同，执行机构可以分为气动、液动、电动和自力式等不同种类。气动执行机构以仪表风（140kPa或250kPa、更高压力）为动力，其特点是结构简单、安全防爆、成本低，在自动化规模大（值得提供仪表风系统）的场合很适用。液动执行机构以液压为动力，特点是功率大、到位准确，但需提供液压系统，结构复杂、维护要求高，只用在某些特殊场合，如炼油厂催化裂化装置中对粉末状催化剂的流量控制。电动执行机构靠伺服电机带动，出于它接收的是电信号，所以易与电动控制器或集散控制系统配合使用，功率大，但在爆炸危险场所必须采用相应的防爆型号。自力式执行机构是利用被调介质自身的能量来动作的。例如，靠介质压力带动的调节阀，当介质压力越高或超低时其执行机构就会动作。此外还有靠介质温度、流量和液位驱动的自力式执行机构，它们只能用在简单控制场合。这里只介绍气动和电动执行机构。1、气动薄膜执行机构气动薄膜执行机构的结构如图10-2所示。由控制器来的20〜100kPa）3操纵信号（对电动操纵信号，要经电/气转换器进行转换）作用在由上膜盖与波纹膜片构成的气室中，在波纹膜片上产生向下的推力，克服压缩弹簧的弹力使推杆产生向下的行程。靠连接螺母，推杆的行程可以传递给调节机构。在图10-2中，操纵信号从上端引入，当信号压力增大时，推杆向下移动，这种结构的执行机构称为正作用。如果将操纵信号从下端a孔引入，则压力增大时，推杆向上移动，这种结构称为反作用，当然这种情况还要考虑薄膜下面气室的密封问题等。为定量分析信号压力与行程之间的关系，分三种情况讨论。1） 、无负载状态下的行程／压力关系无负载状态是指控杆不与调节机构相连，也不考虑摩擦力的情况。在这种情况下，薄膜只受信号压力和弹簧弹力的作用。2） 、带负载状态下的行程／压力关系执行机构总是要带动调节机构一起动作的。由于被调介质静压、压差和阀杆摩擦力的影响，控制机构的阀杆要对执行机构的推杆产生一个强烈的反作用，力，如图10-3所示。这就要求执行机构能够产生足够大的推力，以克服反作用力，使阀杆到达应有的行程。这个推力称为输出力，也是执行机构的重要指标。在被调介质的压力很高的情况下，反作用力F1往往是很大的，而且是随行程变化而变化的，它对行程造成严重的影响。可以采用两种方法使推杆准确到位。一种方法是采用面积更大的薄膜，或采用刚度小的弹簧。在反作用力F1大，但基本不随行程变化，可视为定值的情况下，这种方法适用。这也是直接增大输出力的方法。另一种方法是给执行机构加装阀门定位器。3） 、阀门定位器及其作用给执行机构装配阀门定位器，是克服阀杆反作用力，实现推杆准确到位的有效方法，被广泛采用，见图10-4。在介绍阀门定位器之前，先引入喷嘴—挡板机构和功率放大器。喷嘴—挡板机构是气动仪表中的基本元件之一，一般用符号表示。其结构如图10-5所示。喷嘴后的空间称为背压室，室内压力称为喷嘴背压P背，此压力即为喷嘴一挡板机构的输出压力。压缩空气（约0.14MPa）作为气源，经恒气阻进入背压室后，再由喷嘴一挡板间的间隙徘出（一般入大气）。这股气流经过恒气阻时，由于孔径很小（一般为0.15〜0.3mm）,将对压缩空气的流动造成很大的阻力，只有很少流量的气流通过恒节流孔进入背历室。而背压室中的压力是随喷嘴—挡板间的相对位移而变化的。当挡板靠近喷嘴时，阻力增大，背压室内的气体不易排出，则P背上升；反之，挡板离开喷嘴时，阻力减小，由于喷嘴内径（一般为0.8〜1.2mm）比恒节流孔径大得多，所以压缩空气很容易地跑到大气中，则P背下降。因此喷嘴一挡板间的距离h不同，就有不同的P背，从而完成了将挡板的微小位移转换成气压信导的任务。喷嘴一挡板间的距离h与背压室内的压力P背间的关系如图10-6所示。喷嘴—当板机构的背压必须经过功率（定义为正比于压力和流量之积的量）放大、才能送至其他机构。这个放大装置，就是功率放大器。一般用符号表示。气动阀门定位器接受气动调节器的输出信号，然后产生和调节器输出信号成比例的气压信号，用以控制薄膜片或活塞式气动调节阀。下面讲讲与气动薄膜调节阀配套使用的力矩平衡式阀门定位器原理。配薄膜执行机构的气动阀门定位器的原理如图所示：它是按力矩平衡原理工作的。当进入波纹管1的信号压力增加时，波纹管1使之杠杆2绕支点15偏转，孔板13靠近喷嘴14,喷嘴背压升高，此背压经放大器16放大后的压力PA输入到气动执行膜室8，并带动反馈杆9绕支点4偏转，反馈凸轮与跟着作逆时针方向转动，通过涡轮10使副杠杆6绕支点7顺时针偏转，从而使反馈弹簧拉伸，弹簧11对封存杠杆2的拉力达到力矩平衡时，阀门定位器达到平衡状态。此时，一定的信号压力就对应于一定的阀杆位移，即对于一定的阀门开度。弹簧12是调零弹簧，调整其顶紧力可以改变挡板的初始位置，弹簧3是迁移弹簧，使定位器在接受不同范围的输入信号时，仍能产生相同范围的输出信号。加装阀门定位器，不仅能改善行程／压力关系，而且膜头压力来自就近的功率放大器，充放气流量大，加快了推杆的动作速度。改变凸轮形状，还可改变行程／压力关系，具有很大的灵活性。执行机构装配阀门定位器后的行程／压力关系，不受调节机构的反作用力的影响。事实上，这构成了—个闭环控制系统，控制器来的压力信号是这个控制系统的给定值，推杆行程是被控参数，反作用力是干扰。加到膜头上去的压力直接来自功率放大器，可以达到气源压力，所以会具备很大的输出力，足以克服反作用力，使推杆准确到位。电动控制器与气动执行机构相联时，可以采用电／气转换器实现电动信号向气动信号的转换；也可采用电／气阀门定位器，兼具电／气转换器和定位器二者的功能。电／气阀门定位器的结构与阀门定位器相似、但要用线圈代替波纹管，以实现电流信号到位移或力的转换。除了行程／压力关系。一般还会用额定行程、行程误差和输出力（力矩）来衡量执行机构的性能。装配阀门定位器后，多项性能指标会得到改善。气动多弹簧薄膜执行机构是一种新型产品，见图10-8所示。其薄膜采用较深的盆形结构，有效面积变化小；压缩弹簧采用多弹簧组合的形式，以减小高度；精确的设计和加工省去了压缩弹簧的凋节件，可免去预紧量调校。这种产品体积小，重量较轻，装校简单。2、气动活塞执行机构活塞执行机构加固10-9所示。当通入活塞上、下气室的压力Pl、P2入不相等时，活塞就会在压差作用下移动，带动推杆产生行程。这种执行机构的行程／压力关系是两位式的。要得到线性关系须配装相应的阀门定位器。与薄膜执行机构相比较，活塞执行机构的额定行程长（可达400mm）,输出力大。适合与大口径、高压差调节机构配用。3、电动执行机构电动执行机构接收由控制器来的4〜20mA操纵信号，通过控制电动机的正、反转产生推杆的直行程或角行程。因为操纵信号功率小，不可能驱动电机转动，所以要配备功率放大器，构成一个以行程为被控参数的自动控制系统。这种执行机构实际是一整套系统，包括信号比较、功率放大、单相低速同步电动机、减速传动机构相位置反馈电路等几部分组成。一般前两部分集中在—块仪表中，称为伺服放大器，一般装在室内；后三部分集中在一起，一般被简称为执行机构（与执行机构系统不同），安装在现场。系统构成如图10-10所示。1） 、伺服放大器伺服放大器采用220V交流电源，将控制器送来的和位置反馈电路送来的两个4〜20mA信号相比较，将偏差放大后触发正或反转可控硅电路，输出足够功率的电流以驱动电机转动。2） 、执行机构执行机构中的低速（如60r/min）同步电动机按照伺服放大器输出的驱动电流产生相应的正、反转。传动机构把电机转子的转动转换成推杆的直行程或角行程，同时减速以增大力矩。传动机构还带有制动轮和制动盘，以便在断电或无驱动电流时保持原行程。位置反馈电路利用差动变压器把推杆的实际行程转化成4〜20mA电流，送入到伺服放大器中作此较用，以保证行程与控制器送来的操纵信号成对应的关系。这种关系由位置反馈电路的性质决定，一般是线性关系。随着大功率电子器件的小型化，也可以将伺服放大器与执行机构一体化，使得系统更紧凑。（二）调节机构一种典型的调节机构如图10-13所示。通过法兰将它安装在工艺管道上，流体从A进入，经过流道及阀芯阀座间隙，从B流出。阀芯通过阀杆与执行机构的推杆相连，当推杆上下移动时阀芯也上下移动，改变间隙的流通阻力，从而控制流体流量。上阀盖的作用非常重要，它不仅对阀杆导向，而且起密封作用。上阀盖内的密封填料被压板压紧后阻止了流道中流体沿阀杆的泄漏。图中所示的是普遍型上阀盖，适于常温流体。对于高温、深冷流体，可采用散热型上阀盖，以防填料因温度过高过低而失效，对于挥发性有毒流体，可采用波纹管密封型上阀盖以彻底避免外漏。1、调节机构的种类按阀芯动作的方式不同，可将调节机构分成直行程和角行程两大类。阀杆带动阀芯沿直线运动的调节机构属于直行程类。图10-13所示的就是一种直行程调节机构，称为直通单座阀。所谓直通是指入、出口在同一直线上，与此相对应的是角通和三通调节机构。所谓单座是指只有一组阀芯和阀座，特点是阀芯阀座间的泄漏量（阀芯压紧阀座后仍能流过的流量）很小，但不平衡力（流体对阀芯产生的轴向力，即对执行机构的反作用力）较大。其他几种常见的直行程类调节机构如图10-14所示。直通双座阀（图中（a））有两套阀芯阀座，流体从两个环形间隙中流过。流体对上、下两个阀芯所产生的轴向力可以部分抵消，所以不平衡力较小；单两套阀座不易同时关严，所以泄漏量较大。三通调节阀（图巾（b））有两条流道。流体从一端进从另两端出的的又称为分流三通阀；从两端进从另一端出的又称为合流三通阀。三通调节阀多用于换热器及旁路的冷热流控制。合流三通阀的冷热流温差不宜太大，以免在阀体内造成过大的应力而导致损坏。角形调节阀（图中（c））的流道比较简单，不易堵塞，适于高粘度、含颗粒流体的流量控制；与直通类阀门相比较，少一个开口，所以从结构耐压看，能适于高压场合。隔膜调节阀（图中（d））采用耐腐蚀阀体和隔膜代替阀芯和阀座，由隔膜控制流量，不会外漏，适于腐蚀、有毒流体的调节。筒套调节阀（图中（e））是一种性能优良的阀，其阀座是一个空心圆柱形套筒、侧面开有一定形状的窗口；阀芯也是一个空心圆柱筒，它与套筒紧密配合，可在套筒内上下移动，通过改变窗口流通面积来控制流量。圆柱筒阀芯的上下是连通的，所以不平衡力极小。这种调节阀的噪声小，稳定性好，阀芯互换性强。阀芯按转角运动的调节机构属于角行程类。几种常见的角行程调节机构见图10-15所示。它们的阀芯相对于阀座转动，改变间隙阻力.从而控制流量。蝶阀（图中（a））适于安装在粗管上，例如用于控制大流量的气体等。现在有一种偏心蝶阀，既可在一定范围内控制流量，也可完全切断流量。球阀（图中（b））及V型球阀（图（c））适于含颗粒流体的控制。偏心旋转阀（图中（d））的阀芯呈球面，在压力作用下挠曲臂能产生挠曲变形，使阀芯球面与阀座密封圈紧密接触，密封性能良好，适于既要求控制又要求关断流体的场合。另外，根据其他特点还有滑阀、闸阀、针阀等调节机构，这里就不一一叙述了。2、 执行机构的选择调节机构是直行程类的，就应选用直行程执行机构；调节机构是角行程类的，就应选用角行程执行机构。如果调节机构产生的不平衡力较小，行程也较短，可选用薄膜执行机构；如果不平衡力较大，管径粗行程长，可选用活塞执行机构。如果选用了薄膜执行机构，要求增加输出力，改善行程／信号压力关系，可加装阀门定位器；对活塞执行机构，除用在两位式场合外都要装配阀门定位器。在没有配置气源的场合可以使用电动执行机构，但要注意有无防爆要求。3、 调节机构的选择1）、结构形式和材质的选择根据工艺状况（温度、压力、压降、流速）和流体性质（粘度、含悬浮物、蒸汽压、腐蚀性、毒性等）综合考虑选择适当的阀形。对腐蚀性介质要选用相应防腐材质的阀内件。调节阀的耐压与温度有关，温度升高耐压会下降，有些材质当承受温度过高后会导致耐压的永久性下降，如图10-22所示。2）、泄漏量泄漏量定义为：在全关位置巳施加一定的关闭力时，流体在一定压力、压差下流过阀的流量。一般按相对于额定流量系数的百分比、将泄漏指标划分成8级。注意，测定泄漏量时要求在膜头上施加一定的关闭力，这与可调比中的最小流量是不同的。3）、流量特性的选择根据工艺对象的特点选择阀的流量特性，使得被控对象与调节阀组成的广义对象具有好的特性（线性），会有利于控制系统的控制效果。4）、额定流量系数及口径的选择根据工艺参数来选择额定流量系数。按表达式流量系数显然与口径（公称通径，即入口法兰内径）大小有关。口径的选择具有重要意义，口径选得过小，额定流量系数就小，全开后仍无法流过足够的流量；口径选择过大，尺寸大，价格高，而且在正常流量下调节阀工作在小开度范围，不稳定，易振荡。选择口径前要先计算出所需要的额定流量系数，据此查厂家提供的调节阀规格表（如表10—4），以确定合适的口径。可按下述步骤计算口径：（1）确定工艺上的最大流量Qmax。⑵确定最大流量下的阀压降APQmax0这就需知道管道阻力配置情况，并由此算出S值来（有时在管道设计资料中直接给出S）。（3） 判断该状态下是否出现了阻塞流；是否需要低雷诺数修正。对高压差、易汽化介质、高粘度介质等场合要特别注意。（4） 计算出最大流量下的流量系数，按已定的阀形查表得到最接近的额定流量系数Cg。注意选取的Cg不能小于计算C值，以确保能流过最大流量。（5） 开度验算。按选取的流量特性来验算工艺最大最小流量对应的开度。—般希望开度在10％一90％之间。（6） 可调比验算。工艺上的最大最小流量之比相对全开全关流量之比要小。（三） 调节阀流量特性的选择一个反馈控制系统的特性是由控制器与广义对象所组成，当控制器的参数被确定之后，系统的特性也就被决定了。在生产过程中，负荷的变化将可能导致被控对象的特性发生变化，而参数已调整（又称整定）好的控制器只能适用于一个确定的对象特性，因此，如控制器参数不变就难以适应不同负荷的工况，对于预先可知的缓慢的负荷变化，可以根据负荷变化设法人工地或自动地进行控制器参数的调整，以求达到系统正常运行的目的。但是由于随机性的负荷变化，特别是当变化幅度大而变化频繁时，人工整定就不可能，因此需要考虑控制系统自身具有克服负荷变化的能力。现在提出的调节阀流量特性的选择是把调节阀看成广义对象的一部分，当被控对象特性在负荷改变发生变化时，起着修正对象特性的作用、用它的补偿作用使得广义对象特性基本保持不变。调节阀特性补偿示意图如图14-4所示。由上面调节阀流量特性选择的基本准则可知，若被控对象为线性时，调节阀可采用直线工作特性，而对于那些随负荷变化具有非线性的被控对象，调节阀则应选非线性工作特性。另外需要指出的是，还应考虑工程应用时调节阀的前后实际压降情况，进行工作特性的修正。调节阀气开、气关形式的选择调节阀气开、气关形式的选择原则主要是从工艺生产的安全要求出发。当气压信号中断（即无控制信号）时，视调节阀处在全开或全关哪一位置对生产造成的危害大小而定。如图14-5所示的加热炉出口温度控制系统，控制进入加热炉内燃料流