过程控制及仪表PPT电子教案课件-第四章 运算器和执行器.ppt.ppt

过程控制及仪表,第四章 运算器和执行器,开方器主要应用在流量测量与控制系统中，开方器对差压变送器的输出信号进行开方运算，从而得到与被测流量成比例 关系的电压或电流信号,图中，节流装置将被测流量q转换成差压信号p(转换系数为k1),差压与流量成平方关系: p=k1q2 。,差压变送器将p成比例的转换成电压或电流信号x(转换系数为k2): x=k2p。故差压变送器的输出x也与被测流量成平方关系：x=k1k2q2 。,开方器对信号x按下式进行开方运算（开方系数为k）：,可得：,第一节 开方器,第二节 执行器,在过程控制系统中，执行器接收并执行控制器指令，改变生产过程的参数，使生产过程满足预定的要求。执行器直接安装在生产现场，工作环境恶劣，其能否保持正常工作将直接影响自动调节系统的安全性和可靠性。执行器是控制系统的一个重要组成部分，相当于人工控制中的手脚。,电动执行器 气动执行器 液动执行器,第二节 执行器,一、执行器的组成（分为两部分） （1）执行结构-执行器的驱动部分，按照控制器的输出信号产生推力或位移； （2）调节机构-执行器的调节部分，常见有调节阀等，在执行机构操纵下调节工艺介质的流量。 二、执行器的分类,气动执行器 plq 按能源分： 电动执行器 iilq 液动执行器,直行程 角行程,三种执行器的特点比较,三、电动执行器,第二节 执行器,第二节 执行器,（1）角行程电动执行机构基本构成和基本原理,角行程电动执行机构由伺服放大器和执行机构两大部分组成。该执行机构适用于操纵蝶阀、挡板等转角式调节机构。,伺服放大器将输入信号ii和反馈信号if相比较，所得差值信号经功率放大后，驱使两相伺服电机转动，再经减速器减速，带动输出轴改变转角。若差值为正，电机正转，输出轴转角增大，若差值为负，电机反转，输出轴转角减小。最终输出轴转角与输入信号ii关系为： =k*ii,电动执行机构还可以进行手动操作，通过手动操作按纽来控制电极正反转，调节输出轴转角。,第二节 执行器,（2）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。,第二节 执行器,调节此电阻，电路通常放大60倍,调零电阻，使输入信号和反馈信号相同时放大电路输出为零,触发电路，正偏差时u0u，固态继电器接通；同理，负偏差时固态继电器接通。无偏差或偏差小于死区（2u），两个继电器均不动作,第二节 执行器,（3）执行机构,组成：伺服电机、减速器和位置发送器,作用：输出转角，返回位置信息,特点：制动快，低速输出力矩大,伺服电机:,第二节 执行器,o,2,o,1,z,2,z,1,p,h,销,轴,孔,2,e,v,h,p,内行星齿轮传动的工作原理,z,1,摆轮即齿轮,1,；,z,2,内齿轮即齿轮,2,；,h,系杆,；,v,输出轴,；,p,销轴,心和双偏心机构两种。,执行机构减速器有单偏,。,为,一般，,：内齿轮齿数；,：摆轮齿数；,式中：,减速比：,减速器：,4,1,1,2,1,2,1,1,2,z,z,z,z,z,z,z,i,-,-,=,第二节 执行器,作用：将0-90o转换成4-20ma信号，作为阀位信号和反馈信号,位置发送器,第二节 执行器,第二节 执行器,1. 特点,四、气动执行器,它是以140kp的压缩空气为能源，以20-100kp气压信号为输入控制信号；具有结构简单、动作可靠、性能稳定、输出推力大、维修方便、本质安全防暴和价格低廉等特点。,2.构成原理,3.气动执行机构分类,气动执行机构有薄膜式和活塞式两种，常见的气动执行机构均属薄膜式。薄膜式特点为：结构简单、动作可靠、维修方便、价格低，但输出行程较小，只能直接带动阀杆。,第二节 执行器,器。,解决办法：加阀门定位,变化，填料的磨擦等。,的,原因：弹簧、膜片弹性,。,变差,，,非线性,相对位移量；,其中：,。,其输入输出特性见图,弹簧刚度。,输入压力；,膜片有效面积；,弹簧位移或推杆位移；,式中：,填料间的摩擦力，有,不计膜片刚度及推杆与,4.气动薄膜阀特性：,2.5%,4%,l/l,9,-,5,c,p,a,l,p,c,a,l,s,o,e,o,s,e,=,(3-1),第二节 执行器,在动态情况下，输入信号管线存在一定的阻力，而且信号管线和薄膜气室也可以近似为一个气容。因此执行机构可看成是一个阻容环节，薄膜气室的压力p1和控制器输出压力p0之间的关系可以写为:,式中 r从控制器到执行机构间导管的气阻； c薄膜气室及引压导管的气容； t时间常数，t=rc。 综合式（31）和式（32）可得控制气输出压力p0与推杆位移 l 之间的关系为,式中 k-执行机构的放大系数，k=ae/cs。 t-时间常数，一般在几秒到几十秒之间。,(3-2),(3-3),第二节 执行器,5.气动薄膜阀的正反作用：,气动薄膜式执行机构分正作用和反作用两种形式。,信号压力增大时推杆向下运动的叫正作用式调节机构（zma）。,信号压力增大时推杆向上运动的叫反作用式调节机构（zmb）。,第二节 执行器,气关式,气关式,气开式,气开式,反装阀,反装阀,正装阀,正装阀,p入,p入,p入,p入,q,q,q,q,调节阀气开、气关阀选择，主要根据工艺生产的需要和安全要求来决定的；原则是当信号压力中断时，应能确保工艺设备和生产的安全。如果阀门处于全开位置安全性高，则应选用气开阀，反之，则应选用气关式阀。 举例说明： 反应釜内的加热盘管使用的蒸汽作为热源，执行机构采用气动调节阀，则执行机构采用气开阀，因为，当调节阀有故障或者气源中断时，气开式调节阀能够自动关闭蒸汽调节阀，以免加热器内温度继续上升，这样可保证工艺设备和生产的安全。 同样是反应釜，工况不一样；若一旦加热中断，釜内被加热的介质温度下降后，易产生结晶或者凝固，则应采用气关阀。否则排除故障后再投产时，清理设备更麻烦。 如果气开、气关阀均不能满足工艺要求，则要求在系统出现故障时能保持原来的正常工作开度，则可选用保位阀。 当然一个完善的调节系统还有其它因素，如调节器、阀门定位器置正作用、还是反作用等诸多问题要考虑。,第二节 执行器,气动活塞式执行机构按其作用方式可分成比例式和两位式两种。 比例式：是指输入信号压力与推杆的行程成比例关系，这时它必须与阀门定位器配用，使推杆位移和信号压力成比例关系。 两位式：是根据输入执行机构活塞两侧的操作压力差来完成的。活塞由高压侧推向低压侧，就使推杆由一个极端位置推移至另一个极端位置。,气动活塞式执行机构,第二节 执行器,6、阀门定位器,阀门定位器与控制阀配套使用，是气动控制阀的主要附件，阀门定位器使气动执行机构构成了一个闭环系统。,阀门定位器可以增加执行器的输出功率，减小信号传递滞后，加快阀杆的位移速度，提高线性度，克服摩擦力影响，保证阀位正确到位。,第二节 执行器,（1）电/气阀门定位器,电/气阀门定位器实际上是电气转换器和阀门定位器的组合。,作用：将4-20ma转换成20-100kpa或40-200kpa，且具有良好线性。,第二节 执行器,（2）气动阀门定位器,气动阀门定位器按其工作原理可分为位移平衡式和力平衡式两类。这里主要介绍力平衡式阀门定位器。,第二节 执行器,阀门定位器应用场合：,1、增加执行机构的推力：提高定位器的气源压力增大执行机构的输出力。 2、加快执行机构的动作速度：克服信号传递滞后，加快执行速度。一般用于两者距离大于60m的场合。 3、实现分程控制：用一台控制仪表去操作两台控制阀。 4、改善控制阀流量特性。,第二节 执行器,五、调节机构,调节机构又称控制阀（或调节阀），是一个局部阻力可改变的节流元件。由于阀芯在阀体内移动，改变了阀芯与阀座之间的流通面积，即改变了阀的阻力系数，被控介质的流量相应的改变，从而达到控制工艺变量的目的。,1、控制阀工作原理:根据流体力学原理控制阀压力损失：,式中 ：p=p1-p2阀前后压差； 阻尼系数，随阀的开度而变； v=(q/a)流体的 平均流速； q 流体的体积流量； a阀的接管截面积；流体的密度。,如果将v 以q/a 代替，则阀的流量q可以表示为： 可以看出当控制阀体的口径一定（a一定）阀上压差（p1-p2）和流体的密度 一定时，流量q仅随阻尼系数的变化而变化。因此，控制阀体就是依据执行机构输出的推杆位移量来改变阀门的开启程度，从而改变流通阻力以达到控制流体介质流量的目的。,第二节 执行器,2、控制阀的结构,常用的直通单座阀如右图所示。,（1）阀的结构形式：,直通单座阀 直通双座阀 角型阀 三通阀 碟阀 套筒阀 偏心旋转阀 高压阀,第二节 执行器,可用于位式控制,3、阀芯形式,第二节 执行器,4、流体对阀芯的作用形式和阀芯的安装形式,根据流体通过控制阀时对阀芯的作用方向分为流开阀和流闭阀。流开阀稳定性好，有利于控制，一般情况下多采用流开阀。,阀芯有正装和反装两种形式：阀芯下移时，阀芯与阀座间的流通面积减少的称为正装阀；相反称为反装阀。,第二节 执行器,相对开度,相对流量,流量特性。,的流量特性，也叫实际,管道中，前后差压变时,工作流量特性：阀装在,（固有流量特性）。,差压不变时的流量特性,理想流量特性：阀前后,开时的位移。,控制阀在某一开度及全,、,开时的流量；,控制阀在某一开度及全,、,式中：,控制阀的流量特性，是指控制介质流过阀门的相对流量与阀门相对开度（即推杆的相对位移）之间的函数关系：,5、控制阀的流量特性,l,q,q,l,q,q,max,max,l,l,f,=,第二节 执行器,（1）理想流量特性,控制阀的理想流量特性取决于阀芯曲面的形状，不同阀芯曲面形状所对应的理想流量特性不同。如图所示：,5双曲线 6修正的抛物线,第二节 执行器,理想流量特性，通常有四种典型形式： （1）直线特性-流量与阀芯位移成直线关系； （2）对数特性-流量与阀芯位移成对数关系，即引起的流量变化的百分比相等； （3）快开特性-开度较小时流量变化较大，随开度增大很快达到最大值。 （4）抛物线特性-介于直线流量特性与对数流量特性之间，从而弥补了直线流量特性小开度时控制性能差的特点。,第二节 执行器,r,1,-,1,k,r,1,q,q,c,q,q,l,q,q,0,c,l,k,q,q,k,l,q,q,max,min,max,min,max,max,=,=,=,=,=,=,=,+,=,=,，有,时，,，,时，,代入边界条件,对上式积分：,的流量变化为常数。,或单位行程变化所引起,开度成直线关系。,即阀的相对流量与相对,l,l,l,l,d,d,直线流量特性,第二节 执行器,中直线2。,见右图,时，,时，,由此可得：,，,国产阀的理想可控比,，流量下限，不是泄漏,限之比；,制的流量上限与流量下,，可调比，即阀所能控,上式中，,1,q,q,1,l,033,.,0,q,q,0,l,30,r,q,q,q,r,max,max,min,min,max,=,=,=,=,=,=,l,l,成线性关系。,与,即,）,l,q,q,l,1,r,(,1,r,1,q,q,max,max,-,+,=,l,l,第二节 执行器,下使用。,直线特性适用于大开度,太弱，控制不及时。,变化量太小，控制作用,对,超调。在大开度时，相,控制作用太强，易产生,，相对变化量太大，,由此可见，在小开度时,量为,开度时，流量相对变化,量为,开度时，流量相对变化,量为,开度时，流量相对变化,化量不同，例：,，但相对流量的相对变,总是,的增量,时，所引起的相对流量,变化,从上式计算可知，当,%,11,%,100,80.6,80.6,-,90.3,80%,%,19,%,100,51.7,51.7,-,61.3,50%,%,75,%,100,13,13,-,22.7,10%,%,67,.,9,q,q,%,10,l,max,=,=,=,l,在10%开度基础上再增加10%,第二节 执行器,对数流量特性,性阀的不足。,。因此，克服了直线特,大，控制作用灵敏有效,流量大，流量变化量也,开度时，,作用平稳、缓和；在大,流量变化量也小，控制,在小开度时，流量小，,随开度的增大而增大。,大系数）,可见，其斜率（阀的放,由曲线,成对数关系。,与相对流量,相对开度,即,条件，有,上式积分，并代入边界,对流量成正比。,对流量变化与该点的相,引起的相,即单位相对行程变化所,）,（,k,4,q,q,l,r,q,q,q,q,k,l,q,q,max,1,l,max,max,max,l,l,d,d,l,-,=,=,第二节 执行器,阀座直径。,调节作用。,去了,流通面积不再增大，失,，位移再增大时，阀的,为,它的有效位移一般,）,有,积分，代入边界条件，,快开流量特性,等百分比,。,即,时，有,三点开度变化,、,、,同样，,:,d,4,/,d,l,1,r,(,1,r,1,q,q,q,q,k,l,q,q,40%,4,.,0,8,.,50,8,.,50,2,.,71,3,.,18,3,.,18,6,.,25,67,.,4,67,.,4,58,.,6,80%,50%,10%,%,10,%,80,%,50,%,10,2,1,2,max,1,max,max,-,+,=,=,-,-,-,-,l,l,d,第二节 执行器,抛物线流量特性,开度时的弱点。,弥补了直线流量特性小,之间，,，介于直线与对数特性,见右图曲线3,）,积分并代入边界条件：,l,1,r,(,1,r,1,q,q,q,q,k,l,q,q,2,max,max,max,-,+,=,=,l,l,d,d,第二节 执行器,（2）工作流量特性,性变为工作流量特性。,从而使阀的理想流量特,流量的变化，,减小又会引起通过阀的,加而减小，这种压差的,压差就会随着流量的增,时，阀上的,此，当系统总差压一定,的流量成平方关系。因,造成的压力损失与流过,等存在着阻力，阻力,时，管道、装置、设备,请看下图，阀串联在工艺管道中,特性,串联管道中的工作流量,.,1,第二节 执行器,常用s100表示,。,一般不小于,小，对控制不利。,太小，流量变化范围减,对数变为直线,直线变为快开,特性畸变，,，特性曲线下移，流量,，理想流量特性,，理想流量特性的变化不同。,对于不同的,阀前后压差最小。,阀全开时，,占系统总压降的多少。,表示阀全开时阀上压降,。,系统总压差，,阀全开时阀前后压差；,式中：,压降分压比：,阀,管道,全开,系统,系统,全开,系统,全开,0.3,s,1,s,s,s,p,p,s,p,s,s,p,p,p,p,p,=,+,=,=,d,d,d,d,d,d,d,d,第二节 执行器,与理想基本一致,畸变,严重畸变,与理想基本一致,畸变为线性,严重畸变,）,（,r,q,q,1,l,max,l,-,=,）,l,1,r,(,1,r,1,q,q,max,-,+,=,l,第二节 执行器,2.并联管道中的工作流量特性,总管最大流量。,阀全开时的流量；,式中：,特性发生变化。,旁路阀使控制阀的流量,。,打开一点，这时。,产量提高后，旁路阀需,题时保证继续生产；,旁路阀的作用：阀出问,全开,全开,q,q,q,q,max,max,2,1,=,c,+,=,q,q,q,第二节 执行器,下图：,下的工作流量特性见,不同的,c,作流量特性？,注理想流量特性还是工,调节阀在出厂时，应标,问题：,总流量的百分之十几。,，即旁路量最多只能占,值不低于,不起作用。,度过大时，控制阀几乎,进一步下降。旁路阀开,的增加而下降，可控比,降随着流量,阻力的影响，阀上的压,不利。又加之串联管道,对控制极为,大大下降，这时,路，总管道的可控比将,基本不变化，但由于旁,时，阀本身的流量特性,时，理想流量特性。,0.8,1,c,c,=,c,第三节 模拟式控制仪表的应用,一、仪表的选择,气动类或电动类控制仪表的选择,气动类和电动