第6章 执行器

执行器是指 阀门 调节阀 连续的 开关阀 过程控制范畴 电机 连续的 开关的 属于流体机械的范畴 起执行器的作用 原因 执行器与介质 操作变量 直接接触 通常在强腐蚀性 高粘度 易结晶 高温 深冷 高压 高差压等场合工作 作用 接收调节器 计算机 输出的控制信号 使调节阀的开度产生相应变化 从而达到调节操作变量流量的目的 执行器通常专指阀门 执行器是控制系统必不可少的环节 执行器工作 使用条件恶劣 它也是控制系统最薄弱的环节 6执行器 6 1概述 执行器由执行机构和调节机构两个部分构成 执行机构 调节机构 PO IO F l M 流通截面积 操纵变量的流量 执行机构 根据控制信号产生推力 薄膜 活塞 马达 调节机构 根据推力产生位移或转角 改变阀芯和阀座间流通面积 开度 从而调节被控介质的输送量 它直接与被控介质接触控制流体的流量 所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置 气动执行器 分类 按使用的能源形式 电动执行器 液动执行器 气动阀 电动阀 特点 推力大 适用于负荷较大的场合 辅助设备笨重 体积庞大 在过程控制领域应用很少 按阀门的输出 连续式 0 100 开关式 ON OFF 调节阀 注意 气动执行器和电动执行器的执行机构不同 而调节机构相同 气动调节阀采用气动执行机构 优点 结构简单 动作可靠稳定 推力适中 安装维修方便 价格便宜和防火防爆 适用于石油 化工领域缺点 响应时间长 信号不适于远传输入信号 0 02 0 1MPa采用电 气转换器或电 气阀门定位器 使传送信号为电信号 现场操作为气动信号 气动调节阀 电信号 气信号 电动调节阀 电动调节阀采用电动执行机构 优点 动作较快 能源获取方便 特别适于远距离的信号传送缺点 输出力较小 价格贵 且一般只适用于防爆要求不高的场合输入信号 4 20mA 电 气转换器 反作用 正作用 当输入信号增大时 执行器的开度增大 即流过执行器的流量增大正作用气动调节阀通常称为气开阀 执行器的作用方式 从安全生产的角度来确定正反作用 选择原则 压力信号中断时 避免损坏设备及伤害操作人员 如果介质是有强腐蚀性的 再生产过程中不允许溢出 调节阀的作用形式 如果后面的环节不允许没有物料 调节阀的作用形式 当输入信号增大时 流过执行器的流量减小反作用气动调节阀通常称为气关阀 答 选气开阀 答 选气关阀 四种组合 反作用 气关式 气关式 气开式 气开式 反作用 正作用 正作用 执行机构分类 按阀杆的位移方向 正作用 信号压力增加时推杆向下移动 反作用 压力信号增大时推杆向上移动 一般是压力信号通过弹性膜片下方进入气室 正装阀芯 推杆下移时阀门关小 反装阀芯 推杆下移时阀门开大 气开式还是气关式 正装 反装 气源PO 气动薄膜式执行机构基本结构和工作原理 气源PO 气动执行机构的动态特性为一阶惯性环节 其时间常数的大小与薄膜气室大小及引压导管长短粗细有关 一般为数秒到数十秒之间 气动执行机构主要分为两大类 薄膜式与活塞式薄膜式与活塞式执行机构又可分为 有弹簧和无弹簧两种 一 气动执行机构的结构和原理 6 2执行机构 气动活塞式执行机构基本结构和工作原理 基本部件 活塞和气缸活塞在气缸内随活塞两侧压差而移动两侧可以分别输入一个固定信号和一个变动信号 或两侧都输入变动信号 输出特性两种 比例式 两位式 两位式 根据输入执行活塞两侧的操作压力的大小 活塞从高压侧推向低压侧 使推杆从一个位置移到另一极端位置 比例式 在两位式基础上加有阀门定位器后 使推杆位移与信号压力成比例关系 二 电动执行机构 以电动机为核心动力源 将控制器输出的直流电信号直接转换成相应的角位移或直线行程的机构 电动执行机构的分类 角行程 使输出轴产生0 90 角位移 直行程 电动执行机构框图 放大器的作用是将输入信号和反馈信号进行比较 得到差值信号 并将差值进行功率放大 伺服电动机输出转速高 力矩小 必须经过减速器的减速 才能推动调节机构 1 执行机构2 阀杆3 阀芯4 阀座5 阀体6 转轴7 阀板 主要构成 阀体 阀座 阀心 和阀杆或转轴 6 3调节机构 在执行机构的输出力和输出位移作用下 调节机构阀芯的运动 改变了阀芯与阀座之间的流通截面积 即改变了调节阀的阻力系数 使被控介质流体的流量发生相应变化 直通单座调节阀直通双座调节阀角形阀三通调节阀隔膜调节阀 直行程式调节机构 角行程式调节机构 蝶阀O型球阀V型球阀 分类 按使用的调节机构 特点 阀体内只有一个阀芯和一个阀座 结构简单 泄漏量小 甚至可以完全切断 允许压差小 1 常用调节阀结构示意图及特点a 直通单座调节阀 它适用于要求泄漏量小 工作压差较小的干净介质的场合 在应用中应特别注意其允许压差 防止阀门关不死 特点 阀体内有两个阀芯和阀座 因为流体对上 下两阀芯上的作用力可以相互抵消 因此双座阀具有允许压差大由于加工限制 上 下两阀芯不易同时关闭 泄漏量较大 b 直通双座调节阀 它适用于阀两端压差较大 泄漏量要求不高的干净介质场合 不适用于高粘度和含纤维的场合 分流三通调节阀 特点 两种类型 三通合流阀和三通分流阀 三通合流阀为介质由两个输入口流进混合后由一出口流出 三通分流阀为介质由一入口流进 分为两个出口流出 阀体有三个接管口 适用于三个方向流体的管路控制系统 大多用于热交换器的温度调节 配比调节和旁路调节 c 三通调节阀 合流三通调节阀 特点 蝶阀是通过挡板以转轴为中心旋转来控制流体的流量 流通能力大特别适用于低压差 大口径 大流量的气体形式或带有悬浮物流体的场合泄漏较大 d 蝶阀 蝶阀 孔板流量计的公式 1 流量系数 调节阀的流量方程 调节阀特点 局部阻力可变的节流元件 阀芯在阀体内移动 改变了阀芯与阀座间流通面积 即改变了阀的阻力系数 从而改变被控介质的流量 式中 Q为体积流量 A为阀连接管横截面积 为阀阻力系数 由阀体结构决定 p1 p2 p为阀前压力 阀后压力 阀前后压差 为液体密度 流量系数是反映调节阀口径大小的一个重要参数 K为流量系数 表示调节阀的结构参数 6 4调节阀的流量系数和流量特性 流量系数KV的定义 在调节阀前后压差为100KPa 流体密度为1g cm3 即5 40 的水 的条件下 调节阀全开时 每小时通过阀门的流体量 m3 提出流量系数的概念 目的是根据工艺要求如何来选择一台合适的调节阀 由于流量系数K与流体的种类 工况以及阀的开度有关 为了便于调节阀口径的选择 必须给给出一个统一的条件 并将在这一条件下的流量系数用KV表示 p的单位取为KPa 则 调节阀流量特性 介质流过调节阀的相对流量与阀门的相对开度 即相对位移 之间的关系 流过调节阀的流量不仅与阀的开度有关 同时还与阀前后压差大小有关 阀开度变化 阀前后压差变化 流量变化 2 调节阀的流量特性 为了分析方便 先假定阀门压差固定 即理想流量特性 然后再讨论阀门在管路中实际工作的情况 即实际流量特性 调节阀的固有特性 由阀芯的形状所决定 1 快开特性 2 直线特性 3 抛物线特性 4 等百分比特性 对数 理想流量特性阀前后压差不随阀的开度而变化 P 常数 调节阀的相对流量与相对位移成直线关系 即单位位移变化所引起的流量变化是常数 a 直线流量特性 代入边界条件 积分 特点 放大系数是常数 其中 可调比 特点 a 小开度时 流量相对变化值大 灵敏度高 控制作用强 易产生振荡 直线流量特性时调节阀的相对开度与相对流量 R 30 相对流量变化量 流量变化 起始流量 10 开度 50 开度 80 开度 b 大开度时 流量相对变化值小 灵敏度低 控制作用弱 调节缓慢 不够及时 特点 Q 放大系数K 小开度 K小 控制平稳缓和大开度 K大 控制灵敏有效 单位相对位移变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系 b 等百分比流量特性 对数流量特性 特点 不同开度时 流量相对变化值均相等 40 又称等百分比流量特性 对数流量特性时调节阀的相对开度与相对流量 R 30 相对流量变化量 流量变化 起始流量 10 开度 50 开度 80 开度 单位相对位移的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量值的平方根成正比关系 c 抛物线流量特性 介于直线流量特性和对数流量特性之间 可用对数流量特性代替 在开度较小时就有较大的流量 随着开度的增大 流量很快就达到最大 此后再增加开度 流量变化很小 有效位移一般为阀座直径的1 4 适用于迅速启闭的位式控制或程序控制系统 d 快开流量特性 上述4种流量特性中 直线和等百分比最常用 1 串联管道时工作流量特性 工作流量特性阀前后压差随阀的开度而变化 P变化 阻力比S 阀全开时阀上压差 pv与系统总的压差 ps之比 即 表示除阀之外的各种阻力压差之和 压力分布 管道相当于流动阻力件 当总压差 Ps一定时 随着调节阀开度增大 流量增加 管道部分的阻力损失越大 压力降随流量的平方增大 即 PP越大 S 1 PV PS 常数 理想流量特性 一般S 1 流量特性发生畸变直线特性 快开特性 不利于控制 等百分比特性 直线特性 控制范围大大减小 S越小 畸变越严重 要求 S 0 3 可调比R反映调节阀的调节能力的大小 定义 调节阀所能调节的最大流量和最小流量之比 调节阀前后压差的变化 会引起可调比变化 将可调比分为理想可调比和实际可调比 3 调节阀的可调比 理想可调比由结构设计决定 通常 R 30或50 1 理想可调比R调节阀前后压差一定时的可调比 P一定 例如 串联管道时的可调比 设 2 实际可调比R P变化 其中 Pmax为调节阀全关时的阀前后压差 它约等于管道系统的压差 PS 串联管道时的可调比 6 5气动执行器附件 1 电 气转换器过程控制中 调节器常常采样电动的 而执行器 调节阀 采用气动的 此时必须将电信号转换成气信号 才能与气动执行器配合使用 力矩平衡时 输入电流信号与输出压力P出成一一对应的比例关系 即输入信号从4mA改变到20mA时 转换器的输出压力从0 02 0 1MPa变化 实现了将电流信号转换成气动信号的过程 工作原理 力平衡原理 图中调零弹簧 用来调节P出的起始值 2 电 气阀门定位器 将控制信号 I0或PO 成比例地转换成气压信号输出至执行机构 使阀杆产生位移 可见 阀门定位器与气动执行机构构成一个负反馈系统 阀杆位移量通过机械机构反馈到阀门定位器 当位移反馈信号与输入的控制信号相平衡时 阀杆停止动作 调节阀的开度与控制信号相对应 所以 位移 KpI0 在什么情况下需要使用阀门定位器 答 大口径阀门 或者要求由较大输出力的阀门等 小口径阀门一般较少使用 此外 阀门定位器还可以接受不同范围的输入信号 因此采用阀门定位器还可实现分程控制 主要作用 1 实现准确定位 2 改善执行机构的动态特性 阀门定位器与执行机构安装在一起 因而可减少气压信号的传输滞后 改变原来调节阀的一阶惯性特性 使之成为比例特性 当输入IO流过线圈 磁钢作用下 对主杠杆2产生向左的力Fi 主杠杆绕支点反时针偏转 挡板13靠近喷嘴15 气源放大转换后使压力信号Pa增加 作用于薄膜 使阀杆向下移动 并带动反馈杆9绕支点4偏转 连在同一轴上的凸轮5也跟着逆时针偏转 滚轮10使负杠杆7顺时针偏转 从而使反馈弹簧11拉伸 对主杠杆产生反馈力矩 最终使阀门定位器达到平衡状态 此时 一定的输入IO信号就对应于一定的阀杆位移 即对应于一定的阀门开度 Pa 电 气阀门定位器工作原理 力矩平衡原理 2 主杠杆 13 挡板 15 喷嘴 14 气动放大器 9 反馈杆 5 反馈凸轮 6 副杠杆 10 滚轮 11 反馈弹簧 8 气动执行机构 执行器的选择 主要是从以下三方面考虑 1 调节阀的结构形式 2 调节阀的流量特性 3 调节阀的口径 6 6 执行器的选择计算 气动薄膜式执行机构和电动执行机构的比较 一 执行器结构形式的选择 气开式 气压 控制 信号增加 阀门开度增加 没有气压 控制 信号时 阀门全关 气关式 气压 控制 信号增加 阀门开度减小 没有气压 控制 信号时 阀门全开 调节阀气开式与气关式的选择 选择原则 控制系统发生故障 信号中断时 调节阀的开关状态应能保证工艺设备和操作人员的安全 例如 锅炉供水调节阀 答 气关式 进加热炉的燃料气调节阀 答 气开式 易结晶 易凝固物料 答 气关式 实际生产过程中 操作条件的改变 负荷变化使得被控对象特性发生变化 对控制质量产生影响 可以通过选择不同结构的调节阀 利用调节阀的流量特性来克服负荷变化带来的影响 原理 利用调节阀的放大系数的变化来补偿控制对象放大系数的变化 使广义对象的放大系数基本保持不变或近似不变 从而达到较好的控制效果 例如 若对象为 流量Q增加引起对象的 0减小 K0减小 此时选什么流量特性的调节阀 对数还是直线 答 对数 放大系数随负荷增加而增加 选择原则 过程控制系统的总放大系数在整个操作范围内不变 二 调节阀流量特性的选择 常用的调节阀的流量特性 直线 对数 1 考虑系统的控制品质 系统要求 确定工作流量特性 要求 系统的开环放大系数为定值 调节阀的增益 KV dQ dt 依据流量特性畸变程度 S值 确定理想流量特性 S 1 0 6 理想流量特性与工作流量特性相同 S