第五章执行器

1、第五章第五章 执行器执行器华东理工大学信息学院自动化系华东理工大学信息学院自动化系本章内容本章内容5.0 概述概述 5.1 执行机构执行机构 5.2 控制阀控制阀 5.4 控制阀口径的确定控制阀口径的确定 5.3 气动薄膜控制阀的流量特性气动薄膜控制阀的流量特性 5.5 阀门定位器阀门定位器5.6 气动薄膜控制阀的选用气动薄膜控制阀的选用5.7 数字阀和智能控制阀数字阀和智能控制阀 5.0 概述概述 作用：作用：接收控制器输出的控制信号，接收控制器输出的控制信号，改变操纵变量，使生产过程按预定改变操纵变量，使生产过程按预定要求正常进行。要求正常进行。控制装置执行器过程检测元件、变送器r(t)比

2、较机构-e(t)u(t)q(t)y(t)f(t)c(t)扰动广义对象被控变量测量值控制器设定值简单控制系统的方块图简单控制系统的方块图组成：执行机构和调节机构组成：执行机构和调节机构执行机构：执行机构：执行机构是指根据控制器控制信号产生执行机构是指根据控制器控制信号产生推力或位移的装置。推力或位移的装置。调节机构：调节机构：调节机构是根据执行机构输出信号去改调节机构是根据执行机构输出信号去改变能量或物料输送量的装置，通常指控制阀。变能量或物料输送量的装置，通常指控制阀。现场有时就将执行器称为控制阀。现场有时就将执行器称为控制阀。分类：分类：液动液动电动电动气动气动推力最大，但较笨重，现很少使推

3、力最大，但较笨重，现很少使用用液动液动:电动执行器的执行机构和调节机构是分开的电动执行器的执行机构和调节机构是分开的两部分，其执行机构有两部分，其执行机构有角行程角行程和和直行程直行程两种，两种，都是以两相交流电机为动力的位置伺服机构，都是以两相交流电机为动力的位置伺服机构，作用是将输入的直流电流信号线性地转换为作用是将输入的直流电流信号线性地转换为位移量位移量。安全防爆性能较差，电机动作不够。安全防爆性能较差，电机动作不够迅速，在行程受阻或阀杆被轧住时电机易受迅速，在行程受阻或阀杆被轧住时电机易受损。损。电动：电动： 气动执行器的气动执行器的执行机构和调节机构是统执行机构和调节机构是统一的整

4、体一的整体，其执行机构有，其执行机构有薄膜式薄膜式和和活塞式活塞式两两类。活塞式行程长，适用于要求有较大推力类。活塞式行程长，适用于要求有较大推力的场合，而薄膜式行程较小，只能直接带动的场合，而薄膜式行程较小，只能直接带动阀杆。化工厂一般均采用薄膜式。（习惯称阀杆。化工厂一般均采用薄膜式。（习惯称为气动调节阀为气动调节阀)是是用压缩空气为能源，用压缩空气为能源，结构简结构简单、动作可靠、平稳、输出推动力大、维修单、动作可靠、平稳、输出推动力大、维修方便、防火防爆、价格较低、广泛应用于化方便、防火防爆、价格较低、广泛应用于化工、炼油生产。工、炼油生产。气动：气动：5.1 执行机构执行机构 气动执

5、行器的执行机构和调节机构是统一的整体。气动执行器的执行机构和调节机构是统一的整体。 5.1.1 气动执行机构气动执行机构 气动执行机构主要分为气动执行机构主要分为薄膜式薄膜式和和活塞式活塞式。 薄膜式薄膜式 活塞式活塞式 正作用形式正作用形式: : 信号压力增大信号压力增大, ,推杆向下。推杆向下。反作用形式反作用形式: : 信号压力增大信号压力增大, ,推杆向上。推杆向上。 这种执行机构的输出位移这种执行机构的输出位移与输入气压信号成比例关系。与输入气压信号成比例关系。当压力与弹簧的反作用力平衡当压力与弹簧的反作用力平衡时时, ,推杆稳定在某一位置推杆稳定在某一位置, ,信号信号压力越大压力

6、越大, ,推杆的位移量也越推杆的位移量也越大。大。( (推杆的位移即为执行机推杆的位移即为执行机构的直线输出位移构的直线输出位移, ,也称行也称行程。程。) ) 形式有传统结构和改进结构。形式有传统结构和改进结构。薄膜式薄膜式传统型传统型 国产正作用式执行机构称为国产正作用式执行机构称为zmazma型，反作用式执行机构称型，反作用式执行机构称为为zmbzmb型。较大口径的控制阀都是采用正作用的执行机构。信型。较大口径的控制阀都是采用正作用的执行机构。信号压力通过波纹膜片的上方（正作用式）或下方（反作用式）号压力通过波纹膜片的上方（正作用式）或下方（反作用式）进入气室。进入气室。侧装式气动执行机

7、构（增力式执行机构）侧装式气动执行机构（增力式执行机构） 特点：薄膜式膜头装在支架的侧面特点：薄膜式膜头装在支架的侧面 轻型气动执行机构轻型气动执行机构 特点：结构上采用多根弹簧，结构特点：结构上采用多根弹簧，结构紧凑、重量轻、高度降低、输出推紧凑、重量轻、高度降低、输出推力增大（图见力增大（图见p89p89） (2) (2) 活塞式活塞式 活塞式执行机构属于强力气动活塞式执行机构属于强力气动执行机构。其气缸允许操作压力高执行机构。其气缸允许操作压力高达达0.5mpa0.5mpa，且无弹簧抵消推力，因，且无弹簧抵消推力，因此输出推力很大，特别适用于高静此输出推力很大，特别适用于高静压、高压差、

8、大口径场合。它的输压、高压差、大口径场合。它的输出特性有出特性有两位式两位式和和比例式比例式。两位式两位式是根据活塞两侧的操作压力的大小是根据活塞两侧的操作压力的大小而动作，活塞由高压侧推向低压侧，而动作，活塞由高压侧推向低压侧，使推杆从一个极端位置移动到另一使推杆从一个极端位置移动到另一个极端位置，其行程达个极端位置，其行程达2525100mm100mm，适用于双位控制系统；适用于双位控制系统；比例式比例式是指是指推杆的行程与输入压力信号成比例推杆的行程与输入压力信号成比例关系，必须带有阀门定位器，它适关系，必须带有阀门定位器，它适用于控制质量要求较高的系统。用于控制质量要求较高的系统。 5

9、.1.2 电动执行机构电动执行机构 在防爆要求不高且无合适气源的情况下可以使用在防爆要求不高且无合适气源的情况下可以使用电动执行器。电动执行机构是由电动机带动减速装置，电动执行器。电动执行机构是由电动机带动减速装置，在电信号的作用下产生直线运动和角度旋转运动。在电信号的作用下产生直线运动和角度旋转运动。 电动执行机构一般可以分为电动执行机构一般可以分为直行程、角行程、多直行程、角行程、多转式转式三种。三种。直行程直行程电动执行机构的输出轴输出各种大小不同的电动执行机构的输出轴输出各种大小不同的直线位移，通常用来推动单座、双座、三通、套筒直线位移，通常用来推动单座、双座、三通、套筒等形式的控制阀

10、。等形式的控制阀。角行程角行程电动执行机构的输出轴输出角位移，转动角电动执行机构的输出轴输出角位移，转动角度范围小于度范围小于360360o o, , 通常用来推动蝶阀、球阀、偏心旋通常用来推动蝶阀、球阀、偏心旋转阀等转角式控制阀。转阀等转角式控制阀。多转式多转式电动执行机构的输出轴输出各种大小不等的电动执行机构的输出轴输出各种大小不等的有效圈数，通常用于推动闸阀或由执行电动机带动有效圈数，通常用于推动闸阀或由执行电动机带动旋转式的调节机构，如各种泵等。旋转式的调节机构，如各种泵等。5.2 控制阀控制阀 5.2.1 控制阀（控制阀（调节阀调节阀）结构）结构 调节阀是一个局部阻力可以改变的节流元

11、件。调节阀是一个局部阻力可以改变的节流元件。由由于阀芯在阀体内移动，改变了阀芯与阀座之间的流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，被调介质的流量通面积，即改变了阀的阻力系数，被调介质的流量也就相应地改变，从而达到调节工艺参数的目的。也就相应地改变，从而达到调节工艺参数的目的。正作用正作用：阀芯向下，阀杆向下，流通面积阀芯向下，阀杆向下，流通面积减少。减少。反作用反作用：阀芯向上，阀杆向下，流通面积阀芯向上，阀杆向下，流通面积增大。增大。 执行器如气动薄膜控制阀的执行器如气动薄膜控制阀的执行执行机构机构和和调节机构调节机构组合起来可以实现组合起来可以实现气气开

12、和气关式开和气关式两种调节。两种调节。气动控制阀的气开、气关特性气动控制阀的气开、气关特性气关阀：气关阀：供气量越大，阀门开度越小，供气量越大，阀门开度越小，而在失气时则全开，称而在失气时则全开，称fo型。型。气开阀：气开阀：供气量越大，阀门开度越大，供气量越大，阀门开度越大，而在失气时则全关，称而在失气时则全关，称fc型；型； p(kp) 100 20 20 100 开度 开度 全开 全开 p(kp) 气关阀 气开阀 全关 全关 5.2.2 控制阀类型控制阀类型 直通单座阀、直通双座直通单座阀、直通双座阀阀 直通单座阀直通单座阀 直通双座阀直通双座阀结构特点：结构特点： 只有一个阀芯只有一个

13、阀芯 有两个阀芯有两个阀芯优点：优点： 泄漏量小泄漏量小 不平衡推力较小不平衡推力较小缺点：缺点：阀芯受到的不平衡推力大阀芯受到的不平衡推力大 泄漏量大泄漏量大 适用：适用：压差较小、泄漏量压差较小、泄漏量 压差较大、对泄压差较大、对泄 较小的场合较小的场合 漏量要求不高的场合漏量要求不高的场合 直通单座阀直通单座阀 直通双座阀直通双座阀隔膜控制阀：隔膜控制阀：耐腐蚀性强。结构简单，流路阻力耐腐蚀性强。结构简单，流路阻力小，流量系数大，无泄漏量。小，流量系数大，无泄漏量。角型控制阀、三通控制阀、套筒型控制阀等角型控制阀、三通控制阀、套筒型控制阀等5.3 气动薄膜控制阀的流量特性气动薄膜控制阀的

14、流量特性 定义：流量特性定义：流量特性是指流过阀门的调节是指流过阀门的调节介质介质的相对流量与阀杆的相对行程的相对流量与阀杆的相对行程（阀门的相对开度）之间的关系。（阀门的相对开度）之间的关系。 数学表达式数学表达式maxmaxqlfql表示控制阀某一开度的流量与全开时流量表示控制阀某一开度的流量与全开时流量之比，称为之比，称为相对流量。相对流量。表示控制阀某一开度下阀杆行程与全开时表示控制阀某一开度下阀杆行程与全开时阀杆全行程之比，称为阀杆全行程之比，称为相对开度。相对开度。max/q qmax/ l l类型：类型：理想特性、工作特性理想特性、工作特性5.3.1 理想流量特性理想流量特性定义

15、：控制阀的前后压差不变时定义：控制阀的前后压差不变时得到的流量特性。得到的流量特性。特点：特点：完全取决于阀的结构参数完全取决于阀的结构参数类型：线性、对数、快开类型：线性、对数、快开可调比（可调范围）：可调比（可调范围）：控制阀所能控制的最大流量控制阀所能控制的最大流量qmax与最小流量与最小流量qmin之比。用之比。用r 表示，它反映了控制表示，它反映了控制阀调节能力的大小。阀调节能力的大小。maxminqrq国产控制阀：国产控制阀：r=30。线性阀：线性阀：是指控制阀的相对流量与相是指控制阀的相对流量与相对开度成线性关系。对开度成线性关系。阀杆单位行程变阀杆单位行程变化所引起的相对流量变

16、化是常数。化所引起的相对流量变化是常数。maxmaxqlkcqlmaxmaxqdqkldl积分表达式为积分表达式为对数阀：对数阀：是指单位行程变化所引起的相是指单位行程变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关对流量变化与此点的相对流量成正比关系。系。快开阀：快开阀：在开度较小时就有较大流量，随着开度的在开度较小时就有较大流量，随着开度的增大，流量很快就达到最大，随后在增大开度时流增大，流量很快就达到最大，随后在增大开度时流量的变化很小，故称为快开特性。量的变化很小，故称为快开特性。max(1)maxllqrqmaxmaxmaxqdqqkqldl积分表达式为积分表达式为线性阀：线性阀：放

17、大系数放大系数kv是一是一个常数，不管阀杆原来在个常数，不管阀杆原来在什么位置，只要阀杆做相什么位置，只要阀杆做相同的变化，流量的数值也同的变化，流量的数值也做相同的变化。因此做相同的变化。因此在开在开度较小时流量相对变化值度较小时流量相对变化值大，灵敏度过高，控制作大，灵敏度过高，控制作用过强，用过强，容易产生振荡，容易产生振荡，对控制不利；对控制不利；在开度较大在开度较大时流量相对变化值小，灵时流量相对变化值小，灵敏度又太小，敏度又太小，控制缓慢，控制缓慢，削弱了控制作用。不适宜削弱了控制作用。不适宜用于负荷变化大的场合。用于负荷变化大的场合。 3 2 1 q/qmax(%) l/lmax

18、(%) 0 3.3 控制阀的理想流量特性控制阀的理想流量特性 r=301线性线性2对数对数3快开快开各种阀的特点：各种阀的特点：控制阀的理想流量特性控制阀的理想流量特性 r=301线性线性2对数对数3快开快开对数阀：对数阀：对数阀的放对数阀的放大系数大系数kv随着相对开随着相对开度增加而增加。在小度增加而增加。在小开度时控制阀的放大开度时控制阀的放大系数小，控制平稳缓系数小，控制平稳缓和；在大开度时放大和；在大开度时放大系数大，控制灵敏。系数大，控制灵敏。 3 2 1 q/qmax(%) l/lmax(%) 0 3.3 快开阀：快开阀：适用于迅速启适用于迅速启闭的双位控制系统。闭的双位控制系统

19、。控制阀的理想流量特性控制阀的理想流量特性 r=301线性线性2对数对数3快开快开 3 2 1 q/qmax(%) l/lmax(%) 0 3.3 5.3.2 工作流量特性工作流量特性定义：实际上控制阀的前后压差是变化的定义：实际上控制阀的前后压差是变化的，此时得，此时得到的控制阀的相对流量与相对开度之间的关系称为到的控制阀的相对流量与相对开度之间的关系称为工作流量特性。工作流量特性。 pf p op pv pf p q q pv 串联管道情况串联管道情况串联管道控制阀压差变化串联管道控制阀压差变化配管系数配管系数s：控制阀全开时，控制阀上压差控制阀全开时，控制阀上压差pv 与系与系统总压差统

20、总压差p之比。之比。/vspp s=1时，系统的总压差全部降在控制阀上，时，系统的总压差全部降在控制阀上，工作流量特性就表现为理想流量特性。工作流量特性就表现为理想流量特性。maxmaxmin()vfqpspqrq 管(2)流量特性畸变（流量特性畸变（0.3s0.6: 认为工作特性与理想特性相同。认为工作特性与理想特性相同。0.3s0.6: s0.3 （流量特性畸变很大）（流量特性畸变很大）: 节能运行，可以进行静节能运行，可以进行静态非线性补偿态非线性补偿 在实际使用中，在实际使用中，s选得过大或过小都有不妥之处。选得过大或过小都有不妥之处。s选得过大，在流量相同情况下，管路阻力损耗不变，选

21、得过大，在流量相同情况下，管路阻力损耗不变，但是阀上压降很大，消耗能量过多；但是阀上压降很大，消耗能量过多；s选得过小，则选得过小，则对调节不利。对调节不利。 一般希望一般希望s值最小不低于值最小不低于0.3。配管系数配管系数s的选择：的选择：5.3.3 动态特性动态特性 气动薄膜控制阀膜头是一个气动薄膜控制阀膜头是一个空间空间，它可以看作，它可以看作为一个为一个气容气容，从控制器到气动薄膜控制阀膜头间的，从控制器到气动薄膜控制阀膜头间的引压管线有引压管线有气容和气阻气容和气阻，所以，所以管线和膜头是一个由管线和膜头是一个由气阻和气容组成的一阶滞后环节气阻和气容组成的一阶滞后环节，其时间常数的

22、大，其时间常数的大小取决于气阻和气容。当信号管线太长或太粗，膜小取决于气阻和气容。当信号管线太长或太粗，膜头气室太大时，气阻气容就大，控制阀的时间常数头气室太大时，气阻气容就大，控制阀的时间常数大。这样在控制阀接受控制器的控制信号时，由膜大。这样在控制阀接受控制器的控制信号时，由膜头充气到阀杆走完全行程的过程很长，增加了系统头充气到阀杆走完全行程的过程很长，增加了系统广义对象容量滞后，对控制不利。广义对象容量滞后，对控制不利。通常减小时间常数的措施有：通常减小时间常数的措施有： 尽量缩短引压管线的长度。尽量缩短引压管线的长度。 选用合适口径的气动管线。选用合适口径的气动管线。 加装传输滞后补偿

23、器。加装传输滞后补偿器。5.4 控制阀口径的确定控制阀口径的确定依据：流通能力，依据：流通能力，用流量系数用流量系数kv表示。表示。因为：流量系数因为：流量系数kv直接反映了流体通过控制阀的最直接反映了流体通过控制阀的最大能力。大能力。流通能力定义：控制阀全开时，阀前后压差为流通能力定义：控制阀全开时，阀前后压差为100kpa、流体密度为、流体密度为1g/cm2 时，每小时流经控制阀时，每小时流经控制阀的流量值（的流量值（m3/h ）控制阀口径的确定需经过以下步骤：控制阀口径的确定需经过以下步骤： 根据生产能力、设备负荷确定出最大流量根据生产能力、设备负荷确定出最大流量qvmax。 根据所选的

24、流量特性及系统特点选定根据所选的流量特性及系统特点选定s值（值（s=pv/p），），然后求出计算压差（即阀门全开时的压差）。然后求出计算压差（即阀门全开时的压差）。 根据流通能力计算公式，求得最大流量时的根据流通能力计算公式，求得最大流量时的kvmax。 根据已求得的根据已求得的kvmax，在所选用的产品型号的标准系列中，在所选用的产品型号的标准系列中选取大于选取大于kvmax并最接近的并最接近的kv值，从而选取阀门口径。值，从而选取阀门口径。 验证控制阀开度和可调比，一般要求最大流量时阀开度验证控制阀开度和可调比，一般要求最大流量时阀开度不超过不超过90%，最小流量时阀开度不小于，最小流量时

25、阀开度不小于10% 。 验证合格后，根据验证合格后，根据kv确定控制阀的公称通径和阀座直径。确定控制阀的公称通径和阀座直径。 5.5 阀门定位器阀门定位器功能功能：接受控制器的输出信号，然后将该信号成比：接受控制器的输出信号，然后将该信号成比例地输出到执行机构，当阀杆移动以后，其位移量例地输出到执行机构，当阀杆移动以后，其位移量又通过机械装置负反馈作用于阀门定位器，它与执又通过机械装置负反馈作用于阀门定位器，它与执行机构组成一个闭环系统。行机构组成一个闭环系统。采用阀门定位器，可以增加执行机构的输出功率，采用阀门定位器，可以增加执行机构的输出功率，改善控制阀的性能。改善控制阀的性能。目前较多使

26、用电动控制器，控制阀较多使用气动控目前较多使用电动控制器，控制阀较多使用气动控制阀制阀作用：作用：电气转换和阀门定位器电气转换和阀门定位器输入信号：电动控制器的输出电流输入信号：电动控制器的输出电流输出信号：标准气动信号，操纵气动薄膜控制阀输出信号：标准气动信号，操纵气动薄膜控制阀原理：力矩平衡原理，原理：力矩平衡原理，p975.5.1 电电-气阀门定位器气阀门定位器5.5.2 阀门定位器的作用阀门定位器的作用(1) 改善阀的静态特性改善阀的静态特性(2) 改善阀的动态特性改善阀的动态特性改变了阀原来的一阶滞后特性，减小时间常数，改变了阀原来的一阶滞后特性，减小时间常数，使之成为比例特性。一般

27、地，气压传送管线超过使之成为比例特性。一般地，气压传送管线超过60m时，应采用阀门定位器。时，应采用阀门定位器。(3) 改善阀的流量特性改善阀的流量特性通过改善反馈凸轮的形状通过改善反馈凸轮的形状(4) 用于用于分程控制分程控制(5) 用于阀门的反向动作用于阀门的反向动作可改变阀的气开、气关可改变阀的气开、气关特性特性5.6 气动薄膜控制阀的选用气动薄膜控制阀的选用 一般包括：一般包括：控制阀结构形式及材质的选择；控制阀结构形式及材质的选择；控制阀流量特性的选择。控制阀流量特性的选择。气开、气关的选择；气开、气关的选择；控制阀口径选择控制阀口径选择安装使用安装使用5.6.1 结构形式及材质的选

28、择结构形式及材质的选择依据：依据：工艺条件工艺条件 调节介质特性调节介质特性例如，当控制阀前后压差较小，要求泄漏量也较小例如，当控制阀前后压差较小，要求泄漏量也较小的场合应选用直通单座阀；当控制阀前后压差较大，的场合应选用直通单座阀；当控制阀前后压差较大，并且允许有较大泄漏量的场合选用直通双座阀；当并且允许有较大泄漏量的场合选用直通双座阀；当介质为高粘度，含有悬浮颗粒物时，为避免粘结堵介质为高粘度，含有悬浮颗粒物时，为避免粘结堵塞现象，便于清洗应选用角型控制阀。塞现象，便于清洗应选用角型控制阀。 表表5-2（p98、p99）控制阀选用参考表）控制阀选用参考表特殊的情况特殊的情况 闪蒸和空化闪蒸

29、和空化 磨损磨损 腐蚀腐蚀 高温高温 低温低温 高压降高压降 5.6.2 流量特性的选择流量特性的选择通常是指如何合理选择线性和对数流量特性。通常是指如何合理选择线性和对数流量特性。选择步骤：选择步骤：(1) 根据过程特性，选择阀的工作特性；根据过程特性，选择阀的工作特性；(2) 根据配管情况，从所需的工作特性出发，根据配管情况，从所需的工作特性出发，推断理推断理想流量特性。想流量特性。选择原则：使整个广义选择原则：使整个广义对象具有线性特征。对象具有线性特征。控制阀特性的选取要能控制阀特性的选取要能够补偿广义对象特性的够补偿广义对象特性的非线性性。非线性性。 输出 输入 过程 控制阀 5.6.3 控制阀气开、气关的选择控制阀气开、气关的选择原则：安全原则原则：安全原则因：供气中断时，应使因：供气中断时，应使给水阀全开，使得锅炉给水阀全开，使得锅炉不致烧干引起爆炸。不致烧干引起爆炸。故：选气关阀。故：选气关阀。 蒸汽 汽包 lt lc 给水 省煤器 锅炉汽包水位控制带控制点的流程图