过控第四章执行机构

1、主要内容主要内容4.1 执行器的工作原理与分类4.2 电动执行机构4.3 气动执行机构4.4 调节机构4.5 电-气转换器4.6 阀门定位器4.7 执行器的选择第四章 执行器4.1 执行器的工作原理与分类执行器接收来自控制器的控制信号，通过执行机构将其转换成相应的角位移或直线位移，去改变调节机构的流通面积，从而调节流入或流出被控过程的物料或能量，实现对温度、压力、流量等过程被控参数的自动控制。执行器安装在现场，直接与介质接触，常常在高温、高压、易腐蚀、易结晶、易燃易爆等恶劣条件下使用。 4.1 执行器的工作原理与分类-组成按使用能源分电动执行器气动执行器输入0-10mADC或4-20mADC电

2、流信号。方便、信号传输速度快、传输距离远; 结构复杂、安全防爆性能差、推力小、价格贵，适用于防爆要求不高及缺乏气源的场所 4.1 执行器的工作原理与分类-分类液动执行器推力大，体积较大，适用于被控制压力高的场合 输入0.02-0.1MPa气压信号。结构简单、动作平稳可靠、输出推力大、维护方便、价格便宜、安全防爆系数高。动作时间长，不适合远传（传输距离150m），而且不能与数字设备直接连接。 q电动调节阀：电源配备方便，信号传输快、电动调节阀：电源配备方便，信号传输快、损失小，可远距离传输；但推力较小。损失小，可远距离传输；但推力较小。q气动调节阀：结构简单，可靠，维护方便，气动调节阀：结构简单

3、，可靠，维护方便，防火防爆；但气源配备不方便。防火防爆；但气源配备不方便。q液动调节阀：用液压传递动力，推力最大；液动调节阀：用液压传递动力，推力最大；但安装、维护麻烦，使用不多。但安装、维护麻烦，使用不多。 工业中使用最多的是气动调节阀和电动调节阀。工业中使用最多的是气动调节阀和电动调节阀。 按输出位移形式转角型90（或360） 4.1 执行器的工作原理与分类-分类直线型短行程和长行程 按动作规律开关型全开和全关两种状态，如电磁阀 积分型正向等速运动、反向等速运动和停止三种状态，实现任意阀门开度的调节 比例型输出位移和输入信号成比例关系 接收来自控制器的0-10mA.DC或4-20mA.DC

4、电流信号，并将其转换为相应的角位移（输出力矩）或直线位移（输出力），去操纵阀门、档板等调节机构。 4.2 电动执行机构-概念角行程以电动机作为动力元件，将输入的直流电流信号转换为相应的角位移（0-90），适用于操纵蝶阀、档板之类的旋转式调节阀 直行程将输入的直流电流信号，通过电动机和减速器，转换为直线位移输出，适用于操纵单座、双座、三通等直线式调节阀 多转式开启和关闭闸阀、截止阀等多转式阀门 执执行行机机构构如直动式电磁阀：如直动式电磁阀： 线圈通电时，产生电线圈通电时，产生电磁力，吸引阀芯柱上移，磁力，吸引阀芯柱上移，阀门打开。阀门打开。 线圈断电后，电磁力线圈断电后，电磁力消失，阀芯落下。

5、在弹簧消失，阀芯落下。在弹簧压力下阀门紧闭。压力下阀门紧闭。 电磁阀是位式阀，只电磁阀是位式阀，只有全开和全关两个位置。有全开和全关两个位置。电动调节阀由执行机构和电动调节阀由执行机构和阀门两部分组成。阀门两部分组成。q执行机构是调节阀的推动执行机构是调节阀的推动装置，它将输入信号转换成相装置，它将输入信号转换成相应的动力，带动控制机构动作。应的动力，带动控制机构动作。q阀门是调节阀的控制机构，阀门是调节阀的控制机构，它与气动调节阀的阀门是通用它与气动调节阀的阀门是通用的。的。执行机构执行机构控制机构控制机构电动执行机构电动执行机构 4.2 电动执行机构-工作原理可与控制器配合实现自动调节，还

6、可通过操作器实现系统的自动调节和手动调节的相互切换。当操作器的切换开关置于手动操作位置时，由正、反操作按钮直接控制电机的电源，以实现执行机构输出轴的正转或反转。 4.2 电动执行机构-执行机构将伺服放大器输出的电功率转换成机械转矩，并当伺服放大器没有输出时，电机能可靠地制动。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，从而推动调节机构。将执行机构输出轴的位移线性地转换成0-10mA.DC或4-20mA.DC反馈信号，并作为位置反馈信号反馈到伺服放大器的输入端。 伺服电机 定义: 在伺服系统中控制机械元件运转的发动机.是一种补助马达间接变速装置。 作用：伺服

7、电机,可使控制速度,位置精度非常准确。将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象 分类：直流伺服电机和交流伺服电机。4.2 电动执行机构-执行机构 当铁芯在中间位置时，因两副边绕组的磁路对称，故感应电压U1=U2，但因两绕组反向串联，所以输出电压U0=0； 当铁芯自中间位置向上移动时，磁路对两绕组不对称，故感应电压U1U2，因而输出电压U0= U1-U2； 当铁芯向下移动时，两绕组中的感应电压U10.3到0.5。 S=1时，为理想流量特性； S0.8： X减小，调节阀可调范围减小。 X=1时，旁路阀全开，为理想特性曲线；（2）流量特性-并联管道的工作流量特性4.4 调节机构-调节阀特性 （2）流

8、量特性-工作流量特性4.4 调节机构-调节阀特性-使理想流量特性发生畸变，串联管道的影响尤为严重。-使调节阀的可调范围降低，并联管道尤为严重。-串联管道使系统总流量减少，并联管道使系统总流量增加。-使调节阀的放大系数减小，即输入信号变化引起的流量变化减小。串联管道时，若调节阀处于大开度，则S值降低对放大系数影响更为严重。并联管道时，若调节阀处于小开度，则X值降低对放大系数影响更为严重。4.5 电-气转换器目的：控制器输出通常是电动信号，若执行器采用气动执行器，就必须将控制器输出的标准电流信号转换为0.02-0.1MPa的标准气压信号，才能与气动执行器配接。 I 吸力吸力Fi 杠杆偏转杠杆偏转

9、挡板与喷嘴间隙挡板与喷嘴间隙 背压背压 放大器输入放大器输入 输出压力输出压力P 杠杆杠杆的反馈力的反馈力Ff 杠杆平衡杠杆平衡 PI工作原理工作原理负反馈负反馈磁铁磁铁调零调零FiFf背压背压4.6 阀门定位器目的： 为防止阀杆引出处泄漏，填料通常压得很紧，使摩擦力很大； 对具有高黏度等特性的被调介质，会对阀芯的作用力产生影响； 影响执行机构与输入信号间定位关系，使调节阀不能准确定位。 解决措施解决措施 在调节阀上加装阀门定位器，引入阀杆位移负反馈。使阀杆能按输入信号精确地确定自己的开度。 应用场所应用场所 1）由于阀门定位器可以增加执行机构的输出功率，克服阀杆与填料之间的摩擦力和介质对阀芯

10、产生的不平衡力，所以适用于高压差、大口径和含有固体悬浮物的介质或黏性流体场合。2）当控制器与执行机构距离较远时。采用阀门定位器可以减少控制信号的传递滞后，加快阀杆的移动速度。 应用场所应用场所 3）通过阀门定位器可以提高控制信号与执行机构输出位移间的线性度，从而保证调节阀的准确定位。一般在快速响应系统中，采用电-气转换器；在慢速响应系统中采用电-气阀门定位器。实际应用中，常把电实际应用中，常把电/气转换器和阀门定位器结合成气转换器和阀门定位器结合成一体，组成电一体，组成电/气阀门定位器。气阀门定位器。 I杠杆上端右移杠杆上端右移挡板挡板靠近喷嘴靠近喷嘴 P压力压力阀杆下移阀杆下移反馈凸轮反馈凸

11、轮右转右转 反馈弹簧右拉反馈弹簧右拉杠杆平衡杠杆平衡气动薄膜单座气动薄膜单座(套筒套筒)调节阀调节阀气动薄膜气动薄膜双双座调节阀座调节阀 气动调节阀气动调节阀气动调节蝶阀气动调节蝶阀智能式调节阀智能式调节阀 随着电子技术的迅速发展，微处理器也被引入到随着电子技术的迅速发展，微处理器也被引入到调节阀中，出现了智能式调节阀。主要功能如下：调节阀中，出现了智能式调节阀。主要功能如下：1控制及执行功能控制及执行功能2补偿及校正功能补偿及校正功能3通信功能通信功能4诊断功能诊断功能5保护功能保护功能 智能电动执行机构智能电动执行机构4.7 执行器选择（1）结构形式-气动和电动执行机构选择。特别对于气动执

12、行机构，必须确定气动执行器的气开、气关作用方式。 -调节机构选择要充分考虑流体性质（如黏度、腐蚀性、毒性等）、工艺条件（如温度、压力、流量等）和系统要求，兼顾经济性和工艺要求。 可靠性驱动能源价格输出力防爆性能气动执行机构高压缩气体，气源装置低小好电动执行机构较低电，方便高大差 例如，一般介质条件选用直通单座阀或直通例如，一般介质条件选用直通单座阀或直通双座阀；高压介质选用高压阀；强腐蚀介质采用隔双座阀；高压介质选用高压阀；强腐蚀介质采用隔膜阀等。膜阀等。气动薄膜三通调节阀气动薄膜三通调节阀气动薄膜精气动薄膜精小型调节阀小型调节阀气动薄膜式隔膜阀气动薄膜式隔膜阀V型型O型型对夹薄型对夹薄型气动

13、调节球阀气动调节球阀气动法兰调节蝶阀气动法兰调节蝶阀气动对夹式调节蝶阀气动对夹式调节蝶阀气动精小型调节阀气动精小型调节阀4.7 执行器选择（2）调节阀流量特性-考虑系统的控制性能指标。保证控制品质的重要因素之一是：保持控制系统的总放大倍数在工作范围内尽可能恒定。给定值给定值被控量被控量干扰干扰f 控制器控制器 传感器传感器执行器执行器被控对象被控对象+eW c(s)W3(s)W1(s)W2(s)K=K1K2K3Kc有的被控对象的有的被控对象的放大倍数，在不同的工艺点不同。放大倍数，在不同的工艺点不同。如热水加热器的热水流量与送风温度的静特性如热水加热器的热水流量与送风温度的静特性MTT热水热水

14、Q/maxQ/ Qmax050%50%100%100%K 由图可见，随着热水流量增大，对送风的加热效由图可见，随着热水流量增大，对送风的加热效果越来越差。因为热交换需要时间，热水很快流走，果越来越差。因为热交换需要时间，热水很快流走，不能充分热交换所致。但若用蒸汽加热，由于冷凝放不能充分热交换所致。但若用蒸汽加热，由于冷凝放热很快，该特性为直线特性。热很快，该特性为直线特性。很多对象在工作区域内稳态放大倍数很多对象在工作区域内稳态放大倍数K不是常不是常数，在不同的工艺负荷点，数，在不同的工艺负荷点，K不相同。因此希望调不相同。因此希望调节阀的流量特性能补偿对象的静特性。节阀的流量特性能补偿对象

15、的静特性。（1 1）若调节对象的静特性是非线性的，）若调节对象的静特性是非线性的，工艺负荷变工艺负荷变化又大，化又大，用等百分比特性补偿。用等百分比特性补偿。（3）配配管阻力大、管阻力大、s值低，值低，等等百分比阀会畸变成直线阀。百分比阀会畸变成直线阀。（2）若）若调节对象的静特性是调节对象的静特性是线性的，或线性的，或工艺负荷变化不大，工艺负荷变化不大，用直线阀。用直线阀。4.7 执行器选择（2）调节阀流量特性-考虑工艺管路情况。先根据系统的特点确定阀门预期的工作流量特性，然后再根据工艺管道情况选择理想流量特性。配管情况S=0.6-1S=0.3-0.6阀的工作流量特性直线抛物线等百分比直线抛

16、物线等百分比阀的理想流量特性直线抛物线等百分比等百分比直线等百分比一般选取S=0.3-0.5。对于高压系统，考虑到节约动力，S可以小于0.3。对于气体，考虑到阻力损失较小，一般选取S0.5。 4.7 执行器选择（2）调节阀流量特性-考虑负荷变化情况。直线流量特性的调节阀在小开度时流量相对变化值大，调节过程过于灵敏，易于引起振荡，且阀芯、阀座也易受到破坏，因此不宜在S值小、负荷变化大的场合采用。等百分比流量特性的调节阀放大系数随阀门形成增加而增大，流量相对变化值恒定，因此适用于负荷变化幅度大的场合。4.4 调节机构-调节阀特性（3）调节阀口径-口径选择过小，会使流经调节阀的介质达不到所需要的最大

17、流量。在大干扰情况下，会因介质流量不足而失控。-口径选择过大，不仅会浪费设备投资，而且会使调节阀处于小开度工作，导致调节性能变差，引起系统振荡，降低阀门寿命。 -调节阀的口径是依据调节阀流量系数C确定。 流量系数流量系数C的定义：的定义：在阀两端压差在阀两端压差100kPa，流体为水（，流体为水（103Kgm3）的条件下，阀门全开时每小时能通过调节阀的流体流的条件下，阀门全开时每小时能通过调节阀的流体流量（量（m3 /h）。）。例如，某一阀门全开、阀两端压差为例如，某一阀门全开、阀两端压差为100kPa时，时，流经阀的水流量为流经阀的水流量为20 m3 /h，则该调节阀的流量系数，则该调节阀的

18、流量系数为：为：C=20。 在调节阀技术手册上，在调节阀技术手册上，给出了各种阀门的口径和流给出了各种阀门的口径和流通能力通能力 C ，供用户查阅。，供用户查阅。CDg 将流量系数的定义条件代入基本流量公式：将流量系数的定义条件代入基本流量公式：0022CA100A100010 实际应用中阀门两端压差不一定是实际应用中阀门两端压差不一定是100kPa，流，流经阀门的流体也不一定是水，因此必须换算。经阀门的流体也不一定是水，因此必须换算。02APQ（1）液体流量系数）液体流量系数C值的计算值的计算 根据基本流量公式根据基本流量公式两式相除得两式相除得QDgPCQ10P （2）气体、蒸汽）气体、蒸汽C值的计算值的计算 气体、蒸汽都具有可压缩性，其气体、蒸汽都具有可压缩性，其C值的计算必须值的计算必须考虑气体的可压缩性和二相流问题，计算时进行相考虑气体的可压缩性和二相流问题，计算时进行相