控制仪表与计算机控制装置 第五章执行器

1、控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置1 5.执行器执行器在自动控制系统中的作用： 接受来自控制器的控制信号，通过其本身开度的变化，从而达到控制流量的目的。 执行器工作、使用条件恶劣，它是控制系统的薄弱环节 5.1. 概述 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置25.1.2. 执行器的构成执行器的构成执行器由执行机构执行机构和控制机构

2、控制机构两个部分构成 辅助装置：阀门定位器、手操机构 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置35.1.3.5.1.3.执行器的分类及特点执行器的分类及特点 按使用的能源形式 ：气动执行器、电动执行器和液动执行器 气动调节阀 电动调节阀 气动调节阀采用气动执行机构气动执行机构：薄膜式输出直线位移l直行程式调节机构活塞式长行程式角行程式调节机构控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测

3、控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置4执行器的分类执行器的分类 电动调节阀采用电动执行机构电动执行机构：直行程式 输出直线位移l 直行程式调节机构 输出角位移 角行程式调节机构 角行程式控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置5执行器的分类执行器的分类 按使用的调节机构： 直通双座调节阀直通双座调节阀直通单座调节阀直通单座调节阀 笼式（套筒）调节阀笼式（套筒）调节阀 角型调节阀角型调节阀 三通调节阀三通调节阀 高压调节阀高压调节阀隔膜调节阀隔膜调节阀波纹管密

4、封调节阀波纹管密封调节阀超高压调节阀超高压调节阀小流量调节阀小流量调节阀低噪音调节阀低噪音调节阀直行程式调节机构 角角 行行程程式式调调节节机机构构 同一类型的气动调节阀和电同一类型的气动调节阀和电动调节阀，分别采用气动执行机动调节阀，分别采用气动执行机构和电动执行机构构和电动执行机构蝶阀蝶阀凸轮挠曲调节阀凸轮挠曲调节阀V型球阀型球阀O型球阀型球阀 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置6执行器的特点执行器的特点 气动调节阀气动调节阀优点：结构简单、动作可靠稳定、

5、输出力大、优点：结构简单、动作可靠稳定、输出力大、 安装维修方便、价格便宜和防火防爆安装维修方便、价格便宜和防火防爆 缺点：响应时间大，信号不适于远传缺点：响应时间大，信号不适于远传 采用电采用电/ /气转换器或电气转换器或电/ /气阀门定位器，使传送信号气阀门定位器，使传送信号 为电信号，现场操作为气动信号。为电信号，现场操作为气动信号。电动调节阀电动调节阀优点：优点：动作较快、能源获取方便动作较快、能源获取方便 特别适于远距离的信号传送特别适于远距离的信号传送 缺点缺点：输出力较小、价格贵，输出力较小、价格贵， 且一般只适用于防爆要求不高的场合且一般只适用于防爆要求不高的场合控制仪表和计算

6、机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置75.1.4. 执行器的作用方式执行器的作用方式 反作用:当输入信号增大时，流过执行器的流量减小 气动调节阀通常称为气关阀 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 气动调节阀通常称为气开阀控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置85.2. 执行机构执行机构 执行机构的作用: 根据输入控

7、制信号的大小，产生相应的输出力F和位移(直线位移l或角位移) 输出力F用于克服调节机构中流动流体对阀芯产生的作用力或作用力矩，以及摩擦力等其他各种阻力； 位移(l或)用于带动调节机构阀芯动作 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置9执行机构作用方式执行机构作用方式 正作用:输入信号增加，执行机构推杆向下运动 反作用:输入信号增加，执行机构推杆向上运动 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电

8、气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置105.2.1. 气动执行机构气动执行机构 气动执行机构接受气动调节器或阀门定位器输出的气压信号，并将其转换成相应的输出力F和直线位移l，以推动调节机构动作。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 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置115.2.1.1. 基本结构和工作原理基本结构和工作原理 (1)气动薄膜式执行机构结构: 1-上膜盖； 2-膜片3-压

9、缩弹簧；4-下膜盖5-支架； 6-连接阀杆螺母7-行程标尺；8-推杆控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置12气动薄膜式执行机构的特性气动薄膜式执行机构的特性 气动薄膜式执行机构的力平衡方程式为 CslAPe11PCsAle静态特性 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置13气动薄膜式执行机构的动态特性气动薄膜式执行机构的动态特性 1

10、1111TSRCSPPO1) 1(TSKCTSAplseoCslAPe1控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置141- 活塞2- 气缸 长行程执行机构特点:行程长 输出力矩大（2）气动活塞式执行机构）气动活塞式执行机构 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置155.2.2. 电动执行机构电动执行机构 构成原理构成原理 控制仪表和计算机

11、控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置16(1) 伺服电机伺服电机 作用:将伺服放大器输出的电功率转换成机械转矩 伺服电机实际上是一个二相电容异步电机，由一个用冲槽硅钢片叠成的定子和鼠笼转子组成，定子上均匀分布着两个匝数、线径相同而相隔90电角度的定子绕组W1和W2。 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置17(2) 伺服放大器伺服放大器 作用: 将

12、输入信号和反馈信号进行比较，得到差值信号，并根据的极性和大小，控制可控硅交流开关、的导通或截止。可控硅交流开关、用来接通伺服电机的交流电源，分别控制伺服电机的正、反转或停止不转 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置18伺服放大器工作原理示意图伺服放大器工作原理示意图 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置19(3) 位置发送器位置发

13、送器 作用:将电动执行机构输出轴的位移线性地转换成反馈信号，反馈到伺服放大器的输入端。位置发送器包括：位移检测元件和转换电路差动变压器、塑料薄膜电位器和位移传感器等 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置20(4) 减速器减速器 作用：将伺服电机高转速、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，以推动调节机构。 直行程式的电动执行机构中，减速器还起到将伺服电机转子的旋转运动转变为执行机构输出轴的直线运动的作用。减速器一般由机械齿轮或齿轮与皮带

14、轮构成。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置215.2.2.2. 电动执行机构的特性电动执行机构的特性 伺服放大器是一个具有继电特性的非线性环节 2fiII无输出； 2fiII输出215V ifIKl1ifIK1控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置225.3. 5.3. 调节机构调节机构 调节机构是执行器的调节部分，在执行机构的输

15、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。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置235.3.1. 5.3.1. 调节机构的结构和特点调节机构的结构和特点 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、和阀杆或转轴控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研

16、室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置24常用调节阀结构示意图及特点常用调节阀结构示意图及特点 直通单座调节阀特点:泄漏量小 允许压差小 特点:泄漏量大 允许压差大 直通双座调节阀控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置25常用调节阀结构示意图及特点常用调节阀结构示意图及特点 角形调节阀特点:流路简单 阻力小 特点:有三个接管口 三通阀控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研

17、室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置26常用调节阀结构示意图及特点常用调节阀结构示意图及特点 蝶阀特点:成本低 泄漏较大 流通能力大 特点: 流路阻力小 特点:稳定性好 拆装维修方便 套筒阀偏心旋转阀控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置275.3.2. 调节机构的工作原理调节机构的工作原理 流体经调节阀时的能量损失H为gPPH21单位质量流体经调节阀时的能量损失与流体的动能成正比，即 gWH22流体在调节阀中的平均流速W为 AQW)(221PPAQ控制仪表和计

18、算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置28调节阀实际应用的流量方程式 )(221PPAQAcm2 g/cm3 (10-5 N s2 / cm4) 100kPa (10N/ cm2) m3/ h21PP、QPAPAQ09. 5102010360056设 AK09. 5则 PKQ控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置295.3.3. 调节阀的流量系数

19、调节阀的流量系数 流量系数是反映调节阀口径大小的一个重要参数 AK09. 52N4DA2N0 . 4DK 流量系数 的定义 :VK在调节阀前后压差为100KPa，流体密度为1g/cm3 （即540的水）的条件下，调节阀全开时，每小时通过阀门的流体量（m3） 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置30流量系数的计算 PKQP取 的单位为kPa PQK10 流体的种类和性质将影响流量系数K的大小，因此对不同的流体必须考虑其对流量系数的影响 流体的流动状态也将影响的大小

20、 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置315.3.4. 调节阀的可调比调节阀的可调比 反映调节阀的调节能力 R 可调比:调节阀所能控制的最大流量和最小流量之比 minmaxQQR 调节阀前后压差的变化，会引起可调比变化 ，因此，将可调比分为理想可调比和实际可调比。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置32(1) 理想可调比 (P 一

21、定 )minmaxminmaxminmaxKKPKPKQQR由结构设计决定 R=30 ; 50控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置33(2)实际可调比 Rr (P 变化 )串联管道时的可调比 SPPRPPRPKPKminmaxminmaxminminmaxrR设 SPPSminSRRr 则 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置34

22、并联管道时的可调比 2min1maxQQQRrmaxmax1xQQx) 1()x1 (xmaxmaxmaxRRRQRQQRrR 1 2maxx11QQRr设 则 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置355.3.5. 调节阀的流量特性调节阀的流量特性 介质流过调节阀的相对流量与相对位移（即阀的相对开度）之间的关系 )(maxLlfQQ调节阀前后压差的变化，会引起流量变化 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目

23、 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置36 理想流量特性 (P 一定 )调节阀的固有特性，由阀芯的形状所决定 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置37 工作流量特性 (P 变化 )串联管道时可调比减小可调比减小 流量特性发生畸变流量特性发生畸变直线特性直线特性快开特性快开特性等百分比特性等百分比特性 直线特性直线特性 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程

24、大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置38并联管道时的工作流量特性 可调比将大大下降 通常一般X值不能低于0.8，即旁路流量只能为总流量的百分数之十几。 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置395.4. 执行器的选择计算执行器的选择计算 执行器的选用是否得当，将直接影响控制系统的控制质量、安全性和可靠性 执行器的选择，主要是从以下三方面考虑： 1.执行器的结构形式； 2.调节阀的流量特性； 3.调节阀的口径。 控制仪表和计算机控制装置控制

25、仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置405.4.1. 5.4.1. 执行器结构形式的选择执行器结构形式的选择 可靠性 驱动能源价格输出力刚度防爆性能环境温度范围高（简单、可靠）需另设气源装置 低 大 小 好（-40+80） 较低 简单、方便 高 小 大 差（-10+55） 执行机构的选择执行机构的选择 比较项目 气动薄膜执行机构 电动执行机构控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装

26、置过程控制仪表及装置41可以根据实际使用要求，综合考虑确定 选择执行机构时，还必须考虑执行机构的输出力（力矩）应大于它所受到的负荷力（力矩） 执行机构的选择执行机构的选择 负荷力（力矩）包括流体对阀芯产生的作用力（不平衡力）或作用力矩（不平衡力矩）阀杆的摩擦力、重量以及压缩弹簧的预紧力 对于气动薄膜执行机构: 工作压差小于最大允许压差 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置42确定整个气动调节阀的作用方式确定整个气动调节阀的作用方式 气开式调节阀:有信号压力输入时

27、阀打开 无信号压力时阀全关气关式调节阀:有信号压力时阀关闭 无信号压力时阀全开气开气关的选择考虑原则是： 信号压力中断时，应保证设备和操作人员的安全，如阀门处于打开位置时危害性小，则应选用气关式；反之，则用气开式。 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置43(2) (2) 调节机构的选择调节机构的选择 主要依据是：（1） 流体性质 如流体种类、粘度、腐蚀性、是否含悬浮颗粒（2） 工艺条件 如温度、压力、流量、压差、泄漏量（3） 过程控制要求 控制系统精度、可调比、

28、噪音 根据以上各点进行综合考虑，并参照各种调节机构的特点及其适用场合，同时兼顾经济性，来选择满足工艺要求的调节机构。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置445.4.2. 5.4.2. 调节阀流量特性的选择调节阀流量特性的选择 实际上是指如何选择直线特性和等百分比特性 经验准则 : （1）考虑系统的控制品质 适当地选择调节阀的特性，以阀的放大系数的变化来补偿控制对象放大系数的变化，使控制系统总的放大系数保持不变或近似不变控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制

29、装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置45经验准则经验准则 : （2）考虑工艺管道情况 调节阀在串联管道时的工作流量特性与S值的大小有关，即与工艺配管情况有关。因此，在选择其特性时，还必须考虑工艺配管情况。 具体做法是先根据系统的特点选择所需要的工作流量特性，再考虑工艺配管情况确定相应的理想流量特性。控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置46经验准则经验准则 :（3）考虑负荷变

30、化情况 直线特性调节阀在小开度时流量相对变化值大，控制过于灵敏，易引起振荡，且阀芯、阀座也易受到破坏，因此在S值小、负荷变化大的场合，不宜采用。等百分比特性调节阀的放大系数随调节阀行程增加而增大，流量相对变化值是恒定不变的，因此它对负荷变化有较强的适应性。 控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录武汉工程大学电气信息学院测控教研室过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置475.4.3.5.4.3.调节阀的口径选择调节阀的口径选择 调节阀口径的选择主要依据流量系数 首先必须要合理确定调节阀流量 和压差的数据。通常把代入计算 公式中的流量和压差分别称为计 算流量和计算压差。而在根据计算所得到的流 量系数选择调节阀口径之后，还应对所选调节 阀开度和可调节比进行验算，以保证所选调节阀的口径能满足控制要求。 PQK10控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装