第三章 最终矫正装置

1、第三章 最终矫正装置 final correcting devices 前言：很多情况下，闭环系统的最终矫正装置是阀门（活塞，valve）或类似阀门的装置，调节流体流量。温度控制：热量的输入利用阀门的调整控制空气或气体/液体燃料；（流体的流速是操纵变量）压力控制：利用阀门控制入口和出口的流量；（流体的流速是操纵变量）（如，阻尼板（damper）、羽板（louver）、滑闸（sliding gate）。马达：转速一般为操纵变量（manipulated variable，可以改变被控量的变量）。SCR/继电器：（电热系统里，）操纵变量是电流。伺服马达：（伺服系统里，）被控量是物体的位置。学习目标：

2、1 例举常见最终矫正装置2 电磁阀，双位置马达驱动阀，（位置）可调马达驱动阀3 平衡梁原理的气电阀，气电式信号转换器/气动式位移器，喷射管原理的流体电气式活塞位移器4 电磁继电器/接触器（控制电流）5 三相，Y接法3-1 电磁阀（Solenoid Valve）图3-1 电磁阀的剖面图电磁阀：电磁线圈操纵阀门。线圈无电流，则无磁场，电枢不受磁力，但受压力弹簧推力，所连接的连杆（stem）下推，活塞锥（vavle plug）进入锥座（valve seat），堵塞进出口间通道。线圈加电流，磁场磁力上推电枢，克服弹簧下推力量，将连杆和活塞锥带离锥座，进出口间通道畅通。一把全开，或全关，所以用于开关式控

3、制系统。电磁阀所用电流，可以是交流或直流，交流较为普遍，但交流有一直流所没有的缺点：若卡位，加上电流后，因为电感很低，电流很大流过线圈，会因过热烧毁线圈。3-2双位置马达驱动阀（Two-position Electric Motor-Driven Valve）图3-2 分相活塞马达的线路图，马达可以把活塞打开或关闭，所示极限开关（LS）位置对应于活塞关闭位置（原位置），右边时序图说明偏心轮如何操纵极限开关 马达：阀门对抗巨大流体压力。 结构类似，连杆经一连动机构与马达相连，由马达驱动。 单向分相感应马达（split-phase induction motor）：速度低，转矩大。输出轴由0

4、76;到180°：阀门打开；180°到360°：阀门关闭。 马达附近有极限开关（LS1，LS2）：检测180°和360°（原）位置。 LS1：NO；LS2：NC；A：控制器打开阀门B：控制器关闭阀门； 马达输出轴在原位置，阀门关闭，极限开关LS1，LS2均受力，故LS1关闭，LS2打开； 1 控制器打开阀门，合上接头A，交流电流通过LS1的NO端，接入马达绕组，马达开始转动，一转动，LS1，LS2均脱离偏心轮（cam）（不再受力），LS1的NO端打开，（NC端接上），但同时LS2的NC端合上，故马达电源未中断。 2 马达输出轴在180°

5、;位置时，阀门全开，LS2再次受到偏心轮的力量，NC接点打开，马达电力中断，停止转动，阀门停留在张开的位置。 3 控制器关闭阀门，合上接头B，攵流经由LS1的NC接头（因为此时LS1并未受力）进入马达绕组（同时LS2不受力，NC接头也是闭合的），马达以相同方向旋转，直到原位置（360°），此时LS1、LS2再次受力，（NC接头均打开），电力中断，马达停止，阀门停留在关闭位置。 大多数驱动双位置阀门的马达，转半周需30秒，有时候设计转得很慢，长达4分钟，有时候用3位置控制器（既非开关也非比例式，而是二者的折衷），也称悬浮式控制（floating control），输出信号有3种： 1

6、检测值很低打开阀门； 2 检测量很高，关闭阀门； 3 检测量在差额范围内，不动阀门。3-3比例位置马达驱动阀（Proportional-position Electric Motor-Driven Valve）阀门能停留在任意一个中间位置。常用方法，将阀门接到一可逆转低速感应马达上（reversible slow-speed induction motor）。例1， 可变位移阻尼器。交流电源。比例控制器从比较器接收到误差信号，为正：电源接到A点，绕组1（直接）受电，绕组2经过移相（phase-shift）电容器串联电，马达顺时针转动（假设），带动阻尼板，关闭通道，位移检测变阻器随时将阀门位置反

7、馈至控制器，若合适，（控制器）将电源从A点移走，马达停止，阻尼板停留在那位置；为负：相反，电源接到B点，绕组2（直接）受电，绕组1经过移相（phase-shift）电容器串联受电，马达逆时针转动，带动阻尼板，打开通道，位移检测变阻器随时将阀门位置反馈至控制器，若合适，（控制器）将电源从B点移走，马达停止，阻尼板停留在那位置。无论什么方向转动，马达一旦到达尽头，2只极限开关之一会打开，中断电源，此后马达只能向另一方向转动，只要控制器将电源再接入A/B，马达即可向另一方向旋转。图3-3 分相马达驱动的比例位移阻尼板，a）阻尼板，连动机构示意图，马达可逆向旋转，b）电路图，依据需要打开/关闭阻尼板，

8、控制器把电源接到A/B接头，分压变阻器把阻尼板位置信息反馈给控制器。3-4电气阀（Electropneumatic Valve） 大型阀门用马达驱动也许行不通，阀门的惯性（inertia）和起动摩擦（break-away friction）非马达所能克服，此时须靠气压（pneumatic）或水压（hydraulic）才能移动阀门。3-4-1 气电式操纵阀（Electropneumatic Valve Operator） 阀门最终位置：依输入电流大小而定。 平衡杆：重量轻，无摩擦，数寸长金属杆。 电磁线圈：输入电流，建立电磁场，与永久磁铁相吸，顺时针旋转，旋转力量与流经电磁线圈的电流成比例。 平

9、衡杆右旋，左端上仰，空气流出量降低，（限流刀片baffle越靠近喷嘴，流出量越低（导致限流颈部fixed restriction前后压力差下降），因此变压管内（variable air pressure）气压上升，传至活塞/阀门横隔室上半部（因为气压上升），隔板向下，（带动连接的）中心杆下伸，使活塞打开（或反之，关闭），同时使反馈弹簧受力，反向旋转平衡杆，当弹簧与磁铁力矩相等时，平衡杆达到（新的）平衡（位置）。 即：活塞中心杆位置为活塞张开率，与输入电磁铁线圈电流成比例。 可采用前面章节中电气比例控制器实现控制。图3-4 气电式活塞操纵器，活塞中心杆位移量和右上部的电气输入信号成比例3-4-2

10、 驱动气压式移位器的气电信号转换器（Electropneumatic Signal Converter Driving a Pneumatic Positioner）与上一节（气电式操纵阀）不同处：反馈非从活塞来，而是压力箱，（输入相同，电磁铁的电流）。气压用以与活塞位移相平衡。同样，电磁线圈电流产生上举力量，使平衡杆顺时针旋转，喷嘴阻塞，导致管内气压上升，传至压力箱，产生下推力量，达到（新的）平衡，电流决定压力（同时被传送至他处有用）。简单说，系统将电流转换成气压，二者关系为线性。输出气压信号至气动活塞位移器（pneumatic valve positioner）（可能与气电信号转换器不在一

11、起，有些距离，转换器的输出为移位器的输入），使压力箱膨胀，连杆A左旋（逆时针），致前导汽缸（pilot cylinder）活塞上移，打开（下方）输出口，（此时）大汽缸（power cylinder）（活的）上半部分接通前导汽缸内部（使高压橺气进入大汽缸），下半部分接通前导汽缸下边的排气口（vent hole），（排出空气），活塞下推，中心杆下伸，同时使连杆B右旋，反馈弹簧压力至压力箱，当与压力箱所受气压平衡时，A回复原位置，（前导汽缸活塞回至中心），关闭出气口，大汽缸活塞停止移动，位置固定，最终位置与输入压力成比例，（良好设计，二者可有非常好的线性关系）。图3-5 气电信号转换器和活塞位移器，

12、上面部分将电气信号（电流）转换成气压信号（空气压力），下面部分依据气压信号将活塞适当移位。总体，活塞张开率与气电信号转换器输入电流成正比，系统可采用电气式/电子式比例控制器。 3-5（流体）电气式活塞（Electrohydraulic Valve）活塞或阻尼器重量很大，或活塞不易控制稳定位置（流经活塞流体流量变化大），采用流体式移位器比较合适。输入：电磁线圈电流。电流增大，（垂直）平衡杆左偏（因为电磁吸力），高压流体（油）经（下方）喷射管高速喷出，完全垂直时，等量射入左右小口，两边压力相等，汽缸活塞受力平衡，若略右偏，右口（油）多于左口，致活塞上边压力大于下边压力，下伸，反馈杆顺转，使反馈弹簧

13、B张力加大，中心杆右偏，与电磁力转矩相等时，中心杆平衡，活塞停止，位置固定。最终位置：输入电流大小决定。图3-6 流体电气式活塞移位器，采用喷射管。控制活塞的位移比例于输入的电气信号。3-6 活塞流量特性（Valve Flow Characteristic）系统（对象）的理想流量特性：流量与活塞开度成绝对线性。图3-7 控制系统（对象）的理想流量特性。 在实际系统里这种理想线性关系是无法达到的实际，与管道系统其他流量特性也有关（不仅是活塞）。活塞流量特性：假设活塞前后压力差固定时，流量百分比和张开率之间关系。图3-8 实际系统的流量特性图。a）绝对线性的活塞流量特性，b）绝对线性活塞加入实际系

14、统里所得的流量特性，c）非线性活塞的流量特性，开度大时流量特性接近直线，开度小时，流量很低，d）用c中的活塞（加入到实际系统中），所得到的系统流量特性，因为前后压力差变动的影响，系统特性向下弯，中和了活塞的上翘特性，结果得到很接近直线的系统流量特性。实际系统里，活塞开度变化时，前后压力差也会改变，不能维持固定，开度变大，压力差变小，流量会（比假设比例值）变小。b）：大开度时，流量下降，不再成比例，系统流量曲线下弯，前50开度，流量改变80，后50开度，流量改变20，缺点明显。一般对此，将活塞流量特性设计成c）图所示，上翘，在实际系统里，经过b）图的影响，特性如d），线性改善。（蝴）蝶式（but

15、terfly），百叶式（louver）：无活塞头，故无活塞曲线，流量特性如图，可借助特殊设计的转轴连动机构调整改善，使系统得到线性流量特性。图3-9 a）蝶式活塞或阻尼板，b）百叶式活塞，c）蝶式或叶式活塞的典型流量特性，几乎全部的流量变化集中在中间的30°转角之内，在最初的30°和最后的30°之内，几乎无任何流量变化。3-7 继电器和电接头（Relay and Contactor） 3-7-1 开关式控制负载电流（On-Off Control of Current to a Load）操纵变量为电流，最终矫正装置常用继电器和电接头，如电热系统，借开/关电源进行控

16、制。图示，单向交流电源驱动暄单向电热元件，正误差信号，切断CA，温度回降；反之，打开CA，温度上升。需较大热量系统，可采用三相电热元件，3个接头，控制3条电源线。图3-10 开/关电阻性加热元件以控制温度，a）单接头单相加热器，b）单线圈三接头三相加热线路 继电器和电接头的区别，在于接通或截断电流的能力，继电器小，电接头大。3-7-2 继电器迟滞现象（Relay Hysteresis）迟滞，因此有差额间隙（differential gap）。（起动电流大于断落电流）起动电流（pick-up current）：大于某一定值，拉动电枢，使接头接上。断落电流（drop-out current）：相对

17、的，小于某一定值，电枢弹回正常位置，电路中断。线圈无电流时，弹簧将电枢拉离磁心，因此磁心和电枢间存在空气间隙（air gap），当线圈有电流时，建立的磁场须克服弹簧拉力，才能拉下电枢，有2个困难： 1 磁环路（magnetic field）存在空气间隙，产生的磁场比无间隙要小； 2 磁铁与电枢（core and armature）间间距大，吸力薄弱（磁性固定，吸力与磁间距的平方成反比）图3-11 a）继电器时滞图，电流需上升到启动电流，闭合动作发生；电流下降到断落电流，释放动作发生，b）电磁继电器的主要部分，迟滞现象因电枢和磁心之间的空气间隙而产生同理，接合时，只需较小电流就可维持现状，要降到相当低的程度，电枢才会返回原位置（断落） 。 3-7-3 和Y型三相切换电接头（A Three-Phase Contactor Switching between Delta and Wye）图示，三相电接头的电热线路。 开关式控制器，接法（CON激励）比Y接法（CON释放）功率高，可以控制温度的高低。 激励时：CON的常开接点闭合，为型； 释放时：CON的常闭接点闭合，为Y型；二者功率相差3倍，因此可以控制温度的