第4讲 执行器

1、过过 程程 控控 制制 系系 统统主讲人：钱艳平主讲人：钱艳平2010.092第四讲第四讲 执行器执行器n4.1 调节阀调节阀u4.1.1 执行机构执行机构u4.1.2 调节机构调节机构u4.1.3 调节阀的流量特性调节阀的流量特性n4.2 变频器变频器n4.3 执行器的选择及使用执行器的选择及使用3第四讲第四讲 执行器执行器n执行器执行器接受控制器输出的控制信号，转换成位移（直接受控制器输出的控制信号，转换成位移（直线或角位移）或速度，线或角位移）或速度，用于用于控制流入或流出被控过程控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制

2、。n相当于控制系统的相当于控制系统的“手脚手脚”。4第四讲第四讲 执行器执行器n执行器的种类执行器的种类u调节阀：在管道流体控制中使用最多。调节阀：在管道流体控制中使用最多。u变频器：部分场合可取代调节阀，具有明显的优势变频器：部分场合可取代调节阀，具有明显的优势（可靠、节能）。（可靠、节能）。 u其他执行设备：如步进电动机、电磁阀等。功能简其他执行设备：如步进电动机、电磁阀等。功能简单，过程控制中使用较少。单，过程控制中使用较少。5第四讲第四讲 执行器执行器n执行器对过程控制系统的影响执行器对过程控制系统的影响u执行器直接影响过程控制系统的控制质量（如调节执行器直接影响过程控制系统的控制质量

3、（如调节阀的口径大小、流量特性、易堵、振荡等）。阀的口径大小、流量特性、易堵、振荡等）。u调节阀安装在生产现场，直接与介质接触。通常在调节阀安装在生产现场，直接与介质接触。通常在高温、高压、强腐蚀、易燃易爆、剧毒等场合下工高温、高压、强腐蚀、易燃易爆、剧毒等场合下工作。它是过程控制中作。它是过程控制中除传感器外，另除传感器外，另一种易出现故一种易出现故障的设备障的设备。 64.1 调节阀调节阀n由执行机构和调节机由执行机构和调节机构（即阀体）两部分构（即阀体）两部分组成。组成。n执行机构分为三大类：执行机构分为三大类：气动、电动和液动气动、电动和液动。从本质上说，从本质上说，执行机执行机构是一

4、个位置伺服系构是一个位置伺服系统统。n不管执行机构如何，不管执行机构如何，三类阀体可互换。三类阀体可互换。74.1 调节阀调节阀气动薄膜气动薄膜直通单座阀直通单座阀气动薄膜气动薄膜直通双座阀直通双座阀气动蝶阀气动蝶阀气动球阀气动球阀气动切断阀气动切断阀电动电动直通单座阀直通单座阀电动电动隔膜阀隔膜阀电动电动三通阀三通阀气动薄膜气动薄膜角形阀角形阀电磁阀电磁阀手动截止阀手动截止阀84.1.1 执行机构执行机构n（一）气动执行机构（一）气动执行机构u它是以它是以140kP的压缩空气的压缩空气为能源，以为能源，以20 100kP气气压信号为输入控制信号；压信号为输入控制信号；u具有结构简单、动作可靠

5、、具有结构简单、动作可靠、性能稳定、输出推力大、维性能稳定、输出推力大、维修方便、本质安全防爆和价修方便、本质安全防爆和价格低廉等特点。格低廉等特点。9（一）气动执行机构（一）气动执行机构10（一）气动执行机构（一）气动执行机构气源气源 P PO O气源气源P PO O 气动执行机构的动态特性为一阶惯性环节。其时间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，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。一般为数秒到数十秒之间。 11（二）电动执行机构（二）电动执行机构n电动执行机构由电动执行机构由伺服放大器伺服放大器和和

6、执行机构执行机构两部分两部分组成。执行机构又包括两相伺服电动机、减速组成。执行机构又包括两相伺服电动机、减速器和位置发送器器和位置发送器12（三）气动、电动执行机构比较（三）气动、电动执行机构比较类类 别别气动执行机构气动执行机构电动执行机构电动执行机构输入信号输入信号2020100kPa100kPa4 420mADC20mADC结构结构简单简单复杂复杂体积体积中中小小信号管线配置信号管线配置较复杂较复杂简单简单推力推力中中小小动作滞后动作滞后大大小小维修维修简单简单复杂复杂适用场合适用场合适用于防火防爆场合适用于防火防爆场合隔爆型才适用于防火防爆隔爆型才适用于防火防爆场合场合价格价格便宜便宜

7、贵贵134.1.2 调节机构调节机构n（一）工作机理（一）工作机理u调节机构（阀体）本质上调节机构（阀体）本质上是一个节流元件，通过改是一个节流元件，通过改变阀芯行程从而改变调节变阀芯行程从而改变调节阀的开度（阀的开度（OpeningOpening），），达到控制流量的目的。达到控制流量的目的。u行程的变化对流量的影响行程的变化对流量的影响与与阀门前后的压差、阀的阀门前后的压差、阀的开度（流通截面）、开度（流通截面）、阀芯阀芯的流量特性有关。的流量特性有关。P入入QQP1P214（一）工作机理（一）工作机理n阀芯的正装与反装阀芯的正装与反装正装正装反装反装15（二）常用调节机构（二）常用调节机

8、构n1、直通单座调节阀、直通单座调节阀u阀体内只有一个阀芯和一个阀座。阀体内只有一个阀芯和一个阀座。u结构简单、泄漏量小（甚至可以结构简单、泄漏量小（甚至可以完全切断）完全切断）u允许压差小。允许压差小。它适用于要求泄漏量小，工作压差较小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。意其允许压差，防止阀门关不死。 直通直通16（二）常用调节机构（二）常用调节机构n2、直通双座调节阀、直通双座调节阀u阀体内有两个阀芯和阀座。阀体内有两个阀芯和阀座。u因为流体对上、下两阀芯上的作因为流体对上、下两阀芯上的作用力可

9、以相互抵消，因此双座阀用力可以相互抵消，因此双座阀具有允许压差大具有允许压差大u上、下两阀芯不易同时关闭，因上、下两阀芯不易同时关闭，因此泄漏量较大此泄漏量较大它适用于阀两端压差较大，泄漏量要求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，不适用于高粘度不高的干净介质场合，不适用于高粘度和含纤维的场合和含纤维的场合。 17（二）常用调节机构（二）常用调节机构n3、角形调节阀、角形调节阀u阀体为直角形；流路简单、阻力小，阀体为直角形；流路简单、阻力小，适用于高压差、高粘度、含有悬浮适用于高压差、高粘度、含有悬浮物和颗粒状物质的调节；物和颗粒状物质的调节；u角形阀一般使用于底进侧出，此时角

10、形阀一般使用于底进侧出，此时调节阀稳定性好；调节阀稳定性好；u在高压差场合下，为了延长阀芯使在高压差场合下，为了延长阀芯使用寿命，也可采用侧进底出。但侧用寿命，也可采用侧进底出。但侧进底出在小开度时易发生振荡；进底出在小开度时易发生振荡；u还适用于工艺管道直角形配管场合。还适用于工艺管道直角形配管场合。18（二）常用调节机构（二）常用调节机构n4、三通调节阀、三通调节阀u阀体有三个接管口，适用于三个方向阀体有三个接管口，适用于三个方向流体的管路控制系统，大多用于热交流体的管路控制系统，大多用于热交换器的温度、配比和旁路调节。换器的温度、配比和旁路调节。u三通阀有三通合流阀和三通分流阀两三通阀有

11、三通合流阀和三通分流阀两种类型。三通合流阀为介质由两个输种类型。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，分为两分流阀为介质由一入口流进，分为两个出口流出。个出口流出。u在使用中应注意流体温差不宜过大，在使用中应注意流体温差不宜过大，通常小于通常小于150150，否则会使三通阀产生，否则会使三通阀产生较大应力而引起变形，造成连接处泄较大应力而引起变形，造成连接处泄漏或损坏。漏或损坏。 合流合流分流分流19（二）常用调节机构（二）常用调节机构n5、蝶形调节阀、蝶形调节阀u蝶阀是通过挡板以转轴为中心旋转来蝶阀是通过挡板以转轴为

12、中心旋转来控制流体的流量；控制流体的流量；u结构紧凑、体积小、成本低，流通能结构紧凑、体积小、成本低，流通能力大；力大；u特别适用于低压差、大口径、大流量特别适用于低压差、大口径、大流量的气体形或带有悬浮物流体的场合；的气体形或带有悬浮物流体的场合；u泄漏较大；泄漏较大；u蝶阀通常工作转角应小于蝶阀通常工作转角应小于7070，此时，此时流量特性与等百分比特性相似；流量特性与等百分比特性相似；u多用于开关阀。多用于开关阀。20（三）气动调节阀作用方式（三）气动调节阀作用方式正作用气关式气关式正装阀正装阀P入入Q正作用气开式气开式反装阀反装阀P入入Q反作用气开式气开式正装阀正装阀P入入Q反作用气关

13、式气关式反装阀反装阀P入入Q214.1.3 调节阀的流量特性调节阀的流量特性n（一）流量系数（一）流量系数u由调节阀的节流原理：由调节阀的节流原理：u流量系数流量系数C的定义：在给定行程的定义：在给定行程下，阀前后压差下，阀前后压差0.1MPa、流体密、流体密度为度为1g/cm3时，每小时通过阀的时，每小时通过阀的流体流量。流体流量。流量系数反映了阀的流通能力流量系数反映了阀的流通能力P入入QQP1P2 21PPAFQvv PQAFCvv 22（二）流量特性（二）流量特性n1、流量特性定义、流量特性定义u指介质流过阀门的相对流量与相对开度之间的关系。指介质流过阀门的相对流量与相对开度之间的关系

14、。u 相对流量相对流量，即调节阀某一开度的流量与，即调节阀某一开度的流量与全开流量之比；全开流量之比； u 相对开度相对开度，即调节阀某一开度的行程与，即调节阀某一开度的行程与全行程之比。全行程之比。 lfq ql232、理想流量特性、理想流量特性n调节阀前后压差不变时，得到的理想流量特性，调节阀前后压差不变时，得到的理想流量特性，它完全取决于它完全取决于阀芯的形状阀芯的形状。快开快开直线直线抛物线抛物线等百分比等百分比24（1）理想）理想直线流量特性直线流量特性n调节阀相对流量与阀心调节阀相对流量与阀心的相对开度成直线关系：的相对开度成直线关系：其中，其中，R 为调节阀的理为调节阀的理想可调

15、比：想可调比：lRRQQq 1111000100/QQR 25（2）理想）理想等百分比流量特性等百分比流量特性n其数学表达式其数学表达式n行程变化相同的百分数，流量行程变化相同的百分数，流量在原来基础上变化的相对百分在原来基础上变化的相对百分数是相等的，即具有等百分比数是相等的，即具有等百分比流量特性。流量特性。n等百分比流量特性特点：等百分比流量特性特点：u小开度时，控制缓和平稳；小开度时，控制缓和平稳；u大开度时，控制灵敏有效。大开度时，控制灵敏有效。 1100 lRQQq26（3）理想）理想抛物线流量特性抛物线流量特性n相对流量与相对开度成抛物相对流量与相对开度成抛物线关系，即平方根关系

16、：线关系，即平方根关系：n它介于直线与等百分比流量它介于直线与等百分比流量特性之间，也称近似等百分特性之间，也称近似等百分比流量特性。比流量特性。2100)1(1 1lRRQQq 27（4）理想）理想快开流量特性快开流量特性n在小开度时流量就比较大，在小开度时流量就比较大，随着开度的增大流量很快就随着开度的增大流量很快就达到最大：达到最大：n结构简单，主要适用于双位结构简单，主要适用于双位控制。控制。2/12100)1(1 1lRRQQq 283、工作流量特性、工作流量特性n（1）串联管系）串联管系293、工作流量特性、工作流量特性n（1）串联管系）串联管系随着随着S100值减小值减小直线特性

17、直线特性快开特性快开特性对数特性对数特性直线特性直线特性实际使用中，一般希望实际使用中，一般希望S100值不低于值不低于0.30.5。303、工作流量特性、工作流量特性n（2）并联管系）并联管系313、工作流量特性、工作流量特性n（2）并联管系）并联管系u对流量特性的影响对流量特性的影响旁路阀全关时，实际工作特性理想特性旁路阀全关时，实际工作特性理想特性323、工作流量特性、工作流量特性n（2）并联管系）并联管系u对可调比的影响对可调比的影响n旁路阀逐渐开启，旁路阀逐渐开启，e 增加，可调比急剧下降。增加，可调比急剧下降。n使管路中可控流量减少，严重时甚至会导致并联使管路中可控流量减少，严重时

18、甚至会导致并联管系中调节阀失去控制作用。管系中调节阀失去控制作用。 希望阀全开流量比不低于希望阀全开流量比不低于0.50.5，最好不低于最好不低于0.80.8。33（三）调节阀的选择（三）调节阀的选择n调节阀的选择主要包括：调节阀的选择主要包括：u阀体结构阀体结构u公称直径公称直径u流量特性流量特性u开关型式开关型式34（四）调节机构的选择（四）调节机构的选择n1、阀体结构的选择、阀体结构的选择u工艺介质的种类工艺介质的种类u流体介质的温度、压力等流体介质的温度、压力等u流经阀的最大、最小流量等流经阀的最大、最小流量等35（四）调节机构的选择（四）调节机构的选择n2、公称直径的选择、公称直径的

19、选择u主要考虑工艺管道的直径，满足工艺生产要求。主要考虑工艺管道的直径，满足工艺生产要求。n3、流量特性的选择、流量特性的选择u目前均基于工程经验，不同的过程控制系统有相对目前均基于工程经验，不同的过程控制系统有相对成熟的选择经验供参考。成熟的选择经验供参考。 实际上是指如何选择实际上是指如何选择直线特性直线特性和和等百分比特性等百分比特性 36（四）调节机构的选择（四）调节机构的选择n3、流量特性的选择、流量特性的选择u（1） 考虑系统的控制品质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

20、总的放大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。系数保持不变或近似不变。37（四）调节机构的选择（四）调节机构的选择n3、流量特性的选择、流量特性的选择u（2） 考虑工艺管道情况考虑工艺管道情况配管情况配管情况S1000.61.0S1000.30.5工作流量特性工作流量特性直线直线等百分比等百分比直线直线等百分比等百分比理想流量特性理想流量特性直线直线等百分比等百分比等百分比等百分比等百分比等百分比38（四）调节机构的选择（四）调节机构的选择n3、流量特性的选择、流量特性的选择u（3） 考虑负荷变化情况考虑负荷变化情况u直线特性：小开度时流量相对变化值大，控制过

21、于直线特性：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，灵敏，易引起振荡，且阀芯、阀座也易受到破坏，因此在因此在S100值小、负荷变化大的场合，不宜采用。值小、负荷变化大的场合，不宜采用。u等百分比特性：流量相对变化值是恒定不变的，因等百分比特性：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。此它对负荷变化有较强的适应性。1）常用的调节阀流量特性为）常用的调节阀流量特性为“线性线性”和和“等百分比等百分比”2）在设计过程中，当流量特性难以确定时，优先选用）在设计过程中，当流量特性难以确定时，优先选用“等百分比等百分比”特性，它的适应性更强。特性，

22、它的适应性更强。39（四）调节机构的选择（四）调节机构的选择n4、气开、气关选择气开、气关选择u定义：定义：气开式：当信号压力增加时，阀门开大；气开式：当信号压力增加时，阀门开大；气关式：信号压力增加时，阀门关小。气关式：信号压力增加时，阀门关小。u主要出于以下考虑：主要出于以下考虑：n考虑事故状态时人身、工艺设备的安全；考虑事故状态时人身、工艺设备的安全；n考虑在事故状态下减少经济损失，保证产品质量。考虑在事故状态下减少经济损失，保证产品质量。40（四）调节机构的选择（四）调节机构的选择n4、气开、气关选择气开、气关选择u例例1 1：采用改变气体排出量来维持受压容器内的压采用改变气体排出量来

23、维持受压容器内的压力恒定，试问调节阀应选择气开式还是气关式？力恒定，试问调节阀应选择气开式还是气关式？PC气 体气关式气关式41H（四）调节机构的选择（四）调节机构的选择n4、气开、气关选择气开、气关选择u例例2 2：1 1）如果介质是由强腐蚀性的，在生产过程如果介质是由强腐蚀性的，在生产过程中不允许溢出，调节阀的作用形式？中不允许溢出，调节阀的作用形式？u2）如果后面的环节不允许没有物料，调节阀的作）如果后面的环节不允许没有物料，调节阀的作用形式？用形式？气开式气开式气关式气关式424.2 变频器变频器n将频率、电压固定的交流将频率、电压固定的交流电变换成频率、电压连续电变换成频率、电压连续

24、可调的交流电。可调的交流电。 n变频技术用于交流鼠笼式变频技术用于交流鼠笼式异步电动机的调速，其性异步电动机的调速，其性能已经胜过以往的交流调能已经胜过以往的交流调速方式。速方式。434.2.1 通用变频器原理通用变频器原理444.2.2 变频器节能原理变频器节能原理n泵流量、扬程、功率泵流量、扬程、功率与转速关系：与转速关系：u流量：流量：u扬程：扬程：u功率：功率：n可见，当通过调节转速来控制流量（一般都在可见，当通过调节转速来控制流量（一般都在基频以下）时，功率呈立方关系降低，节能效基频以下）时，功率呈立方关系降低，节能效果十分显著。果十分显著。eeNNQQ2eeNNHH3eeNNPP4

25、54.2.2 变频器节能原理变频器节能原理扬程特性曲线扬程特性曲线管阻特性曲线管阻特性曲线464.2.3 变频器的典型应用变频器的典型应用n变频器与笼型电动机的结合是交流电动机调速变频器与笼型电动机的结合是交流电动机调速系统的最佳选择。特点：系统的最佳选择。特点：u较高的控制精度及较宽的调速范围；较高的控制精度及较宽的调速范围；u显著的节能效果；显著的节能效果；u易于实现自动控制及远程控制等性能易于实现自动控制及远程控制等性能 。n在以风机、泵为调节手段的过程控制中，调节在以风机、泵为调节手段的过程控制中，调节阀已被变频逐步取代。阀已被变频逐步取代。474.2.3 变频器的典型应用变频器的典型

26、应用n（一）（一）浆池浆池液位控制系统液位控制系统u常规液位控制原理：根据液位常规液位控制原理：根据液位LT，由，由LC控制调节阀。控制调节阀。u存在问题：存在问题：n阀易磨损，特别是液体含有阀易磨损，特别是液体含有颗粒杂质时。颗粒杂质时。n经济性差，使用维护成本高。经济性差，使用维护成本高。484.2.3 变频器的典型应用变频器的典型应用n（一）（一）浆池浆池液位控制系统液位控制系统u液位变频控制原理：根据液位变频控制原理：根据液位液位LT，由，由LC控制拖动泵控制拖动泵的变频器。的变频器。u优点：优点：n无易损件，维护工作量无易损件，维护工作量少，系统稳定可靠。少，系统稳定可靠。n具有极佳的节能效果！具有极佳的节能效果！494.2.3 变频器的典型应用变频器的典型应用n（二）浓缩池浓度变频控制（二）浓缩池浓度变频控制u冶金行业选矿工艺中，以前采用手动调整渣浆泵的冶金行业选矿工艺中，以前采用手动调整渣浆