控制仪表及装置第三章

1、 第一节第一节 运算器运算器一、乘除器一、乘除器二、开方器二、开方器 第二节第二节 执行器执行器一、电动执行机构一、电动执行机构二、气动执行机构二、气动执行机构三、阀门定位器三、阀门定位器四、调节机构四、调节机构五、执行器的选型五、执行器的选型第三节第三节 模拟控制仪表应用模拟控制仪表应用v 运算器接受来自变送器或转换器的统一运算器接受来自变送器或转换器的统一标准信号，可对一个或几个输入信号进标准信号，可对一个或几个输入信号进行加、减、乘、除、开方、平方等多种行加、减、乘、除、开方、平方等多种运算，以实现各种算法，满足自动检测运算，以实现各种算法，满足自动检测和控制系统的要求。和控制系统的要求

2、。v 本章介绍两种典型的运算器：本章介绍两种典型的运算器： 乘除器乘除器和和开方器开方器第一节第一节 运算器运算器3.1 运算器运算器1、运算关系、运算关系一、乘除器一、乘除器122033(1)()1()iiiVVKVNVK乘除运算0122330(1)()11,iiiVN VVKKVV 乘后开方012233(1)() 1314iiiNVVVKKV乘法运算102233(1)4113()iiiVVNVKVK除法运算应用在流量测量，温度压力补偿中。应用在流量测量，温度压力补偿中。（一）概述（一）概述 可对两个或三个可对两个或三个1 15V5V的直流电压信号进行四种运算的直流电压信号进行四种运算, ,

3、 结果以结果以1 15V 5V 直流电压或直流电压或4 420mA 20mA 直流电流输出。乘除运直流电流输出。乘除运算关系式为：算关系式为：U0 = N(Ui11)(Ui2 + K2)Ui3 + K3+ 1式中：式中：U Ui1i1、U Ui2i2、U Ui3i3乘除器的输入信号；乘除器的输入信号； U U0 0乘除器的输出信号；乘除器的输出信号； N N 运算系数；运算系数； K K2 2、K K3 3可调偏置电压。可调偏置电压。对于单向矩形脉冲（图3-1），其直流分量为：矩形脉冲周期矩形脉冲幅值矩形脉冲宽度直流分量 = 3-1（）PDmtUUTUmTt0tpU图3-1 单向矩形脉冲2.乘

4、法运算的实现方法乘法运算的实现方法1 12 21 2 1 2 , ，表征矩形脉冲的高电位与低电位持续时间的不对称程度，称为占空比，用 表示 即，于是设，则PPDmmDtTtSSTUS USk xUk xUkk xx滤波取直流分量，完成乘法运算控制矩形脉冲的宽度（调宽）控制矩形脉冲的幅值（调高）调宽电路k1滤波电路调高电路k2x1sUDx2M简单乘法电路方框图简单乘法电路方框图 x2滤波电路滤波电路调高电路调高电路k2调宽电路调宽电路k1SUDM1放大器放大器Kx3调高电路调高电路k3滤波电路滤波电路xfM2x1图图3-3 3-3 乘除器构成方框图乘除器构成方框图3.乘除器的构成原理负反馈乘除器

5、的构成原理负反馈11121222133331332123323123- 11,当 ，设则fDDfDDxxSK kK k kx xUUkS xK k kxxkS xK k kxkx xUkxkkx xUx111102220333 1 0(-1)(-1)(-1)输入电路的作用： 减 ，电平移动（），BiiiUUN UUN UUN U输入电路输入电路1 1N1乘法电路乘法电路1 1比较器比较器比例放大比例放大电路电路N0输出电路输出电路输入电路输入电路2 2N2附加偏置附加偏置电路电路1 1乘法电路乘法电路2 2附加偏置附加偏置电路电路2 2输入电路输入电路3 3N3Ui1Ui2Ui3Uo3+UfS

6、U22Uo2UoU11U31U21U23图图3-4 乘除器方框图乘除器方框图自激振荡时间分割器U22U11U21/U3122122223133333 (-1)(-1)附加偏置电路的作用：提供偏压oPiPoPiPUUUN UUUUUN UU23022比例放大电路作用：调量程UNU23022 1 011输出电路的作用：加电平移动（）功率放大 BUUoUN U12233(1)()1 iioiUUKUNUK（二）乘除器（二）乘除器工作原理工作原理1.作用：作用：对对1 15V5V直流电压信号进行开方运算直流电压信号进行开方运算, , 结果以结果以1 15V5V直直 流电压或流电压或4 420mA 20

7、mA 直流电流输出，运算关系为：直流电流输出，运算关系为：o 11式中，开方器的输入信号开方器的输出信号开方系数oiiUK UUUK（一）概述（一）概述二、开方器二、开方器22121212 这样，呈线性关系 PK qxKPK K qyKxKK Kqyq2.2.开方器在节流式流量测量中的应用开方器在节流式流量测量中的应用差压差压 变送器变送器节流节流 装置装置开方器开方器指示指示 记录仪记录仪比例比例 积算器积算器控制器控制器瞬时流量瞬时流量累计流量累计流量qPxyyq0 qmax420（mA）21221212 PK qxKPK K qyKxKK Kqyq 差压变送器与差压关流量与差压关系系：开

8、方器输入输出运算关：系：呈线性关系3.1 运算器运算器3、 组成框图组成框图UiUo输入电路输入电路1N1乘法电路乘法电路1K2比较器比较器乘法电路乘法电路2K3+UfSU22U21比例放大比例放大电路电路N2小信号小信号切除电路切除电路输出电路输出电路N0U23U23开方运算部分开方运算部分U11图图 3-12 开方器方框图开方器方框图 （4.5V）3.1 运算器运算器 11oiUK U 4、运算关系的实现、运算关系的实现112322222212221233231i22121122323V=VK SVK V(KK1)KN (V1)V(V4.512)31iVNNNVNV NNVVV002302

9、121 1()3iVN VVN 什么是小信号？为什么要对小信号切除？什么是小信号？为什么要对小信号切除？经过输出电路经过输出电路 3.3.开方运算的实现方法开方运算的实现方法 通过改变乘除器信号线的连接方式通过改变乘除器信号线的连接方式 对乘除器的线路作适当改动对乘除器的线路作适当改动 应用霍尔元件组成开方运算电路。应用霍尔元件组成开方运算电路。小信号切除小信号切除2 y Kdydx由可得xKx 可见，可见，x很小时很小时,动态放大系数很大，动态放大系数很大，x稍有波动，就会引起稍有波动，就会引起输出输出y的很大变化，造成开方器在小信号输入时的较大运算误差。的很大变化，造成开方器在小信号输入时

10、的较大运算误差。所以所以, 在信号小于在信号小于输入满量程的输入满量程的1%（51）1%=0.04V）时，时，应将输出信号切除。应将输出信号切除。UiUo输入电路输入电路1N1乘法电路乘法电路1K2比较器比较器乘法电路乘法电路2K3+UfSU22U21比例放大比例放大电路电路N2小信号小信号切除电路切除电路输出电路输出电路N0U23U23开方运算部分开方运算部分U11图图 3-13 开方器方框图开方器方框图 （二）（二） 工作原理工作原理 1.041%1.04 3-14（满量程的），切除；，正常工作电路见图iiUVUV23221111221231.04 13 1 1.040.60.6当时，输出

11、被切除这时 当时，所切除点的具体数值以：iiiLLiUVUN UUN N UUUUVUVUUV实际的切除值可通过实际的切除值可通过U UL L来调整来调整小信号切除电路小信号切除电路开方器的输入输出特性开方器的输入输出特性第二节第二节 执行器执行器TTTICM蒸蒸汽汽冷液冷液热热液液应用示例：应用示例：v 执行器的构成：执行器的构成： 执行机构执行机构产生推力或位移的装置。产生推力或位移的装置。 调节机构调节机构直接改变能量或物料输送量的装置，通常称直接改变能量或物料输送量的装置，通常称 为为控制阀控制阀或或调节阀调节阀。v 执行器的分类：执行器的分类： 气动、电动和液动气动、电动和液动电动执

12、行器电动执行器 气动执行器气动执行器 液动执行器液动执行器一、电动执行机构一、电动执行机构 电动执行机构有电动执行机构有角行程角行程和和直行程直行程两种，是以两相两种，是以两相交流电机为动力的位置伺服机构，它将输入的直流电交流电机为动力的位置伺服机构，它将输入的直流电流信号线性地转换成位移量。流信号线性地转换成位移量。（一）基本结构和工作原理（一）基本结构和工作原理0900mmmm角行程角行程 直行程直行程伺服放大器伺服放大器位置发送器位置发送器伺服电机伺服电机减速器减速器阀位指示放大器放大器执行机构执行机构420mAIiIf电动执行机构方框图电动执行机构方框图090O操作器操作器（二）伺服放

13、大器（二）伺服放大器组成：组成：信号隔离器、信号隔离器、 综合放大电路、综合放大电路、 触发电路、固触发电路、固 态继电器等。态继电器等。作用：作用：将信号将信号Ii 和和If 综合、比较并放大，然后通过可控综合、比较并放大，然后通过可控 硅交流开关去控制伺服电机的正、反转硅交流开关去控制伺服电机的正、反转。 信号隔离器信号隔离器采用光采用光电隔离电路，实现信号电隔离电路，实现信号隔离和电流隔离和电流电压转换。电压转换。 综合放大综合放大和和触发电触发电路路见左图。见左图。（三）执行机构（三）执行机构1.组成：组成：伺服电机、减速机构、位置发送器等。伺服电机、减速机构、位置发送器等。伺服伺服电

14、机电机减速器减速器位置发送器位置发送器090220VAC420mADC作用：作用：将伺服放大器输出的电功率将伺服放大器输出的电功率转换转换成机械转矩，并且成机械转矩，并且 当伺服放大器没有输出时，电机又能可靠地当伺服放大器没有输出时，电机又能可靠地制动制动。 2. 2.伺服电机伺服电机CDW1W2220VAC3.3.减速器减速器作用：作用：把伺服电机高转速、小转矩的输出功率转换成执把伺服电机高转速、小转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。采用正齿轮和行星齿轮机构相结推动调节机构。采用正齿轮和行星齿轮机构相结

15、合的机械传动机构。合的机械传动机构。z z1 1摆轮的齿数摆轮的齿数 z z2 2内齿轮的齿数内齿轮的齿数行星齿轮机构相行星齿轮机构相结合的减速比：结合的减速比：i ( )z2 z1 z1 凸轮机构凸轮机构4.4.位置发送器位置发送器作用：作用：将输出轴将输出轴090的转角转换成的转角转换成420mADC直流直流 电流，作为阀位信号和反馈信号。电流，作为阀位信号和反馈信号。RLEE1E2U电气原理图电气原理图二、气动执行机构二、气动执行机构1.1.作用：作用：接受电接受电/ /气转换器气转换器 ( (或电或电/ /气阀门定位器气阀门定位器) ) 输输 出的气压信号，将其转换成相应的输出力和出的

16、气压信号，将其转换成相应的输出力和 推杆直位移量，以推动调节动作。推杆直位移量，以推动调节动作。 即即2020100kPa100kPa气压信号气压信号直线位移直线位移薄膜式：薄膜式：气压推动薄膜并带动连杆运动气压推动薄膜并带动连杆运动, , 结构简单结构简单, ,动作动作 可靠，维修方便，价格较低，但输出行程小；可靠，维修方便，价格较低，但输出行程小； 活塞式：活塞式：气压推动活塞并带动连杆运动，输出推力大，气压推动活塞并带动连杆运动，输出推力大， 行程长，但价格较高，只用于特殊需要的场合。行程长，但价格较高，只用于特殊需要的场合。 2分分类类气信号气信号气信号气信号薄膜式薄膜式 活塞式活塞式

17、3.气动薄膜式执行机构气动薄膜式执行机构分类：分类： 正作用式正作用式( (信号压力增加时推杆向下动作，信号压力增加时推杆向下动作，ZMAZMA) ) 反作用式反作用式( (信号压力增加时推杆向上动作，信号压力增加时推杆向上动作，ZMBZMB) ) 气开式气开式（气压增大阀门开大）（气压增大阀门开大） 气闭式气闭式（气压增大阀门关小）（气压增大阀门关小）l其含义为：Z执行器大类；M气动薄膜型式；A正作用；B反作用。l输入信号：输入信号： 0.020.1MPa气体压力气体压力l输出信号：输出信号： 连杆位移连杆位移行程，行程，l 规格有：规格有：10,16,25,40,60,100mm结构结构结

18、构见右图。结构见右图。 当信号压力通过上当信号压力通过上膜盖膜盖1 1和波纹膜片和波纹膜片2 2组成组成的气室时，在膜片上产的气室时，在膜片上产生推力生推力, ,使推杆使推杆5 5下移并下移并压缩弹簧压缩弹簧 6 6。当弹簧力。当弹簧力与膜片推力相平衡时，与膜片推力相平衡时，推杆稳定在相应的位置推杆稳定在相应的位置上。上。 膜片的有效面积有：膜片的有效面积有：200200，280280，400400，630630，10001000，16001600cmcm2 2 等。等。执执行行机机构构调调节节机机构构PQ阀座阀芯调节件推杆薄膜弹簧结结构构组组成成静态特性静态特性 在平衡状态时，气动薄膜式执行

19、机构的力平衡方在平衡状态时，气动薄膜式执行机构的力平衡方程式可表示如下：程式可表示如下：P1CsAeL =式中：式中： L 推杆位移；推杆位移； Ae 膜片有效面积；膜片有效面积； P1 输入压力；输入压力； Cs 弹簧刚度。弹簧刚度。输入输出特性见右图。输入输出特性见右图。存在存在非线性偏差非线性偏差和和正反正反行程偏差行程偏差。改善方法：改善方法：l实际执行机构的非线性偏差小于0.4%，正反行程变差小于2.5%。将阀门定位器作为气动执行器的组成成分，可以有效地减小此项误差。动态特性动态特性 在动态情况下，输入信号管线存在阻力，管线和在动态情况下，输入信号管线存在阻力，管线和薄膜气室近似作为

20、气容，故执行机构可看成一个阻容薄膜气室近似作为气容，故执行机构可看成一个阻容环节，薄膜气室压力环节，薄膜气室压力P P1 1与控制器输出压力与控制器输出压力P P0 0关系为：关系为：RCS+11 = =P1P0TS+11式中式中 ，R、C分别为气阻、气容，分别为气阻、气容，T为时间常数。为时间常数。可得控制器输出压力可得控制器输出压力P0与推杆位移与推杆位移L之间的关系为：之间的关系为：(TS+1)CsAe = =LP0TS+1K式中，式中，T T为执行机构的放大系数。为执行机构的放大系数。三、阀门定位器三、阀门定位器1.1.作用：作用：阀门定位器与气动控制阀配套使用，它接受阀门定位器与气动

21、控制阀配套使用，它接受 控制器的输出信号，成比例地输出压力至执控制器的输出信号，成比例地输出压力至执 行机构，推杆移动后的位移量反馈至定位行机构，推杆移动后的位移量反馈至定位 器，构成一闭环系统。器，构成一闭环系统。定位器定位器控制器控制器P0气源气源位置位置反馈反馈P1阀门定位器示意图阀门定位器示意图2.2.优点：优点：阀门定位器可增加阀门定位器可增加 执行器输出功率，执行器输出功率， 减小信号传递滞减小信号传递滞 后，加快阀杆位移后，加快阀杆位移 速度，提高线性速度，提高线性 度，克服阀杆摩擦度，克服阀杆摩擦 力，保证正确定位。力，保证正确定位。电气阀门定位器3.电电/气阀门定位器气阀门定

22、位器 具有电具有电/ / 气转换器和阀门定位器的双重作用，它气转换器和阀门定位器的双重作用，它接受电动控制器输出的接受电动控制器输出的4 4 2020mAmA电流信号，成比例地输电流信号，成比例地输出出2020 100100kPakPa( (或或4040 200200kPakPa) )气动信号至执行机构。气动信号至执行机构。组组成成转换组件：转换组件：永久磁钢、线圈、杠杆、喷嘴、挡板及调零永久磁钢、线圈、杠杆、喷嘴、挡板及调零 装置等。装置等。气路组件：气路组件：气动放大器、气阻、压力表、手气动放大器、气阻、压力表、手/ /自动切换阀。自动切换阀。反馈组件：反馈组件：反馈弹簧、反馈拉杆、反馈压

23、板等。反馈弹簧、反馈拉杆、反馈压板等。接线盒组件：接线盒组件：接线盒、端子板及电缆引线等。接线盒、端子板及电缆引线等。结构及原理结构及原理阀门定位器原理简图阀门定位器原理简图PsPoPa应用场合应用场合 推力大，可用于高差压、大口径、高压、高温、推力大，可用于高差压、大口径、高压、高温、低温及介质中含有固体悬浮物或粘性流体的场合。低温及介质中含有固体悬浮物或粘性流体的场合。动作速度快，可用于控制器与执行机构距离较远的场合。动作速度快，可用于控制器与执行机构距离较远的场合。 可用于需分程控制的场合，两台定位器由一个控制器操纵，可用于需分程控制的场合，两台定位器由一个控制器操纵，每台定位器的工作由

24、分程点决定。每台定位器的工作由分程点决定。 可改善控制阀的流量特性，通过改变反馈凸轮的几何形状，可改善控制阀的流量特性，通过改变反馈凸轮的几何形状，使定位器的输出特性发生变化，从而达到修正流量特性的目的。使定位器的输出特性发生变化，从而达到修正流量特性的目的。四、调节机构四、调节机构 调节机构调节机构又称控制阀又称控制阀( (或调节阀或调节阀) )，是一个局部阻力可，是一个局部阻力可变的节流元件。阀芯移动改变了阀芯与阀座间的流通面积，变的节流元件。阀芯移动改变了阀芯与阀座间的流通面积，即改变了阀的阻力系数，使被控介质流量相应改变即改变了阀的阻力系数，使被控介质流量相应改变。 （一）控制阀结构（

25、一）控制阀结构 由上阀盖、下阀盖、阀由上阀盖、下阀盖、阀体、阀座、阀芯、阀杆、填体、阀座、阀芯、阀杆、填料和压板等构成。为适应多料和压板等构成。为适应多种使用要求，阀芯和阀体有种使用要求，阀芯和阀体有不同的结构，使用的材料也不同的结构，使用的材料也各不相同。各不相同。阀的结构型式阀的结构型式v直通单座阀直通单座阀v直通双座阀直通双座阀v角形阀角形阀v三通阀三通阀v蝶阀蝶阀v套筒阀套筒阀v偏心旋转阀偏心旋转阀v高压阀高压阀调节阀的类型调节阀的类型1.阀芯型式阀芯型式阀芯型式有直行程阀芯和角行程阀芯两类。阀芯型式有直行程阀芯和角行程阀芯两类。 （1）直行程阀芯直行程阀芯又分为：平板型、柱塞型、又分

26、为：平板型、柱塞型、窗口型和多级阀芯。各种阀芯的型式见下图。窗口型和多级阀芯。各种阀芯的型式见下图。直行程阀芯直行程阀芯（2）l角行程阀芯角行程阀芯有偏心旋转型、蝶型和球型。有偏心旋转型、蝶型和球型。 图图332 角行程阀芯角行程阀芯（3）流体对阀芯作用形式：）流体对阀芯作用形式：流开阀流开阀和和流闭阀流闭阀图图333图图334.4.阀芯的安装形式：阀芯的安装形式：正装阀正装阀和和反装阀反装阀 控制阀的流量特性控制阀的流量特性1.1.理想流量特性理想流量特性( (阀前后压差不随阀的开度而变阀前后压差不随阀的开度而变) )（）QQmaxlfL 控制阀的流量特性指介质流过控制阀相对流量（控制阀的流

27、量特性指介质流过控制阀相对流量（ ）与）与相对位移（相对位移（ ）之间的关系，即：）之间的关系，即：QQmaxlL（二）（二）控制阀特性控制阀特性vv 直线特性：直线特性： Q/Qmax= K ( l /L )+ C vv 对数特性：对数特性： Q/Qmax= R (l /L-1) vv 抛物线特性：抛物线特性：Q/Qmax= 1/R 1+( 1) l/L 2 vv 快开特性：随着开度增大快开特性：随着开度增大, 流量很快达最大。流量很快达最大。 R各种流量特性及其阀芯形状如图所示各种流量特性及其阀芯形状如图所示1 1 快开；快开；2 2 直线；直线；3 3 抛物线；抛物线；4 4 修正抛物线

28、修正抛物线2.2.工作流量特性工作流量特性( (阀前后压差随阀的开度而变阀前后压差随阀的开度而变) ) 串联管道时的工作流量特性串联管道时的工作流量特性 并联管道时的工作流量特性并联管道时的工作流量特性结论结论vv 使理想流量特性发生畸变使理想流量特性发生畸变, , 串联管道尤为严重串联管道尤为严重, , 放大系放大系 数随开度增大而减小数随开度增大而减小, , 并联管道总比原来小。并联管道总比原来小。vv 使控制阀可调比降低，并联管道尤为严重。使控制阀可调比降低，并联管道尤为严重。 vv 串联管道使总流量减少，并联管道则增加。串联管道使总流量减少，并联管道则增加。五、执行器的选择五、执行器的

29、选择包括结构型式、流量特性、阀门口径等的选择。包括结构型式、流量特性、阀门口径等的选择。（一）（一）结构型式的选择结构型式的选择 根据能源、工艺条件、介质性质等来确定根据能源、工艺条件、介质性质等来确定执行机构执行机构的规格的规格品种。对于气动执行器，从工艺生产的安全考虑品种。对于气动执行器，从工艺生产的安全考虑, , 选择其作用选择其作用方式是气开式或是气关式。方式是气开式或是气关式。 按执行机构的正反按执行机构的正反作用和调节机构的正反作用和调节机构的正反安装方式，实现气动执安装方式，实现气动执行器的行器的气开气开、气关气关时有时有四种组合方式。四种组合方式。 调节机构调节机构的选择是根据流体性质、流动状态、工的选择是根据流体性质、流动状态、工艺条件和过程控制的要求，并兼顾经济性来确定合适艺条件和过程控制的要求，并兼顾经济性来确定合适的结构形式。的结构形式。（二）（二）控制阀