最优控制理论课件

1、 10.1 执行器工作原理 10.2 气动执行器 10.3 电动执行器第十章第十章 执行单元执行单元p执行单元的作用执行单元的作用p 执行器的分类执行器的分类p 执行器的基本构成和原理执行器的基本构成和原理 101 执行器工作原理一、一、执行单元的作用执行单元的作用执行单元是构成控制系统不可缺少的重要组成部执行单元是构成控制系统不可缺少的重要组成部分。分。任何一个最简单的任何一个最简单的控制系统控制系统也必须由检测环节、也必须由检测环节、调节单元及执行单元组成。调节单元及执行单元组成。执行单元的作用就是执行单元的作用就是根据调节器的输出，直接控根据调节器的输出，直接控制被控变量所对应的某些物理

2、量，例如温度、压力制被控变量所对应的某些物理量，例如温度、压力和流量等参数，从而实现对被控对象的控制目的。和流量等参数，从而实现对被控对象的控制目的。因此完全可以说执行单元是用来代替人的操作的，因此完全可以说执行单元是用来代替人的操作的，形象的称之为实现自动控制的形象的称之为实现自动控制的“手脚手脚”。一、一、执行单元的作用执行单元的作用执行单元一般由执行单元一般由执行机构执行机构和和调节机构调节机构组成。组成。执行机构执行机构：是执行器的推动部分按照调节器所给：是执行器的推动部分按照调节器所给信号的大小产生推力和位移。信号的大小产生推力和位移。调节机构调节机构：执行器的调节部分，最常见是调节

3、阀：执行器的调节部分，最常见是调节阀, ,受执行机构的操纵，改变阀心和阀座的流通面积，受执行机构的操纵，改变阀心和阀座的流通面积，调节工艺介质的流量。调节工艺介质的流量。二、二、执行器的分类执行器的分类按使用能源分类：按使用能源分类：气动执行器：气动执行器：以压缩空气为动力能源。以压缩空气为动力能源。结构简单、工作可靠、价格便宜、维护方便和防结构简单、工作可靠、价格便宜、维护方便和防火防爆等优点，应用最为普遍。火防爆等优点，应用最为普遍。电动执行器：电动执行器：能源采用方便，速度快，距离远。能源采用方便，速度快，距离远。结构复杂、推力小、价格贵，防爆要求不高。结构复杂、推力小、价格贵，防爆要求

4、不高。液动执行器：液动执行器： 推力大，应用较少。推力大，应用较少。二、二、执行器的分类执行器的分类三、显示仪表的结构分析三、显示仪表的结构分析调节器的输出信号，作为执行器动作依据；该信调节器的输出信号，作为执行器动作依据；该信号送入信号转换单元，转换信号制式后与反馈的执号送入信号转换单元，转换信号制式后与反馈的执行机构位置信号进行比较，其差值作为执行机构的行机构位置信号进行比较，其差值作为执行机构的输入，以确定执行机构的作用方向和大小；输出结输入，以确定执行机构的作用方向和大小；输出结果控制调节阀的动作，实现调节作用。果控制调节阀的动作，实现调节作用。其中执行机构的输出通过位置发生器可以其中

5、执行机构的输出通过位置发生器可以产生其产生其反馈控制所需的位置信号反馈控制所需的位置信号。三、执行器的基本构成和原理三、执行器的基本构成和原理输入信号输入信号信号转信号转换单元换单元执行机构执行机构位置负反馈位置负反馈阀门位置阀门位置发生单元发生单元调节阀调节阀p 气动执行器的基本构成及其特性气动执行器的基本构成及其特性p 阀门定位器阀门定位器p 电气转换器电气转换器 10102 2 气动执行器气动执行器一、一、气动执行器的基本构成及其特性气动执行器的基本构成及其特性位移负反馈位移负反馈阀杆位移阀杆位移气压气压P气压气压P1电流电流I电器转电器转换器换器阀门阀门定位器定位器执行机构执行机构调节

6、阀调节阀气动执行器基本结构。气动执行器基本结构。选配附件，用于不同场合选配附件，用于不同场合气动执行器：气动执行器：由上部的气动由上部的气动执行执行机构机构和下部的和下部的调节调节阀阀两部分组成。两部分组成。要求高和条件差场要求高和条件差场合需配有阀门定位合需配有阀门定位器等配件。器等配件。 执行机构执行机构 调节阀调节阀薄膜式气动执行器薄膜式气动执行器、气动执行器的基本组成、气动执行器的基本组成 1 1膜片膜片2 2弹簧弹簧3 3推杆推杆4 4阀芯阀芯5 5阀座阀座气动执行机构分类：气动执行机构分类： 薄膜式薄膜式 活塞式活塞式、气动执行器的执行机构、气动执行器的执行机构 弹性膜片将输入气压

7、转变为推力与弹性膜片将输入气压转变为推力与弹簧反力平衡，结构简单，价格便弹簧反力平衡，结构简单，价格便宜，使用最广泛。宜，使用最广泛。以气缸内的活塞输出推力，由于以气缸内的活塞输出推力，由于气缸内允许压力较高，可获得较气缸内允许压力较高，可获得较大的推力，因而常作为长行程执大的推力，因而常作为长行程执行机构。行机构。气动薄膜式执行机构执行机构由弹性膜由弹性膜片、压缩弹簧和推片、压缩弹簧和推杆组成。杆组成。工作原理工作原理 弹簧反作用力和膜弹簧反作用力和膜片上推力平衡，此片上推力平衡，此时推杆位移与输入时推杆位移与输入气压成比例。气压成比例。结论结论 比例式执行机构。比例式执行机构。气动活塞式执

8、行机构执行机构无弹簧的无弹簧的汽缸活塞式系统。汽缸活塞式系统。无弹簧反作用力输无弹簧反作用力输出推力较大，适合出推力较大，适合高静压、高压差的高静压、高压差的场合。场合。有比例式和两位式有比例式和两位式两种输出特性的执两种输出特性的执行机构。行机构。、气动执行器的调节阀、气动执行器的调节阀a、调节阀结构、调节阀结构调节机构是由阀体、调节机构是由阀体、阀杆、阀芯、阀座阀杆、阀芯、阀座等部件所组成。等部件所组成。阀芯在阀体内移动，阀芯在阀体内移动，改变阀芯与改变阀芯与 阀座间的流通面积，阀座间的流通面积，控制通过的控制通过的 流量。流量。阀心阀心阀杆阀杆阀体阀体、气动执行器的调节阀、气动执行器的调

9、节阀b、调节阀分类、调节阀分类从安全生产角度进行选择从安全生产角度进行选择 气闭式：当信号气压气闭式：当信号气压P P增加时，阀门开度减小增加时，阀门开度减小气开式：当信号气压气开式：当信号气压P P增加时，阀门开度增加增加时，阀门开度增加被调节流体对阀芯的影响选择被调节流体对阀芯的影响选择 单座式：单座式： 只有一套阀芯和阀座只有一套阀芯和阀座 双座式：双座式： 两套阀芯和阀座两套阀芯和阀座直通双座阀直通双座阀直通单座阀直通单座阀、气动执行器的调节阀、气动执行器的调节阀c、气动调节阀的类型有：、气动调节阀的类型有： 直通单座调节阀直通双座调节阀三通调节阀蝶阀高压角形调节阀隔膜调节阀直通单座调

10、节阀阀体内有一个阀芯和阀座，流体从左侧进入，阀体内有一个阀芯和阀座，流体从左侧进入， 通过阀芯阀通过阀芯阀座后汇合，从右侧流出。座后汇合，从右侧流出。优点：泄漏量小，适用于低压差，对泄漏量要求严格场合。缺点：流体差压对阀芯作用力大，严重时使调节阀不能正常工作直通双座调节阀阀体内有两个阀芯和阀座，流体从右侧进入，阀体内有两个阀芯和阀座，流体从右侧进入， 通过阀通过阀芯阀座后汇合，从左侧流出。芯阀座后汇合，从左侧流出。优点： 上下阀芯所受作用力方向相反，大小近于相等，适用于差压较大，自动调节的系统。缺点：不能保证同时关闭，泄漏量大，价格较高。三通调节阀 三通阀可以把一路流体分成两路，或是把两路流体

11、合为一路， 它们是在直通单座或双座调节阀的基础上发展起来的，可以代替两个直通阀。二位三通电磁阀蝶阀蝶阀又称为翻板阀。它利用挡板的旋转改变流通面积来控制流量。它的价格便宜，流阻小，适用于低压差和大流量气体，也可用于含少量悬浮物或粘度不大的液体，但泄漏量大。转角大于600后，特性不稳定。 高压角形调节阀阀体流路简单，且阻力小，适用于高粘度和含悬浮颗粒的流体调节。铸造成型的角形结构。为了延长使用寿命，适应高差压下，流体的冲刷和汽蚀，阀芯头部可采用硬质合金或可淬硬钢渗铬等，阀座采用可淬硬钢渗铬。隔膜调节阀隔膜调节阀采用耐腐蚀衬里的阀体和耐腐蚀的隔膜代替阀芯组件，由隔膜起控制作用。 、气动执行器的调节阀

12、、气动执行器的调节阀d、气动调节阀的流量特性：、气动调节阀的流量特性： 调节阀的流量特性是指流体通过阀门的相对流量与阀门的相对开度之间的函数关系。数学表达式为：其中Q/Qmax相对流量l/L相对位移，调节阀某一开度行程与全开时行程比一般而言，改变调节阀的阀芯和阀座之间的流通面积，便可调节流量。但实际上由于各种因素的影响，如阀前后压差有变化，而压差的变化会引起流量的变化，因此流量特性有固有流量特性和工作流量特性两个概念。LlfQQmax、气动执行器的调节阀、气动执行器的调节阀调节阀前后压差保持不变时得到的流量特性。典型的固有流量特性有直线流量特性、对数流量特性、抛物线流量特性和快开流量特性。固有

13、（理想）流量特性：、气动执行器的调节阀、气动执行器的调节阀在小开度时，就有较大流量，随着开度的增加，流量很快就增加到最大，此后再增加开度，流量的变化很小。小开度易振荡，大开度，不灵敏，一般应用于双位控制。快开流量特性：、气动执行器的调节阀、气动执行器的调节阀直线流量特性是指阀单位相对位移的变化所引起的相对流量的变化是常数。阀的放大系数不变。直线流量特性：KddLlQQ)()(max、气动执行器的调节阀、气动执行器的调节阀 抛物线流量特性是指阀单位相对位移的变化所引起的相对流量的变化和此点的相对流量的平方根成正比。可用来实现非线性补偿。抛物线流量特性：、气动执行器的调节阀、气动执行器的调节阀 在

14、小开度时，阀的放大系数小，调节平稳缓和；在大开度时，阀的放大系数大，调节灵敏有效。无论是大开度还是小开度，相对流量的变化率都是相等的，表明流量变化的百分比是相同的，因而又叫等百分比特性。对数线流量特性：、气动执行器的调节阀、气动执行器的调节阀实例分析工作流量特性：pvpF调节阀管道设备QmaxQppVpFpp恒定，随阀开度增大，Q增大，管道上压降pF随Q平方增加，阀前后压差pv减小，导致流量变化减小。、气动执行器的调节阀、气动执行器的调节阀工作流量特性：由于串联管道阻力的影响，使理想流量特性产生两个变化：由于串联管道阻力的影响，使理想流量特性产生两个变化： 1 1、阀全开时的流量减小，阀的可调

15、范围减小；、阀全开时的流量减小，阀的可调范围减小； 2 2、阀在大开度时的控制灵敏度降低。、阀在大开度时的控制灵敏度降低。直线流量特性的阀趋于快开特性；对数流量特性的阀趋于直直线流量特性的阀趋于快开特性；对数流量特性的阀趋于直线特性，线特性，且管道阻力越大，流量特性变形的越大，且管道阻力越大，流量特性变形的越大，如图所示。如图所示。 思考：为获得具有线性特性的系统如何选择调节阀？思考：为获得具有线性特性的系统如何选择调节阀？二二、阀门定位器阀门定位器以上附加力都会影响执行机构与输入信号以上附加力都会影响执行机构与输入信号的定位关系。的定位关系。填料摩擦力的影响填料摩擦力的影响流体对阀芯的作用力

16、影响流体对阀芯的作用力影响因而在要求调节质量高的场合，都要在调因而在要求调节质量高的场合，都要在调节阀上加装阀门定位器。节阀上加装阀门定位器。借助阀杆位移负反馈，使调节阀能按输入借助阀杆位移负反馈，使调节阀能按输入信号精确地确定自己的开度。信号精确地确定自己的开度。气动阀门定位器气动阀门定位器阀门定位器阀门定位器- -喷嘴挡板机构喷嘴挡板机构节流孔与喷嘴尺寸配合适当，这种机构能得到很节流孔与喷嘴尺寸配合适当，这种机构能得到很高灵敏度，只要有百分之几毫米的位移由气阻变化高灵敏度，只要有百分之几毫米的位移由气阻变化使背压室输出压力大幅变化。使背压室输出压力大幅变化。气源气源P P恒节流孔恒节流孔

17、背压室背压室喷嘴喷嘴挡板挡板s ss sP P 气动阀门定位器接受气动调节器的输出，并产生与调节器输出成比例的气压信号，去控制气动调节阀 ，它是按力矩平衡原理工作的。 气动阀门定位器气动阀门定位器电气阀门定位器电气阀门定位器电电/ /气阀门定位器气阀门定位器 电电/ /气阀门定位器接受气阀门定位器接受电动调节器的输出电动调节器的输出I(0I(010mA10mA或或4 420mA20mA直流直流电信号电信号) )产生与调节器产生与调节器输出信号成比例的气输出信号成比例的气压信号压信号P P去控制气动调去控制气动调节阀。节阀。 三三、电气转换器电气转换器由于气动执行器具有一系列的优点，绝大由于气动

18、执行器具有一系列的优点，绝大部分使用部分使用电动调节仪表电动调节仪表的系统都使用的系统都使用气动气动执行器执行器。为使气动执行器能够接受电动调节器的命为使气动执行器能够接受电动调节器的命令，必须把电流信号转化为电压信号，即令，必须把电流信号转化为电压信号，即使用使用电气转换器。电气转换器。电气转换器电动执行器也由执行机构和调节阀两部分组成。其中调电动执行器也由执行机构和调节阀两部分组成。其中调节阀部分与气动执行器常常是通用的，不同只是电动执节阀部分与气动执行器常常是通用的，不同只是电动执行器使用电动执行机构行器使用电动执行机构。电动执行器有角行程和直行程两种，其电气原理完全相电动执行器有角行程和直行程两种，其电气原理完全相同只是输出机械的传动部分有区别。同只是输出机械的传动部分有区别。以角行程的电动执行器为例，用以角行程的电动执行器为例，用Ii表示输入电流，表示输入电流，表表示输出轴转角，则两者存在如下的线性关系：示输出轴转角，则两者存在如下的线性关系： 式中式中K是比例系数。由此可见，电动执行器实际上相当是比例系数。由此可见，电动执