过控第四章执行机构课件

过控第四章执行机构过控第四章执行机构过控第四章执行机构4.1执行器的工作原理与分类执行器接收来自控制器的控制信号，通过执行机构将其转换成相应的角位移或直线位移，去改变调节机构的流通面积，从而调节流入或流出被控过程的物料或能量，实现对温度、压力、流量等过程被控参数的自动控制。执行器安装在现场，直接与介质接触，常常在高温、高压、易腐蚀、易结晶、易燃易爆等恶劣条件下使用。4.1执行器的工作原理与分类执行器接收来自控制器的控制信号，通过执行机构将其转换成相应的角位移或直线位移，去改变调节机构的流通面积，从而调节流入或流出被控过程的物料或能量，实现对温度、压力、流量等过程被控参数的自动控制。执行器安装在现场，直接与介质接触，常常在高温、高压、易腐蚀、易结晶、易燃易爆等恶劣条件下使用。4.1执行器的工作原理与分类---组成按使用能源分电动执行器气动执行器输入0-10mADC或4-20mADC电流信号。方便、信号传输速度快、传输距离远;结构复杂、安全防爆性能差、推力小、价格贵，适用于防爆要求不高及缺乏气源的场所4.1执行器的工作原理与分类---分类液动执行器推力大，体积较大，适用于被控制压力高的场合输入0.02-0.1MPa气压信号。结构简单、动作平稳可靠、输出推力大、维护方便、价格便宜、安全防爆系数高。动作时间长，不适合远传（传输距离<150m），而且不能与数字设备直接连接。按输出位移形式转角型90°（或<90°）或多圈（>360°）4.1执行器的工作原理与分类---分类直线型短行程和长行程按动作规律开关型全开和全关两种状态，如电磁阀积分型正向等速运动、反向等速运动和停止三种状态，实现任意阀门开度的调节比例型输出位移和输入信号成比例关系电动调节阀接受来自调节器的电流信号，阀门开度连续可调。电磁阀也接受来自调节器的电流信号，但阀门开度是位式调节。执行机构常用阀门智能式调节阀随着电子技术的迅速发展，微处理器也被引入到调节阀中，出现了智能式调节阀。主要功能如下：1．控制及执行功能2．补偿及校正功能3．通信功能4．诊断功能5．保护功能智能电动执行机构常用阀门接收来自控制器的0-10mA.DC或4-20mA.DC电流信号，并将其转换为相应的角位移（输出力矩）或直线位移（输出力），去操纵阀门、档板等调节机构。4.2电动执行机构---概念角行程以电动机作为动力元件，将输入的直流电流信号转换为相应的角位移（0-90℃），适用于操纵蝶阀、档板之类的旋转式调节阀直行程将输入的直流电流信号，通过电动机和减速器，转换为直线位移输出，适用于操纵单座、双座、三通等直线式调节阀多转式开启和关闭闸阀、截止阀等多转式阀门4.2电动执行机构---工作原理可与控制器配合实现自动调节，还可通过操作器实现系统的自动调节和手动调节的相互切换。当操作器的切换开关置于手动操作位置时，由正、反操作按钮直接控制电机的电源，以实现执行机构输出轴的正转或反转。4.2电动执行机构---执行机构将伺服放大器输出的电功率转换成机械转矩，并当伺服放大器没有输出时，电机能可靠地制动。把伺服电机高转速、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，从而推动调节机构。将执行机构输出轴的位移线性地转换成0-10mA.DC或4-20mA.DC反馈信号，并作为位置反馈信号反馈到伺服放大器的输入端。两相电机伺服驱动电路

＋－线圈Ⅱ、CF例

a（+）b（-）时

触发电路1工作SCR1导通c、d间短接线圈Ⅰ

电机正转220V通路

90º

相移4.2电动执行机构---执行机构4.2电动执行机构---执行机构

当铁芯在中间位置时，因两副边绕组的磁路对称，故感应电压U1=U2，但因两绕组反向串联，所以输出电压U0=0；当铁芯自中间位置向上移动时，磁路对两绕组不对称，故感应电压U1>U2，因而输出电压U0=U1-U2；当铁芯向下移动时，两绕组中的感应电压U1<U2，则输出电压U0相位与上述相反。4.3气动执行机构---分类根据控制器或阀门定位器的输出气压信号大小，产生相应的输出力和推杆直线位移，推动调节机构的阀芯动作。薄膜式活塞式使用弹性膜片将输入气压转变为推力;结构简单、价格低廉、运行可靠、维护方便以气缸内的活塞输出推力;输出推力大、行程长，价格高，只用于特殊需求场合气动活塞式执行机构薄膜式执行机构P正作用执行机构反作用执行机构4.3气动执行机构---分类4.3气动执行机构---气动薄膜式正作用（ZMA）：当输入气压信号增加时，推杆向下移动反作用（ZMB）：当输入气压信号增加时，推杆向上移动气动薄膜室推杆阀门阀位指示标牌阀杆4.3气动执行机构---气动薄膜式4.4调节机构---概念----局部阻力可变的节流元件。----在执行机构输出力（力矩）作用下，阀芯在阀体内移动，改变阀芯与阀座之间的流通面积，即改变了调节机构的阻力系数，从而使被控介质的流量发生相应变化，4.4调节机构---结构（1）直通单座调节阀只有一个阀芯与一个阀座。优点：结构简单、泄露量小，不平衡力大，易于保证关闭。缺点：在压差比较大时，流体对阀芯上下作用推力不平衡，影响阀芯的移动。用于小口径、低压差场合。4.4调节机构---结构（2）直通双座调节阀有两个阀芯和阀座。特点：不平衡力小、允许压差大，但泄漏量也大。适用于阀两端压差较大、泄漏量要求不高的场合，不适用于高黏度场合。4.4调节机构---结构（3）角形调节阀特点：流路简单、阻力小，适用于安装现场管道要求用直角连接，或高压差、高黏度、含有悬浮物和固体颗粒状物料流量的场合4.4调节机构---结构（4）隔膜调节阀特点：结构简单、流阻小、流通能力大。介质用隔膜与外界隔离，适用于强酸、强碱、强腐蚀性物料和高黏度、含悬浮颗粒状介质。4.4调节机构---结构（5）三通调节阀合流型：两种介质混合成一路

分流型：一种介质分成两路4.4调节机构---结构（6）蝶阀结构紧凑、成本低、流阻小、流通能力大，泄漏量大；用于大口径、大流量、低压差和含少量悬浮颗粒介质的场合。

O型球阀是带圆孔的球形体，用于位式调节。V型球阀是V型缺口球形体，适用于高黏度物料。（7）球阀4.4调节机构---结构（8）偏心旋转阀重量轻、体积小、安装方便，适用于高黏度或含悬浮物的物料。

可调比大、振动小、不平衡力小、互换性好，阀内部件所受气蚀小、噪音小，适用于要求噪音低、压差大的场合，但不宜用于高温、高黏度物料。（9）套筒型调节阀控制阀结构形式的选择

阀结构形式

特点及使用场合

直通单座阀前后压降低，适用于要求泄露量小的场合

直通双座阀前后压降大，适用于要求泄露量较大的场合

角阀适用于高压，高粘度的，含悬浮物或颗粒状物质的场合

高压阀适用于高压控制的特殊场合

蝶阀适用于有悬浮物的液体、大流量气体、压差低、允许泄露量大的场合

隔膜阀适用于有腐蚀介质的场合

三通阀适用于分流或合流的控制场合4.4调节机构---结构正装阀阀芯下移时，阀芯与阀座间的流通截面积增大阀门中的柱式阀芯可以正装，也可以反装。反装阀阀芯下移时，阀芯与阀座间的流通截面积减小

调节阀（正装、反装）

执行机构（正、反作用）4.4调节机构---调节阀特性（1）气动执行器的气开、气关形式信号压力增加，阀门开度大；信号压力减小，阀门开度小；无信号压力，阀门全关；信号压力增加，阀门开度小；信号压力减小，阀门开度大；无信号压力，阀门全开；气开气关保证无气源时，系统安全。4.4调节机构---调节阀特性（1）气动执行器的气开、气关形式介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度之间的关系。某一开度行程与全开行程之比某一开度流量与全开流量之比系统工作不正常，与调节阀特性选择不合适；或阀芯在使用中因腐蚀、磨损，使特性变坏，或失灵。重要性：4.4调节机构---调节阀特性（2）流量特性---定义为了便于分析，先将阀前后压差固定，然后再引伸到实际工作情况，于是有固有流量特性与工作流量特性之分。1、固有（理想）流量特性:在将控制阀前后压差固定时得到的流量特性称为固有流量特性。它取决于阀芯的形状。321343142（1）直线特性（2）等百分比特性（3）快开特性（4）抛物线特性4.4调节机构---调节阀特性假设前后压差不变4.4调节机构---调节阀特性（2）流量特性----理想流量特性LQ直线流量特性

——调节阀相对流量与阀芯信息开度成直线关系。直线阀芯形状4.4调节机构---调节阀特性（2）流量特性----理想直线流量特性KV为放大系数4.4调节机构---调节阀特性（2）流量特性----理想直线流量特性

可调比R为调节阀所能控制的最大流量与最小流量的比值。

其中Qmin不是指阀门全关时的泄漏量，而是阀门能平稳控制的最小流量，约为最大流量的2~4%一般阀门的可调比R=30。R=Qmax/Qmin4.4调节机构---调节阀特性控制力：阀门开度改变时，相对流量的改变比值。

在不同的开度上，再分别增加10%开度，相对流量的变化10％时：[（20-10）/10]×100%=100%50％时：[（60-50）/50]×100%=20%80％时：[（90-80）/80]×100%=12.5%Q/Q100L/Lmaxs=1

直线阀的流量放大系数在任何一点上都是相同的，但其对流量的控制力却是不同的。直线流量特性调节阀在小开度工作时，控制作用过于灵敏，不易稳定（易引起振荡）；在大开度工作时，控制作用过于迟钝，调节效果不明显。阀门相对开度变化所引起的流量变化是相等的。流量的相对变化量是不同的。4.4调节机构---调节阀特性（2）流量特性----理想直线流量特性对数（等分比）流量特性

——阀杆相对开度变化所引起的相对流量变化与该点相对流量成比例。4.4调节机构---调节阀特性（2）流量特性----理想对数流量特性对数阀芯形状放大系数KV随相对流量变化而变化4.4调节机构---调节阀特性（2）流量特性----理想对数流量特性10%处：（6.58%-4.68%）/4.68%≈41%50%处：（25.7%-18.2%）/18.2%≈41%80%处：（71.2%-50.6%）/50.6%≈41%

同样以10％、50％及80％三点为例，分别增加10%开度，相对流量变化的比值为：Q/Q100L/Lmaxs=1从控制过程来看，利用对数流量特性是有利的；在小开度时，KV小，控制缓和平稳；在大开度时，KV大，控制及时有效；调节灵敏度在整个调节范围内不变。4.4调节机构---调节阀特性（2）流量特性----理想对数流量特性等百分比阀在各流量点的放大系数不同，但对流量的控制力却是相同的。快开流量特性

——阀门在小开度时流量增量比较大，随着开度增加，流量很快达到最大。有效行程为阀座直径的1/4，当行程再增大，流通面积不再增大。4.4调节机构---调节阀特性（2）流量特性----理想快开流量特性适用于要求迅速启闭的场合，特别是位式（开关式）调节系统。调节阀前后压差变化的情况下，相对流量与阀芯相对开度之间的关系4.4调节机构---调节阀特性（2）流量特性----工作流量特性调节阀总是与工艺设备、管道等串联或并联使用，由于阻力损失引起阀门前后压差的变化，导致流量特性发生变化4.4调节机构---调节阀特性（2）流量特性----串联管道的工作流量特性系统总压差管道压差调节阀压差从串联管道中调节阀两端压差△PT的变化曲线可看出，调节阀全关时阀上压理最大，基本等于系统总压力；调节阀全开时阀上压力降至最小。为了表示调节阀两端压差△PT的变化范围，以阀权度s表示调节阀全开时，阀前后压差△PVmin与总压力△

P之比。s=PVmin

/△

P当总压差一定时，随阀门开大，流量增加，管道设备上压力随着流量的平方增大，而调节阀前后压差减小，造成阀流量特性畸变。4.4调节机构---调节阀特性（2）流量特性----串联管道的工作流量特性

（2）流量特性----串联管道的工作流量特性阻力比：S越小，畸变越严重，实际中要求S>0.3到0.5。

S=1时，为理想流量特性；

S<1时，由于串联阻力影响：

S越小，特性趋于快开特性。调节阀全开时前后压差总压差理想流量下全开流量工作流量下全开流量4.4调节机构---调节阀特性阀门全开时流量总管道最大流量4.4调节机构---调节阀特性（2）流量特性----并联管道的工作流量特性X越小，说明分流作用越小，对总流量影响越小。其特性曲线与理想特性曲线形状保持不变，但调节范围变化较大。实际要求X>0.8：X减小，调节阀可调范围减小。

X=1时，旁路阀全开，为理想特性曲线；（2）流量特性----并联管道的工作流量特性4.4调节机构---调节阀特性

（2）流量特性----工作流量特性4.4调节机构---调节阀特性---使理想流量特性发生畸变，串联管道的影响尤为严重。---使调节阀的可调范围降低，并联管道尤为严重。---串联管道使系统总流量减少，并联管道使系统总流量增加。---使调节阀的放大系数减小，即输入信号变化引起的流量变化减小。串联管道时，若调节阀处于大开度，则S值降低对放大系数影响更为严重。并联管道时，若调节阀处于小开度，则X值降低对放大系数影响更为严重。4.5电-气转换器目的：控制器输出通常是电动信号，若执行器采用气动执行器，就必须将控制器输出的标准电流信号转换为0.02-0.1MPa的标准气压信号，才能与气动执行器配接。4.5电-气转换器4.6阀门定位器目的：为防止阀杆引出处泄漏，填料通常压得很紧，使摩擦力很大；对具有高黏度等特性的被调介质，会对阀芯的作用力产生影响；影响执行机构与输入信号间定位关系，使调节阀不能准确定位。4.6阀门定位器（1）阀门定位器增加执行机构的输出功率，克服阀杆与填料之间的摩擦力和介质对阀芯产生的不平衡力。

---适于高压差、大口径和含有固体悬浮物介质或黏性流体场合。（2）减少控制信号的传递滞后，加快阀杆的移动速度。（3）提高控制信号与执行机构输出位移之间的线性度，保证调节阀的准确定位。一般在快速响应系统中，采用电—气转换器；在慢速响应系统中采用电—气阀门定位器。4.4调节机构---调节阀特性（3）调节阀口径----口径选择过小，会使流经调节阀的介质达不到所需要的最大流量。在大干扰情况下，会因介质流量不足而失控。----口径选择过大，不仅会浪费设备投资，而且会使调节阀处于小开度工作，导致调节性能变差，引起系统振荡，降低阀门寿命。---调节阀的口径是依据调节阀流量系数C确定。-----流通能力C：表示调节阀容量.

为阀全开时，△p=0.1Mpa，流体重度为1g/cm3时，每小时通过阀门流体流量m3或kg选用调节阀时，一般应考虑以下几个方面。1．调节阀结构的选择通常根据工艺条件，如使用温度、压力，介质的物理、化学特性（如腐蚀性、粘度等），对流量的控制要求等，来选择调节阀的结构形式。例如，一般介质条件选用直通单座阀或直通双座阀；高压介质选用高压阀；强腐蚀介质采用隔膜阀等。调节阀的选择4.7执行器选择4.7执行器选择----气动和电动执行机构选择。特别对于气动执行机构，必须确定气动执行器的气开、气关作用方式。-----调节机构选择要充分考虑流体性质（如黏度、腐蚀性、毒性等）、工艺条件（如温度、压力、流量等）和系统要求，兼顾经济性和工艺要求。可靠性驱动能源价格输出力防爆性能气动执行机构高压缩气体，气源装置低小好电动执行机构较低电，方便高大差气动薄膜三通调节阀气动薄膜精小型调节阀气动薄膜式隔膜阀2．气开式与气关式的选择气动调节阀在气压信号中断后阀门会复位。无压力信号时阀全开，随着信号增大，阀门逐渐关小的称为气关式。反之，无压力信号时阀全闭，随着信号增大，阀门逐渐开大称的为气开式。如气动薄膜调节阀的气开式与气关式：气关式气关式气开式气开式

给水阀燃气阀蒸汽例如：选择蒸汽锅炉的控制阀门时，为保证失控状态下锅炉的安全：

给水阀应选气关式

燃气阀应选气开式阀门气开气关式的选择原则：当控制信号中断时，阀门的复位位置能使工艺设备处于安全状态。FC

从保护锅炉出发，应选用气闭阀；从保护后续设备出发，应选用气开阀。主要要分清主次矛盾。

生产工艺对控制阀的开闭形式没有严格的要求开闭开形式可以任选。LC给水蒸汽控制阀开闭形式的选择1）气开阀：随气压信号增加，阀门逐渐打开2）气关阀：随气压信号增加，阀门逐渐关小选气开还是气关式，由生产工艺的要求决定。1）首先从生产安全考虑：供气、供电中断，保证 装置和人身设备安全。2）考虑原料及成品动力消耗：如控制精馏塔进料的调节阀就采用气开式，一旦气源中断，不再给塔进料，以免造成浪费。

3）考虑产品质量：如控制精馏塔回流量调节阀就采用气关式，一旦发生事故，使全回流，防止不合格产品的蒸出，保证产品质量4）考虑介质性质：调节阀流量特性的选择保证控制品质的重要因素之一是：保持控制系统的总放大倍数在工作范围内尽可能恒定。给定值被控量干扰f

控制器

传感器执行器被控对象+eWc(s)－W3(s)W1(s)W2(s)K=K1K2K3Kc有的被控对象的放大倍数，在不同的工艺点不同。如热水加热器的热水流量与送风温度的静特性MTT热水Qθθ/θmaxQ/Qmax050%50%100%100%K

由图可见，随着热水流量增大，对送风的加热效果越来越差。因为热交换需要时间，热水很快流走，不能充分热交换所致。但若用蒸汽加热，由于冷凝放热很快，该特性为直线特性。很多对象在工作区域内稳态放大倍数K不是常数，在不同的工艺负荷点，K不相同。因此希望调节阀的流量特性能补偿对象的静特性。（1）若调节对象的静特性是非线性的，工艺负荷变化又大，用等百分比特性补偿。（3）配管阻力大、s值低，等百分比阀会畸变成直线阀。（2）若调节对象的静特性是线性的，或工艺负荷变化不大，用直线阀。4.7执行器选择-----考虑工艺管路情况。先根据系统的特点确定阀门预期的工作流量特性，然后再根据工艺管道情况选择理想流量特性。配管情况S=0.6-1S=0.3-0.6阀的工作流量特性直线抛物线等百分比直线抛物线等百分比阀的理想流量特性直线抛物线等百分比等百分比直线等百分比一般选取S=0.3-0.5。对于高压系统，考虑到节约动力，S可以小于0.3。对于气体，考虑到阻力损失较小，一般选取S>0.5。4.调节阀口径的选择

为保证工艺的正常进行，必须合理选择调节阀的尺寸。如果调节阀的口径选得太大，使阀门经常工作在小开度位置，造成调节质量不好。如果口径选得太小，阀门完全打开也不能满足最大流量的需要，就难以保证生产的正常进行。

调节阀的口径决定了调节阀的流通能力。

调节阀的流通能力用流量系数C值表示。流量系数