过程装备控制技术及应用第四章过程控制装置

变送器调节器运算器——乘除器、开方器、积算仪执行器——气动执行器

第四章过程控制装置执行器接受来自调节器的控制信号，由执行机构将其转换成相应的角位移或直线位移，去操纵调节机构（调节阀），改变控制量，使被控变量符合预期要求。4.1调节器调节器的初步认识12345667图4-2DDZ－III型调节器正面图1－位号牌2－内外给定指示3－内给定设定拨盘4-A/M/H切换5－阀位表6－软手动操作扳键7－双针全刻度指示表DDZ－II型仪表（包括调节器）

DDZ一III型仪表（包括调节器）

III型仪表优点

电

源

220VAC24VDC集中供电

·可用24VDC蓄电池作备用电源·仪表内部没有变压器，不发热，为实现更好的防爆措施提供条件。

防

爆

隔离防爆

本安型防爆（安全火花型）

故障状态：电流小于35mA，电压小于35VDC，可带电维修。

输出信号

0~10mA4~20mA①电气零点从4mA开始，不与机械零点重合，容易识别断电、断线等故障。②只要改变转换电阻阻值，便可接收其他电流信号，例如将10～50mA等直流电流信号转换为l～5V信号。③因为最小输入信号不为零，为现场变送器实现两线制创造了条件。变送器与调节器用两线联接，既节省电缆线和安装费用，还有利于安全防爆。

输入信号

0~10mA4~20mA1~5V元器件

分离元件（电阻、电容、晶体管……）

集成电路（运放电路……）

①由于集成运放均为差分放大器，且输人对称性好，漂移小，仪表的稳定性得到提高。②由于集成运放有高增益，因而开环放大倍数很高，这使仪表的精度得到提高。③由于采用了集成电路，焊点少，强度高，大大提高了仪表的可靠性。

指示表头

单针偏差指示（0~±30%）

有双针全刻度大表头指示（0~100%）

分别指示测量值（红针）、给定值（黑针）当仪表置于“内给定”：设定值由黑针指示。

手动方式

硬手动

硬手动、软手动

硬手动——输出与拨盘数值直接对应软手动——同时按下软手动操作板键6，调节器的输出便随时间按一定的速度增加或减小；若手离开操作极键则当时的信号值就被保持通常都是用软手动操作板键进行手动操作，这样控制比较平稳精细，只有当需要给出恒定不变的操作信号（例如，阀的开度要求长时间不变）或者在紧急时要一下子就控制到安全开度等情况下，才使用硬手动操作。

手自动切换

预平衡

无平衡、无扰动

“自动”

“软手动”切换是双向无平衡无扰动“硬手动”

“软手动”切换是无平衡无扰动“硬手动”

“自动”切换是无平衡无扰动“软手动”

“硬手动”切换是预平衡无扰动“自

动”

“硬手动”切换是预平衡无扰动

其

它

·正反作用切换（操作点：调节器内部）·PID参数设置（操作点：调节器内部）·…………

二者基本相同

4.2变送器4.3运算器4.4执行器气开、气关阀（芯）结构及其特点流量系数Kv可调比R流量特性（重点2种）阀门定位器（了解）执行器的简单计算安装关键点：4、4、1概述一、作用执行器的作用是接受调节器送来的控制信号，自动地改变操作量（如介质流量、热量等），达到对被调参数进行调节的目的。是自动调节系统的终端部件。调节阀是执行器中最广泛使用的形式。执行器的好坏直接影响到调节系统的正常工作。执行器在自控系统中的作用执行器是指：阀门－调节阀(连续的)、开关阀(过程控制范畴)电机－连续的、开关的(属于流体机械的范畴，起执行器的作用)执行器在自控系统中的作用：接收调节器（计算机）输出的控制信号，使调节阀的开度产生相应变化，从而达到调节操作变量流量的目的。执行器通常专指阀门执行器是控制系统必不可少的环节。执行器工作，使用条件恶劣，它也是控制系统最薄弱的环节原因：执行器与介质（操作变量）直接接触

(强)腐蚀性、(高)粘度、(易)结晶、高温、深冷、高压、高差压二、分类按能源分，执行器可为：气动、电动、液动，目前主要是用气动的。气动薄膜直通单座阀气动薄膜直通双座阀气动蝶阀气动球阀气动切断阀电动直通单座阀电动隔膜阀电动三通阀气动薄膜角形阀电磁阀手动截止阀4、4、2电动执行器电动执行器由电动执行机构和调节机构两部分组成。电动执行机构可将来自调节器的电信号转换成为位移输出信号，去操纵阀门、挡板等调节机构，以实现自动调节。依据电动执行机构的位移信号，完成调节任务的装置称为调节机构。按照输入位移的不同，电动执行机构可分为角行程（DKJ型）和直行程（DKZ型）两种，电气原理和电路完全相同，只是输出机械传动部分（减速器）有所区别。通常有伺服放大器和执行机构两部分组成。角行程执行机构适用于操纵蝶阀、挡板等转角式调节机构。按特性不同，电动执行机构可分为比例式和积分式。比例式的位移输出信号与输入电信号成比例关系；积分式接受断续输入信号，其输出位移信号与输入信号成积分关系。对电动执行器的基本要求是输出转角或直线位移必须与输入电流信号成正比，而且有足够的转矩或力，动作要灵活可靠。电动执行机构构成原理输入信号伺服放大器伺服电机减速器输出位置发生器＋－ε(1)伺服电机作用:将伺服放大器输出的电功率转换成机械转矩伺服电机实际上是一个二相电容异步电机，由一个用冲槽硅钢片叠成的定子和鼠笼转子组成，定子上均匀分布着两个匝数、线径相同而相隔90°电角度的定子绕组W1和W2。

作用:将输入信号和反馈信号进行比较，得到差值信号，根据差值信号的极性和大小，控制可控硅交流开关Ⅰ、Ⅱ的导通或截止可控硅交流开关Ⅰ、Ⅱ用来接通伺服电机的电源伺服电机的状态：正转反转停止不转(2)伺服放大器伺服放大器工作原理示意图放大器的作用是将输入信号Ii和反馈信号If进行比较，得到差值信号，并根据的极性和大小，控制可控硅交流开关Ⅰ、Ⅱ的导通或截止。

在执行机构工作时，可控硅交流开关Ⅰ、Ⅱ只能其中一组导通。

1.可控硅Ⅰ导通时：分相电容Cd与W2串接，由于Cd的作用，W1和W2的电流相位总是相差90°,其合成向量产生定子旋转磁场,定子旋转磁场又在转子内产生感应电流并构成转子磁场，两个磁场相互作用，使转子顺时针方向旋转（正转）；2.可控硅Ⅱ导通时：使转子反时针方向旋转（反转）；3.可控硅交流开关Ⅰ、Ⅱ均截止时，伺服电机停止运转。作用:将电动执行机构输出轴的位移线性地转换成反馈信号，反馈到伺服放大器的输入端。位置发送器包括：位移检测元件和转换电路、差动变压器塑料薄膜电位器位移传感器……(3)位置发送器作用:将伺服电机高转速、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，以推动调节机构。减速器一般由机械齿轮或齿轮与皮带轮构成。(4)减速器伺服放大器是一个具有继电特性的非线性环节：无输出输出～215V电动执行机构的特性电动执行机构输出为角行程或者式直行程：Δ为不灵敏区Δ太大会？？Δ太小会？？4、4、3气动执行器主要特点：结构简单、动作可靠、性能稳定、故障率低、价格便宜、维护方便、本质防爆、容易做成大功率等。由执行机构与调节机构两部分组成。1、执行机构有薄膜式和活塞式两种。薄膜式简单、价廉但只能直接带动阀杆，行程短。活塞式的特点是行程长，但价格贵。执行机构是推动装置，它按调节器输出信号（20-100KPA）的大小产生相应的推力，使执行机构推杆产生相应位移，推动调节机构动作，有正反作用之分。调节机构是执行器的调节部分，其内腔直接与被调介质接触，调节流体的流量，也有正反作用之分（正装与反装）。正作用：调节信号压力增大，阀杆向下移动的。反之为反作用。主要部分：气室、薄膜、弹簧。活塞式的执行机构也有单向和双向两种作用方式。双向的在结构上是没有弹簧的，由于无弹簧的反作用力，因此其输出力比薄膜式的大，常用作大口径、高压差调节阀的执行机构。气动执行机构主要分为两大类：薄膜式与活塞式薄膜式与活塞式执行机构又可分为：有弹簧和无弹簧两种气源PO气源PO气动执行机构的动态特性为一阶滞后环节。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，一般为数秒到数十秒之间。气动活塞式执行机构基本结构和工作原理基本部件：活塞和气缸活塞在气缸内随活塞两侧压差而移动两侧可以分别输入一个固定信号和一个变动信号，或两侧都输入变动信号。它的输出特性有比例式及两位式两种。两位式是根据输入执行活塞两侧的操作压力的大小，活塞从高压侧推向低压侧，使推杆从一个位置移到另一极端位置比例式是在两位式基础上加有阀门定位器后，使推杆位移与信号压力成比例关系。P1P2气动薄膜式执行机构和电动执行机构的比较序号1234567比较项目

气动薄膜执行机构电动执行机构可靠性驱动能源价格输出力刚度

防爆性能工作环境高（简单、可靠）需另设气源装置低大小好大（－40—＋80℃）小（－10—＋55℃）差大小高简单、方便较低

气动和电动执行机构各有其特点，并且都包括有各种不同的规格品种选择时，可以根据实际使用要求，结合表5-1综合考虑确定选用哪一种执行机构。2、调节机构它是执行器的调节部分。在执行机构推力的作用下，调节机构的阀芯产生一定的位移或转角，从而直接调节流体的流量，以克服干扰对系统的影响，实现自动调节的目的。正作用（正装）：阀芯下移时，阀芯与阀座之间的流通截面积减少的。反之为反作用（反装）。主要部分：上阀盖、下阀盖、阀体、阀芯、阀座。主要类型：直通单座阀、直通双座阀、隔膜阀、蝶阀、偏心旋转阀、球阀、角形阀、高压阀、三通阀、套筒阀、二位工切断阀等。正反作用正作用—气压信号增加，推杆向下动作。反作用—气压信号增加，推杆向上动作。正作用反作用1—执行机构2—阀杆3—阀芯4—阀座5—阀体6—转轴7—阀板主要构成：阀体、阀座、阀心、和阀杆或转轴调节机构的结构和特点单导向结构直通单座调节阀：阀体内只有一个阀芯和一个阀座。结构简单、泄漏量小（甚至可以完全切断）允许压差小（双导向结构的允许压差较单导向结构大）。常用调节阀结构示意图及特点——直通单座调节阀双导向结构它适用于要求泄漏量小，工作压差较小的干净介质的场合。在应用中应特别注意其允许压差，防止阀门关不死。直通双座调节阀：阀体内有两个阀芯和阀座。因为流体对上、下两阀芯上的作用力可以相互抵消，因此双座阀具有允许压差大上、下两阀芯不易同时关闭，因此泄漏量较大的特点。常用调节阀结构示意图及特点——直通双座调节阀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，不适用于高粘度和含纤维的场合。角形调节阀：阀体为直角形流路简单、阻力小，适用于高压差、高粘度、含有悬浮物和颗粒状物质的调节。角形阀一般使用于底进侧出，此时调节阀稳定性好，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。但侧进底出在小开度时易发生振荡。角形阀还适用于工艺管道直角形配管的场合。常用调节阀结构示意图及特点——角形调节阀分流三通调节阀三通调节阀：阀体有三个接管口，适用于三个方向流体的管路控制系统，大多用于热交换器的温度调节、配比调节和旁路调节。在使用中应注意流体温差不宜过大，通常小于是150℃，否则会使三通阀产生较大应力而引起变形，造成连接处泄漏或损坏。三通阀有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，分为两个出口流出。常用调节阀结构示意图及特点——三通调节阀合流三通调节阀蝶阀：蝶阀是通过挡板以转轴为中心旋转来控制流体的流量。结构紧凑、体积小、成本低，流通能力大特别适用于低压差、大口径、大流量的气体形或带有悬浮物流体的场合泄漏较大蝶阀通常工作转角应小于70℃，此时流量特性与等百分比特性相似多用于开关阀常用调节阀结构示意图及特点——蝶阀蝶阀套筒阀：套筒阀的结构比较特殊，阀体与一般的直通单座阀相似，但阀内有一个圆柱形套筒，又称笼子，利用套筒导向，阀芯可在套筒中上下移动。套筒上开有一定形状的窗口（节流孔），套筒移动时，就改变了节流孔的面积，从而实现流量调节。套筒阀分为单密封和双密封两种结构，前者类似于直通单座阀，适用于单座阀的场合；后者类似于直通双座阀，适用于双座阀的场合。套筒阀具有稳定性好、拆装维修方便等优点，因而得到广泛应用，但其价格比较贵。常用调节阀结构示意图及特点——套筒阀套筒阀偏心旋转阀：转轴带动阀芯偏心旋转体积小，重量轻，使用可靠，维修方便，通用性强，流体阻力小等优点，适用于粘度较大的场合，在石灰、泥浆等流体中，具有较好的使用性能。常用调节阀结构示意图及特点——偏心旋转阀偏心旋转阀“O”形球阀：阀芯为一球体阀芯上开有一个直径和管道直径相等的通孔，转轴带动球体旋转，起调节和切断作用。该阀结构简单，维修方便，密封可靠，流通能力大流量特性为快开特性，一般用于位式控制。常用调节阀结构示意图及特点——“O”形球阀“O”形球阀“V”形球阀：阀芯也为一球体但球体上开孔为V形口，随着球体的旋转，流通截面积不断发生变化，但流通截面的形状始终保持为三角形。该阀结构简单，维修方便，关闭性能好，流通能力大，可调比大流量特性近似为等百分比特性，适用于纤维、纸浆及含颗粒的介质。常用调节阀结构示意图及特点——“V”形球阀“V”形球阀4、4、4执行器的选型总体要求：根据工艺条件选择合适的结构与类型。根据工艺对象特性选择合适的流量特性。根据工艺参数选择阀门的口径。根据阀杆受不平衡力的大小选择足够推力的执行机构。根据工艺过程要求选择合适的辅助装置。1、结构形式的选择可以根据实际使用要求，综合考虑确定选择执行机构时，还必须考虑执行机构的输出力（力矩）应大于它所受到的负荷力（力矩）负荷力（力矩）包括流体对阀芯产生的作用力（不平衡力）或作用力矩（不平衡力矩）阀杆的摩擦力、重量以及压缩弹簧的预紧力对于气动薄膜执行机构:工作压差小于最大允许压差但当所用调节阀的口径较大或压差较高时，执行机构要求有更大的输出力，此时可考虑用活塞式执行机构，也可选用薄膜执行机构再配上阀门定位器。(1)执行机构的选择主要依据是：（1）流体性质如流体种类、粘度、腐蚀性、是否含悬浮颗粒（2）工艺条件如温度、压力、流量、压差、泄漏量（3）过程控制要求控制系统精度、可调比、噪音根据以上各点进行综合考虑，并参照各种调节机构的特点及其适用场合，同时兼顾经济性，来选择满足工艺要求的调节机构。(2)调节机构的选择2、气开、气关的选择气开式调节阀:有信号压力输入时阀打开无信号压力时阀全关气关式调节阀:有信号压力时阀关闭无信号压力时阀全开气开气关的选择考虑原则是：信号压力中断时，应保证设备和操作人员的发全，如阀门处于打开位置时危害性小，则应选用气关式；反之，则用气开式。形成：执行机构调节机构组合正作用正作用气关正作用反作用气开反作用正作用气开反作用反作用气关组合方式执行机构有正反作用阀体部件有正装和反装气动调节阀有气开式和气关式气关气开气开气关换热器冷却水调节阀选气关式输入信号中断，调节阀打开，保证冷却水继续流动，防止换热器温度过高损坏加热炉燃料油调节阀选气开式输入信号中断，调节阀关闭，燃料油切断，防止加热炉温度过高造成毁坏蒸馏塔进料调节阀选气开式输入信号中断，调节阀关闭，进料切断，防止物料过多造成溢出事故精馏塔回流调节阀选气关式输入信号中断，调节阀打开，保证回流量，防止不合格产品蒸出3、流量特性的选择调节阀流量特性：介质流过调节阀的相对流量与相对位移（即阀的相对开度）之间的关系调节阀前后压差的变化，会引起流量变化。流量特性分为理想流量特性和实际流量特性（1）调节阀的流量特性的概念最大流量最大位移实际位移实际流量调节阀的固有特性，由阀芯的形状所决定。1-快开特性2-直线特性3-抛物线特性4-等百分比（对数）特性（2）理想流量特性(ΔP一定)特点：a.放大系数是常数调节阀的相对流量与相对位移成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数b.Q↑流量相对变化值

↓A、直线流量特性l/Lqv/qvmax10%50%80%相对流量的变化率的定义:曲线上某一点的相对流量的变化量和该点的相对流量之比q%=(△qv/qvmax)／(qv/qvmax)100%q%=△qv/qv100%在曲线上选择3个点在I/L%=10%处，I/L%变化10%，计算的q%=

100%在I/L%=50%处，I/L%变化10%，计算的q%=20%在I/L%=80%处，I/L%变化10%，计算的q%=

12.5%结论：用相对流量的变化率表征阀体部件的灵敏度，小开度时，灵敏度高，容易震荡；大开度时，灵敏度低，调节迟缓。用放大系数表征阀体部件的斜率，斜率＝常量。特点：a.Q↑放大系数↑单位相对位移变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系b.流量相对变化值是常数B、等百分比流量特性（对数流量特性）l/Lqv/qvmax10%50%80%在曲线上选择3个点：在I/L%=10%处，I/L%变化10%，计算的q%=（6.58-4.67）/4.67×

100%≈40%在I/L%=50%处，I/L%变化10%，计算的q%=（25.6-18.3）/18.3×100%≈40%在I/L%=80%处，I/L%变化10%，计算的q%=(71.2-50.8)/50.8×100%≈40%结论：用相对流量的变化率表征阀体部件的灵敏度，小开度时和大开度时，灵敏度相同。用放大系数表征阀体部件的斜率，斜率≠常量。单位相对位移的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量值的平方值的平方根成正比关系C、抛物线流量特性为了弥补直线特性在小开度时调节性能差的缺点，在抛物线特性基础上派生出一种修正抛物线特性，它在相对位移30%及相对流量变20%这段区间内为抛物线关系，而在此以上的范围是线性关系。l/Lqv/qvmax在开度较小时就有较大的流量，随着开度的增大，流量很快就达到最大；此后再增加开度，流量变化很小有效位移一般为阀座直径的1/4

适用于迅速启闭的位式控制或程序控制系统D、快开流量特性上述4种流量特性中：直线和等百分比最常用。l/Lqv/qvmaxA、串联管道时*流量特性发生畸变直线特性→快开特性等百分比特性→直线特性*可调比减小（3）工作流量特性(ΔP变化)B、并联管道时的工作流量特性

通常一般X值不能低于0.8，即旁路流量只能为总流量的百分数之十几。可调比将大大下降可调比R反映调节阀的调节能力的大小

定义:调节阀所能调节的最大流量和最小流量之比

调节阀前后压差的变化，会引起可调比变化，将可调比分为理想可调比和实际可调比。

（4）调节阀的可调比理想可调比由结构设计决定，通常

A、理想可调比R(ΔP一定)①串联管道时的可调比

设

B、实际可调比Rr(ΔP变化)B、并联管道时的可调比

R＞＞1设（4）理想流量特性的选择实际上是指如何选择直线特性和等百分比特性

经验准则: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，使控制系统总的放大系数保持不变或近似不变（1）考虑系统的控制品质调节阀在串联管道时的工作流量特性与S值的大小有关，即与工艺配管情况有关。因此，在选择其特性时，还必须考虑工艺配管情况。（2）考虑工艺管道情况1.根据系统的特点选择所需要的工作流量特性2.考虑工艺配管情况确定相应的理想流量特性P182表5-5具体做法:气动调节阀选型规定(CD50A11-84)

固有流量特性直线对数正常流量下的△P/没有流量负载时的△P＞0.751.液位定值控制系统2.主要干扰为给定值的流量、温度控制系统1.流量、压力、温度定值控制系统2.主要干扰为给定值的压力控制系统同上