过程控制及仪表第四章 运算器和执行器开方器主要应用在流 量测量与控制系统中， 开方器对差压变送器的 输出信号进行开方运算 ，从而得到与被测流量 成比例 关系的电压或电 流信号图中，节流装置将被测流量q转换成差压信号p(转换系数为K1),差压与 流量成平方关系: p=K1q2 。差压变送器将p成比例的转换成电压或电流信号x(转换系数为K2): x=K2p。 故差压变送器的输出x也与被测流量成平方关系：x=K1K2q2 。开方器对信号x按下式进行开方运算（开方系数为K）：可得：第一节 开方器第二节 执行器在过程控制系统中，执行器接收并执行控制器指令，改变生产过程 的参数，使生产过程满足预定的要求。执行器直接安装在生产现场，工 作环境恶劣，其能否保持正常工作将直接影响自动调节系统的安全性和 可靠性。执行器是控制系统的一个重要组成部分，相当于人工控制中的 手脚。 电动执行器 气动执行器 液动执行器 第二节 执行器一、执行器的组成（分为两部分）（1）执行结构-执行器的驱动部分，按照控制器的输出信号产生 推力或位移；（2）调节机构-执行器的调节部分，常见有调节阀等，在执行机 构操纵下调节工艺介质的流量。二、执行器的分类执行机构调节机构IiP入LQ位移开度输入信号气动执行器 PLQ 按能源分： 电动执行器 IiLQ液动执行器直行程 角行程比较项目气动执行器电动执行器液动执行器结构 体积 推力 配管配线 动作滞后 频率响应 维护检修 使用场合 温度影响 成本简单 中 中 较复杂 大 狭 简单 防火防爆 较小 低复杂 小 小 简单 小 宽 复杂 隔爆型才防火防爆 较大 高简单 大 大 复杂 小 狭 简单 要注意火花 较大 高三种执行器的特点比较三、电动执行器第二节 执行器第二节 执行器（1）角行程电动执行机构基本构成和基本原理220V伺服放大器操作器减速器伺服电机位置发送器位置反馈放大器阀位 指示执行机构420mA Ii Ifq090角行程电动执行机构方框图角行程电动执行机构由伺服放大器和执行机构两大部分组成。该执行机构 适用于操纵蝶阀、挡板等转角式调节机构。伺服放大器将输入信号Ii和反馈信号If相比较，所得差值信号经功率放大 后，驱使两相伺服电机转动，再经减速器减速，带动输出轴改变转角。若差 值为正，电机正转，输出轴转角增大，若差值为负，电机反转，输出轴转角 减小。最终输出轴转角与输入信号Ii关系为： =K*Ii电动执行机构还可以进行手动操作，通过手动操作按纽来控制电极正 反转，调节输出轴转角。第二节 执行器（2）伺服放大器组成：信号隔离器、综合放大电路、触发电路、固态继电器等。功率放大信号 隔离器220V综 合 放 大 电 路I触发 电路 I固态 继电 器输入信号位置反 馈信号信号 隔离器II触发 电路 II固态 继电 器伺服电机伺服放大器原理框图第二节 执行器IC2R7R8_+_+IC1R1 R2R3R4IC3_+IC4_+RP1R5R6输入信号 反馈信号RP2 II固态继电器I固态继电器U-U-E+EoU综合放大和触发电路调节此电阻，电路通常放大60倍调零电阻，使输入信号和反馈 信号相同时放大电路输出为零触发电路，正偏差时U0U，固 态继电器接通；同理，负偏差 时固态继电器接通。无偏差或 偏差小于死区（2U），两个继电 器均不动作第二节 执行器（3）执行机构组成：伺服电机、减速器和位置发送器作用：输出转角，返回位置信息电机的特性曲线1 普通感应电机 2伺服电机0转速n12特点：制动快，低速输出力矩大伺服电机:第二节 执行器O2 O1Z2Z1PH销轴孔2eVHP内行星齿轮传动的工作原理Z1摆轮即齿轮1；Z2内齿轮即齿轮2；H 系杆；V输出轴；P销轴心和双偏心机构两种。执行机构减速器有单偏。为一般，：内齿轮齿数；：摆轮齿数；式中：减速比：减速器：411212112zzzzzzzi- -=第二节 执行器1 2铁芯输出压紧弹簧凸轮输出轴a. 结构示意图12o输出U4356a. 原理图差动变压器结构及原理图作用：将0-90o转换成4-20mA信号，作为阀位信号和反馈信号位置发送器第二节 执行器第二节 执行器1. 特点执行机构调节机构P入LQ位移开度输入信号四、气动执行器它是以140kP的压缩空气为能源，以20-100kP气压信号为输入控制信号 ；具有结构简单、动作可靠、性能稳定、输出推力大、维修方便、本质安全 防暴和价格低廉等特点。2.构成原理3.气动执行机构分类气动执行机构有薄膜式和活塞式两种，常见的气动执行机构均属薄膜式 。薄膜式特点为：结构简单、动作可靠、维修方便、价格低，但输出行程较 小，只能直接带动阀杆。第二节 执行器器。解决办法：加阀门定位变化，填料的磨擦等。的原因：弹簧、膜片弹性。变差，非线性相对位移量；其中：。其输入输出特性见图弹簧刚度。输入压力；膜片有效面积；弹簧位移或推杆位移；式中：填料间的摩擦力，有不计膜片刚度及推杆与4.气动薄膜阀特性：2.5% 4% l/L9-5 C P A l PCAl soeose=(3-1)第二节 执行器在动态情况下，输入信号管线存在一定的阻力，而且信号管线和薄膜 气室也可以近似为一个气容。因此执行机构可看成是一个阻容环节，薄 膜气室的压力P1和控制器输出压力P0之间的关系可以写为:式中 R从控制器到执行机构间导管的气阻；C薄膜气室及引压导管的气容；T时间常数，T=RC。综合式（31）和式（32）可得控制气输出压力P0与推杆位移 l 之间的关系为式中 K-执行机构的放大系数，K=Ae/Cs。 T-时间常数，一般在几秒到几十秒之间。(3-2)(3-3)第二节 执行器5.气动薄膜阀的正反作用：气动薄膜式执行机构分正作用和反作用两种形式。信号压力增大时推杆 向下运动的叫正作用式调 节机构（ZMA）。信号压力增大时推杆 向上运动的叫反作用式 调节机构（ZMB）。第二节 执行器反作用反作用正作用正作用气关式气关式气开式气开式反装阀反装阀正装阀正装阀P入P入P入P入QQQQ调节阀气开、气关阀选择，主要根据工艺生产的需要和安全要求来决定 的；原则是当信号压力中断时，应能确保工艺设备和生产的安全。如果阀门 处于全开位置安全性高，则应选用气开阀，反之，则应选用气关式阀。举例说明：反应釜内的加热盘管使用的蒸汽作为热源，执行机构采用气动调节阀， 则执行机构采用气开阀，因为，当调节阀有故障或者气源中断时，气开式调 节阀能够自动关闭蒸汽调节阀，以免加热器内温度继续上升，这样可保证工 艺设备和生产的安全。同样是反应釜，工况不一样；若一旦加热中断，釜内被加热的介质温度下 降后，易产生结晶或者凝固，则应采用气关阀。否则排除故障后再投产时， 清理设备更麻烦。如果气开、气关阀均不能满足工艺要求，则要求在系统出现故障时能保 持原来的正常工作开度，则可选用保位阀。当然一个完善的调节系统还有其它因素，如调节器、阀门定位器置正作 用、还是反作用等诸多问题要考虑。第二节 执行器气动活塞式执行机构按其作用 方式可分成比例式和两位式两种。比例式：是指输入信号压力与 推杆的行程成比例关系，这时它必 须与阀门定位器配用，使推杆位移 和信号压力成比例关系。两位式：是根据输入执行机构 活塞两侧的操作压力差来完成的。 活塞由高压侧推向低压侧，就使推 杆由一个极端位置推移至另一个极 端位置。 气动活塞式执行机构第二节 执行器6、阀门定位器定位器控制器位置 反馈气源p0p1阀门定位器功能示意图阀门定位器与控制阀配套使 用，是气动控制阀的主要附件，阀 门定位器使气动执行机构构成了一 个闭环系统。阀门定位器可以增加执行器 的输出功率，减小信号传递滞后 ，加快阀杆的位移速度，提高线 性度，克服摩擦力影响，保证阀 位正确到位。第二节 执行器（1）电/气阀门定位器 电/气阀门定位器实际上是电气转换器和阀门定位器的组合。调 零 弹 簧NNN挡 板 喷 嘴线 圈_+AB支 点 杠 杆反 馈 弹 簧平 衡 锤气 动 执 行 机 构调 量 程 支 点反 馈 拉 杆阀 杆20100kPa放 大 器 气 源气 阻140 kPa反 馈 压 板SS反 馈 轴S永 久 磁 钢电 /气阀门定位器原理图作用：将4-20mA转换成20-100KPa或40-200KPa，且具有良好线性。第二节 执行器（2）气动阀门定位器 气动阀门定位器按其工作原理可分为位移平衡式和力平衡式两类 。这里主要介绍力平衡式阀门定位器。第二节 执行器阀门定位器应用场合： 1、增加执行机构的推力：提高定位器的气源压力增大执行机构的 输出力。2、加快执行机构的动作速度：克服信号传递滞后，加快执行速度 。一般用于两者距离大于60m的场合。 3、实现分程控制：用一台控制仪表去操作两台控制阀。4、改善控制阀流量特性。 第二节 执行器五、调节机构调节机构又称控制阀（或调节阀），是一个局部阻力可改变的节流 元件。由于阀芯在阀体内移动，改变了阀芯与阀座之间的流通面积，即 改变了阀的阻力系数，被控介质的流量相应的改变，从而达到控制工艺 变量的目的。 1、控制阀工作原理:根据流体力学原理控制阀压力损失：式中 ：P=P1-P2阀前后压差； 阻尼系数，随阀的开度而变； v=(Q/A)流体的 平均流速； Q 流体的体积流量； A阀的接管截面积；流体的密度。 如果将v 以Q/A 代替，则阀的流量Q可以表示为：可以看出当控制阀体的口径一定（A一定）阀上压差（P1-P2）和流体 的密度 一定时，流量Q仅随阻尼系数的变化而变化。因此，控制阀体就 是依据执行机构输出的推杆位移量来改变阀门的开启程度，从而改变流通 阻力以达到控制流体介质流量的目的。 第二节 执行器2、控制阀的结构直通单座阀1阀杆；2压板；3填料；4上阀盖 ； 5斜孔；6阀体；7阀芯；8阀座； 9衬套；10下阀盖Dg98765104321常用的直通单座阀如右图所示。（1）阀的结构形式：直通单座阀直通双座阀角型阀三通阀碟阀套筒阀偏心旋转阀高压阀第二节 执行器可用于位式控制3、阀芯形式第二节 执行器4、流体对阀芯的作用形式和阀芯的安装形式根据流体通过控制阀时对阀芯的作用方向分为流开阀和流闭阀。 流开阀稳定性好，有利于控制，一般情况下多采用流开阀。阀芯有正装和反装两种形式：阀芯 下移时，阀芯与阀座间的流通面积减少 的称为正装阀；相反称为反装阀。第二节 执行器相对开度相对流量流量特性。的流量特性，也叫实际管道中，前后差压变时工作流量特性：阀装在（固有流量特性）。差压不变时的流量特性理想流量特性：阀前后开时的位移。控制阀在某一开度及全、开时的流量；控制阀在某一开度及全、式中：控制阀的流量特性，是指控制介质流过阀门的相对流量与阀门相 对开度（即推杆的相对位移）之间的函数关系：5、控制阀的流量特性LQQLQQmaxmaxllf =第二节 执行器（1）理想流量特性控制阀的理想流量特性取决于阀芯曲面的形状，不同阀芯曲面形状所对 应的理想流量特性不同。如图所示：5双曲线 6修正的抛物线第二节 执行器理想流量特性，通常有四种典型形式：（1）直线特性-流量与阀芯位移成直线关系；（2）对数特性-流量与阀芯位移成对数关系，即引起的流量变化的百分比相 等；（3）快开特性-开度较小时流量变化较大，随开度增大很快达到最大值。（4）抛物线特性-介于直线流量特性与对数流量特性之间，从而弥补了直线 流量特性小开度时控制性能差的特点。第二节 执行器R1-1K R1 QQC QQLQQ0 CLK QQKLQQmaxminmaxminmaxmax=