控制仪表及装置控制仪表及装置控制仪表及装置控制仪表及装置第三章第三章运算器和执行器运算器和执行器运算器和执行器课件运算器和执行器课件 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、执行器的选型运算器和执行器课件运算器和执行器课件执行器的构成：执行器的构成： 执行机构产生推力或位移的装置。执行机构产生推力或位移的装置。 调节机构直接改变能量或物料输送量的装置，调节机构直接改变能量或物料输送量的装置，通常称为控制阀或调节阀。通常称为控制阀或调节阀。 执行器的分类：执行器的分类： 气动、电动和液动气动、电动和液动第二节第二节 执行器执行器运算器和执行器课件运算器和执行器课件一、电动执行机构一、电动执行机构电动执行机构有角行程和直行程两种，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伺服放大器位置发送器伺服电机操作器减速器阀位指示放大器执行机构420mAIiIf电动执行机构方框图电动执行机构方框图090O运算器和执行器课件运算器和执行器课件磁放、操作器与执行机构运算器和执行器课件运算器和执行器课件（二）伺服放大器（二）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。信号隔离器采用光电隔离电路，实现信号隔离和电流电压转换。综合放大和触发电路见图。运算器和执行器课件运算器和执行器课件固态继电器(SSR)是一种由固态电子组件组成的新型无触点开关，利用电子组件（如开关三极管、双向可控硅等半导体组件）的开关特性，达到无触点、无火花、而能接通和断开电路的目的，因此又被称为“无触点开关”。相对于以往的“线圈簧片触点式”继电器(EMR)，SSR没有任何可动的机械零件，工作中也没有任何机械动作，具有超越EMR的优势。固态继电器的控制信号所需的功率极低，因此可以用弱信号控制强电流。按负载电源的类型不同.固态继电器分交流和直流两种；按触发类型又分为过零触发型(10V25V内)、随机导通型。单相DCAC固态继电器三相ACAC固态继电器运算器和执行器课件运算器和执行器课件过零触发型交流固态继电器(AC-SSR)的内部电路主要包括输入电路、光电耦合器、过零触发电路、开关电路(包括双向可控硅)、保护电路(RC吸收网络)。当加上输入信号VI(一般为高电平)、并且交流负载电源电压通过零点时，双向可控硅被触发，将负载电源接通。固态继电器具有驱动功率小、无触点、噪音低、抗干扰能力强，吸合、释放时间短、寿命长，能与TTLCMOS电路兼容，可取代传统的电磁继电器。运算器和执行器课件运算器和执行器课件可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化，此条件见表可控硅符号图运算器和执行器课件运算器和执行器课件伺服放大器调整：按调试线路接线，完成下面工作：1.调零（调平衡）2.调稳（灵敏度、死区）运算器和执行器课件运算器和执行器课件作用是将伺服放大器输出的电功率转换成机械转矩，并且当伺服放大器没有输出时，电机又能可靠地制动。（三）执行机构（三）执行机构组成：伺服电机、减速机构、位置发送器等。 伺服电机伺服电机运算器和执行器课件运算器和执行器课件交流伺服电机的基本结构：1、定子：定子铁心、定子绕组（励磁绕组和控制绕组）、机座。2、转子（分鼠笼和空心杯，以鼠笼转子为例）：转子铁心、转子导条、转轴等。3、气隙运算器和执行器课件运算器和执行器课件交流伺服电动机的机械特性交流伺服电动机的机械特性 运算器和执行器课件运算器和执行器课件伺服电机的转速控制k1k2l1l2两相绕组分布图 交流伺服电机的幅值相位控制 运算器和执行器课件运算器和执行器课件减速器减速器把伺服电机高转速、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，以推动调节机构。采用正齿轮和行星齿轮机构相结合的机械传动机构。i ( )z1 摆轮的齿数 z2 内齿轮的齿数行星齿轮机构相结合的减速比：z2 z1 z1运算器和执行器课件运算器和执行器课件位置发送器位置发送器作用：将输出轴090的转角转换成420mADC直流电流，作为阀位信号和反馈信号。运算器和执行器课件运算器和执行器课件差动变压器的基本组成部分包括一个线框和一个铁心。在线框上设置一个原绕组和两个对称的副绕组，铁心放在线框中央的圆柱形孔中。在原绕组中施加交流电压时，两个副绕组中就会产生感应电动势e1和e2。如果两个副绕组按反向串联(图1),则它的总输出电压u2=u21u22e1e2。当铁心处在中央位置时，由于对称关系，e1=e2，输出电压u2为零。如果铁心向右移动，则穿过副绕组2的磁通将比穿过副绕组1的磁通多，于是感应电动势e2e1，差动变压器输出电压u2不等于零,而且输出电压的大小与铁心位移x之间基本成线性关系,其特性如图2所示，呈V字形。用适当的测量电路测量,可以得到差动变压器输出与位移x成比例的线性读数。最常用的测量电路是差动整流电路，它把两个次级电压分别整流后，以它们的差作为输出。差动整流电路有电流输出型和电压输出型，前者用于连接低阻抗负载的场合；电压输出型差动整流电路则用于连接高阻抗负载的场合。运算器和执行器课件运算器和执行器课件差动变压器式位移变送器差动变压器式位移变送器由同心分布在线圈骨架上一初级线圈P，二个级线圈S1和S2组成，线圈组件内有一个可自由移动的杆装磁芯（铁芯），当铁芯在线圈内移动时，改变了空间的磁场分布,从而改变了初次级线圈之间的互感量M，当初级线圈供给一定频率的交变电压时，次级线圈就产生了感应电动势，随着铁芯的位置不同，次级产生的感应电动势也不同，这样，就将铁芯的位移量变成了电压信号输出。位置发送器的调整运算器和执行器课件运算器和执行器课件气气二、气动执行机构二、气动执行机构接受电/气转换器 (或电/气阀门定位器) 输出的气压信号，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。有薄膜式执行机构和活塞式执行机构：薄膜式：气压推动薄膜并带动连杆运动, 结构简单, 动作可靠，维修方便，价格较低，但输出行程小； 活塞式：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。运算器和执行器课件运算器和执行器课件 输入信号输入信号气体压力：气体压力：0.020.1MPa0.020.1MPa 输出输出连杆位移连杆位移 行程，规格有：行程，规格有：1010，1616，2525，4040，6060，100mm100mm气动薄膜式执行结构气动薄膜式执行结构有正作用(信号压力增加时推杆向下动作，ZMA)和反作用(信号压力增加时推杆向上动作，ZMB)两种型式。运算器和执行器课件运算器和执行器课件结构结构结构见右图。 当信号压力通过上膜盖1和波纹膜片2组成的气室时，在膜片上产生推力,使推杆5下移并压缩弹簧 6。当弹簧力与膜片推力相平衡时，推杆稳定在相应的位置上。膜片的有效面积有：200、280、400、630、1000、1600cm2等。运算器和执行器课件运算器和执行器课件静态特性静态特性在平衡状态时，气动薄膜式执行机构的力平衡方程式可表示如下：式中：P1CsAeL = L 推杆位移； Ae 膜片有效面积； P1 输入压力； Cs 弹簧刚度。输入输出特性见右图。存在非线性偏差和正反行程偏差。运算器和执行器课件运算器和执行器课件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P1与控制器输出压力P0关系为：RCS+11 = =P1P0TS+11式中 R、C分别为气阻、气容，T为时间常数。可得控制器输出压力P0与推杆位移L之间的关系为：(TS+1)CsAe = =LP0TS+1K式中 T为执行机构的放大系数。运算器和执行器课件运算器和执行器课件三、阀门定位器三、阀门定位器阀门定位器与气动控制阀配套使用，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。定位器控制器P0气源位置反馈P1阀门定位器示意图阀门定位器可增加执行器输出功率，减小信号传递滞后，加快阀杆位移速度，提高线性度，克服阀杆摩擦力，保证正确定位。运算器和执行器课件运算器和执行器课件电气阀门定位器电气阀门定位器具有电 / 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420电流信号，成比例地输出20100kPa(或40200kPa)气动信号至执行机构。组成组成转换组件：永久磁钢、线圈、杠杆、喷嘴、挡板及调零装置等。气路组件：气动放大器、气阻、压力表、手 - 自动切换阀。反馈组件：反馈弹簧、反馈拉杆、反馈压板等。接线盒组件：接线盒、端子板及电缆引线等。运算器和执行器课件运算器和执行器课件工作原理工作原理 见下图运算器和执行器课件运算器和执行器课件应用场合应用场合推力大，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。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，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，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。运算器和执行器课件运算器和执行器课件四、调节机构四、调节机构又称控制阀(或调节阀)，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，即改变 了阀的阻力系数，使被控介质 流量相应改变。（一）（一）控制阀结构控制阀结构由上阀盖、下阀盖、阀体、阀座、阀芯、阀杆、填料和压板等构成。为适应多种使用要求，阀芯和阀体有不同的结构，使用的材料也各不相同。运算器和执行器课件运算器和执行器课件运算器和执行器课件运算器和执行器课件运算器和执行器课件运算器和执行器课件阀的结构型式阀的结构型式 直通单座阀 直通双座阀 角形阀 三通阀 蝶阀 套筒阀 偏心旋转阀 高压阀运算器和执行器课件运算器和执行器课件流体对阀芯作用形式：流体对阀芯作用形式：流开阀和流闭阀:力与开阀方向阀芯的安装形式：阀芯的安装形式： 正装阀和反装阀：阀芯下移时，阀门开或关状态运算器和执行器课件运算器和执行器课件（二）调节阀特性（二）调节阀特性1.1.节流原理节流原理以上各式采用国际单位制，若采用工程单位化简则为：化简得：化简得：运算器和执行器课件运算器和执行器课件调节阀的流量方程：调节阀的流量方程：Q 式中 Q 体积流量，m3/hP1 、P2 阀前后压力，100kPa 流体密度，g/cm3 A 阀接口流通面积，cm2 阀阻力系数，与阀门结构、开度等有关= 5.09A P在阀口径一定和P、 不变的情况下，流量Q仅随阻力系数 变化。运算器和执行器课件运算器和执行器课件流量系数流量系数上式可改写为： KV PQ= KV= 5.09AKV称为流量系数，其大小反映了通过阀门的流量，即流通能力的大小。KV与流体性质、阀结构尺寸有关，根据KV值可确定阀门口径。采用国际单位制时，流量系数定义为：在阀全开，阀前后压差为100kPa，流体密度为1g/cm3(5400C的水)时，每小时通过阀门的流量数(m3)。设运算器和执行器课件运算器和执行器课件流量系数的计算流量系数的计算：将上式中P的单位取为kPa，可得不可压缩流体KV值的计算公式为： 10QKV = P在计算流量系数时，应考虑不同流体的影响因素，例如液体的粘度、气体的压缩因数等。流体的流动状态也影响KV的大小，当阀前后压差达到某一临界值时的阻塞流状态，KV计算要引入压力恢复系数、临界压差比等。流量系数的见教材表3-1计算公式,也可参阅控制阀工程设计手册。运算器和执行器课件运算器和执行器课件控制阀的可调比控制阀的可调比控制阀所能控制的最大与最小流量之比。以R 表示。理想可调比理想可调比控制阀前后压差不变时的可调比：QmaxR =Qmin=KVmaxKVmin 理想可调比反应了调节阀调节能力的大小。 可调比受阀前、阀后压差变化的影响。考虑阀前后压差变化时的可调比，为实际可调比 。运算器和执行器课件运算器和执行器课件控制阀的可调比控制阀的可调比调节阀可控最小流量的确定：调节阀的开度分为超调区、有效行程区和无效行程区3个区。有效行程区为调节阀流量调节特性的研究区域。在有效行程区,调节阀具有良好的流量调节特性,阀芯的定位能够满足要求。超调区的流量调节能力很大,流量可控性差,不能满足要求,还易发生超调现象。无效行程区是阀结构和装配的需要,在该区域内,阀开度的改变所引起的流量变化很小,有的阀型无此区。定义有效行程区与超调区的分界点为调节阀的流量调节界点,简称为界点。与界点相应的流量是调节阀可调的最小流量,相应的调节强度是可调节的最大调节强度。与界点相对应的相对开度用h0表示。这样3个区可分别表示为:超调区,0h100%。运算器和执行器课件运算器和执行器课件 s串联管道时的可调比：Rr = R= RPminPmax P P1Q令 S =PminPmax串联管道串联管道可调比特性可调比特性S Rr30 1.0 0 当s值越小，即串联管道的阻力损失越大时，实际可调比就越小。运算器和执行器课件运算器和执行器课件并联管道时的可调比令阀全开时的流量与总管最大流量之比：Q1Q P并联管道并联管道可调比特性可调比特性x Rr30 1.0 0 由：得： 当x值越小，即Q2越大时，实际可调比越小，并且实际可调比近似为总管最大流量与旁路流量之比。Q2运算器和执行器课件运算器和执行器课件控制阀的流量特性控制阀的流量特性指介质流过控制阀相对流量(与相对位移(QQmax) 之间的关系，即：lL) QQmax= f (lL) 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)直线特性： Q/Qmax= K ( l/L )+ C ( n=0)对数特性： Q/Qmax= R (l/L-1) ( n=1)抛物线特性：Q/Qmax= 1/R 1+(R 1) l/L 2 ( n=1/2)快开特性：随着开度增大, 流量很快达最大。 运算器和执行器课件运算器和执行器课件各种流量特性及其阀芯形状如图所示。1 快开；2 直线；3 抛物线；4 修正抛物线；5 等百分比。运算器和执行器课件运算器和执行器课件理想流量特性直线流量特性： （n0时）即调节阀的相对流量和相对开度成直线关系。对上式积分，得：已知边界条件：l0时，QQmin ；lL时，QQmax将边界条件带入，解得系数C=Qmin/ Qmax=1/R 、K=1-1/R得：直线流量特性在小开度时灵敏度高，调节作用强，易产生震荡。在大开度时灵敏度低，调节作用弱，调节缓慢。运算器和执行器课件运算器和执行器课件理想流量特性在在10时，流量变化的相对值为：时，流量变化的相对值为：在在50时，流量变化的相对值为：时，流量变化的相对值为：在在80时，流量变化的相对值为：时，流量变化的相对值为：直线流量特性：在流量小时，流量变化的相对值大；在流量小时，流量变化的相对值大；在流量大时，流量变化的相对值小。在流量大时，流量变化的相对值小。当阀门在小开度时控制作用太强；而在大开度时控制当阀门在小开度时控制作用太强；而在大开度时控制作用太弱，这是不利于控制系统的正常运行的。作用太弱，这是不利于控制系统的正常运行的。运算器和执行器课件运算器和执行器课件理想流量特性等百分比流量特性： （n1 时）即调节阀的相对位移变化与此点的相对流量变化成正比关系。对上式积分，得：将边界条件带入，解得系数C、K，整理得：可见：相对位移和相对流量呈对数关系，因此也称对数流量特性。对数阀特性曲线的斜率随流量的增大而增大，即放大倍数随流量增大而增大，但流量的相对变化量是不变的。这对需较大范围变化的调节量而言是有利的。运算器和执行器课件运算器和执行器课件理想流量特性在在10时，流量变化的相对值为：时，流量变化的相对值为：在在50时，流量变化的相对值为：时，流量变化的相对值为：在在80时，流量变化的相对值为：时，流量变化的相对值为：等百分比流量特性：曲线的斜率是随着流量增大而增曲线的斜率是随着流量增大而增大，即它的放大系数随流量增大而增大。但流量相对大，即它的放大系数随流量增大而增大。但流量相对变化值是相等的，即流量变化的百分比是相等的变化值是相等的，即流量变化的百分比是相等的运算器和执行器课件运算器和执行器课件理想流量特性抛物线流量特性： （n1/2 时）即阀的相对位移变化引起的相对流量变化与此点的相对流量的平方根成正比关系。积分后将边界条件带入，整理得：上式表明：相对位移和相对流量为抛物线关系，它介于直线及对数特性曲线之间。运算器和执行器课件运算器和执行器课件理想流量特性快开流量特性：这种流量特性在开度较小时就有较大的流量，随开度增加，流量很快达到较大流量，此后再增大开度，流量变化很小，故称快开特性。它的阀芯接近平板型，适于快速启闭的切断阀或双位式调节系统。运算器和执行器课件运算器和执行器课件工作流量特性串联管道时的工作流量特性：在工作中调节阀前后总是变化的，这时的流量特性称为工作流量特性。因为调节阀总是与工艺设备、管道等串联或并联使用，调节阀前后因压力损失变化而变化，致使理想流量特性畸变成工作流量特性。串联管道时，特性的畸变同s值有关；并联管道时，特性的畸变同x值有关。运算器和执行器课件运算器和执行器课件工作流量特性工作流量特性串联管道时的工作流量特性随s值的变化曲线：以Qmax为参比端， Qmax表示管道阻力等于零时的阀全开流量。运算器和执行器课件运算器和执行器课件串联管道时的工作流量特性随s值的变化曲线以Q100为参比端， Q100表示存在管道阻力时的阀全开流量。Q/Q100100%100%0l/L线性s=1s=0.5s=0.1Q/Q100100%100%0l/L等百分比s=1s=0.5s=0.1运算器和执行器课件运算器和执行器课件串联管路调节阀性能变化结论：串联管路将使调节阀的可调比减小；随s值变小，流量特性将发生畸变：等百分比特性趋近于直线特性，直线特性趋近于快开特性。运算器和执行器课件运算器和执行器课件并联管道时的工作流量特性并联管路的总流量是调节阀流量和旁路流量之和。并联管道时其流量特性随x值变化曲线如图：并联管路调节阀性能变化结论：并联管路时调节阀流量特性随x值变小变化不大；但可调比大大降低了。运算器和执行器课件运算器和执行器课件串、并联管道都会使理想流量特性发生畸变, 串联管道尤为严重,。串、并联管道都会使控制阀可调比降低，并联管道尤为严重。 串联管道使总流量减少，并联管道则增加。串联调节阀开度小时放大系数增加，开度大时则减少；并联管道调节阀的放大系数在任何开度下总比原来的要小。综合结论：综合结论：运算器和执行器课件运算器和执行器课件（二）（二）空化作用及其避免空化作用及其避免闪蒸与空化闪蒸与空化闪蒸是液体通过阀节流后，缩流处静压降至低于饱和蒸汽压时，部分液体汽化成气液两相共存的现象。当静压回升到饱和蒸汽压以上时，闪蒸形成的气泡破裂，重新转化为液体，其过程称为空化。空化的破坏作用：空化的破坏作用：损坏材质、振动和噪音空化的避免空化的避免阀前后压差不大于最大允许压差 Pc： Pc Kc (P1 P2) P1 、P2分别为阀入口压力和饱和蒸汽压,Kc为气蚀系数。运算器和执行器课件运算器和执行器课件四、执行器的选择四、执行器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执行机构的选择执行机构的选择 是根据能源、工艺条件、介质性质等来确定执行机构的规格品种。对于气动执行器，从工艺生产的安全考虑, 选择其作用方式是气开式或是气关式。按执行机构的正反作用和调节机构的正反安装方式，实现气动执行器的气开、气关时有四种组合方式。运算器和执行器课件运算器和执行器课件调节机构的选择调节机构的选择 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的结构形式。（二）（二）控制阀流量特性的选择控制阀流量特性的选择从控制品质考虑从控制品质考虑 在负荷变化的情况下，应使控制系统总的放大系数不变。例如对于放大系数随负荷增大而减小的对象，选用放大系数随负荷增大而变大的等百分比特性阀门，使系统总放大系数不变。从工艺配管情况从工艺配管情况 选择相应的控制阀，见下表。配管情况阀的工作特性阀的理想特性S = 0.6 1S = 0.3 0.6直线直线抛物线抛物线等百分比等百分比直线抛物线 等百分比等百分比直线等百分比运算器和执行器课件运算器和执行器课件从负荷变化情况考虑从负荷变化情况考虑 在负荷变化小时可用直线特性阀，负荷变化幅度大的场合使用等百分比特性阀。（三）（三）控制阀口径的选择控制阀口径的选择1.确定计算流量 根据生产能力、设备负荷等来确定 Qmax和Qmin 。2.确定计算差压 按选定的S值来确定计算差压。 3.计算流量系数 按计算流量和计算差压求取KVmax 。 4.选择流量系数 在所选产品型号的标准系列中选取 大于KVmax且与其最接近的那一挡KV值。 5.验算控制阀开度和可调比 6.确定控制阀口径 根据KV值决定控制阀的公称直径 和阀座直径。运算器和执行器课件运算器和执行器课件