控制儀表與計算機控制裝置執(zhí)行器理論知識

1、控制儀表與計算機控制裝置執(zhí)行器理論知識控制儀表與計算機控制裝置執(zhí)行器理論知識控制儀表與計算機控制裝置執(zhí)行器理論知識5.1.2. 執(zhí)行器的構(gòu)成執(zhí)行器由執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)兩個部分構(gòu)成 輔助裝置：閥門定位器利用負(fù)反饋原理改 善執(zhí)行器的性能手操機構(gòu)用于人工直接操作執(zhí)行器 2021/4/1325.1.3.執(zhí)行器的分類及特點 (1)按使用的能源形式分類：氣動執(zhí)行器氣動調(diào)節(jié)閥電動執(zhí)行器液動執(zhí)行器Electrical ActuatorPneumatic ActuatorHydrodynamic Actuator電動調(diào)節(jié)閥2021/4/133 氣動調(diào)節(jié)閥采用氣動執(zhí)行機構(gòu)：輸出直線位移l 直行程式調(diào)節(jié)機構(gòu) 長行程

2、式輸出角位移 角行程式調(diào)節(jié)機構(gòu) 薄膜式活塞式2021/4/134電動調(diào)節(jié)閥采用電動執(zhí)行機構(gòu)：輸出直線位移l 直行程式調(diào)節(jié)機構(gòu) 輸出角位移 角行程式調(diào)節(jié)機構(gòu) 直行程式角行程式2021/4/135(2)按使用的調(diào)節(jié)機構(gòu)分類： 直通雙座調(diào)節(jié)閥直通單座調(diào)節(jié)閥籠式（套筒）調(diào)節(jié)閥三通調(diào)節(jié)閥角型調(diào)節(jié)閥高壓調(diào)節(jié)閥隔膜調(diào)節(jié)閥波紋管密封調(diào)節(jié)閥超高壓調(diào)節(jié)閥小流量調(diào)節(jié)閥低噪音調(diào)節(jié)閥直行程式調(diào)節(jié)機構(gòu) 角 行程式調(diào)節(jié)機構(gòu) 同一類型的氣動調(diào)節(jié)閥和電動調(diào)節(jié)閥，分別采用氣動執(zhí)行機構(gòu)和電動執(zhí)行機構(gòu)蝶閥凸輪撓曲調(diào)節(jié)閥V型球閥O型球閥2021/4/136(3)執(zhí)行器的特點 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、動作可靠穩(wěn)定、輸出力大、 安裝維修方便、價格

3、便宜和防火防爆氣動調(diào)節(jié)閥優(yōu)點：動作較快、能源獲取方便、 特別適于遠(yuǎn)距離的信號傳送電動調(diào)節(jié)閥采用電/氣轉(zhuǎn)換器或電/氣閥門定位器，使傳送信號為電信號，現(xiàn)場操作為氣動信號。缺點：響應(yīng)時間大，信號不適于遠(yuǎn)傳缺點：輸出力較小、價格貴一般只適用于防爆要求不高的場合2021/4/1375.1.4. 執(zhí)行器的作用方式 當(dāng)輸入信號增大時，流過執(zhí)行器的流量減小 當(dāng)輸入信號增大時，執(zhí)行器的開度增大，即流過執(zhí)行器的流量增大 氣動調(diào)節(jié)閥通常稱為氣開閥氣動調(diào)節(jié)閥通常稱為氣關(guān)閥正作用: 反作用:2021/4/1385.2. 執(zhí)行機構(gòu) 執(zhí)行機構(gòu)的作用:根據(jù)輸入控制信號的大小，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出力F和位移(直線位移l或角位移)輸出

4、力F 用于克服調(diào)節(jié)機構(gòu)中流動流體對閥芯產(chǎn)生的作用力或作用力矩，以及摩擦力等其他各種阻力； 位移 (l或)用于帶動調(diào)節(jié)機構(gòu)閥芯動作2021/4/139執(zhí)行機構(gòu)作用方式 正作用:輸入信號增加，執(zhí)行機構(gòu)推桿向下運動 反作用:輸入信號增加，執(zhí)行機構(gòu)推桿向上運動 2021/4/13105.2.1. 氣動執(zhí)行機構(gòu) 氣動執(zhí)行機構(gòu)接受氣動調(diào)節(jié)器或閥門定位器輸出的氣壓信號，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸出力F和直線位移l，以推動調(diào)節(jié)機構(gòu)動作。氣動執(zhí)行機構(gòu)主要分為兩大類： 薄膜式及活塞式薄膜式及活塞式執(zhí)行機構(gòu)又可分為有彈簧和無彈簧兩種 2021/4/1311結(jié)構(gòu)1-上膜蓋； 2-波紋膜片3-下膜蓋； 4-支架5-推桿； 6

5、-壓縮彈簧7-彈簧座； 8-調(diào)節(jié)件9-連接閥桿螺母10-行程標(biāo)尺 ( 1) 氣動薄膜式執(zhí)行機構(gòu) 2021/4/1312工作原理 當(dāng)信號壓力通入由上膜蓋1和膜片2組成的氣室時，在膜片上產(chǎn)生一個向下的推力，使推桿5向下移動壓縮彈簧6，當(dāng)彈簧的反作用力及信號壓力在膜片上產(chǎn)生的推力相平衡時，推桿穩(wěn)定在一個對應(yīng)的位置，推桿的位移l即為執(zhí)行機構(gòu)的輸出，也稱行程。 2021/4/1313氣動薄膜式執(zhí)行機構(gòu)的特性 氣動薄膜式執(zhí)行機構(gòu)的力平衡方程式為 a) 靜態(tài)特性 非線性偏差小于5，回差小于35 2021/4/1314b) 動態(tài)特性 2021/4/1315（2）氣動活塞式執(zhí)行機構(gòu) 長行程執(zhí)行機構(gòu)特點:行程長

6、輸出力矩大2021/4/13165.2.2. 電動執(zhí)行機構(gòu) 構(gòu)成原理 接受010mADC或420mADC的輸入信號，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸出力F和直線位移l或輸出力矩M和角位移 2021/4/1317(1) 伺服電機 伺服電機實際上是一個二相電容異步電機，由一個用沖槽硅鋼片疊成的定子和鼠籠轉(zhuǎn)子組成，定子上均勻分布著兩個匝數(shù)、線徑相同而相隔90電角度的定子繞組W1和W2。 作用: 將伺服放大器輸出的電功率轉(zhuǎn)換成機械轉(zhuǎn)矩2021/4/1318(2) 伺服放大器 作用: 將輸入信號和反饋信號進(jìn)行比較，得到差值信號，并根據(jù)的極性和大小，控制可控硅交流開關(guān)、的導(dǎo)通或截止?？煽毓杞涣鏖_關(guān)、用來接通伺服電機的

7、交流電源，分別控制伺服電機的正、反轉(zhuǎn)或停止不轉(zhuǎn) 2021/4/1319(3) 位置發(fā)送器 位移檢測元件用于將電動執(zhí)行機構(gòu)輸出軸的位移轉(zhuǎn)換成mV 或電阻等信號，常用的位移檢測元件有差動變壓器、塑料薄膜電位器和位移傳感器等； 作用:將電動執(zhí)行機構(gòu)輸出軸的位移線性地轉(zhuǎn)換成反饋信號，反饋到伺服放大器的輸入端。位置發(fā)送器包括：位移檢測元件和轉(zhuǎn)換電路 轉(zhuǎn)換電路用于將位移檢測元件輸出信號轉(zhuǎn)換成伺服放大器所要求的輸入信號，如0-10mA或4-20mA直流電流信號。2021/4/1320(4) 減速器 作用：將伺服電機高轉(zhuǎn)速、小力矩的輸出功率轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機構(gòu)輸出軸的低轉(zhuǎn)速、大力矩的輸出功率，以推動調(diào)節(jié)機構(gòu)。 直行

8、程式的電動執(zhí)行機構(gòu)中，減速器還起到將伺服電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行機構(gòu)輸出軸的直線運動的作用。 減速器一般由機械齒輪或齒輪及皮帶輪構(gòu)成。2021/4/1321電動執(zhí)行機構(gòu)的特性 伺服放大器是一個具有繼電特性的非線性環(huán)節(jié)， 為不靈敏區(qū) 無輸出； 輸出215V 伺服電機接通電源：伺服電機工作在恒速狀態(tài)，故為一個積分環(huán)節(jié)，因此，電動執(zhí)行機構(gòu)的動態(tài)特性主要取決于伺服電機的特性，即具有積分特性 伺服電機停止轉(zhuǎn)動時： 或 為比例特性 減速器和位置發(fā)送器為比例環(huán)節(jié)2021/4/13225.3. 調(diào)節(jié)機構(gòu) 調(diào)節(jié)機構(gòu)是執(zhí)行器的調(diào)節(jié)部分，在執(zhí)行機構(gòu)的輸出力和輸出位移作用下，調(diào)節(jié)機構(gòu)閥芯的運動，改變了閥芯及閥座之

9、間的流通截面積，即改變了調(diào)節(jié)閥的阻力系數(shù)，使被控介質(zhì)流體的流量發(fā)生相應(yīng)變化。2021/4/13235.3.1. 調(diào)節(jié)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和特點 1執(zhí)行機構(gòu)2閥桿3閥芯4閥座5閥體6轉(zhuǎn)軸7閥板 主要構(gòu)成：閥體、閥座、閥心、和閥桿或轉(zhuǎn)軸2021/4/1324常用調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意圖及特點 直通單座調(diào)節(jié)閥特點:泄漏量小 允許壓差小 特點:泄漏量大 允許壓差大 直通雙座調(diào)節(jié)閥2021/4/1325常用調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意圖及特點 角形調(diào)節(jié)閥特點:流路簡單 阻力小 特點:有三個接管口 三通閥2021/4/1326常用調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意圖及特點 蝶閥特點:成本低 泄漏較大 流通能力大 特點: 流路阻力小 特點:穩(wěn)定性好 拆裝維修

10、方便 套筒閥偏心旋轉(zhuǎn)閥 2021/4/13275.3.2. 調(diào)節(jié)機構(gòu)的工作原理 流體經(jīng)調(diào)節(jié)閥時的能量損失H為 單位質(zhì)量流體經(jīng)調(diào)節(jié)閥時的能量損失及流體的動能成正比 流體在調(diào)節(jié)閥的平均流速W為 2021/4/1328調(diào)節(jié)閥實際應(yīng)用的流量方程式 Acm2 g/cm3 (10-5 N s2 / cm4) 100kPa (10N/ cm2)Q m3/ h設(shè) 則 (m3/ h)K 為調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù) 2021/4/13295.3.3. 調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)K 反映調(diào)節(jié)閥口徑大小 的定義 : 在調(diào)節(jié)閥前后壓差為100KPa，流體密度為1g/cm3 （即540的水）的條件下，調(diào)節(jié)閥全開時，每小時通過閥門的流體量（

11、m3） 因 故規(guī)定條件下的流量系數(shù)K 以 表示 2021/4/1330流量系數(shù)的計算 取 的單位為kPa 1.流體的種類和性質(zhì)將影響K 的大小，因此對不同的流體必須考慮其對流量系數(shù)的影響 2.流體的流動狀態(tài)也將影響K 的大小，因此要考慮阻塞流及非阻塞流的情況由可得：適用于一般液體流量系數(shù)計算公式匯總表見p171表5-1 2021/4/13315.3.4. 調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比 反映調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)能力的大小 定義:調(diào)節(jié)閥所能控制的最大流量和最小流量之比 調(diào)節(jié)閥前后壓差的變化，會引起可調(diào)比變化，將可調(diào)比分為理想可調(diào)比和實際可調(diào)比。 2021/4/1332(1) 理想可調(diào)比 (P 一定)由結(jié)構(gòu)設(shè)計決定 R=

12、30 ; 502021/4/1333(2)實際可調(diào)比 Rr (P 變化)串聯(lián)管道時的可調(diào)比 設(shè) 則 2021/4/1334并聯(lián)管道時的可調(diào)比R 1 設(shè) 則 2021/4/13355.3.5. 調(diào)節(jié)閥的流量特性 介質(zhì)流過調(diào)節(jié)閥的相對流量及相對位移（即閥的相對開度）之間的關(guān)系 調(diào)節(jié)閥前后壓差的變化，會引起流量變化。流量特性分為理想流量特性和實際流量特性 2021/4/1336 理想流量特性 (P 一定)調(diào)節(jié)閥的固有特性，由閥芯的形狀所決定。理想流量特性主要有直線特性、等百分比（對數(shù)）特性、拋物線特性及快開特性等四種 2021/4/1337(1) 直線流量特性 調(diào)節(jié)閥的相對流量及相對位移成直線關(guān)系，

13、即單位位移變化所引起的流量變化是常數(shù) 特點：a.放大系數(shù)是常數(shù) b. Q 流量相對變化值 2021/4/1338(2) 等百分比流量特性（對數(shù)流量特性） 單位相對位移變化所引起的相對流量變化及此點的相對流量成正比關(guān)系 特點：a. Q 放大系數(shù) b. 流量相對變化值是常數(shù) 2021/4/1339(3) 拋物線流量特性 單位相對位移的變化所引起的相對流量變化及此點的相對流量值的平方值的平方根成正比關(guān)系 2021/4/1340(4) 快開流量特性 在開度較小時就有較大的流量，隨著開度的增大，流量很快就達(dá)到最大；此后再增加開度，流量變化很小 有效位移一般為閥座直徑的1/4 適用于迅速啟閉的位式控制或程

14、序控制系統(tǒng) 2021/4/1341 工作流量特性 (P 變化)(1)串聯(lián)管道時* 可調(diào)比減小 * 流量特性發(fā)生畸變 直線特性快開特性 等百分比特性直線特性 2021/4/1342(2)并聯(lián)管道時的工作流量特性 可調(diào)比將大大下降 通常一般X值不能低于0.8，即旁路流量只能為總流量的百分?jǐn)?shù)之十幾。 2021/4/13435.4. 執(zhí)行器的選擇計算 執(zhí)行器的選用是否得當(dāng)，將直接影響控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量、安全性和可靠性 執(zhí)行器的選擇，主要是從以下三方面考慮： 1.執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)形式； 2.調(diào)節(jié)閥的流量特性； 3.調(diào)節(jié)閥的口徑。 2021/4/13445.4.1. 執(zhí)行器結(jié)構(gòu)形式的選擇 1)執(zhí)行機構(gòu)的選擇

15、比較項目 氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu) 電動執(zhí)行機構(gòu)可靠性 驅(qū)動能源價格輸出力剛度防爆性能環(huán)境溫度范圍高（簡單、可靠）需另設(shè)氣源裝置 低 小 小 好（-40+80） 較低 簡單、方便 高 大 大 差（-10+55）2021/4/1345 選擇執(zhí)行機構(gòu)時，還必須考慮執(zhí)行機構(gòu)的輸出力（力矩）應(yīng)大于它所受到的負(fù)荷力（力矩） 執(zhí)行機構(gòu)的選擇 負(fù)荷力（力矩）包括流體對閥芯產(chǎn)生的作用力（不平衡力）或作用力矩（不平衡力矩）閥桿的摩擦力、重量以及壓縮彈簧的預(yù)緊力 對于氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu): 工作壓差小于最大允許壓差 2021/4/1346確定整個氣動調(diào)節(jié)閥的作用方式 氣開式調(diào)節(jié)閥:有信號壓力輸入時閥打開 無信號壓力時閥全關(guān)氣

16、關(guān)式調(diào)節(jié)閥:有信號壓力時閥關(guān)閉 無信號壓力時閥全開氣開氣關(guān)的選擇考慮原則是： 信號壓力中斷時，應(yīng)保證設(shè)備和操作人員的發(fā)全，如閥門處于打開位置時危害性小，則應(yīng)選用氣關(guān)式；反之，則用氣開式。 2021/4/1347確定氣動調(diào)節(jié)閥作用方式實例 2021/4/1348(2) 調(diào)節(jié)機構(gòu)的選擇 主要依據(jù)是：（1） 流體性質(zhì) 如流體種類、粘度、腐蝕性、是否含懸浮顆粒（2） 工藝條件 如溫度、壓力、流量、壓差、泄漏量（3） 過程控制要求 控制系統(tǒng)精度、可調(diào)比、噪音 根據(jù)以上各點進(jìn)行綜合考慮，并參照各種調(diào)節(jié)機構(gòu)的特點及其適用場合，同時兼顧經(jīng)濟性，來選擇滿足工藝要求的調(diào)節(jié)機構(gòu)。2021/4/13495.4.2.

17、執(zhí)行器流量特性的選擇 實際上是指如何選擇直線特性和等百分比特性 經(jīng)驗準(zhǔn)則 : （1）考慮系統(tǒng)的控制品質(zhì) 適當(dāng)?shù)剡x擇調(diào)節(jié)閥的特性，以閥的放大系數(shù)的變化來補償控制對象放大系數(shù)的變化，使控制系統(tǒng)總的放大系數(shù)保持不變或近似不變2021/4/1350 （2）考慮工藝管道情況 調(diào)節(jié)閥在串聯(lián)管道時的工作流量特性及S值的大小有關(guān)，即與工藝配管情況有關(guān)。因此，在選擇其特性時，還必須考慮工藝配管情況。 具體做法是先根據(jù)系統(tǒng)的特點選擇所需要的工作流量特性，再考慮工藝配管情況確定相應(yīng)的理想流量特性。2021/4/1351（3）考慮負(fù)荷變化情況 直線特性調(diào)節(jié)閥在小開度時流量相對變化值大，控制過于靈敏，易引起振蕩，且閥芯

18、、閥座也易受到破壞，因此在S值小、負(fù)荷變化大的場合，不宜采用。等百分比特性調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)隨調(diào)節(jié)閥行程增加而增大，流量相對變化值是恒定不變的，因此它對負(fù)荷變化有較強的適應(yīng)性。 2021/4/1352根據(jù)控制系統(tǒng)的特點進(jìn)行選擇： 表5-5 調(diào)節(jié)閥工作流量特性的選擇表 2021/4/13535.4.3.調(diào)節(jié)閥的口徑選擇 首先必須要合理確定調(diào)節(jié)閥流量和壓差的數(shù)據(jù)。通常把代入計算公式中的流量和壓差分別稱為計算流量和計算壓差。依據(jù)流量系數(shù)2021/4/1354 最大計算流量是指通過調(diào)節(jié)閥的最大流量，其值應(yīng)根據(jù)工藝設(shè)備的生產(chǎn)能力、對象負(fù)荷的變化、操作條件變化以及系統(tǒng)的控制質(zhì)量等因素綜合考慮，合理確定。 避免兩種傾向：過多考慮余量 只考慮眼前生產(chǎn) 選擇調(diào)節(jié)閥口徑的步驟（1）確定計算流量2021/4/1355 計算壓差是指最大流量時調(diào)節(jié)閥上的壓差，即調(diào)節(jié)閥全開時的壓差。 （2）確定計算壓差 確定計算壓差時必須兼顧調(diào)節(jié)性能和動力消耗兩方面，即應(yīng)合理選定S值。 2021/4/1356 2) 在最大流量的條件下，分別計算系統(tǒng)內(nèi)調(diào)節(jié)閥之外的各項局部阻力所引起的壓力損失，再求出它們的總和PF 。 3) 選取S值 S值一般希望不小于0.3，常選 4) 求取調(diào)節(jié)閥計算壓差PV 計算壓差確定步驟如下： 1) 選擇調(diào)節(jié)閥前后最近的壓力基本穩(wěn)定的兩