过程控制系统及其应用(第四章)课件.pptx

1、第四章第四章 执行器执行器 执行器由执行机构和调节机构(控制阀)两部分组成。在过程控制系统中，它接受调节器输出的控制信号，并转换成直线位移或角位移，来改变控制阀的流通截面积，以控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。根据使用动力源的不同，执行器可分为三大类：以压缩空气为动力源的气动执行器(即气动控制阀)；以电为动力源的电动执行器(即电动控制阀)；以高压液体为动力源的液动执行器(即液动控制阀)。在过程控制中，气动执行器应用最多，其次是电动执行器。气动执行器的输入为20-100KPa气压信号；电动执行器的输入信号为4-20mA（DC）(DDZ-III型)。上述三种执行器除

2、执行机构不同外，所用的调节机构(控制阀)都相同。所以以下介绍的气动控制阀的特性及其选用方法均适用于其他类型。第一节 电动执行器一、概述一、概述 电动执行单元接受来自调节单元、Q型固定式操作器或计算机控制输出的直流电流信号,并将其转换成相应的角位移或直行程位移,操纵调节机构,以实现自动调节。电动执行单元还可以通过电动操作器实现调节系统的自动与手动操作的相互切换。当操作器的切换开关切向“手动”位置时，由正、反操作按钮直接控制电动执行单元的伺服交流电机电源，以实现执行器输出轴的正转和反转，即可进行手动操作。执行器有角行程和直行程两种，这两种都是以两相交流电机为动力的位置伺服机构，两者电气原理完全相同

3、，只是减速器装置不一样。角行程电动执行器由伺服放大器和执行器两大部分组成，见图4-1所示。它把420mA的直流电流信号线性地转换成输出轴090的机械转角去驱动调节机构。图4-1 电动执行器方框图 伺服放大器将输入信号Ii和位置反馈信号If相比较，得到偏差信号，此偏差信号经功率放大后，驱使二相伺服电动机转动，再经减速器减速，带动输出轴改变转角.输出轴不同转角位置经位置发送器转换成相应的反馈电流，反馈到伺服放大器的输入端。当反馈信号和输入信号相等时，两相伺服电动机停止转动，输出轴就稳定在与输入信号相对应的位置上。输出轴转角和输入信号Ii的关系为：)4(iIK式中 K比例系数；Ii输入电流；输出轴转

4、角。由式可知，输出轴转角和输入信号成正比，所以电动执行机构可看成为比例环节，其输入和输出关系见图4-2所示。Ii(mA)4122090000450图4-2 电动执行机构输入输出关系 电动执行器外观图如图4-3所示，其中图4-3a为电子式伺服大器，图4-3b为D型电动操作器，图4-3c为电动执行机构。伺服放大器与电动操作器放置于控制室内，电动执行机构安装固定在管道阀门处，其输出轴的转动部分用机械连杆与安装在管道上的阀体相连接来调节阀芯的来回运动。伺服放大器接受420mA控制指令信号和执行机构的阀芯位置反馈信号，输出AC 220V驱动执行机构伺服电动机正转、反转或停止，实现连续调节阀位的开度。D型

5、电动操作器具有反馈信号大小。电动操作器面板上有“手动”与“自动”开关，当扳到“自动”状态的位置，阀位处于闭环自动控制状态，此种状态位置时，阀位位置可通过手动的方式调节操作器面板上的上、下键来进行。电动操作器“自动”与“手动”阀位控制状态具有双向无扰动切换功能。图4-3 电动执行器外观图二、电动执行单元组成及工作原理二、电动执行单元组成及工作原理 1、电动执行单元的组成 电动执行单元由伺服放大器和执行器两大部分组成。伺服放大器主要由前置放大器、触发器和可控硅交流开关等构成，执行器由两相伺服电机、减速器、阀体和位置发送器组成，电动执行单元电器方框图见图4-4所示。伺服放大器的作用是将信号综合、比较

6、和放大，以控制伺服电动机的正、反运转。图4-4 电动执行单元电器方框图2前置放大器与触发器 为满足复杂的调节系统的要求，伺服放大器有三个输入信号通道和一个位置反馈通道。因此，它可以同时输入三个信号和一个位置反馈信号。对于简单调节系统，只用其中一个输入通道和位置反馈通道。前置放大器接受位置输入信号和位置反馈信号并进行比较，比较后的信号通过磁隔离后进行放大，向触发器输入电压信号的电压极性能反映输入电流与反馈电流之差的极性，同时电压信号的极性决定触发电路的工作状态。触发电路见图4-5所示。触发器的作用是把前置磁放大器的直流输出电压变成脉冲输出，使控制电路中的可控硅导通，以接通伺服电机的电源。为了使伺

7、服电机能实现正、反运转，这里设置了两组触发器。当前置磁放大器的直流输出电压为某种极性时，其中的一组触发器工作，与之相应的伺服电机控制电路中的可控硅导通，电机按某一方向旋转；反之，当前置磁放大器的直流输出电压改变极性时，将使另外一组触发器工作，于是，与该组触发器相应的可控硅导通，电机朝相反的方向旋转。图4-5 触发电路 触发器用单结晶体管组成的振荡器，由上、下对称的两部分组成。图中R17、C5、VT3、脉冲变压器T1组成上部张驰振荡器，该振荡周期由下式决定：11ln517CRT 式中 单结晶体管的分压比前置磁放大器输出的电压信号加在A、B两端，触发器的输出脉冲由上变压器T1、和下变压器T2的二次

8、绕组送至可控硅。当磁放大器的输出为零时，由于偏流电阻R15、R16的作用，使VT1、VT2均处于饱和导通状态，电容C5、C6被其短路，单结晶体管VT3、VT4截止，因此无脉冲输出。当前置放大器来的电压信号为A端负，B端正时，VT2仍处于饱和导通状态，而VT1由导通转为截止，电流从电源正极经R17向C5充电，当C5两端电压上升到单结晶体管的峰点电压时，VT3导通，于是C5向脉冲变压器T1的一次绕组线圈放电，待C5两端电压降低到谷点电压时VT3截止，电容C5又开始被充电。上述过程反复进行，在变压器T1的二次绕组便可输出连续的脉冲信号。反之，若前置放大器输出信号为A端正，B端负时，T2变压器二次绕组

9、便可输出连续的脉冲信号。为保证触发脉冲能使可控硅导通，对触发脉冲的频率有一定要求。频率太高，脉冲宽度过窄，难以保证可控硅在这样短暂的时间内导通；频率太低，即脉冲控制角增大，会使电源电压过零时，可控硅开启时刻延后，即可控硅关断时间加长，降低了电机的转速。触发脉冲的频率由式(4-1)中的R17C5乘积决定。3晶闸管交流开关与两相伺服电机执行器 两相伺服电机是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相隔90电角度的定子绕组(匝数和线径相同)，由于分相电容CD的作用，这两个绕组中的电流相位总是相差90，其合成向量产生定子旋转磁场，定子旋转磁场在转子内产生感应电流并构成转子磁场，

10、两个磁场相互作用，从而使转子旋转。转子旋转的方向取决于分相电容CD串接在哪一个定子绕组中。图4-6 可控硅交流开关与两相伺服电机执行器 晶闸管交流开关用来接通伺服电机的交流电源，它由一只晶闸管及四个二极管组成。由两组完全相同的开关电路，分别控制电机的正、反转。其具体电路见图4-6。触发器的两只脉冲输出变压器T1、T2的二次绕组绕组分别接到两只可控硅VT1和VT2的控制极和阴极之间。晶闸管连接在二极管桥式整流器的直流端，其阳极和阴极之间承受的是全波整流电压。当T1有正脉冲输出时，可控硅SCR1被触发导通。电源电压在正半周时(极性见图左+、右所示)，此时电流的流向为+FUL1VD18SCR1VD1

11、6W1 CDW2 相反，电源电压在负半周时极性见图(+)、()所示；电流的流向为 W1(+)VD17SCR1VD15L1FU()W2CD 由此可见，只要有正脉冲输入使SCR1导通时，不论电源电压极性如何，二相伺服电机定子绕组W2中的电流都经过电容CD，因此W2相位都比绕组W1中的电流超前90，驱使电极按一定的方向旋转。同理，当晶闸管SCR2导通时，W1中的电流相位比W2中电流超前90，故驱使电机向相反方向旋转。图中，VD13，R21；VD14、R22为防止反向脉冲电压加到晶闸管的控制极，保护晶闸管。C7、R23和C8、R24是过压保护元件。因为可控硅管的负载是电感线圈，它在电路开闭瞬间，会产生

12、过电压，并联电容以后因电容两端电压不能突变，故起一定缓冲作用。但在电容放电时，会产生相当大的放电电流，所以必须再串联电阻R23、R24以限制放电电流和放电时间，达到保护可控硅的目的。FU、L1、L2均为过流保护元件。执行器由伺服电机，减速器和位置发送器三部分组成。它接受晶闸管交流开关或电动操作器的信号，使两相伺服电机按正、反方向运转。通过减速器减速后，变成输出力矩去带动阀门。与此同时，位置发送器又根据阀门的位置，发出相应数值的直流电流信号反馈到前置磁放大器的输入端，与来自调节器的输出电流相平衡。第二节第二节 气动执行机构气动执行机构 一、控制阀概述一、控制阀概述 图4-7所示，气动执行机构由膜

13、片、推杆和平衡弹簧等部分组成，是执行器的推动装置，推动调节机构动作。它接受气动调节器或电-气阀门定位器输出的气压信号，经膜片转换成推力，克服弹簧力后，使推杆产生位移，同时可带动阀芯动作。图4-7 气动执行器1、上盖；2、膜片；3、平衡弹簧；4阀杆；5阀体；6阀座；7阀芯 气动执行机构有正作用和反作用两种形式。当输入气压信号增加时推杆向下移动的叫正作用式执行机构；当输入气压信号增加时推杆向上移动的叫反作用式执行机构。在工业生产中口径较大的控制阀通常采用正作用的执行机构。气动执行机构有薄膜式和活塞式等。在工程上气动薄膜式应用最广。当调节器或电-气阀门定位器输出的气压信号p输入薄膜室后，信号压力在有

14、效面积为A的薄膜上产生推力，使推杆部件移动并压缩弹簧，直至弹簧的反作用力与信号压力在薄膜上产生的推力平衡为止。气动薄膜执行机构在不计膜片的弹性刚度及摩擦力的情况下，气动薄膜执行机构在平衡状态时信号压力与阀杆位移的力平衡关系可得LKAp 式中：p通入气压室的信号压力；A膜片的有效面积；K弹簧的弹性系数；L执行机构推杆位移。可见，执行机构推杆位移L和输入气压信号成比例。信号压力越大，推力越大，推杆的位移即弹簧压缩量也就越大。推杆的位移范围就是执行机构的行程。推杆从零走到全行程，阀门就从全开（或全关）到全关（或全开）。控制阀直接与介质接触，其结构、材料和性能将直接影响过程控制系统的安全性、可靠性和系

15、统的控制质量。根据流体力学的观点，控制阀是一个局部阻力可变的节流元件。通过改变阀芯的行程而改变控制阀的阻力系数，以达到控制流量的目的。根据不同的使用要求，控制阀有直通双座控制阀、直通单座控制阀、蝶阀、三通阀、高压阀、角形阀、隔膜阀等多种结构形式，见图4-7。这些阀可与气动执行机构配合构成气动执行器，也可与电动执行机构配合构成电动执行器。图4-7 控制阀结构示意图 另外，气动控制阀还需配备一定的辅助装置。常用的有阀门定位器和手轮机构。阀门定位器利用反馈原理来改善控制阀的性能，使控制阀能按控制器的控制信号实现准确的定位。手轮机构在控制系统因停电、停气、控制器无输出或执行机构损坏而失灵时，可手动用来

16、直接操作阀的开闭，以保证生产的正常进行。二、控制阀的选择二、控制阀的选择 控制阀是组成过程控制系统的一个重要环节，其特性的好坏对控制质量的影响很大。在生产过程中，被控介质的特性千差万别，流体的流动状态也各不相同。控制阀的选择，主要是流量特性、流通能力以及气开、气关形式和结构的选择。选择时要根据流体性质、工艺条件和控制要求，参考各种控制阀的特点，选择合适的结构形式。具体应注意以下几个问题。调节阀的流量特性1.调节阀的流量特性调节阀的阀芯位移与流量之间的关系，对控制系统的调节品质有很大影响。流量特性的定义：被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系称为调节阀的流量特性。)(=m

17、axLlfQQQ/Qmax 相对流量 l/L 相对开度调节阀的流量特性 相对流量Q/Qmax 是控制阀某一开度流量Q与全开时流量Qmax之比；相对开度l/L 是控制阀某一开度行程l与全开行程L之比。)(=maxLlfQQ 调节阀的流量特性不仅与阀门的结构和开度有关，还与阀前后的压差有关，必须分开讨论。LQ调节阀的流量特性为了便于分析，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。3 21 3 4（1）直线特性（2）等百分比特性（3）快开特性（4）抛物线特性3

18、 1 42调节阀的流量特性（1）直线流量特性控制阀的相对流量与相对开度成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数。用数学式表示为：max11(1-)RRQlQLR 调节阀的可调比系数。3 1 42调节阀的流量特性 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。R=Qmax/Qmin 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24%一般阀门的可调比R=30。在小开度时，流量相对变化值大，灵敏度高，不易控制，甚至发生震荡；在大开度时，流量相对变化值小，调节缓慢。3 1 42调节阀的流量特性 v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

19、的控制力却是不同的。控制力：阀门开度改变时，相对流量的改变比值。例如在不同的开度上，再分别增加10%开度，相对流量的变化比值为10时：（20-10）/10100%=100%50时：（60-50）/50100%=20%80时：（90-80）/80100%=12.5%Q/Q100L/Lmaxs=1调节阀的流量特性 （2）等百分比（对数）流量特性单位相对行程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：-1)(max=LlRQQv曲线斜率（放大系数）随行程的增大而增大。流量小时，流量变化小；流量大时，流量变化大。v等百分比特性在直线特性下方，在同一位移时，直线流量特性阀比等百分比流量特性的调节

20、阀通过的流量大。3 1 42调节阀的流量特性 v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。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：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%Q/Q100L/Lmaxs=1调节阀的流量特性 （3）快开特性开度较小时就有较大流量，随开度的增大，流量很快就达到最大，故称为快开特性。适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。（4）抛物线流量特性特性曲线为抛物线，介于直线和对数曲线之间，使用较少。3 1

21、 42调节阀的流量特性 各种阀门都有自己特定的流量特性，如隔膜阀的流量特性近于快开特性，蝶阀的流量特性接近于等百分比特性。选择阀门时应该注意各种阀门的流量特性。对隔膜阀和蝶阀，由于它的结构特点，不可能用改变阀芯的曲面形状来改变其特性。因此，要改善其流量特性，只能通过改变阀门定位器反馈凸轮的外形来实现。调节阀的流量特性 2、调节阀的工作流量特性实际使用时，调节阀装在具有阻力的管道系统中。管道对流体的阻力随流量而变化，阀前后压差也是变化的，这时流量特性会发生畸变。例：管道串联时的工作流量特性如图，管道系统总压力P等于管路系统的压降PG与控制阀的压降PT之和。PPGQPT管路及设备PGPT调节阀PP

22、调节阀的流量特性 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力最大，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，阀前后最小压差PTmin与总压力 P之比。s=PTmin/PPPGQPT管路及设备PGPT调节阀PP调节阀的流量特性以Qmax表示串联管道阻力为零时(s=1)，阀全开时达到的最大流量。可得串联管道在不同s值时，以自身Qmax作参照的工作流量特性。v流量特性畸变：对数阀变为直线阀 直线阀变为快开阀s 调节阀的流量特性 例：管道并联时的工作流量特性有的调节阀装有旁路，便于手动操作和维护。当生产

23、能力提高或其他原因引起调节阀的最大流量满足不了工艺生产的要求时，可以把旁路打开一些，这时调节阀的理想流量特性就成为工作流量特性。调节阀的流量特性 如图所示的并联管路中，有（）LlXqmaxq=+(1-X)式中 q并联管道的总流量，即：q=q1+q2；qmax管路总流量的最大值；调节阀的理想流量特性；l/L阀芯相对位移；X调节阀全开时最大流量和总管流量之比，即Xqmaxq1max 上式表示并联管道的工作流量特性。理想流量特性为直线及等百分比的调节阀，在不同的X值时，工作流量特性如图1-5-31所示。由图1-5-31可以看出，并联管道中，阀本身的流量特性变化不大，但可调比降低了。实际应用中，为使调

24、节阀有足够的调节能力，旁路流量不能超过总流量的20，即X值不能低于0.8。调节阀的流量特性 结论q串、并联管道使理想流量特性发生畸变，串联管道的影响尤为严重；q串、并联管道式调节阀可调比降低，并联管道更为严重；q串联管道使系统总流量减少，并联管道使系统总流量增加；q串联管道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减少。2.控制阀结构与特性的选择 控制阀的结构形式主要根据工艺条件进行选择，如考虑介质的物理和化学性质，以及温度压力等条件。控制阀的结构形式确定后，还需要确定其流量特性。控制阀流量特性的选择一般分两步进行。首先按照过程控制系统的要求，确

25、定工作流量特性；再根据流量特性曲线的畸变程度以及工艺要求和工艺配管情况，确定理想流量特性。3.控制阀作用方式的选择 有压力信号时阀关，无压力信号时阀开为气关式执行器；反之，则为气开式。同时由于执行机构有正、反两种作用方式，控制阀也有正装和反装两种方式，所以组合后气动执行器的气开、气关有四种方式，如表4-1及图4-9所示。气开、气关的选择主要是考虑在不同生产工艺条件下安全生产的要求。考虑的原则是：信号压力中断时，应保证设备和工作人员的安全。如阀门处于打开位置时危害性小，则选择气关式；反之，选择气开式。例如，锅炉供水控制阀一般采用气关式，可保证事故状态下控制阀处于全开位置，使锅炉不致因缺水而烧干；

26、而加热炉的燃料气或燃料油应采用气开式控制阀，当信号中断时应切断进炉燃料，以免炉温过高而造成事故。图图4-9 4-9 执行器组合方式执行器组合方式表表4-1 4-1 执行器组合方式表执行器组合方式表序号 执行机构 阀体气动控制阀 A正正(正)气关 B正正(反)气开C反正(反)气开D反反(正)气关 4.控制阀口径的选择 控制阀口径的选择是一个十分重要的环节，因为它的选择直接影响控制效果。口径选择得过小，会使流经控制阀的介质达不到所需要的最大流量，使控制效果变差，或者使阀的流量特性产生畸变；口径选择得过大，会使控制阀经常处于小开度工作状态，控制性能变差，同时也造成浪费。流量系数 是选择控制阀口径的主

27、要依据。是表示控制阀流通能力的一个变量。它指的是温度为0-40的水，在105Pa压降下，一小时内流过控制阀的立方米数。一个控制阀的流量系数在不同的开度是不同的，当阀的开度从全关到全开时，其流量系数逐渐增大。控制阀铭牌框上提供的 值是阀全开时的流量系数，即是该阀的最大流量系数。对于不可压缩的流体，且阀前后压差不太大时，其流量系数 的计算公式为VKVKVKVK2102.0ppQKLLV 式中 液体密度；阀的入口取压点测得的绝对压力；阀的出口取压点测得的绝对压力；液体的体积流量 因此，控制阀口径的选择实质上就是根据特定的工艺条件(即给定的介质流量、阀前后的压差以及介质的物性变量等)进行的计算，然后根

28、据控制阀生产厂家的产品目录，选择相应的控制阀口径，在满足工艺要求的基础上，留有一定的余量。另外，的计算与介质的特性、流动的状态等因素有关，具体计算时请参考有关计算手册或应用相应的计算软件。三、阀门定位器三、阀门定位器*阀门定位器是气动执行器的主要附件，在气动执行器的安装部位（见图4-7），其内部构造见图4-10。在气动执行器中，由于各种影响因素的存在，会使执行机构与输入信号之间的定位关系发生变化，使执行机构产生回环特性，因此为了提高控制阀的控制精度，都加装阀门定位器与气动执行器配套使用,组成机械式闭环回路，利用负反馈原理来改善控制阀的定位精度和提高灵敏度，从而使控制阀能按调节器的控制信号实现准

29、确定位。图4-10阀门定位器内部结构图 阀门定位器有气动和电动两种，电动式阀门定位器将电动调节器或手动操作器输出的4-20mA（DC）信号转换成20-100KPa气压信号去操作气动执行器。它同时具有电-气转换器和阀门定位器的作用。电-气阀门定位器是按力矩平衡原理工作的。阀门定位器主要功能是：1 改善阀的静态特性，实现准确定位。使用阀门定位器可以有效地克服阀杆的摩擦和消除控制阀不平衡能力的影响，保证阀门位置按控制器输出信号正确定位。2 改善控制阀的动态特性及流量特性，利用阀门定位器，可以有效地克服气压信号的传递滞后，改变原来控制阀的滞后特性，使之成为比例特性。3 实现分程控制，当用一个控制器的输出信号分段分别控制两只气动执行器工作时，可用两个阀门定位器，使它们分别在信号的某一区段完成全行程动作，从而实现分程控制。结束语当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的，所以不要放弃，坚持就是正确的。When You Do Your Best,Failure Is Great,So DonT Give Up,Stick To The End感谢聆听不足之处请大家批评指导Please Criticize And Guide The Shortcomings演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日