過程控制工程第4章執(zhí)行器

1、第4章 執(zhí)行器及安全柵4.1 執(zhí)行器執(zhí)行器是自動控制系統(tǒng)中的重要組成部分，它將控制器送來的控制信號轉(zhuǎn)換成執(zhí)行動作，從而進(jìn)入設(shè)備的能量， 將被控變量維持在所要求的數(shù)值上或一定的范圍內(nèi)。執(zhí)行器有自動調(diào)節(jié)閥門、自動電壓調(diào)節(jié)器、自動電流調(diào)節(jié)器、控制電機(jī)等。其中自動調(diào)節(jié)閥門是最常見的執(zhí)行器，種類繁多。自動調(diào)節(jié)閥按照工作所用能源形式可分為：電動調(diào)節(jié)閥： 電源配備方便， 信號傳輸快、q損失小，可遠(yuǎn)距離傳輸；但推力較小。q氣動調(diào)節(jié)閥： 結(jié)構(gòu)簡單， 可靠，方便，防火防爆；但氣源配備不方便。q液動調(diào)節(jié)閥： 用傳遞動力， 推力最大；但安裝、麻煩，使用不多。工業(yè)中使用最多的是氣動調(diào)節(jié)閥和電動調(diào)節(jié)閥。44.1.1!U4

2、4.1.1.14| #$7|!&U!&U!1.執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)按調(diào)節(jié)器輸出的控制信號，驅(qū)動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動作。氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出方式有角行程輸出和直行程輸出兩種。4z7!PYY2調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)就是閥門，是一個局部阻力可以改變的節(jié)流元件，主要由閥體、閥座、閥芯、閥桿等組成。根據(jù)不同的使用要求，閥門的結(jié)構(gòu)型式很多。（1）直通單座閥q結(jié)構(gòu)簡單、泄漏量小。q流體對閥芯的不平衡作用力大。一般用在小口徑、低壓差的場合。4:M&AM!2&4v2&4（2） 直通雙座閥閥體內(nèi)有兩個閥芯和閥座。流體流過時，作用在上、下兩個閥芯上的推q力方向相反且大小相近，可以互相抵消，所以不平小。q但是，由于加工的限制，上下兩個閥芯

3、閥座不易保證同時密閉，因此泄漏量較大。4# $79&/z& W!D&I W!44 09zi4!#7I/$|#/I|7$7!D4!4# $ Y&4W! mK!DI4&IA3P! & D I&ADI!4# $! &T! D V&AMD I!4# $4WW&o!Z?4WD3U&3 !&Y&DU!4#8$o/9#$!1/9x93#$&o12&!&3&3&3 !T3D I!4#9$d?!m&4/&1!4&!DI!B3&m = !4.1.1.2調(diào)節(jié)閥的流量特性調(diào)節(jié)閥的閥芯位移與流量之間的關(guān)系，對控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)有很大影響。流量特性的定義：被控介質(zhì)流過閥門的相對流量與閥門的相對開度（相對位移）間的關(guān)系稱為

4、調(diào)節(jié)閥的流量特性。Ql=f ( L )Qmax相對流量maxl/L 相對開度4max /Q4jQmax?+l/L /l4jL?!LQlfL )Qmax3H4l&4l&|!Q4BD|&h&qRYs&D4Y?| $ !rD!3# $ #2$! #3$ #4$ 1244 2 331 4# $4l&UU! *3Q1l1 (1-)QmaxRLR1R 24(l / L) /%4R43c!124R = Qmax / Qminm:Qmin3jl&24%&/R=30!過程控制系統(tǒng)與儀表第4章v直線閥的流量放大系數(shù)在任何一點(diǎn)上都是相同的，但其對流量的控制力卻是不同的?？刂屏Γ洪y門開度改變時，相對流量的改變比值。例

5、如在不同的開度上，再分別增加10%開度，相對流量的變化比值為10時：（20-10）/10100%=100%50時：（60-50）/50100%=20%80時：（90-80）/80100%=12.5%s=1L/Lmax4# $U4l*lQ(-1)= RLQmax3 # $!&+ &!124過程控制系統(tǒng)與儀表第4章v等百分比閥在各流量點(diǎn)的放大系數(shù)不同，但對流量的控制力卻是相同的。同樣以10、50及80三點(diǎn)為例，分別增加10%開度，相對流量變化的比值為：10%處：（6.58%-4.68%）/4.68%41%50%處：（25.7%-18.2%）/18.2%41%80%處：（71.2%-50.6%）/5

6、0.6%41%s=1L/Lmax1004#3$& &!DU!#4$ &ID?& Z!4213過程控制系統(tǒng)與儀表第4章2、調(diào)節(jié)閥的工作流量特性實(shí)際使用時， 調(diào)節(jié)閥裝在具有阻力的管道系統(tǒng)中。管道對流體的阻力隨流量而變化， 閥前后壓差也是變化的，這時流量特性會發(fā)生畸變。例：管道串聯(lián)時的工作流量特性如圖，管道系統(tǒng)總壓力P等于管路系統(tǒng)的壓降PG與控制閥的壓降PT之和。P調(diào)節(jié)閥管路及設(shè)備PTPPTPGPGPQ過程控制系統(tǒng)與儀表第4章從串聯(lián)管道中調(diào)節(jié)閥兩端壓差PT 的變化曲線可看出， 調(diào)節(jié)閥全關(guān)時閥上壓力最大， 基本等于系統(tǒng)總壓力；調(diào)節(jié)閥全開時閥上壓力降至最小。為了表示調(diào)節(jié)閥兩端壓差 P T 的變化范圍，以

7、閥阻比S 表示調(diào)節(jié)閥全開時， 閥前后最小壓差PTmin與總壓力 P之比。S =PTmin / P調(diào)節(jié)閥管路及設(shè)備PTPPTPGPGPQ4MQmax ;(S=1)&j!;3Sc&MQmaxYY!*S #4!;Z!;ZV&v!;PZv&V&ScVD0.3&8!過程控制系統(tǒng)與儀表第4章4.1.1.2調(diào)節(jié)閥的選擇選用調(diào)節(jié)閥時，一般應(yīng)考慮以下幾個方面。1調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)的選擇通常根據(jù)工藝條件，如使用溫度、壓力，介質(zhì)的物理、化學(xué)特性（如腐蝕性、粘度等），對 流量的控制要求等，來選擇調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)形式。例如，一般介質(zhì)條件選用直通單座閥或直通雙座閥；高壓介質(zhì)選用高壓閥；強(qiáng)腐蝕介質(zhì)采用隔膜閥等。過程控制系統(tǒng)與儀表第4章

8、氣動薄膜三通調(diào)節(jié)閥氣動薄膜式隔膜閥氣動薄膜精小型調(diào)節(jié)閥過程控制系統(tǒng)與儀表第4章氣動調(diào)節(jié)球閥V型O型對夾薄型過程控制系統(tǒng)與儀表第4章氣動精小型調(diào)節(jié)閥氣動法蘭調(diào)節(jié)蝶閥氣動對夾式調(diào)節(jié)蝶閥42(4l:PU!j&ll!?&j&!4l*ll過程控制系統(tǒng)與儀表第4章v閥門氣開氣關(guān)式的選擇原則：當(dāng)控制信號中斷時，閥門的復(fù)位位置能使工藝設(shè)備處于安全狀態(tài)。例如：選擇蒸汽鍋爐的控制閥門時，為保證失控狀態(tài)下鍋爐的安全：給水閥應(yīng)選氣關(guān)式燃?xì)忾y應(yīng)選氣開式蒸汽燃?xì)忾y給水閥過程控制系統(tǒng)與儀表第4章氣開閥與氣關(guān)閥氣開閥： pc f氣關(guān)閥： pc f(“有氣則開”)(“有氣則關(guān)”)*無氣源( pc = 0 )時，氣開閥全關(guān)，氣關(guān)

9、閥全開。氣開閥與氣關(guān)閥的選擇原則*若無氣源時，希望閥全關(guān)，則應(yīng)選擇氣開閥，如加熱爐瓦斯氣調(diào)節(jié)閥；若無氣源時，希望閥全開，則應(yīng)選擇氣關(guān)閥，如加熱爐進(jìn)風(fēng)蝶閥。過程控制系統(tǒng)與儀表第4章3.調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇保證控制品質(zhì)的重要之一是：保持控制系統(tǒng)的總放大倍數(shù)在工作范圍內(nèi)盡可能恒定。K=K1K2K3Kc干擾fe+控制器執(zhí)行器被控對象給定值被控量W c(s)W3(s)W1(s)傳感器W2(s)有的被控對象的放大倍數(shù)，在不同的工藝點(diǎn)不同。過程控制系統(tǒng)與儀表第4章如熱水加熱器的熱水流量與送風(fēng)溫度的靜特性/max100%50%TTMmax熱水Q050%100%由圖可見，隨著熱水流量增大，對送風(fēng)的加熱效果越來越

10、差。因?yàn)闊峤粨Q需要時間，熱水很快流走，不能充分熱交換所致。但若用蒸汽加熱，由于冷凝放熱很快，該特性為直線特性。KQ/ Q4YobK3&3&K3!eZ4* 7100kPa&W#103Kg)m3$N2&jW #m3 /h$!&/j 7100kPa&20 m3 /h&NLik*22C A100 A!P00100010QD7gC Q 10P4#2$W CcW n&mCcWC& a! 10PC kQ!PzCc& p!QDg過程控制系統(tǒng)與儀表第4章例 某供暖系統(tǒng)，流過加熱盤管的水流量為Q=31m3/h熱水為80，Pm-Pr=1.7100kPa，所裝閥門取多大？解：Pm-Pr是壓差，設(shè)配管S=0.50.7，

11、P=（0.50.7）1.7100kPa 100kPa80熱水的密度=971Kg/m3代入M盤管PPmr得C31，取標(biāo)準(zhǔn)C=32在此檔中，選取和管道直徑相配的口徑。熱水鍋爐給水泵C Q 10P過程控制系統(tǒng)與儀表第4章調(diào)節(jié)閥流量特性總結(jié)線性閥：在理想情況下，調(diào)節(jié)閥的放大n增益Kv與閥門開度無關(guān)；而隨著管路系統(tǒng)閥阻比的減少，當(dāng)開度到達(dá)5070%時，流量已接近其全開時的數(shù)值，即Kv隨著開度的增大而顯著下降。對數(shù)閥：在理想情況下，調(diào)節(jié)閥的放大n增益Kv隨著閥門開度的增大而增加；而隨著管路系統(tǒng)閥阻比的減少， Kv 漸近于常數(shù)。過程控制系統(tǒng)與儀表第4章選擇原則：僅當(dāng)對象特性近似線性而且閥阻比大于0.60以上

12、（即調(diào)節(jié)閥兩端的壓差基本不變），才選擇線性閥，如液位控制系統(tǒng)；其他情況大都應(yīng)選擇對數(shù)閥。過程控制系統(tǒng)與儀表第4章4.1.2電/氣轉(zhuǎn)換器為了使氣動調(diào)節(jié)閥能夠接收電動調(diào)節(jié)器的輸出信號，必須把標(biāo)準(zhǔn)電流信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號。電/氣轉(zhuǎn)換器作用：將420mA的電流信號轉(zhuǎn)換成20 100KPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號。4YI Fi d 4 zP i Ff P I Fi Ff4 )( : & U 1 4 Y ! B & Z & 5 9 W & P i !4$ 1 U & i U ! Z i !4 U:&/U/W&/U!I$1P 2y 過程控制系統(tǒng)與儀表第4章氣動薄膜單座(套筒)調(diào)節(jié)閥氣動薄膜雙座調(diào)節(jié)閥4過程控制系統(tǒng)與

13、儀表第4章4.1.5電動調(diào)節(jié)閥電動調(diào)節(jié)閥接受來自調(diào)節(jié)器的電流信號，閥門開度連續(xù)可調(diào)。電磁閥也接受來自調(diào)節(jié)器的電流信號，但閥門開度是位式調(diào)節(jié)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)4*&G&1&!&2!2!U&jjl79U!過程控制系統(tǒng)與儀表第4章電動調(diào)節(jié)閥也由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門兩部分組成。q執(zhí)行機(jī)構(gòu)是調(diào)節(jié)閥的推動裝置，它將輸入信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的動力，帶動控制機(jī)構(gòu)動作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)q閥門是調(diào)節(jié)閥的控制機(jī)構(gòu)，它與氣動調(diào)節(jié)閥的閥門是通用的?？刂茩C(jī)構(gòu)過程控制系統(tǒng)與儀表第4章電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)用控制電機(jī)作動力裝置。輸出形式有：角行程：電機(jī)轉(zhuǎn)動經(jīng)直行程：電機(jī)轉(zhuǎn)動經(jīng)位移輸出。器后輸出。器并轉(zhuǎn)換為直線多轉(zhuǎn)式：轉(zhuǎn)角輸出，功率比較大，主要用來控制閘閥、截止閥等多轉(zhuǎn)式閥門。這幾種執(zhí)行機(jī)構(gòu)在電氣原理上基本相同，只是器不一樣。44i4U&c!vz&UU4i &z!4 * &% a#+$b#-$ Y SC