第4章上執(zhí)行器

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，從而操縱進(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、控制電機等。其中自動調(diào)節(jié)閥門是最常見的執(zhí)行器，種類繁多。第一頁，共六十二頁。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、損失小，可遠(yuǎn)距離傳輸；但推力較小。氣動調(diào)節(jié)閥：結(jié)構(gòu)簡單，可靠，維護方便，防火防爆；但氣源配備不方便。液動調(diào)節(jié)閥：用液壓傳遞動力，推力最大；但安裝、維護麻煩，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。第二頁，共六十二頁。4.1.1氣動調(diào)節(jié)閥氣動調(diào)節(jié)閥是由氣壓信號控制的閥門。氣動薄膜室推桿閥門閥位指示標(biāo)牌閥桿第三頁，共六十二頁。4.1.1.1氣動調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)與分類氣動調(diào)節(jié)閥由執(zhí)行機構(gòu)和控制機構(gòu)（閥）兩部分組成。執(zhí)行機構(gòu)是推動裝置，它是將信號壓力的大小轉(zhuǎn)換為閥桿位移的裝置?？刂茩C構(gòu)是閥門，它將閥桿的位移轉(zhuǎn)換為流通面積的大小。第四頁，共六十二頁。

1.執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)按調(diào)節(jié)器輸出的控制信號，驅(qū)動調(diào)節(jié)機構(gòu)動作。氣動執(zhí)行機構(gòu)的輸出方式有角行程輸出和直行程輸出兩種。

第五頁，共六十二頁。直行程輸出的氣動執(zhí)行機構(gòu)有兩類。氣動活塞式執(zhí)行機構(gòu)薄膜式執(zhí)行機構(gòu)P正作用執(zhí)行機構(gòu)反作用執(zhí)行機構(gòu)第六頁，共六十二頁。（1）直通單座閥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。結(jié)構(gòu)簡單、泄漏量小。2．調(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)節(jié)機構(gòu)就是閥門，是一個局部阻力可以改變的節(jié)流元件。根據(jù)不同的使用要求，閥門的結(jié)構(gòu)型式很多。第七頁，共六十二頁。正裝閥閥芯下移時，閥芯與閥座間的流通截面積增大閥門中的柱式閥芯可以正裝，也可以反裝。反裝閥閥芯下移時，閥芯與閥座間的流通截面積減小第八頁，共六十二頁。（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、下兩個閥芯上的推力方向相反且大小相近，可以互相抵消，所以不平衡力小。但是，由于加工的限制，上下兩個閥芯閥座不易保證同時密閉，因此泄漏量較大。第九頁，共六十二頁。（3）角形控制閥兩個接管呈直角形，一般為底進(jìn)側(cè)出，這種閥的流路簡單、對流體的阻力較小。適用于現(xiàn)場管道要求直角連接，介質(zhì)為高粘度、高壓差和含有少量懸浮物和固體顆粒狀的場合。第十頁，共六十二頁。（4）三通控制閥有三個出入口與工藝管道連接。流通方式有合流型（兩種介質(zhì)混合成一路）和分流型（一種介質(zhì)分成兩路）兩種。適用于配比控制與旁路控制。第十一頁，共六十二頁。（5）隔膜控制閥采用耐腐蝕材料作隔膜，將閥芯與流體隔開。結(jié)構(gòu)簡單、流阻小、流通能力比同口徑的其他種類的閥要大。由于介質(zhì)用隔膜與外界隔離，故無填料，介質(zhì)也不會泄漏。耐腐蝕能力強，適用于強酸、強堿、強腐蝕性介質(zhì)的控制，也能用于高粘度及懸浮顆粒狀介質(zhì)的控制。第十二頁，共六十二頁。適用于大口徑、大流量、低壓差的場合，也可以用于含少量纖維或懸浮顆粒狀介質(zhì)的控制。（6）蝶閥又名翻板閥。結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、流阻極小，但泄漏量大。第十三頁，共六十二頁。（7）球閥閥芯與閥體都呈球形體，閥芯內(nèi)開孔。轉(zhuǎn)動閥芯使之與閥體處于不同的相對位置時，就有不同的流通面積。流量變化較快，可起控制和切斷的作用，常用于雙位式控制。第十四頁，共六十二頁。（8）籠式閥閥內(nèi)有一個圓柱形套筒（籠子）。套筒壁上有一個或幾個不同形狀的孔（窗口），利用套筒導(dǎo)向，閥芯在套筒內(nèi)上下移動，改變閥的節(jié)流孔面積?？烧{(diào)比大，不平衡力小，更換開孔不同的套筒，就可得到不同的流量特性。但不適于高粘度或帶有懸浮物的介質(zhì)流量控制。第十五頁，共六十二頁。（9）凸輪撓曲閥又名偏心旋轉(zhuǎn)閥。其閥芯呈扇形球面狀，與撓曲臂及軸套一起鑄成，固定在轉(zhuǎn)動軸上。閥芯球面與閥座密封圈緊密接觸，密封性好。適用于高粘度或帶有懸浮物的介質(zhì)流量控制。調(diào)節(jié)閥除了結(jié)構(gòu)類型的不同外，其它的主要技術(shù)參數(shù)是流量特性和口徑。第十六頁，共六十二頁。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)系稱為調(diào)節(jié)閥的流量特性。Q/Qmax—相對流量

l/L—相對開度第十七頁，共六十二頁。相對流量Q/Qmax

是控制閥某一開度流量Q與全開時流量Qmax之比；相對開度l/L

是控制閥某一開度行程l與全開行程L之比。調(diào)節(jié)閥的流量特性不僅與閥門的結(jié)構(gòu)和開度有關(guān)，還與閥前后的壓差有關(guān)，必須分開討論。LQ第十八頁，共六十二頁。為了便于分析，先將閥前后壓差固定，然后再引伸到實際工作情況，于是有固有流量特性與工作流量特性之分。1、固有（理想）流量特性在將控制閥前后壓差固定時得到的流量特性稱為固有流量特性。它取決于閥芯的形狀。321343142（1）直線特性（2）等百分比特性（3）快開特性（4）拋物線特性第十九頁，共六十二頁。（1）直線流量特性控制閥的相對流量與相對開度成直線關(guān)系，即單位位移變化所引起的流量變化是常數(shù)。用數(shù)學(xué)式表示為：3142(l/L)/%

R—調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比系數(shù)。第二十頁，共六十二頁?？烧{(diào)比R為調(diào)節(jié)閥所能控制的最大流量與最小流量的比值。

其中Qmin不是指閥門全關(guān)時的泄漏量，而是閥門能平穩(wěn)控制的最小流量，約為最大流量的2~4%一般閥門的可調(diào)比R=30。R=Qmax/Qmin3142第二十一頁，共六十二頁?？刂屏Γ洪y門開度改變時，相對流量的改變比值。

例如在不同的開度上，再分別增加10%開度，相對流量的變化比值為10％時：[（20-10）/10]×100%=100%50％時：[（60-50）/50]×100%=20%80％時：[（90-80）/80]×100%=12.5%Q/Q100L/Lmaxs=1

直線閥的流量放大系數(shù)在任何一點上都是相同的，但其對流量的控制力卻是不同的。第二十二頁，共六十二頁。（2）等百分比（對數(shù)）流量特性單位相對行程變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量成正比關(guān)系：3142曲線斜率（放大系數(shù)）隨行程的增大而增大。流量小時，流量變化小；流量大時，流量變化大。第二十三頁，共六十二頁。等百分比閥在各流量點的放大系數(shù)不同，但對流量的控制力卻是相同的。10%處：（6.58%-4.68%）/4.68%≈41%50%處：（25.7%-18.2%）/18.2%≈41%80%處：（71.2%-50.6%）/50.6%≈41%同樣以10％、50％及80％三點為例，分別增加10%開度，相對流量變化的比值為：Q/Q100L/Lmaxs=1第二十四頁，共六十二頁。（4）拋物線流量特性特性曲線為拋物線，介于直線和對數(shù)曲線之間，使用較少。（3）快開特性3142開度較小時就有較大流量，隨開度的增大，流量很快就達(dá)到最大，故稱為快開特性。適用于迅速啟閉的切斷閥或雙位控制系統(tǒng)。第二十五頁，共六十二頁。2、調(diào)節(jié)閥的工作流量特性實際使用時，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ΔP等于管路系統(tǒng)的壓降ΔPG與控制閥的壓降ΔPT之和。P△PGQ△PT管路及設(shè)備△PG△PT調(diào)節(jié)閥△P△P第二十六頁，共六十二頁。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△PT的變化范圍，以閥權(quán)度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

/△

PP△PGQ△PT管路及設(shè)備△PG△PT調(diào)節(jié)閥△P△P第二十七頁，共六十二頁。流量特性畸變：以Qmax表示串聯(lián)管道阻力為零時(s=1)，閥全開時達(dá)到的最大流量?？傻么?lián)管道在不同s值時，以自身Qmax作參照的工作流量特性。對數(shù)閥變?yōu)橹本€閥直線閥變?yōu)榭扉_閥s↓第二十八頁，共六十二頁。結(jié)論串聯(lián)管道使調(diào)節(jié)閥的流量特性發(fā)生畸變。串聯(lián)管道使調(diào)節(jié)閥的流量可調(diào)范圍降低，最大流量減小。串聯(lián)管道會使調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)減小，調(diào)節(jié)能力降低，s值低于0.3時，調(diào)節(jié)閥能力基本喪失。第二十九頁，共六十二頁。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；強腐蝕介質(zhì)采用隔膜閥等。第三十頁，共六十二頁。氣動薄膜三通調(diào)節(jié)閥氣動薄膜精小型調(diào)節(jié)閥氣動薄膜式隔膜閥第三十一頁，共六十二頁。V型O型對夾薄型氣動調(diào)節(jié)球閥第三十二頁，共六十二頁。氣動法蘭調(diào)節(jié)蝶閥氣動對夾式調(diào)節(jié)蝶閥氣動精小型調(diào)節(jié)閥第三十三頁，共六十二頁。2．氣開式與氣關(guān)式的選擇氣動調(diào)節(jié)閥在氣壓信號中斷后閥門會復(fù)位。無壓力信號時閥全開，隨著信號增大，閥門逐漸關(guān)小的稱為氣關(guān)式。反之，無壓力信號時閥全閉，隨著信號增大，閥門逐漸開大稱的為氣開式。如氣動薄膜調(diào)節(jié)閥的氣開式與氣關(guān)式：氣關(guān)式氣關(guān)式氣開式氣開式第三十四頁，共六十二頁。

給水閥燃?xì)忾y蒸汽例如：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)。第三十五頁，共六十二頁。3.調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇保證控制品質(zhì)的重要因素之一是：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。給定值被控量干擾f

控制器傳感器執(zhí)行器被控對象+eWc(s)－W3(s)W1(s)W2(s)K=K1K2K3Kc有的被控對象的放大倍數(shù)，在不同的工藝點不同。第三十六頁，共六十二頁。如熱水加熱器的熱水流量與送風(fēng)溫度的靜特性MTT熱水Qθθ/θmaxQ/Qmax050%50%100%100%K由圖可見，隨著熱水流量增大，對送風(fēng)的加熱效果越來越差。因為熱交換需要時間，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。第三十七頁，共六十二頁。很多對象在工作區(qū)域內(nèi)穩(wěn)態(tài)放大倍數(shù)K不是常數(shù)，在不同的工藝負(fù)荷點，K不相同。因此希望調(diào)節(jié)閥的流量特性能補償對象的靜特性。（1）若調(diào)節(jié)對象的靜特性是非線性的，工藝負(fù)荷變化又大，用等百分比特性補償。（3）配管阻力大、s值低，等百分比閥會畸變成直線閥。（2）若調(diào)節(jié)對象的靜特性是線性的，或工藝負(fù)荷變化不大，用直線閥。第三十八頁，共六十二頁。4.調(diào)節(jié)閥口徑的選擇為保證工藝的正常進(jìn)行，必須合理選擇調(diào)節(jié)閥的尺寸。如果調(diào)節(jié)閥的口徑選得太大，使閥門經(jīng)常工作在小開度位置，造成調(diào)節(jié)質(zhì)量不好。如果口徑選得太小，閥門完全打開也不能滿足最大流量的需要，就難以保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行。調(diào)節(jié)閥的口徑?jīng)Q定了調(diào)節(jié)閥的流通能力。

調(diào)節(jié)閥的流通能力用流量系數(shù)C值表示。第三十九頁，共六十二頁。流量系數(shù)C的定義：在閥兩端壓差100kPa，流體為水（103Kg／m3）的條件下，閥門全開時每小時能通過調(diào)節(jié)閥的流體流量（m3/h）。例如，某一閥門全開、閥兩端壓差為100kPa時，流經(jīng)閥的水流量為20m3/h，則該調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)為：C=20。

在調(diào)節(jié)閥技術(shù)手冊上，給出了各種閥門的口徑和流通能力C，供用戶查閱。CDg第四十頁，共六十二頁。將流量系數(shù)的定義條件代入基本流量公式：實際應(yīng)用中閥門兩端壓差不一定是100kPa，流經(jīng)閥門的流體也不一定是水，因此必須換算。（1）液體流量系數(shù)C值的計算根據(jù)基本流量公式兩式相除得QDg?P第四十一頁，共六十二頁。

（2）氣體、蒸汽C值的計算氣體、蒸汽都具有可壓縮性，其C值的計算必須考慮氣體的可壓縮性和二相流問題，計算時進(jìn)行相應(yīng)的修正。根據(jù)實際的工藝流量和管道壓力換算出C值后，查閥門手冊確定口徑。QDg?P第四十二頁，共六十二頁。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=1.7×100kPa，所裝閥門取多大？解：Pm-Pr是管網(wǎng)入口壓差，設(shè)配管S=0.5～0.7，

?P=（0.5～0.7）×1.7×100kPa≈100kPa80℃熱水的密度ρ=971Kg/m3代入給水泵熱水鍋爐盤管PmPrM得C≈31

，取標(biāo)準(zhǔn)C=32在此檔中，選取和管道直徑相配的口徑。第四十三頁，共六十二頁。將4～20mA的電流信號轉(zhuǎn)換成20～100KPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號。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：第四十四頁，共六十二頁。I↑吸力Fi↑

杠桿偏轉(zhuǎn)擋板與噴嘴間隙↓

背壓↑

放大器輸入↑

輸出壓力P↑

杠桿的反饋力Ff

↑

杠桿平衡P∝I工作原理負(fù)反饋磁鐵調(diào)零FiFf背壓第四十五頁，共六十二頁。4.1.3閥門定位器氣動調(diào)節(jié)閥中，閥桿的位移是由薄膜上氣壓推力與彈簧反作用力平衡確定的。為了防止閥桿處的泄漏要壓緊填料，使閥桿摩擦力增大，且個體差異較大，這會影響輸入信號P的執(zhí)行精度。第四十六頁，共六十二頁。解決措施在調(diào)節(jié)閥上加裝閥門定位器，引入閥桿位移負(fù)反饋。使閥桿能按輸入信號精確地確定自己的開度。第四十七頁，共六十二頁。

4.1.4

電/氣閥門定位器實際應(yīng)用中，常把電/氣轉(zhuǎn)換器和閥門定位器結(jié)合成一體，組成電/氣閥門定位器。I↑杠桿上端右移擋板靠近噴嘴P壓力↑閥桿下移反饋凸輪右轉(zhuǎn)反饋彈簧右拉杠桿平衡第四十八頁，共六十二頁。氣動薄膜單座(套筒)調(diào)節(jié)閥氣動薄膜雙座調(diào)節(jié)閥第四十九頁，共六十二頁。

氣動調(diào)節(jié)閥氣動調(diào)節(jié)蝶閥第五十頁，共六十二頁。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)行機構(gòu)第五十一頁，共六十二頁。如直動式電磁閥：線圈通電時，產(chǎn)生電磁力，吸引閥芯柱上移，閥門打開。線圈斷電后，電磁力消失，閥芯落下。在彈簧壓力下閥門緊閉。電磁閥是位式閥，只有全開和全關(guān)兩個位置。第五十二頁，共六十二頁。電動調(diào)節(jié)閥也由執(zhí)行機構(gòu)和閥門兩部分組成。執(zhí)行機構(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，帶動控制機構(gòu)動作。閥門是調(diào)節(jié)閥的控制機構(gòu)，它與氣動調(diào)節(jié)閥的閥門是通用的。執(zhí)行機構(gòu)控制機構(gòu)第五十三頁，共六十二頁。電動執(zhí)行機構(gòu)用控制電機作動力裝置。輸出形式有：角行程：電機轉(zhuǎn)動經(jīng)減速器后輸出。直行程：電機轉(zhuǎn)動經(jīng)減速器減速并轉(zhuǎn)換為直線位移輸出。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)行機構(gòu)在電氣原理上基本相同，只是減速器不一樣。第五十四頁，共六十二頁。電動執(zhí)行機構(gòu)

第五十五頁，共六十二頁。輸入信號與位置反饋信號進(jìn)行比較，將差值放大。驅(qū)動電機經(jīng)減速輸出，帶動閥門直到位置發(fā)送器檢測到的位置信號與輸入信號相等時，放大器