第4章 執(zhí)行器過程控制 自動化儀表

第4章執(zhí)行器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換成執(zhí)行動作。執(zhí)行器有自動調節(jié)閥門、自動電壓調節(jié)器、自動電流調節(jié)器、控制電機等。其中自動調節(jié)閥門是最常見的執(zhí)行器，種類繁多。給定值被控變量干擾f

控制器變送器調節(jié)閥加熱器及房間

+e實測值－自動調節(jié)閥按照工作所用能源形式可分為：電動調節(jié)閥：電源配備方便，信號傳輸快、損失小，可遠距離傳輸；但推力較小。氣動調節(jié)閥：結構簡單，可靠，維護方便，防火防爆；但氣源配備不方便。液動調節(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節(jié)閥和電動調節(jié)閥。電動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器4.1.1氣動調節(jié)閥氣動調節(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牌閥桿1.特點它是以140kP的壓縮空氣為能源，以20~100kP氣壓信號為輸入控制信號；具有結構簡單、動作可靠、性能穩(wěn)定、輸出推力大、維修方便、本質安全防暴和價格低廉等特點。2.構成原理執(zhí)行機構調節(jié)機構P入LQ位移開度輸入信號（一）結構組成：執(zhí)行機構Pλ→L→Q

調節(jié)機構一、氣動執(zhí)行器4.1.1.1氣動調節(jié)閥的結構與分類氣動調節(jié)閥由執(zhí)行機構和控制機構（閥）兩部分組成。執(zhí)行機構是推動裝置，它是將信號壓力的大小轉換為閥桿位移的裝置。控制機構是閥門，它將閥桿的位移轉換為流通面積的大小。氣動執(zhí)行機構組成:(1)執(zhí)行機構：2、3、4(2)調節(jié)機構：5、6、7兩種作用形式：

正作用：當輸入氣壓信號增加時，推桿下移的叫正作用式執(zhí)行機構；

反作用：當輸入氣壓信號增加時，推桿上移的叫反作用式執(zhí)行機構氣動薄膜控制閥外形反裝閥氣開式執(zhí)行器正作用執(zhí)行機構P入正作用式

氣動薄膜

控制閥閥芯的正裝與反裝形成氣開、氣關正裝反裝正裝閥：閥芯下移時，閥芯與閥座間的流通截面積減小反作用式氣動薄膜控制閥結構原理O型環(huán)氣開式執(zhí)行器反作用執(zhí)行機構P入四種組合

反作用反作用正作用正作用氣關式氣關式氣開式氣開式反裝閥反裝閥正裝閥正裝閥P入P入P入P入QQQQQ氣開式：當氣動執(zhí)行器輸入壓力>0.02MPa,閥開始打開；即有信號壓力就開閥，否則關閥。氣關式：即有信號壓力就關閥，無信號開閥。

1.執(zhí)行機構執(zhí)行機構按調節(jié)器輸出的控制信號，驅動調節(jié)機構動作。氣動執(zhí)行機構的輸出方式有角行程輸出和直行程輸出兩種。

一、控制閥的結構特點直通4.3調節(jié)機構

角形直行程輸出的氣動執(zhí)行機構有兩類。氣動活塞式執(zhí)行機構薄膜式執(zhí)行機構P正作用執(zhí)行機構反作用執(zhí)行機構（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。結構簡單、泄漏量小。2．調節(jié)機構調節(jié)機構就是閥門，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，閥門的結構型式很多。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?。?）直通雙座閥閥體內有兩個閥芯和閥座。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。（3）角形控制閥兩個接管呈直角形，一般為底進側出，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，介質為高粘度、高壓差和含有少量懸浮物和固體顆粒狀的場合。（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（兩種介質混合成一路）和分流型（一種介質分成兩路）兩種。適用于配比控制與旁路控制。（5）隔膜控制閥采用耐腐蝕材料作隔膜，將閥芯與流體隔開。結構簡單、流阻小、流通能力比同口徑的其他種類的閥要大。由于介質用隔膜與外界隔離，故無填料，介質也不會泄漏。耐腐蝕能力強，適用于強酸、強堿、強腐蝕性介質的控制，也能用于高粘度及懸浮顆粒狀介質的控制。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的控制。（6）蝶閥又名翻板閥。結構簡單、重量輕、流阻極小，但泄漏量大。碟閥（7）球閥閥芯與閥體都呈球形體，閥芯內開孔。轉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。（8）籠式閥閥內有一個圓柱形套筒（籠子）。套筒壁上有一個或幾個不同形狀的孔（窗口），利用套筒導向，閥芯在套筒內上下移動，改變閥的節(jié)流孔面積。可調比大，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流量控制。（9）凸輪撓曲閥又名偏心旋轉閥。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流量控制。調節(jié)閥除了結構類型的不同外，其它的主要技術參數(shù)是流量特性和口徑。4.4調節(jié)閥的流量特性調節(jié)閥的閥芯位移與流量之間的關系，對控制系統(tǒng)的調節(jié)品質有很大影響。流量特性的定義：被控介質流過閥門的相對流量與閥門的相對開度（相對位移）間的關系稱為調節(jié)閥的流量特性。Q/Qmax—相對流量

l/L—相對開度相對流量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。調節(jié)閥的流量特性不僅與閥門的結構和開度有關，還與閥前后的壓差有關，必須分開討論。LQ調節(jié)閥的固有特性，由閥芯的形狀所決定。1-快開特性2-直線特性3-拋物線特性4-等百分比（對數(shù)）特性①理想流量特性(ΔP一定)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（1）直線流量特性控制閥的相對流量與相對開度成直線關系，即單位位移變化所引起的流量變化是常數(shù)。用數(shù)學式表示為：3142(l/L)/%

R—調節(jié)閥的可調比系數(shù)。理想可調比R為調節(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%一般閥門的可調比R=30。R=Qmax/Qmin3142控制力：閥門開度改變時，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。（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。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。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（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)。2、調節(jié)閥的工作流量特性實際使用時，調節(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管路及設備△PG△PT調節(jié)閥△P△P從串聯(lián)管道中調節(jié)閥兩端壓差△PT的變化曲線可看出，調節(jié)閥全關時閥上壓力最大，基本等于系統(tǒng)總壓力；調節(jié)閥全開時閥上壓力降至最小。為了表示調節(jié)閥兩端壓差△PT的變化范圍，以閥權度s表示調節(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管路及設備△PG△PT調節(jié)閥△P△PΔPmax為控制閥全關時閥前后的壓差（近似等于系統(tǒng)的總壓差）；ΔPmin為控制閥全開時閥前后的壓差；S為控制閥全開時閥前后壓差與系統(tǒng)總壓差之比流量特性畸變：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↓結論串聯(lián)管道使調節(jié)閥的流量特性發(fā)生畸變。串聯(lián)管道使調節(jié)閥的流量可調范圍降低，最大流量減小。串聯(lián)管道會使調節(jié)閥的放大系數(shù)減小，調節(jié)能力降低，s值低于0.3時，調節(jié)閥能力基本喪失。(2)并聯(lián)管道時的工作流量特性

（2）并聯(lián)管道時的可調比并聯(lián)管道，相當于旁路閥打開一定開度。此時，調節(jié)閥的實際可調比為通常一般S值不能低于0.8，即旁路流量只能為總流量的百分數(shù)之十幾。

可調比將大大下降供參考執(zhí)行器的選用是否得當，將直接影響控制系統(tǒng)的控制質量、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.調節(jié)閥的結構形式；2.調節(jié)閥的流量特性；3.調節(jié)閥的口徑。5.執(zhí)行器的選擇計算執(zhí)行機構的選擇

比較項目氣動薄膜執(zhí)行機構電動執(zhí)行機構可靠性高（簡單、可靠）較低驅動能源需另設氣源簡單方便價格低高輸出力大小剛度小大防爆好差工作環(huán)境大（－40～＋80℃）?。ǎ?0～＋55℃）4.4調節(jié)閥的選擇選用調節(jié)閥時，一般應考慮以下幾個方面。1．調節(jié)閥結構的選擇通常根據(jù)工藝條件，如使用溫度、壓力，介質的物理、化學特性（如腐蝕性、粘度等），對流量的控制要求等，來選擇調節(jié)閥的結構形式。例如，一般介質條件選用直通單座閥或直通雙座閥；高壓介質選用高壓閥；強腐蝕介質采用隔膜閥等。氣動薄膜三通調節(jié)閥氣動薄膜精小型調節(jié)閥氣動薄膜式隔膜閥V型O型對夾薄型氣動調節(jié)球閥氣動法蘭調節(jié)蝶閥氣動對夾式調節(jié)蝶閥氣動精小型調節(jié)閥2．氣開式與氣關式的選擇氣動調節(jié)閥在氣壓信號中斷后閥門會復位。無壓力信號時閥全開，隨著信號增大，閥門逐漸關小的稱為氣關式。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。如氣動薄膜調節(jié)閥的氣開式與氣關式：氣關式氣關式氣開式氣開式

給水閥燃氣閥蒸汽例如：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：

給水閥應選氣關式

燃氣閥應選氣開式閥門氣開氣關式的選擇原則：當控制信號中斷時，閥門的復位位置能使工藝設備處于安全狀態(tài)。H1.如果，介質是由強腐蝕性的，再生產過程中不允許溢出，調節(jié)閥的作用形式？2.如果后面的環(huán)節(jié)不允許沒有物料，調節(jié)閥的作用形式？氣關式氣開式3.調節(jié)閥流量特性的選擇保證控制品質的重要因素之一是：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。如熱水加熱器的熱水流量與送風溫度的靜特性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。很多對象在工作區(qū)域內穩(wěn)態(tài)放大倍數(shù)K不是常數(shù)，在不同的工藝負荷點，K不相同。因此希望調節(jié)閥的流量特性能補償對象的靜特性。（1）若調節(jié)對象的靜特性是非線性的，工藝負荷變化又大，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）若調節(jié)對象的靜特性是線性的，或工藝負荷變化不大，用直線閥。結論：常用的調節(jié)閥流量特性為“線性”和“等百分比”在設計過程中，當流量特性難以確定時，優(yōu)先選用“等百分比”特性，它的適應性更強。4.調節(jié)閥口徑的選擇為保證工藝的正常進行，必須合理選擇調節(jié)閥的尺寸。如果調節(jié)閥的口徑選得太大，使閥門經(jīng)常工作在小開度位置，造成調節(jié)質量不好。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，就難以保證生產的正常進行。調節(jié)閥的口徑?jīng)Q定了調節(jié)閥的流通能力。

調節(jié)閥的流通能力用流量系數(shù)C值表示。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，則該調節(jié)閥的流量系數(shù)為：C=20。

在調節(jié)閥技術手冊上，給出了各種閥門的口徑和流通能力C，供用戶查閱。CDg將流量系數(shù)的定義條件代入基本流量公式：實際應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?Pγ=ρg

（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，計算時進行相應的修正。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

，取標準C=32在此檔中，選取和管道直徑相配的口徑。

為了能正確計算流量系數(shù)，亦即合理地選取調節(jié)閥口徑，（1）首先必須要合理確定調節(jié)閥流量和壓差的數(shù)據(jù)。（2）而在根據(jù)計算得到的流量系數(shù)選擇調節(jié)閥口徑之后，還應對所選調節(jié)閥開度和可調比進行驗算，以保證所選調節(jié)閥的口徑能滿足控制要求。4.調節(jié)閥口徑的選擇調節(jié)閥口徑的選擇主要依據(jù)流量系數(shù)。因此選擇調節(jié)閥口徑的步驟為：1)確定計算流量根據(jù)現(xiàn)有的生產能力、設備負荷及介質狀況，決定最大計算流量Qmax；

2)確定計算壓差根據(jù)所選擇的流量特性及系統(tǒng)特性選定S值，然后決定計算壓差；

3)計算流量系數(shù)選擇合適的流量系數(shù)計算公式，根據(jù)已決定的計算流量和計算壓差，求得最大流量時的流量系數(shù)Cmax；

4)選取流量系數(shù)Cv

根據(jù)已求得的Cmax，在所選用的產品型號的標準系列中，選取大于Cmax并與其最接近的那一擋Cv值；5)驗算調節(jié)閥開度一般要求最大計算流量時的開度不大于90%，最小計算流量時的開度不大于10%；直線特性調節(jié)閥

等百分比特性的調節(jié)閥

7)確定調節(jié)閥口徑

驗證合格后，根據(jù)Cv值決定調節(jié)閥的公稱直徑和閥座直徑。6)驗算調節(jié)閥實際可調比；須滿足一般工藝上的最大最小流量流量之比相對全開全關流量之比要小，可取10。2)在最大流量的條件下，分別計算系統(tǒng)內調節(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)求取調節(jié)閥計算壓差△PV

計算壓差確定步驟如下：

1)選擇調節(jié)閥前后最近的壓力基本穩(wěn)定的兩個設備作為系統(tǒng)的計算范圍。

例題：擬選一臺直線流量特性的直通雙座閥。已知最大流量Qmax=100m3/h,△PQmax=50Kpa,Qmin=20m3/h,s=0.5,介質為水。試確定閥的口徑Dg。解：1）最大流量Qmax=100m3/h2）最大壓差△PQmax=50Kpa

3）計算流量系數(shù)4）查表2-35，選擇額定流量系數(shù)Cv=160解：5）驗證調節(jié)閥開度滿足最大計算流量時的開度不大于90%，最小計算流量時的開度不大于10%；6）驗證可調比7）確定閥口直徑查表2-35，其口徑應選擇100mm。滿足將4～20mA的電流信號轉換成20～100KPa的標準氣壓信號。4.5電/氣轉換器為了使氣動調節(jié)閥能夠接收電動調節(jié)器的輸出信號，必須把標準電流信號轉換為標準氣壓信號。電/氣轉換器作用：I↑

吸力Fi↑

杠桿偏轉

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工作原理負反饋磁鐵調零FiFf背壓4.5.2閥門定位器氣動調節(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，會影響輸入信號P的執(zhí)行精度。加入閥門定位器，可以提高閥桿位置的線性度，克服閥桿的摩擦力，消除被控介質壓力變化與高壓差對閥位的影響；增加執(zhí)行機構的動作速度，改善控制系統(tǒng)的動態(tài)特性；解決措施在調節(jié)閥上加裝閥門定位器，引入閥桿位移負反饋。使閥桿能按輸入信號精確地確定自己的開度。

4.5.3

電/氣閥門定位器實際應用中，常把電/氣轉換器和閥門定位器結合成一體，組成電/氣閥門定位器。1-波紋管2-主杠桿3-遷移彈簧4-凸輪支點5-凸輪

6-副杠桿7-支點8-執(zhí)行機構9-反饋桿10-滾輪11-反饋彈簧12-調零彈簧13-擋板14-噴嘴15主杠桿支點16-放大器力矩平衡式氣動閥門定位器氣動薄膜單