控制儀表及計(jì)算機(jī)控制裝置-執(zhí)行器理論知識(shí)課件

1、5.執(zhí)行器(Actuator)接受來(lái)自調(diào)節(jié)器的控制信號(hào)，通過(guò)其本身開(kāi)度的變化，從而達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。 執(zhí)行器使用條件惡劣，是調(diào)節(jié)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié) 5.1. 概述 (7.Final control)1.作用：15.1.2. 執(zhí)行器的構(gòu)成執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩個(gè)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(jī)構(gòu)用于人工直接操作執(zhí)行器 25.1.3.執(zhí)行器的分類及特點(diǎn) (1)按使用的能源形式分類：氣動(dòng)執(zhí)行器氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥電動(dòng)執(zhí)行器液動(dòng)執(zhí)行器Electrical ActuatorPneumatic ActuatorHydrodynamic Actuator電動(dòng)調(diào)節(jié)閥3 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥

2、采用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：輸出直線位移l 直行程式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 長(zhǎng)行程式輸出角位移 角行程式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 薄膜式活塞式4電動(dòng)調(diào)節(jié)閥采用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：輸出直線位移l 直行程式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 輸出角位移 角行程式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 直行程式角行程式5(2)按使用的調(diào)節(jié)機(jī)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(jī)構(gòu) 角 行程式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 同一類型的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，分別采用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)蝶閥凸輪撓曲調(diào)節(jié)閥V型球閥O型球閥6(3)執(zhí)行器的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠穩(wěn)定、輸出力大、 安裝維修方便、

3、價(jià)格便宜和防火防爆氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥優(yōu)點(diǎn)：動(dòng)作較快、能源獲取方便、 特別適于遠(yuǎn)距離的信號(hào)傳送電動(dòng)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(hào)為電信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)操作為氣動(dòng)信號(hào)。缺點(diǎn)：響應(yīng)時(shí)間大，信號(hào)不適于遠(yuǎn)傳缺點(diǎn)：輸出力較小、價(jià)格貴一般只適用于防爆要求不高的場(chǎng)合7執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用方式 正作用:輸入信號(hào)增加，執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿向下運(yùn)動(dòng) 反作用:輸入信號(hào)增加，執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿向上運(yùn)動(dòng) 105.2.1. 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受氣動(dòng)調(diào)節(jié)器或閥門定位器輸出的氣壓信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸出力F和直線位移l，以推動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要分為兩大類： 薄膜式與活塞式薄膜式與活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)又可分為有彈簧和無(wú)彈簧兩

4、種 11結(jié)構(gòu)1-上膜蓋； 2-波紋膜片3-下膜蓋； 4-支架5-推桿； 6-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(dòng)薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu) 12（2）氣動(dòng)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu) 長(zhǎng)行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)特點(diǎn):行程長(zhǎng) 輸出力矩大165.2.2. 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 構(gòu)成原理 接受010mADC或420mADC的輸入信號(hào)，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 17(1) 伺服電機(jī) 伺服電機(jī)實(shí)際上是一個(gè)二相電容異步電機(jī)，由一個(gè)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(gè)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

5、成機(jī)械轉(zhuǎn)矩18(2) 伺服放大器 作用: 將輸入信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較，得到差值信號(hào)，并根據(jù)的極性和大小，控制可控硅交流開(kāi)關(guān)、的導(dǎo)通或截止。可控硅交流開(kāi)關(guān)、用來(lái)接通伺服電機(jī)的交流電源，分別控制伺服電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)或停止不轉(zhuǎn) 195.3. 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是執(zhí)行器的調(diào)節(jié)部分，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力和輸出位移作用下，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)閥芯的運(yùn)動(dòng)，改變了閥芯與閥座之間的流通截面積，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。235.3.1. 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) 1執(zhí)行機(jī)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24常用調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意圖及特點(diǎn) 直通單座調(diào)節(jié)閥特

6、點(diǎn):泄漏量小 允許壓差小 特點(diǎn):泄漏量大 允許壓差大 直通雙座調(diào)節(jié)閥25常用調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意圖及特點(diǎn) 角形調(diào)節(jié)閥特點(diǎn):流路簡(jiǎn)單 阻力小 特點(diǎn):有三個(gè)接管口 三通閥26常用調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意圖及特點(diǎn) 蝶閥特點(diǎn):成本低 泄漏較大 流通能力大 特點(diǎn): 流路阻力小 特點(diǎn):穩(wěn)定性好 拆裝維修方便 套筒閥偏心旋轉(zhuǎn)閥 275.3.2. 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的工作原理 流體經(jīng)調(diào)節(jié)閥時(shí)的能量損失H為 單位質(zhì)量流體經(jīng)調(diào)節(jié)閥時(shí)的能量損失與流體的動(dòng)能成正比 流體在調(diào)節(jié)閥的平均流速W為 28調(diào)節(jié)閥實(shí)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

7、/ h)K 為調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù) 295.3.3. 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(kāi)時(shí)，每小時(shí)通過(guò)閥門的流體量（m3） 因 故規(guī)定條件下的流量系數(shù)K 以 表示 30流量系數(shù)的計(jì)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(duì)不同的流體必須考慮其對(duì)流量系數(shù)的影響 2.流體的流動(dòng)狀態(tài)也將影響K 的大小，因此要考慮阻塞流與非阻塞流的情況由可得：適用于一般液體流量系數(shù)計(jì)算公式匯總表見(jiàn)p171表5-1 31(2)實(shí)際可調(diào)比 Rr (P 變化)串聯(lián)管道時(shí)的可調(diào)比 設(shè) 則 34并

8、聯(lián)管道時(shí)的可調(diào)比R 1 設(shè) 則 355.3.5. 調(diào)節(jié)閥的流量特性 介質(zhì)流過(guò)調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與相對(duì)位移（即閥的相對(duì)開(kāi)度）之間的關(guān)系 調(diào)節(jié)閥前后壓差的變化，會(huì)引起流量變化。流量特性分為理想流量特性和實(shí)際流量特性 36 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(duì)數(shù)）特性、拋物線特性及快開(kāi)特性等四種 37(1) 直線流量特性 調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與相對(duì)位移成直線關(guān)系，即單位位移變化所引起的流量變化是常數(shù) 特點(diǎn)：a.放大系數(shù)是常數(shù) b. Q 流量相對(duì)變化值 38(2) 等百分比流量特性（對(duì)數(shù)流量特性） 單位相對(duì)位移變化所引起的相對(duì)流量變化與此點(diǎn)

9、的相對(duì)流量成正比關(guān)系 特點(diǎn)：a. Q 放大系數(shù) b. 流量相對(duì)變化值是常數(shù) 39(3) 拋物線流量特性 單位相對(duì)位移的變化所引起的相對(duì)流量變化與此點(diǎn)的相對(duì)流量值的平方值的平方根成正比關(guān)系 40(4) 快開(kāi)流量特性 在開(kāi)度較小時(shí)就有較大的流量，隨著開(kāi)度的增大，流量很快就達(dá)到最大；此后再增加開(kāi)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序控制系統(tǒng) 41 工作流量特性 (P 變化)(1)串聯(lián)管道時(shí)* 可調(diào)比減小 * 流量特性發(fā)生畸變 直線特性快開(kāi)特性 等百分比特性直線特性 42(2)并聯(lián)管道時(shí)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

10、能為總流量的百分?jǐn)?shù)之十幾。 435.4. 執(zhí)行器的選擇計(jì)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。 445.4.1. 執(zhí)行器結(jié)構(gòu)形式的選擇 1)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇 比較項(xiàng)目 氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu) 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可靠性 驅(qū)動(dòng)能源價(jià)格輸出力剛度防爆性能環(huán)境溫度范圍高（簡(jiǎn)單、可靠）需另設(shè)氣源裝置 低 小 小 好（-40+80） 較低 簡(jiǎn)單、方便 高 大 大 差（-10+55）45 選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)，還必須考慮執(zhí)行機(jī)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(jī)構(gòu)的選擇

11、 負(fù)荷力（力矩）包括流體對(duì)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(duì)于氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu): 工作壓差小于最大允許壓差 46確定整個(gè)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的作用方式 氣開(kāi)式調(diào)節(jié)閥:有信號(hào)壓力輸入時(shí)閥打開(kāi) 無(wú)信號(hào)壓力時(shí)閥全關(guān)氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥:有信號(hào)壓力時(shí)閥關(guān)閉 無(wú)信號(hào)壓力時(shí)閥全開(kāi)氣開(kāi)氣關(guān)的選擇考慮原則是： 信號(hào)壓力中斷時(shí)，應(yīng)保證設(shè)備和操作人員的發(fā)全，如閥門處于打開(kāi)位置時(shí)危害性小，則應(yīng)選用氣關(guān)式；反之，則用氣開(kāi)式。 47確定氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥作用方式實(shí)例 48(2) 調(diào)節(jié)機(jī)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

12、度、壓力、流量、壓差、泄漏量（3） 過(guò)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(diǎn)進(jìn)行綜合考慮，并參照各種調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及其適用場(chǎng)合，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性，來(lái)選擇滿足工藝要求的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。495.4.2. 執(zhí)行器流量特性的選擇 實(shí)際上是指如何選擇直線特性和等百分比特性 經(jīng)驗(yàn)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(lái)補(bǔ)償控制對(duì)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50 （2）考慮工藝管道情況 調(diào)節(jié)閥在串聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性與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(shí)，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(diǎn)

13、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。51（3）考慮負(fù)荷變化情況 直線特性調(diào)節(jié)閥在小開(kāi)度時(shí)流量相對(duì)變化值大，控制過(guò)于靈敏，易引起振蕩，且閥芯、閥座也易受到破壞，因此在S值小、負(fù)荷變化大的場(chǎng)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(duì)變化值是恒定不變的，因此它對(duì)負(fù)荷變化有較強(qiáng)的適應(yīng)性。 52根據(jù)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行選擇： 表5-5 調(diào)節(jié)閥工作流量特性的選擇表 535.4.3.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(jì)算公式中的流量和壓差分別稱為計(jì)算流量和計(jì)算壓差。依據(jù)流量系數(shù)54 最大計(jì)算流量是指通過(guò)調(diào)節(jié)閥的

14、最大流量，其值應(yīng)根據(jù)工藝設(shè)備的生產(chǎn)能力、對(duì)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(guò)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(jì)算流量55 計(jì)算壓差是指最大流量時(shí)調(diào)節(jié)閥上的壓差，即調(diào)節(jié)閥全開(kāi)時(shí)的壓差。 （2）確定計(jì)算壓差 確定計(jì)算壓差時(shí)必須兼顧調(diào)節(jié)性能和動(dòng)力消耗兩方面，即應(yīng)合理選定S值。 56 2) 在最大流量的條件下，分別計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)調(diào)節(jié)閥之外的各項(xiàng)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(jì)算壓差PV 計(jì)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)定的兩個(gè)設(shè)備作為系統(tǒng)的計(jì)算范圍。 5