自動控制原理第三章

自動控制原理第三章1第1頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二3.4執(zhí)行器第2頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二3.4執(zhí)行器3.4.1調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)與種類1.熱力膨脹閥

2.電子膨脹閥閥門——是流體輸送系統(tǒng)中的控制部件，具有截斷、調(diào)節(jié)、導(dǎo)流、防止逆流、穩(wěn)壓、分流或溢流泄壓等功能。調(diào)節(jié)閥——是常用的執(zhí)行器，分為：兩位控制調(diào)節(jié)閥和連續(xù)控制調(diào)節(jié)閥。第3頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二閘閥第4頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二第5頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二第6頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二第7頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二第8頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二第9頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二第10頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二第11頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二第12頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二第13頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二第14頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二第15頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二第16頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二第17頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二第18頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二球閥、蝶閥、隔膜閥等都可以作為調(diào)節(jié)閥第19頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二

電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的構(gòu)造觀察窗指示器電容器接線端子電機(jī)限位開關(guān)／力矩開關(guān)加熱器機(jī)體底座渦輪、蝸桿手柄手輪動力轉(zhuǎn)動軸套第20頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二電動調(diào)節(jié)風(fēng)閥第21頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二第22頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二閥門分類一、按用途和作用分類1、截斷閥類：主要用于截斷或接通介質(zhì)流。包括閘閥、截止閥、隔膜閥、旋塞閥、球閥、蝶閥等。2、調(diào)節(jié)閥類：主要用于調(diào)節(jié)介質(zhì)的流量、壓力等。包括調(diào)節(jié)閥、節(jié)流閥、減壓閥等。3、止回閥類：用于阻止介質(zhì)倒流。包括各種結(jié)構(gòu)的止回閥。4、分流閥類：用于分配、分離或混合介質(zhì)。包括各種結(jié)構(gòu)的分配閥和疏水閥等。5、安全閥類：用于超壓安全保護(hù)。包括各種類型的安全閥。第23頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二二、按主要參數(shù)分類1、按壓力分類(1)真空閥工作壓力低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的閥門。(2)低壓閥公稱壓力PN<1.6MPa的閥門。(3)中壓閥公稱壓力PN<2.5~6.4Mpa的閥門。(4)高壓閥公稱壓力PN10.0~80.0Mpa的閥門。(5)超高壓閥公稱壓力PN≥100Mpa的閥門。2、按介質(zhì)工作溫度分類(1)高溫閥t>450℃的閥門。(2)中溫閥120℃≤t<450℃的閥門。(3)常溫閥-40℃≤t<120℃的閥門。(4)低溫閥-100℃≤t<-40℃的閥門。(5)超低溫閥t<-100℃的閥門。第24頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二三、按閥體材料分類(1)非金屬材料閥門如陶瓷閥門、玻璃鋼閥門、塑料閥門。(2)金屬材料閥門如銅合金閥門、鋁合金閥門、鉛合金閥門、鈦合金閥門鐵閥門、碳鋼閥門、低合金鋼閥門、高合金鋼閥門。(3)金屬閥體襯里閥門如襯鉛閥門、襯塑料閥門、襯搪瓷閥門。第25頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二圖內(nèi)平衡式熱力膨脹閥工作原理

1—蒸發(fā)器2—感溫包3—毛細(xì)管4—膨脹閥

5—波紋膜片6—推桿7—調(diào)節(jié)彈簧8—調(diào)節(jié)螺釘?shù)?6頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二圖內(nèi)平衡式熱力膨脹閥的結(jié)構(gòu)

1—閥體2—傳動桿3—螺母4—閥座5—閥針

6—調(diào)節(jié)彈簧7—調(diào)節(jié)桿座8—填料9—帽蓋

10—調(diào)節(jié)桿11—填料壓蓋12—感溫包13—過濾網(wǎng)

14—螺母15—毛細(xì)管16—感應(yīng)薄膜17—氣箱蓋第27頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二一、兩位控制調(diào)節(jié)閥

電磁閥是典型兩位控制調(diào)節(jié)閥，通常用來控制制冷系統(tǒng)中制冷劑的流動，也可以控制熱水管路。第28頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二電動調(diào)節(jié)閥

第29頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二電動調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)圖

1—執(zhí)行機(jī)構(gòu)2—調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)第30頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二二、連續(xù)控制調(diào)節(jié)閥連續(xù)控制調(diào)節(jié)閥包括：直通單座、直通雙座、三通閥及電動球閥等。

特點：泄漏量小，密封好，結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、造價低廉，但不平衡力較大，適用于低壓場合。第31頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二特點：作用在上下閥芯的作用力，大小接近相等，不平衡力?。贿m合用在閥前后壓差較大的場合；流通能力強(qiáng)；需要加工精度高，上下不容易同時關(guān)緊，泄漏大，尤其在高溫下，泄漏嚴(yán)重。第32頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二三通閥a)合流閥b)分流閥特點：理論上保持總水量相等，實際上有一定波動。三通合流閥與三通分流閥設(shè)計不同，因此，兩類閥不能替代使用，但當(dāng)管徑較小時，DN<80mm時，不平衡力較小，可以替代使用。第33頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二3.4.2調(diào)節(jié)閥特性調(diào)節(jié)閥可以看做是局部阻力可以變化的節(jié)流元件，以孔板節(jié)流來模擬調(diào)節(jié)閥的工作過程。由伯努利方程，調(diào)節(jié)閥前后的能量守恒公式：水平管道，面積相同一、調(diào)節(jié)閥工作原理第34頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二當(dāng)調(diào)節(jié)閥口徑一定，P1-P2不變時，流量Q僅受調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)影響。二、調(diào)節(jié)閥的最大工作壓力單導(dǎo)向流開型單座閥的閥桿受到的不平衡力：執(zhí)行力>不平衡力第35頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二可調(diào)比又稱為：調(diào)節(jié)范圍，調(diào)節(jié)閥所能控制的最大流量和最小流量之比，用R表示：其中：Qmin不等于零，通常，Qmin約為Qmax的2%-4%，即R為50-25之間，常取30。泄漏量約為Qmin的0.1%-0.01%。理想可調(diào)比（閥門兩端的壓降恒定）：三、調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比第36頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二在理想情況下，假設(shè)調(diào)節(jié)閥的壓降不隨閥的開度和流量而變化的情況，因而得到的相對流量和相對開度之間的關(guān)系，稱為稱理想流量特性。它是由閥芯形狀決定的。

直線特性調(diào)節(jié)閥的特點使得小流量調(diào)節(jié)時調(diào)節(jié)作用過于靈敏，不易穩(wěn)定，大流量時又太遲鈍，調(diào)節(jié)效果不明顯：三、調(diào)節(jié)閥的理想流量特性第37頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二在理想情況下，假設(shè)調(diào)節(jié)閥的壓降不隨閥的開度和流量而變化的情況，因而得到的相對流量和相對開度之間的關(guān)系，稱為稱理想流量特性。它是由閥芯形狀決定的。

直線特性調(diào)節(jié)閥的特點使得小流量調(diào)節(jié)時調(diào)節(jié)作用過于靈敏，不易穩(wěn)定，大流量時又太遲鈍，調(diào)節(jié)效果不明顯：三、調(diào)節(jié)閥的理想流量特性第38頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二列出邊界條件和初始條件：

積分得到：

這種方式很完美否？第39頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二直線結(jié)構(gòu)特性調(diào)節(jié)閥的特性曲線的斜率在全行程是一個定值以相對行程l等于10%、50%、80%三點為例；當(dāng)行程變化10%時，所引起節(jié)流面積變化總是10%，我們再看它的節(jié)流面積相對變化值分別為：

第40頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二

等百分比——它的放大系數(shù)隨行程增大而增大。在小流量的時候，流量變化的絕對值??；在大流量時，流量變化的絕對值大。所以它在小流量時工作平穩(wěn)，在大流量時工作靈敏，適用于要求負(fù)荷變化大的場合。

快開流量特性調(diào)節(jié)閥——閥芯形狀為平板式，閥的有效行程在d0/4（d0為閥座直徑）以內(nèi)，當(dāng)行程再增大，閥的流通面積就不再增加了，便起不到調(diào)節(jié)作用了?？扉_特性的調(diào)節(jié)閥適用于要求迅速啟動的場合第41頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二

等百分比——這種閥的性能特性介于直線性和等百分比型之間。第42頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二圖3-40直通調(diào)節(jié)閥理想流量特性第43頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二0341.TIF第44頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二?(l)直線特性閥芯;(2)等百分比特性閥芯;(3)快開特性閥芯;(4)拋物線特性閥芯;(5)等百分比特性閥芯(開口形);(6)直線特性閥芯(開口形)第45頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二1.隔膜閥的流量特性接近快開特性，2.蝶閥的流量特性接近等百分比特性，3.閘閥的流量特性為直線特性，4.球閥的流量特性在啟閉階段為直線，在中間開度的時候為等百分比特性。第46頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥的流量特性

4、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47頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二串聯(lián)管道系統(tǒng)的阻力與通過管道的介質(zhì)流量成平方關(guān)系：ΔP=KG2

ΔP是管道系統(tǒng)的總壓差，包括閥門、設(shè)備、管道等，調(diào)節(jié)閥前后壓差ΔP1第48頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二

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)閥兩端壓差的變化范圍，以閥權(quán)度（閥門能力）s表示調(diào)節(jié)閥全開時，閥前后最小壓差△P1m與總壓力△P之比。討論：閥權(quán)度越大越好，還是越小越好？第49頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥流通能力的定義為：當(dāng)調(diào)節(jié)閥全開時，閥兩端壓差為1X105Pa，流體密度1g/cm3，每小時流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量數(shù)，以m3/h計。例如有一臺C值為25的直通調(diào)節(jié)閥，當(dāng)閥兩端壓差為1X105Pa，每小時能流過的水量是25m3。

第50頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二若：調(diào)節(jié)閥兩端的壓差恒定，有：Qmax——閥的最大流量；Cqk——閥全開時的流通能力；

理想流量特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：所以：當(dāng)管道阻力損失為零時，S=1，即為閥的理想流量特性，流過調(diào)節(jié)閥的最大流量為：

第51頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二可以得到以為參比量的相對流量特性：

進(jìn)一步得到作為參比量的相對流量特性：

對于管道來說，也有：

第52頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二聯(lián)立上式得到：調(diào)節(jié)閥的實際工作流量特性結(jié)論：串聯(lián)連接調(diào)節(jié)閥的實際流量特性與閥權(quán)度（S值）有關(guān)。（a）直線流量特性（b）等百分比流量特性第53頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二流量特性畸變：對數(shù)閥變?yōu)橹本€閥

直線閥變?yōu)榭扉_閥s↓串聯(lián)管道時直通調(diào)節(jié)閥工作流量特性(以為參比值)

a)直線流量特性b)等百分比流量特性第54頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二

管道并聯(lián)時的工作流量特性有的調(diào)節(jié)閥裝有旁路，便于手動操作和維護(hù)。當(dāng)生產(chǎn)能力提高或其他原因引起調(diào)節(jié)閥的最大流量滿足不了工藝生產(chǎn)的要求時，可以把旁路打開一些，這時調(diào)節(jié)閥的理想流量特性就成為工作流量特性。第55頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二總結(jié)結(jié)論（1）對于一個串聯(lián)連接調(diào)節(jié)閥的管道系統(tǒng)，閥權(quán)度S值越大，則說明調(diào)節(jié)閥的壓降占整個系統(tǒng)比重越大，調(diào)節(jié)閥控制能力越大；當(dāng)S＝1時，即管道阻力損失為零，系統(tǒng)的總壓差全部降落在調(diào)節(jié)閥上，此時調(diào)節(jié)閥的實際工作特性與理想特性是一致的。結(jié)論（2）閥權(quán)度S越小，則說明調(diào)節(jié)閥的壓降占整個系統(tǒng)的比重越小，調(diào)節(jié)閥的控制能力也就越差，也就是當(dāng)流量增加時，調(diào)節(jié)閥前后壓降逐步減少，雖然調(diào)節(jié)閥的節(jié)流面積增大了，但由于調(diào)節(jié)閥壓降減少，流量并沒有按理想特性增大，而使流量增大速率變緩。隨著S的減少，即管道阻力損失增加，使系統(tǒng)壓差降落在管道上的部分增加，調(diào)節(jié)閥全開時的流量減少。第56頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二結(jié)論（3）隨著S值的減少，流量特性發(fā)生很大的畸變，成為一系列向上拱的曲線。理想的直線特性趨向于快開特性，理想的等百分比特性趨向于直線特性，使小開度時放大系數(shù)增大，大開度時放大系數(shù)減少。S值太小時將嚴(yán)重影響自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量。在實際使用中，通常要求S值不低于0.3～0.5。第57頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二五、調(diào)節(jié)閥的實際可調(diào)比

調(diào)節(jié)閥的流量計算：實際可調(diào)比：

Rs=Qmax/Qmin第58頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二理想可調(diào)比：

R=Qmax/Qmin實際可調(diào)比與理想可調(diào)得到：由于：有：第59頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二六、調(diào)節(jié)閥的流通能力當(dāng)調(diào)節(jié)閥全開時，閥兩端壓差為1X105Pa，流體密度1g/cm3，每小時流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量數(shù)，以m3/h計。例如有一臺C值為25的直通調(diào)節(jié)閥，當(dāng)閥兩端壓差為1X105Pa，每小時能流過的水量是25m3。對于蒸汽來說，閥前后的密度變化較大，流通能力見教材P87第60頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二3.5調(diào)節(jié)閥的選擇1.調(diào)節(jié)閥類型選擇

2.調(diào)節(jié)閥流量特性選擇

3.調(diào)節(jié)閥口徑選擇

4.調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇第61頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二三通閥與兩通閥具有不同功能，因而也有著不同的使用場所。當(dāng)水系統(tǒng)為變水量系統(tǒng)時，應(yīng)采用兩通閥；當(dāng)水系統(tǒng)為定水量系統(tǒng)時，應(yīng)采用三通閥。在采用兩通閥時，為保證變水量系統(tǒng)的運(yùn)行及節(jié)能，應(yīng)采用常閉型閥門。當(dāng)不需要工作時應(yīng)能自動關(guān)閉（彈簧復(fù)位或者電動復(fù)位）。1.調(diào)節(jié)閥類型選擇第62頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二①介質(zhì)種類在空調(diào)系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥通常用于水和蒸汽。雜質(zhì)較多的流體，應(yīng)采用耐磨材料；腐蝕性流體，應(yīng)采用耐腐蝕性材料。②工作壓力使用時實際工作壓力只要不超過其額定工作壓力即可，通常在暖通空調(diào)中常用到的有PN16、PN25兩種閥門，耐壓值分別為1.6Mpa和2.5Mpa，前者多用于水系統(tǒng)，后者多用于高壓蒸汽系統(tǒng)。③工作溫度閥門資料中一般也提供該閥所適用的流體溫度，只要按要求選擇即可。常用閥門的允許工作溫度對于空調(diào)冷、熱水系統(tǒng)都是適用的。第63頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二1.從控制系統(tǒng)的品質(zhì)出發(fā)，選擇閥的工作特性。希望：調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)與被控對象的放大系數(shù)一致。2.調(diào)節(jié)閥流量特性選擇

熱水加熱器的靜特性

蒸汽加熱器的靜特性

第64頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二2.根據(jù)調(diào)節(jié)閥的希望工作特性選擇閥的流量特性。配管狀態(tài)S=1~1.6S=0.6~0.3S＜0.3理想特性直線對數(shù)直線對數(shù)不宜調(diào)節(jié)實際特性直線對數(shù)直線或接近快開對數(shù)或接近直線不宜調(diào)節(jié)第65頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二只用雙位控制即可滿足要求的場所無論采用電動式或電磁式，其基本要求都是盡量減少閥門的流通阻力而不是考慮其調(diào)節(jié)能力。因此，此時閥門的口徑可與所設(shè)計的設(shè)備接管管徑相同。電磁閥在開啟時，長時間帶電及高溫影響壽命，開關(guān)噪音大。

直接按接管管徑選擇閥口徑是不合理的。因為閥的調(diào)節(jié)品質(zhì)與接管流速或管徑是沒有關(guān)系的，它只與其水阻力及流量有關(guān)。因此，選擇閥門口徑的依據(jù)只能是其流通能力。3.調(diào)節(jié)閥口徑選擇第66頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二調(diào)節(jié)閥口徑的選擇步驟如下：

（1）根據(jù)工藝的生產(chǎn)能力設(shè)備負(fù)荷，確定計算調(diào)節(jié)閥流通能力的最大流量、常用流量、最小流量、計算壓差等參數(shù)。

（2）根據(jù)被控介質(zhì)及其工作條件選用計算公式，確定流體介質(zhì)密度、溫度、粘度等已知條件并換算到工作狀態(tài)下，然后代入公式計算出流通能力。而后按閥的流通能力應(yīng)大于計算流通能力的原則，查閱生產(chǎn)廠提供的資料，選取調(diào)節(jié)閥的口徑。第67頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二（3）根據(jù)需要驗算開度或開度范圍、可調(diào)比R等。

（4）計算結(jié)果若滿意，則調(diào)節(jié)閥口徑選定工作完畢。否則重新計算、驗算。

注：

調(diào)節(jié)閥的流通能力，是指調(diào)節(jié)閥上的壓頭損失一個單位時，流體通過調(diào)節(jié)閥的能力。閥門的流通能力也稱流量系數(shù)。如今國際規(guī)定：溫度為5℃至40℃的水，在105Pa壓降下，1小時內(nèi)流過調(diào)節(jié)閥的立方米數(shù)。

例題：

經(jīng)計算，得到C=6，應(yīng)該選擇多大的管徑？為什么C從1~4的管徑都是15？第68頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二4.調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇要注意以下幾點：

1、模擬量與數(shù)字量如果該閥門是用于連續(xù)調(diào)節(jié)，需要采用模擬量的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如果該閥門只是用于兩位式控制，即只有開/關(guān)兩個狀態(tài)，與它們配合的都是數(shù)字量的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2、電源電壓通常數(shù)字量執(zhí)行器的電源電壓主要有24VAC（24VDC）、110VAC、220VAC，根據(jù)電氣設(shè)計的實際情況選擇。

3、信號值通?？梢圆捎玫男盘栔剖接?-10VDC、2-10VDC、4-20mADC等。第69頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二3.6電動風(fēng)量調(diào)節(jié)閥

分為開關(guān)型風(fēng)量調(diào)節(jié)閥和調(diào)節(jié)型風(fēng)量調(diào)節(jié)閥；根據(jù)葉片多少又分為多葉風(fēng)量調(diào)節(jié)閥和單葉風(fēng)量調(diào)節(jié)閥；多葉又分為：平行葉片和對開葉片風(fēng)量調(diào)節(jié)閥。同水量調(diào)節(jié)閥一樣，調(diào)節(jié)風(fēng)量風(fēng)門也有多種流量特性。第70頁，共76頁，2023年，2月20日，星期二多葉調(diào)節(jié)風(fēng)閥流量特性

a)平行多葉閥特性

b)對開多葉閥特性第71頁，共76頁，2023年，2月20日