過程控制系統與儀表課件

過程控制系統與儀表

第1章緒論過程控制（Processcontrol）是指連續(xù)生產過程的自動控制。石油、化工、水利、電力、冶金、輕工、紡織、制藥、建材、核能、環(huán)境工程等許多領域的自動控制系統，都屬于過程控制系統。連續(xù)生產過程的特征是：生產過程中的各種流體，在連續(xù)（或間歇）的流動過程中進行著物理、化學反應、物質能量的轉換或傳遞。例如室內溫度的控制。圖1為人工控制室溫。假設在冬季，室內加溫是通過熱水加熱器，將送風加熱后源源不斷送往恒溫室。為保證恒溫室溫度符合要求，操作人員要隨時觀察溫度計的指示值，并隨時判斷和決定如何操作閥門來保證恒溫要求，然后進行操作。

在此人的作用可分為三步：

眼看

腦想

手動送風回風恒溫室溫度計閥門圖1室溫人工控制示意圖眼看——用傳感器或變送器將溫度信號轉換為控制器可接受的信號。腦想——控制器將輸入的實測溫度信號和要求值進行比較（相減求偏差),并按偏差值計算出控制量。手動——人工閥門換成控制閥，按控制信號自動改變開度。人工控制受制于人的經驗和注意力，控制不精確。而自動控制按設定好的方案進行計算控制，可以做到精確的、恰當的控制。

過程控制系統的定義：

為實現對某個工藝參數的自動控制，由相互聯系、制約的一些儀表、裝置及工藝對象、設備構成的一個整體。圖2為室溫自動控制系統，自動化儀表代替了人?；仫L恒溫室23送風熱水M回水41圖2室溫自動控制系統示意圖1—熱水加熱器；3—控制器；2—傳感變送器；4—執(zhí)行器TCTT基本概念：被控對象：需要實現控制的設備、機械或生產過程稱為被控對象。被控變量：對象內要求保持一定數量（或按一定規(guī)律變化）的物理量稱為被控變量?？刂谱兞浚菏軋?zhí)行器控制，用以使被控變量保持一定數值的物料或能量稱為控制變量。干擾量：除控制變量以外，作用于對象并引起被控變量變化的一切因素稱為干擾。當控制變量確定以后，其他所有未被選中的變量均稱為干擾量。設定值：工藝規(guī)定被控變量所要保持的數值。偏差：偏差本應是設定值與被控變量的實際值之差，但能獲取的信息是被控變量的測量值而非實際值。在控制系統中通常把設定值與測量值之差定義為偏差。在討論控制系統工作原理時，為清楚地表示自動控制系統各組成部分的作用及相互關系，一般用原理框圖來表示控制系統。如圖2的室溫控制系統是由溫度變送器、控制器、電動調節(jié)閥和加熱器及房間組成。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－用通用名稱表示為：

給定值被控變量干擾f

控制器變送器執(zhí)行器被控對象+e實測值－過程控制系統的主要任務是：對生產過程中的重要參數（溫度、壓力、流量、物位、成分、濕度等）進行控制，使其保持恒定或按一定規(guī)律變化。過程控制系統原理方框圖1.1過程控制的特點過程控制系統具有以下特點：1．控制對象復雜、控制要求多樣2．控制方案豐富3．控制對象大多屬于慢過程4．大多數工藝要求定值控制5．大多使用標準化的檢測、控制儀表及裝置1.2過程控制的發(fā)展概況過程控制的發(fā)展歷程，就是過程控制裝置（自動化儀表）與系統的發(fā)展歷程。1.2.1過程控制裝置與系統的發(fā)展過程1．局部自動化階段（20世紀50～60年代）自動化儀表安裝在現場生產設備上，只具備簡單的測控功能。適用于小規(guī)模、局部過程控制。特點：自動化儀表劃分成各種標準功能單元，按需要可以組合成各種控制系統?？刂苾x表集中在控制室，生產現場各處的參數通過統一的模擬信號，送往控制室。操作人員可以在控制室監(jiān)控生產流程各處的狀況。適用于生產規(guī)模較大的多回路控制系統。2．模擬單元儀表控制階段（20世紀60～70年代）巴基斯坦賈姆肖羅電廠

3．集散控制階段（20世紀70年代中期至今）計算機的出現，大大簡化了控制功能的實現。最初，人們設想用一臺計算機取代所有回路的控制儀表，實現直接數字控制（DDC，DirectDigitalControl）

。但DDC系統的故障危險高度集中，一旦計算機出現故障，就會造成所有控制回路癱瘓，使生產過程風險加大。因此，DDC系統并未得到廣泛應用。

80年代初，隨著計算機性能提高、體積縮小，出現了內裝CPU的數字控制儀表?；凇凹泄芾?，分散控制”的理念，在數字控制儀表和計算機與網絡技術基礎上，開發(fā)了集中、分散相結合的集散型控制系統（DCS，DistributedControlSystem）。DCS系統實行分層結構，將控制故障風險分散、管理功能集中。得到廣泛應用。隨著CPU進入檢測儀表和執(zhí)行器，自動化儀表徹底實現了數字化、智能化?？刂葡到y也出現了由智能儀表構成的現場總線控制系統（FCS，FieldbusControlSystem)。FCS系統把控制功能徹底下放到現場，依靠現場智能儀表便可實現生產過程的檢測、控制。而用開放的、標準化的通信網絡——現場總線，將分散在現場的控制系統的通信連接起來，實現信息集中管理。1.2.2過程控制策略與算法發(fā)展伴隨著自動化儀表的發(fā)展，過程控制策略與算法也經歷了由簡單到復雜的發(fā)展歷程。以經典控制理論為基礎的PID（ProportionalIntegralDerivative）控制算法，由單回路控制發(fā)展了串級控制、比值控制、前饋控制、均勻控制、Smith預估控制及選擇性控制等控制策略。隨著現代控制理論和人工智能技術的發(fā)展，解耦控制、推斷控制、預測控制、模糊控制、自適應控制等控制策略與算法，也日趨完善?，F代自動控制技術的主要特點：1、功能綜合化，控制與管理一體化已成為趨勢，其應用領域和規(guī)模越來越大。2、技術密集化、系統集成化，是控制技術、通訊技術、計算機技術相結合的產物。3、系統的智能化程度日益提高，控制精度越來越高，控制手段日益豐富。國內外著名儀表生產企業(yè)：西安儀表廠、四川儀表公司、上海儀表公司、Foxboro、Siemens、Yokogawa、Rosemount、Honeywell等公司。西安儀表廠渭河電廠巴基斯坦古杜電廠

核電廠

新疆煉油廠

武鋼

哈爾濱伊蘭煤氣

哈爾濱伊蘭煤氣污水處理廠哈爾濱第三水廠

渭河化肥廠揚子石化揚子石化揚子石化

蘭州石化

蘭州石化測控專業(yè)學生在揚子石化實習測控專業(yè)學生在蘭州石化實習自來水廠控制柜控制柜觸摸顯示屏控制柜內部控制柜內PLC過程控制實驗室1.3過程控制系統分類及其性能指標1.3.1過程控制系統的分類過程控制系統有多種分類方法。按所控制的參數來分，有溫度控制系統、壓力控制系統、流量控制系統等；按控制系統所處理的信號方式來分，有模擬控制系統與數字控制系統；按照控制器類型來分，有常規(guī)儀表控制系統與計算機控制系統等。但在討論控制原理時，常用的分類方法是按設定值的形式或系統的結構特點分類。1.按設定值的形式分類1）定值控制系統——設定值恒定不變。2）隨動控制系統——設定值隨時可能變化。3）程序控制系統——設定值按預定的時間程序變化。給定值被控變量干擾f

控制器變送器執(zhí)行器被控對象+e實測值－2.按系統的結構特點分類1）反饋控制系統（閉環(huán)控制系統）將被控變量輸入到控制器，形成閉環(huán)，具有被控變量負反饋的控制系統。如：

給定值被控變量干擾f

控制器變送器執(zhí)行器被控對象+e實測值－反饋控制系統是過程控制最基本的結構形式。2）前饋控制系統（開環(huán)控制系統）控制系統沒有被控變量負反饋，不將被控變量引入到控制器輸入端。如：測量值被控量干擾f

控制器執(zhí)行器被控對象

開環(huán)控制系統原理框圖3）復合控制系統

前饋與反饋相結合，優(yōu)勢互補。如：給定值被控變量干擾f

控制器1變送器1執(zhí)行器被控對象+e實測值－變送器2控制器2++前饋-反饋復合控制系統原理框圖1.3.2過程控制系統的性能指標當被控對象受到干擾、被控變量發(fā)生變化時，控制系統抵制干擾、糾正被控變量的過程，反映了控制系統的優(yōu)劣。為此，要有評價控制系統的性能指標?？刂葡到y的性能指標是根據工藝對控制的要求來制定的，概括為穩(wěn)定性、準確性和快速性。t0y1.3.2.1穩(wěn)態(tài)與動態(tài)

1、穩(wěn)態(tài)—把被控變量不隨時間變化的平衡狀態(tài)稱為系統的穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）。當自動控制系統的輸入和輸出均恒定不變時，系統就處于一種相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，系統的各個環(huán)節(jié)也都處于穩(wěn)定狀態(tài)，但生產還在進行，物料和能量仍然有進有出，只是平穩(wěn)進行沒有改變就是了。靜態(tài)特性—靜態(tài)時系統各環(huán)節(jié)的輸入輸出關系。

靜態(tài)靜態(tài)動態(tài)ty靜態(tài)靜態(tài)動態(tài)ty2、動態(tài)—把被控變量隨時間變化的不平衡狀態(tài)稱為系統的動態(tài)。即控制系統從一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)的過渡過程。當干擾破壞了系統的平衡時，被控變量就會發(fā)生變化，而控制器、控制閥等自動化裝置就要產生控制作用來使系統恢復平衡。動態(tài)特性—在動態(tài)過程中系統各環(huán)節(jié)的輸入輸出變化關系。1.3.2.2控制系統的過渡過程控制系統的輸入變化后，系統從原來的平衡狀態(tài)，經過動態(tài)過程到達新的平衡狀態(tài)的動態(tài)歷程稱為系統的過渡過程。系統的過渡響應受內部和外部兩種因素的影響。給定值被控量干擾f

控制器傳感器執(zhí)行器被控對象

+e實測值－1、內部因素：系統特性系統的特性是由系統中各環(huán)節(jié)的特性和系統的結構所決定的。

2、外部因素：輸入信號在系統特性一定的情況下，被控變量隨時間的變化規(guī)律取決于系統的輸入信號。生產中，出現的干擾信號是隨機的。但在分析和設計控制系統時，為了充分體現系統的特性和分析方便，常選擇一些特定的輸入信號，其中常用的是階躍信號和正弦信號。階躍信號的輸入突然，對被控變量的影響也最大。如果一個控制系統能夠有效地克服這種干擾，那么對其它比較緩和的干擾也能很好地克服。階躍信號的形式簡單，容易實現，便于分析、實驗和計算。故更多使用階躍信號。如圖，輸入信號在t=0時，階躍上升幅度為A，其后保持。表達為

f(t)=

A(t)Atf（t）在階躍輸入的擾動作用下，定值控制系統過渡過程有五種形式：①單調衰減過程被控變量在給定值的一側作單調變化，最后穩(wěn)定在某一數值上。②振蕩衰減過程被控變量上下波動，但幅度逐漸減少，最后穩(wěn)定在某一數值上。①t0θa②0θa③等幅振蕩過程被控變量在給定值附近來回波動，且波動幅度保持不變。④振蕩發(fā)散過程被控變量來回波動，且波動幅度逐漸變大，離給定值越來越遠。④單調發(fā)散過程被控變量不震蕩，但偏離給定值越來越遠④t0θa③θa0t過渡過程的分類（1）穩(wěn)定的過渡過程單調衰減過程和振蕩衰減過程是穩(wěn)定的過渡過程。被控變量經過一段時間后，逐漸趨向原來的或新的平衡狀態(tài)。衰減振蕩過程的過渡過程較短，經常采用。單調過程的過渡過程較慢，被控變量長時間地偏離給定值，一般不采用，只是在生產上不允許被控變量有波動的情況下才采用。（2）不穩(wěn)定過渡過程單調發(fā)散和振蕩發(fā)散過程中，被控變量不但不能達到平衡狀態(tài)，而且逐漸遠離給定值，它將導致被控變量超越工藝允許范圍，這是生產上所不允許的。（3）臨界過渡過程處于穩(wěn)定與不穩(wěn)定之間，一般也認為是不穩(wěn)定過程，生產上一般不采用。只是某些控制要求不高的場合，如位式控制時，只能達到這種效果。

1.3.2.3控制系統的性能指標對控制系統的性能評價，是根據工藝對控制過程和結果的要求來衡量的?？刂葡到y的過渡過程曲線是評價控制系統品質的樣本。最典型的控制性能測試是給系統輸入一個階躍信號，觀察其階躍響應的品質。階躍響應分給定階躍響應和干擾階躍響應兩類。其階躍響應曲線有所不同，但反映的控制系統的性能指標是一致的。干擾階躍響應和給定階躍響應的區(qū)別：給定值被控變量干擾f

控制器傳感器執(zhí)行器被控對象+e實測值－干擾階躍響應t0y給定值被控變量干擾f

控制器傳感器執(zhí)行器被控對象+e實測值－給定階躍響應0ty1.系統階躍響應的單項性能指標單項性能指標包含了對控制系統的穩(wěn)定性、準確性和快速性三方面的評價。

控制性能指標有單項指標和綜合指標兩類單項性能指標以控制系統被控參數過渡過程的單項特征量作為性能指標，而偏差積分性能指標則是一種綜合性指標。由于在多數情況下，都希望得到衰減振蕩過程，所以以衰減振蕩的過渡過程形式為例，討論控制系統的品質指標。1）衰減比n和衰減率ψ設第一個波振幅為y1、第三個波振幅為y3圖1.3閉環(huán)控制系統對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt衰減比n和衰減率ψ

是表示系統穩(wěn)定程度的指標。n大于1，則系統是穩(wěn)定的。隨著n的增大，過渡過程逐漸由衰減振蕩趨向于單調過程。試驗證明：衰減比在4:1到10:1之間時，過渡過程的衰減程度合適，過渡過程較短。衰減比n與衰減率ψ之間有簡單的對應關系：n=4:1~10:1就相當于ψ

=75%～90%yry1y3Cy(∞)TpTSTt最大動態(tài)偏差是控制系統動態(tài)準確性指標。2）最大動態(tài)偏差A和超調量σ最大動態(tài)偏差表示系統瞬間偏離給定值的最大程度。即:A

=ymax

-r

圖1.3閉環(huán)控制系統對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTtA有時也采用超調量σ來表示被控參數偏離設定值的程度，σ的定義是第一個波振幅與最終穩(wěn)態(tài)值y(∞)(新的穩(wěn)態(tài)值）之比。即圖1.3閉環(huán)控制系統對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt3）余差C過渡過程結束后，被控參數的穩(wěn)態(tài)值y(∞)與設定值之間的殘余偏差叫做余差，也稱靜差。是衡量控制系統穩(wěn)態(tài)準確性的指標。C=

y(∞)-r圖1.3閉環(huán)控制系統對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt4）調節(jié)時間Ts和振蕩頻率ω

Ts是指從過渡過程開始到過渡過程結束所需的時間。當被控參數與穩(wěn)態(tài)值間的偏差進入穩(wěn)態(tài)值的±5%（或±2%）范圍內，就認為過渡過程結束。圖1.3閉環(huán)控制系統對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3y(∞)TpTSTt調節(jié)時間和振蕩頻率是衡量控制系統快速性的指標。過渡過程中相鄰兩同向波峰（或波谷）之間的時間間隔叫振蕩周期T，其倒數稱為振蕩頻率f=1/T圖1.3閉環(huán)控制系統對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3y(∞)TpTSTt另外還有峰值時間Tp（又稱上升時間），是指過渡過程開始，至被控參數到達第一個波峰所需要的時間。也是衡量控制系統快速性的指標。圖1.3閉環(huán)控制系統對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt

[例]

某換熱器的溫度控制系統給定值為200℃。

在階躍干擾作用下的過渡過程曲線如圖所示。試求最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時間。

解：最大偏差A=230-200=30℃余差C=205-200=5℃衰減比n=y1:

y3=25:5=

5:1振蕩周期T=20-5=15min

控制系統的單項品質指標小結穩(wěn)定性

衰減比n=4:1~10:1最佳

準確性

余差C小好最大偏差A

小好快速性

過渡時間Ts短好

振蕩周期T短好各品質指標之間既有聯系、又有矛盾。例如，過分減小最大偏差，會使過渡時間變長。因此，應根據具體工藝情況分清主次，對生產過程有決定性意義的主要品質指標應優(yōu)先予以保證。2.系統階躍響應的綜合性能指標——偏差積分單項指標雖然清晰明了，但如何統籌考慮比較困難。而偏差幅度和偏差存在的時間都與偏差積分有關，因此用偏差積分一個指標，就可以全面反映控制系統的品質。圖1.3閉環(huán)控制系統對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTttyrCy(∞)yrCy(∞)t偏差積分的原始定義：IE=∫e(t)dt∞0偏差的定義存在分歧：

e(t)=y(t)-y(∞)

不能表達余差e(t)=y(t)-y(r)

如有余差則積分無窮大偏差積分指標有以下幾種形式：①偏差積分IE（IntegralofError）圖1.3閉環(huán)控制系統對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt缺點：不能保證系統是衰減振蕩。②絕對偏差積分IAE（IntegralAbsolutevalueofError）圖1.3閉環(huán)控制系統對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt排除了正負偏差抵消的可能。圖1.3閉環(huán)控制系統對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt

③平方偏差積分ISE（IntegralofSquaredError）對大偏差敏感

④時間與絕對偏差乘積積分ITAE（IntegralofTimemultipliedbytheAbsolutevalueofError）

對調節(jié)時間敏感圖1.3閉環(huán)控制系統對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt

1.3.2.4影響控制系統過渡過程品質的主要因素控制系統的過渡響應品質指標主要取決于系統結構和系統中各環(huán)節(jié)的特性。從第二章開始，將分別討論控制系統各環(huán)節(jié)的特性、各種系統結構的特性及設計方法。給定值被控量干擾f

控制器傳感器執(zhí)行器被控對象+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。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?？刂茩C構是閥門，它將閥桿的位移轉換為流通面積的大小。

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。

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，主要由閥體、閥座、閥芯、閥桿等組成。根據不同的使用要求，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。（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是流量特性和口徑。4.1.1.2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。321343

142（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。用數學式表示為：3

1

42(l/L)/%

R—調節(jié)閥的可調比系數?？烧{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/Qmin31

42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）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：3

1

42曲線斜率（放大系數）隨行程的增大而增大。流量小時，流量變化??；流量大時，流量變化大。等百分比閥在各流量點的放大系數不同，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（4）拋物線流量特性特性曲線為拋物線，介于直線和對數曲線之間，使用較少。（3）快開特性31

42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。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：管道串聯時的工作流量特性如圖，管道系統總壓力ΔP等于管路系統的壓降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，以閥阻比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

/△

P△PGQ△PT管路及設備△PG△PT調節(jié)閥△P△P流量特性畸變：以Qmax表示串聯管道阻力為零時(S=1)，閥全開時達到的最大流量?？傻么摴艿涝诓煌琒值時，以自身Qmax作參照的工作流量特性。對數閥變?yōu)橹本€閥直線閥變?yōu)榭扉_閥S↓結論串聯管道使調節(jié)閥的流量特性發(fā)生畸變。串聯管道使調節(jié)閥的流量可調范圍降低，最大流量減小。串聯管道會使調節(jié)閥的放大系數減小，調節(jié)能力降低，S值低于0.3時，調節(jié)閥能力基本喪失。4.1.1.2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)。氣開閥與氣關閥

*氣開閥：pc↑→f↑(“有氣則開”)*氣關閥：pc↑→f↓(“有氣則關”)無氣源(pc=0)時，氣開閥全關，氣關閥全開。氣開閥與氣關閥的選擇原則

*若無氣源時，希望閥全關，則應選擇氣開閥，如加熱爐瓦斯氣調節(jié)閥；若無氣源時，希望閥全開，則應選擇氣關閥，如加熱爐進風蝶閥。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：保持控制系統的總放大倍數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，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K不是常數，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使調節(jié)閥的特性與過程特性乘積為一常數。（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。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)閥的口徑決定了調節(jié)閥的流通能力。

調節(jié)閥的流通能力用流量系數C值表示。流量系數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，流經閥的水流量為20m3/h，則該調節(jié)閥的流量系數為：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，流經閥門的流體也不一定是水，因此必須換算。（1）液體流量系數C值的計算根據基本流量公式兩式相除得QDg?P

（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，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。調節(jié)閥流量特性總結

線性閥：在理想情況下，調節(jié)閥的放大增益Kv與閥門開度無關；而隨著管路系統閥阻比的減少，當開度到達50~70%時，流量已接近其全開時的數值，即Kv隨著開度的增大而顯著下降。

對數閥：在理想情況下，調節(jié)閥的放大增益Kv隨著閥門開度的增大而增加；而隨著管路系統閥阻比的減少，Kv漸近于常數。

選擇原則：僅當對象特性近似線性而且閥阻比大于0.60以上（即調節(jié)閥兩端的壓差基本不變），才選擇線性閥，如液位控制系統；其他情況大都應選擇對數閥。將4～20mA的電流信號轉換成20～100KPa的標準氣壓信號。4.1.2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4.1.3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，這會影響輸入信號P的執(zhí)行精度。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。

4.1.4

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。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

反饋彈簧右拉

杠桿平衡氣動薄膜單座(套筒)調節(jié)閥氣動薄膜雙座調節(jié)閥

氣動調節(jié)閥氣動調節(jié)蝶閥4.1.5電動調節(jié)閥電動調節(jié)閥接受來自調節(jié)器的電流信號，閥門開度連續(xù)可調。電磁閥也接受來自調節(jié)器的電流信號，但閥門開度是位式調節(jié)。執(zhí)行機構如直動式電磁閥：線圈通電時，產生電磁力，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，只有全開和全關兩個位置。電動調節(jié)閥也由執(zhí)行機構和閥門兩部分組成。執(zhí)行機構是調節(jié)閥的推動裝置，它將輸入信號轉換成相應的動力，帶動控制機構動作。閥門是調節(jié)閥的控制機構，它與氣動調節(jié)閥的閥門是通用的。執(zhí)行機構控制機構電動執(zhí)行機構用控制電機作動力裝置。輸出形式有：角行程：電機轉動經減速器后輸出。直行程：電機轉動經減速器減速并轉換為直線位移輸出。多轉式：轉角輸出，功率比較大，主要用來控制閘閥、截止閥等多轉式閥門。這幾種執(zhí)行機構在電氣原理上基本相同，只是減速器不一樣。電動執(zhí)行機構

輸入信號與位置反饋信號進行比較，將差值放大。驅動電機經減速輸出，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，放大器輸出為零。電動執(zhí)行機構原理方框圖

兩相電機伺服驅動電路

＋－

線圈Ⅱ、CF例

a（+）b（-）時

觸發(fā)電路1工作

SCR1導通c、d間短接線圈Ⅰ

電機正轉220V通路

90o

相移4.1.6智能式調節(jié)閥隨著電子技術的迅速發(fā)展，微處理器也被引入到調節(jié)閥中，出現了智能式調節(jié)閥。主要功能如下：1．控制及執(zhí)行功能2．補償及校正功能3．通信功能4．診斷功能5．保護功能智能電動執(zhí)行機構電動V形球閥電動O形球閥電動三通球閥電動蝶閥電動高溫蝶閥智能電動蝶閥電動小型調節(jié)閥電動直角調節(jié)閥電動雙座調節(jié)閥電動漿液閥電動刀型閘閥電動閘閥自動調節(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。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?？刂茩C構是閥門，它將閥桿的位移轉換為流通面積的大小。

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。

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，主要由閥體、閥座、閥芯、閥桿等組成。根據不同的使用要求，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。（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?？烧{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是流量特性和口徑。4.1.1.2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。321343

142（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。用數學式表示為：3

1

42(l/L)/%

R—調節(jié)閥的可調比系數?？烧{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/Qmin31

42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）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：3

1

42曲線斜率（放大系數）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（4）拋物線流量特性特性曲線為拋物線，介于直線和對數曲線之間，使用較少。（3）快開特性31

42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。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：管道串聯時的工作流量特性如圖，管道系統總壓力ΔP等于管路系統的壓降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，以閥阻比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

/△

P△PGQ△PT管路及設備△PG△PT調節(jié)閥△P△P流量特性畸變：以Qmax表示串聯管道阻力為零時(S=1)，閥全開時達到的最大流量?？傻么摴艿涝诓煌琒值時，以自身Qmax作參照的工作流量特性。對數閥變?yōu)橹本€閥直線閥變?yōu)榭扉_閥S↓結論串聯管道使調節(jié)閥的流量特性發(fā)生畸變。串聯管道使調節(jié)閥的流量可調范圍降低，最大流量減小。串聯管道會使調節(jié)閥的放大系數減小，調節(jié)能力降低，S值低于0.3時，調節(jié)閥能力基本喪失。4.1.1.2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)。氣開閥與氣關閥

*氣開閥：pc↑→f↑(“有氣則開”)*氣關閥：pc↑→f↓(“有氣則關”)無氣源(pc=0)時，氣開閥全關，氣關閥全開。氣開閥與氣關閥的選擇原則

*若無氣源時，希望閥全關，則應選擇氣開閥，如加熱爐瓦斯氣調節(jié)閥；若無氣源時，希望閥全開，則應選擇氣關閥，如加熱爐進風蝶閥。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：保持控制系統的總放大倍數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，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K不是常數，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使調節(jié)閥的特性與過程特性乘積為一常數。（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。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)閥的口徑決定了調節(jié)閥的流通能力。

調節(jié)閥的流通能力用流量系數C值表示。流量系數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，流經閥的水流量為20m3/h，則該調節(jié)閥的流量系數為：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，流經閥門的流體也不一定是水，因此必須換算。（1）液體流量系數C值的計算根據基本流量公式兩式相除得QDg?P

（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，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。調節(jié)閥流量特性總結

線性閥：在理想情況下，調節(jié)閥的放大增益Kv與閥門開度無關；而隨著管路系統閥阻比的減少，當開度到達50~70%時，流量已接近其全開時的數值，即Kv隨著開度的增大而顯著下降。

對數閥：在理想情況下，調節(jié)閥的放大增益Kv隨著閥門開度的增大而增加；而隨著管路系統閥阻比的減少，Kv漸近于常數。

選擇原則：僅當對象特性近似線性而且閥阻比大于0.60以上（即調節(jié)閥兩端的壓差基本不變），才選擇線性閥，如液位控制系統；其他情況大都應選擇對數閥。將4～20mA的電流信號轉換成20～100KPa的標準氣壓信號。4.1.2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4.1.3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，這會影響輸入信號P的執(zhí)行精度。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。

4.1.4

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。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

反饋彈簧右拉

杠桿平衡氣動薄膜單座(套筒)調節(jié)閥氣動薄膜雙座調節(jié)閥

氣動調節(jié)閥氣動調節(jié)蝶閥4.1.5電動調節(jié)閥電動調節(jié)閥接受來自調節(jié)器的電流信號，閥門開度連續(xù)可調。電磁閥也接受來自調節(jié)器的電流信號，但閥門開度是位式調節(jié)。執(zhí)行機構如直動式電磁閥：線圈通電時，產生電磁力，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，只有全開和全關兩個位置。電動調節(jié)閥也由執(zhí)行機構和閥門兩部分組成。執(zhí)行機構是調節(jié)閥的推動裝置，它將輸入信號轉換成相應的動力，帶動控制機構動作。閥門是調節(jié)閥的控制機構，它與氣動調節(jié)閥的閥門是通用的。執(zhí)行機構控制機構電動執(zhí)行機構用控制電機作動力裝置。輸出形式有：角行程：電機轉動經減速器后輸出。直行程：電機轉動經減速器減速并轉換為直線位移輸出。多轉式：轉角輸出，功率比較大，主要用來控制閘閥、截止閥等多轉式閥門。這幾種執(zhí)行機構在電氣原理上基本相同，只是減速器不一樣。電動執(zhí)行機構

輸入信號與位置反饋信號進行比較，將差值放大。驅動電機經減速輸出，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，放大器輸出為零。電動執(zhí)行機構原理方框圖

兩相電機伺服驅動電路

＋－

線圈Ⅱ、CF例

a（+）b（-）時

觸發(fā)電路1工作

SCR1導通c、d間短接線圈Ⅰ

電機正轉220V通路

90o

相移4.1.6智能式調節(jié)閥隨著電子技術的迅速發(fā)展，微處理器也被引入到調節(jié)閥中，出現了智能式調節(jié)閥。主要功能如下：1．控制及執(zhí)行功能2．補償及校正功能3．通信功能4．診斷功能5．保護功能智能電動執(zhí)行機構電動V形球閥電動O形球閥電動三通球閥電動蝶閥電動高溫蝶閥智能電動蝶閥電動小型調節(jié)閥電動直角調節(jié)閥電動雙座調節(jié)閥電動漿液閥電動刀型閘閥電動閘閥

5.1被控過程數學模型的作用與要求

1.數學模型的作用①設計過程控制系統及整定控制參數；（特別是某些基于對象模型的控制算法，依賴對象模型）②指導生產工藝及其設備的設計與操作；③對被控過程進行仿真研究；④培訓運行操作人員；⑤工業(yè)過程的故障檢測與診斷。2.數學模型的要求

總的原則：一是盡量簡單二是正確可靠

?用途不同，對數學模型的要求會有所不同。5.1被控過程數學模型的作用與要求*實際工業(yè)使用中，建立的數學模型的階次一般不高于三階。很多用純滯后加上一階，或二階的模型。

5.1被控過程數學模型的作用與要求你知道嗎？5.2建立被控過程數學模型的方法

基本方法有:

①機理法②實驗測試法

*混合建模法（綜合應用①和②的方法）1.機理法（機理建模法）：根據生產過程中實際發(fā)生的機理變化，寫出相關的：

?平衡方程（物料、能量、動量等的平衡）

?物性方程推導獲得所需的數學模型

?某些設備的特性方程

Δ機理法建模的條件：

對生產過程的機理有充分的了解。

Δ特點：

(1)需要了解對象的機理；

(2)對復雜過程其方程多，推導難度會較大

(3)比較可靠5.2建立被控過程數學模型的方法

2.測試法

測試法是人為在輸入端加入一個輸入作用，記錄其引起的輸出，通過對被控過程輸入、輸出的實測數據進行數學處理后求得其數學模型的方法。

5.2建立被控過程數學模型的方法

特點：“黑箱子”方法，只要輸入、輸出的關系，不管內部如何變化。3.混合建模法機理分析確定模型框架+

通過實驗確定模型參數

→模型

對象（黑箱子）輸入U(t)輸出

Y(t)5.3機理建模法5.3.1機理法建模的基本原理

就是根據對象或生產過程的內部機理，先寫出各種有關的平衡方程（如物料平衡、能量平衡等）以及某些物性方程，然后通過數學推導獲得（對象的）數學模型?；静襟E：

1、合理假設：（確定建模的基本條件）

2、根據內在機理寫出相關數學方程

3、簡化、整理、推導5.3機理建模法5.3.2單容過程建模5.3.2.1單容水槽液位過程

5.3機理建模法5.3.2.1單容水槽液位過程（續(xù)）

5.3.2.1單容水槽液位過程（續(xù)）

5.3.2.1單容水槽液位過程（續(xù)）

5.3.2.1單容水槽液位過程（續(xù)）（方塊圖輔助的建模方法→見版書）

標準一階滯后對象的階躍響應過渡過程分析

5.3.2.1單容水槽液位過程（續(xù)）5.3.2.2被控過程的自衡特性與非自衡特性

分析上節(jié)水槽在Δμ作階躍變化時Δh的變化

自衡特性（自衡系統）：

在擾動作用破壞其平衡后，被控過程在沒有外部干預的情況下，能自動恢復平衡的。

5.3.2.2被控過程的自衡特性與非自衡特性非自衡特性：例：非（無）自衡特性：

在擾動作用破壞其平衡后，無法自行重建平衡，這就是非自衡特性。5.3.2.2被控過程的自衡特性與非自衡特性（續(xù)）5.3.2.3單容溫度過程建模及其它單容過程（本節(jié)自學，參考教材p133-134）

5.3.2.3單容溫度過程建模及其它單容過程（本節(jié)自學）5.3.3多容過程建模5.3.3.1多容液位過程

如圖，兩水槽串聯。求：閥門1的開度μ與第2個水槽液位高度h2的數學模型μ→h2？

解：根據上節(jié)知識，可寫出增量化的方程為：

5.3.3多容過程建模——5.3.3.1多容液位過程

5.3.3.1多容液位過程（續(xù)）

5.3.3.1多容液位過程（續(xù)）

借助方塊圖簡化推導過程，直接求μ(s)→H(s)傳遞函數的方法：

直接對（1）—（5）式求拉氏變換，得：

5.3.3.1多容液位過程（續(xù)）

（

借助方塊圖簡化推導過程，直接求μ(s)→H(s)傳遞函數的方法：）

5.3.3.1多容液位過程（續(xù)）

5.3.3.1多容液位過程（續(xù)）－例題

5.3.3.1多容液位過程（續(xù)）－例題

5.3.3.1多容液位過程（續(xù)）－例題

課堂練習請同學畫出如下液位過程的信號方框圖：

設R2,R3,R4

為線性液阻求：Q1→h3的數學模型（傳遞函數）5.3.3.1多容液位過程（續(xù)）－課堂練習

課堂練習（參考答案）

5.3.3.1多容液位過程（續(xù)）－課堂練習5.3.3.2容量滯后與純滯后

1.容量滯后（觀察分析各階數對象在階躍輸入下的響應曲線）對于n>2的高階多容對象，響應開始時存在一個緩慢變化的過程。n越大，緩慢段越長。

多容（高階）過程對于擾動的響應在時間上的這種延遲被稱為容量滯后。

5.3.3多容過程建模