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1、1第六章 执行器执行器的作用是接受控制器输出的控制信号，并将其转换为直线位移和角位移，操纵控制机构，自动改变操作变量，从而实现对过程变量的自动控制。SPSP控制器执行器被控对象变送器PVPV第1页/共83页2执行器继电器插座继电器插座执行器通常是指各种继电执行器通常是指各种继电器，电磁铁、电磁阀门、器，电磁铁、电磁阀门、电磁调节阀、伺服电动机电磁调节阀、伺服电动机等，它们在电路中是起通等，它们在电路中是起通断、控制、调节、保护等断、控制、调节、保护等作用的电器设备。作用的电器设备。第2页/共83页3各种继电器各种继电器第3页/共83页4固态继电器固态继电器 特点 控制功率小，体积小，无火花；但
2、易过流、过压烧毁。第4页/共83页5 电磁铁电磁铁能产生机械力能产生机械力 第5页/共83页6电磁阀门 加上额定电压后，电磁阀门导通，被控对象可以是液体或气体。电磁阀门只有通断两种状态。流体流体第6页/共83页7电磁调节阀电磁调节阀 用于控制流量的大小用于控制流量的大小 加上控制信号，电磁调节阀在电动机的控制下，可以逐渐开合第7页/共83页8 单向使用小型电磁调节阀小型电磁调节阀第8页/共83页9电磁调节阀电磁调节阀内部结构（续）内部结构（续）利用电动力调节球阀的角度，从而控制阀门的通流能力。出水管球阀第9页/共83页10伺服电动机伺服电动机可以正转、反转、快转、慢转伺服型雷达天线第10页/共
3、83页11第六章 执行器执行器的选择和使用将直接影响过程控制系统的安全性和可靠性。执行器按其能源形式可分力气动、电动、液动三大类。气动执行器用压缩空气作为能源，其特点是结构简单、动作可靠、平稳、输出推力较大、维修方便、防火防爆，而且价格较低，因此广泛地应用于化工、炼油等生产过程中。第11页/共83页12第六章 执行器气动执行器可以方便地与气动仪表配套使用。即使是采用电动仪表或计算机控制时，只要经过电气转换器或电气阀门定位器将电信号转换为0.020.1MPa的标准气压信号，仍然可用气动执行器。电动执行器的能源取用方便，信号传递迅速，但由于它结构复杂、防爆性能差，故较少应用。液动执行器在化工、炼油
4、等生产过程中基本上不使用。第12页/共83页13第六章 执行器 6.1 气动执行器6.2 电动执行器 6.3 电气转换器及电气阀门定位器 6.4 数字阀与智能控制阀 第13页/共83页146.1 气动执行器2控制阀的流量特性3 3气动执行器的结构与分类3 1控制阀的选择4气动执行器的安装和维护第14页/共83页156.1 气动执行器组成：执行机构；执行机构是执行器的推动装置，它按控制信号压力的大小产生相应的推力，推动控制机构动作，所以它是将信号压力的大小转换为阀杆位移的装置。控制机构(阀)：控制机构是执行器的控制部分，它直接与被控介质接触，控制流体的流量。所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量
5、的装置。执行机构调节机构P0I0FL被控流体介质流量第15页/共83页16气动执行器的结构与分类1执行机构气动执行机构主要分为薄膜式和活塞式两种。其中薄膜式执行机构最为常用，它可以用作一般控制阀的推动装置，组成气动薄膜式执行器，习惯上称为气动薄膜调节阀。它的结构简单、价格便宜、维修方便，应用广泛。气第16页/共83页17气动执行器的结构与分类气动活塞式执行机构的推力较大，主要适用于大口径、高压降控制阀或蝶阀的推动装置。除薄膜式和活塞式之外，还有长行程执行机构。它的行程长、转矩大、适于输出转角（090）和力矩，如用于蝶阀或风门的推动装置。气第17页/共83页18气动执行器的结构与分类气动薄膜式执
6、行机构有正作用和反作用两种型式。当来自控制器或阀门定位器的信号压力增大时，阀杆向下动作的叫正作用执行机构(ZMA型)；当信号压力增大时，阀杆向上动作的叫反作用执行机构(ZMB型)。气气第18页/共83页19气动执行器的结构与分类根据有无弹簧可分为有弹簧的及无弹簧的执行机构，有弹簧的薄膜式执行机构最为常用，无弹簧的薄膜式执行机构常用于双位式控制。有弹簧的薄膜式执行机构的输出位移与输入气压信号成比例关系。当信号压力通人薄膜气室时，在薄膜上产生一个推力，使阀杆移动并压缩弹簧，直至弹簧的反作用力与推力相平衡，推杆稳定在一个新的位置。阀杆的位移即为执行机构的直线输出位移，也称行程。输出：按连杆最大位移行
7、程确定规格：10，16，25，40，60，100mm第19页/共83页20气动执行器的结构与分类2控制机构控制机构直接与介质接触，其结构、材料、和性能将直接影响过程控制系统的安全性、可靠性和系统的控制质量。根据流体力学的观点，控制阀是一个局部阻力可变的节流元件。通过改变阀芯的行程而改变控制阀的阻力系数，以达到控制流量的目的。由于被控对象千差万别，控制机构的形式也各不相同，如调节阀、调压变压器、变速器、振动给料机等等。第20页/共83页21气动执行器的结构与分类调节机构主要由阀体、阀杆、阀芯、阀座组成。常用调节机构：直通单座调节阀直通双座调节阀角形座调节阀三通阀隔膜阀碟阀球阀凸轮挠曲阀笼式阀 第
8、21页/共83页22气动执行器的结构与分类德国德国ARIARI气动气动执行器执行器意大利意大利AIR TORQUEAIR TORQUE气动执行器气动执行器第22页/共83页23气动执行器的结构与分类第23页/共83页24气动执行器的结构与分类高压微小流量阀 角座阀 第24页/共83页25气动执行器的结构与分类管夹阀 球阀 第25页/共83页26气动执行器的结构与分类套筒阀凸轮挠曲阀第26页/共83页27气动执行器的结构与分类调节机构正反作用：阀杆向阀座方向运动时，阀门开度减小为正作用；阀杆向阀座方向运动时，阀门开度增大为反作用。正作用反作用第27页/共83页28控制阀的流量特性控制阀的流量特性
9、是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）的关系：从过程控制的角度看，流量特性是控制阀最重要的特性，它对整个过程控制系统的品质有很大影响。一般来说，通过改变控制阀阀芯与阀座间的流通截面积，便可实现对流量的控制。但实际上还有多种因素影响，例如在节流面积改变的同时还发生阀前后压差的变化，而这又将引起流量变化。第28页/共83页29控制阀的流量特性1.控制阀的理想流量特性当控制阀阀前后压差固定不变时得到的流量特性就叫做理想流量特性，也叫固有流量特性。理想流量特性取决于阀芯的形状，不同的阀芯曲面得到的理想特性是不同的。理想流量特性主要有直线、对数、抛物线和快开四种。第29页/共83页3
10、0控制阀的流量特性(1)直线流量特性 控制阀的相对流量与阀芯的相对开度成直线关系。Q/Qmax(%)l/L(%)第30页/共83页31控制阀的流量特性调节机构的可调比R：是指调节机构所能控制的最大流量Qmax与最小流量Qmin之比。可调比也称为可调范围，它反映了调节机构的调节能力。目前我国的调节机构的理想可调比有30和50两种。注意：最小流量Qmin和漏流量。第31页/共83页32控制阀的流量特性假设R，即特性曲线以坐标原点为起点，这时当位移变化10所引起的流量变化总是10。但流量变化的相对值是不同的，以行程的10、50及80三点为例，若位移变化量都为10，则：第32页/共83页33控制阀的流
11、量特性直线流量特性小开度时，流量相对变化量大，在大开度时，流量相对变化量小。也就是说，当阀门在小开度时控制作用太强；而在大开度时控制作用太弱，这是不利于控制系统的正常运行的。Q/Qmax(%)l/L(%)第33页/共83页34控制阀的流量特性(2)等百分比(对数)流量特性等百分比流量特性是指单位相对行程变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系，即控制阀的放大系数随相对流量的增加而增大。第34页/共83页35控制阀的流量特性对数流量特性的曲率是随着流量的增大而增大的，但是相对行程变化引起的流量相对变化值是相等的。由于对具有对数流量特性的控制阀而言，小开度时，放大系数较小，控制平稳缓和，
12、大开度时，放大系数较大，控制及时有效，因此，从过程控制看，利用对数流量特性是有利的。Q/Qmax(%)l/L(%)第35页/共83页36控制阀的流量特性(3)抛物线流量特性相对流量与阀杆的相对开度成抛物线关系，即平方关系。相对位移与相对流量成抛物线关系，它介于直线与等百分比流量特性之间。第36页/共83页37控制阀的流量特性为了弥补直线特性在小开度时调节性能差的特点，在抛物线特性基础上派生出一种修正抛物线特性，它在相对位移30%及相对流量20%这段区间内为抛物线特性，而在此以上为直线特性。Q/Qmax(%)l/L(%)第37页/共83页38控制阀的流量特性(4)快开特性：快开流量特性的调节机构
13、在开度较小时就有较大的流量，随着开度的增大，流量很快就达到最大，此后再增加开度，流量变化很小，故称为快开流量特性。该种特性的调节机构阀芯采用平板形。快开流量特性的调节机构常用于位式控制或程序控制系统。Q/Qmax(%)l/L(%)第38页/共83页39控制阀的流量特性2控制阀的工作流量持 控制阀在调节过程中，同时将引起管道工况点的变化，进而使阀门两端压差发生变化。阀门两端压差的变化又反过来影响通过阀门流体的流量。因此，除非是简单的两端恒压，阀门的实际流量特性通常是十分复杂的。实际应用中，控制阀与其他设备串联或并联安装在管道中，其前后的压差是变化的，此时的流量特性称为工作特性。第39页/共83页
14、40控制阀的流量特性(1)串联管道的工作流量特性 系统总压差p等于管路系统(除控制阀外的全部设备和管道的各局部阻力之和)的压差p2与控制阀的压差p1之和。P2 P1 P第40页/共83页41控制阀的流量特性以s表示控制阀全开时阀上压差与系统总压差(即系统中最大流量时动力损失总和)之比。以Qmax表示管道阻力等于零时控制阀的全开流量，此时阀上压差为系统总压差。于是可得串联管道以Qmax作参比值的工作流量特性，如图所示。Q/Qmaxl/LS=1S=0.75S=0.5S=0.1Q/Qmaxl/LS=1S=0.75S=0.2S=0.1第41页/共83页42控制阀的流量特性图中s1时，管道阻力损失为零，
15、系统总压差全降在阀上，工作特性与理想特性一致。随着s值的减小，直线特性渐渐趋近于快开特性，等百分比特性渐浙接近于直线特性。所以，在实际使用中，一般希望s值不低于0.30.5。Q/Qmaxl/LS=1S=0.75S=0.5S=0.1Q/Qmaxl/LS=1S=0.75S=0.2S=0.1第42页/共83页43控制阀的流量特性(2)并联管道的工作流量特性 控制阀一般都装有旁路，以便手动操作和维护。当生产量提高或控制阀选小了时，只好将旁路阀打开一些，此时控制阀的理想流量特性就改变成为工作持性。QQ1Q2第43页/共83页44控制阀的流量特性管路的总流量Q是控制阀流量Q1与旁路流量Q2之和，即QQ1+
16、Q2。若以x代表并联管道时控制阀全开时的流量Q1max与总管最大流量Qmax之比（即Q1max/Qmax），可以得到在压差p为定而x为不同数值时的工作流量持性，如图所示。图中纵坐标流量以总管最大流星Qmax为参比值。Q/Qmax Q/Qmaxl/Ll/LX=1X=0.5X=0.2X=1X=0.5X=0.2第44页/共83页45控制阀的流量特性由图可见，当x1，即旁路阀关闭、Q20时，控制阀的工作流量特性与它的理想流量特性相同。随着x值的减小，即旁路阀逐渐打开，虽然阀本身的流量特性变化不大，但可调围大大降低了。控制阀关死，即l/L0时，流量Qmin，比控制阀本身的Q1min大得多。一般认为旁路流
17、量最多只能是总流量的百分之十几，即x值最小不低于0.8。第45页/共83页46控制阀的流量特性综合上述串、并联管道的情况，可得如下结论。串、并联管道都会使阀的理想流量特性发生畸变、串联管道的影响尤为严重。串、并联管道都会使控制阀的可调范围降低，并联管道尤为严重。串联管道使系统总流量减少，并联管道使系统总流量增加。串、并联管道会使控制阀的放大系数减小，即输入信号变化引起的流量变化值减少。串联管道时控制阀若处于大开度，则x值降低对放大系数影响更为严重；并联管道时控制阀若处于小开度，则s值降低对放大系数影响更为严重。第46页/共83页47控制阀的选择1控制阀结构与特性的选择结构形式选择：依据工艺条件
18、（温度、压力等）和介质的物理、化学性质（腐蚀性、黏度等）进行选择。流量特性选择（分两步）：首先按照过程控制系统的要求，确定工作流量特性；然后根据流量特性曲线的畸变程度以及工艺要求和工艺配管情况，确定理想流量特性。使控制阀安装在具体的管道系统中，畸变后的工作流量特性能满足控制系统对它的要求。第47页/共83页48控制阀的选择2气开式与气关式的选择 依据气源断开的安全性结合执行机构形式选择。气开、气关的选择主要是考虑在不同生产工艺条件下安全生产的要求。考虑的原则是：信号压力中断时，应保证设备和工作人员的安全。如果阀处于打开位置时危害性小、则应选用气关式，以使气源系统发生故障，气源中断时，阀门能自动
19、打开，保证安全。反之阀处于关闭时危害性小，则应选用气开阀。第48页/共83页49控制阀的选择由于执行机构有正、反作用，控制阀(具有双导向阀芯的)也有正、反作均。因此气动执行器的气关或气开即由此组合而成。正作用气关式外 形第49页/共83页50控制阀的选择结构 原理反作用气开式第50页/共83页51控制阀的选择执行机构和调节机构的正、反作用的组合实现气动执行器的正、反作用。反作用气关式气关式气开式气开式反作用正作用正作用第51页/共83页52控制阀的选择3控制阀口径的选择控制阀口径选择得合适与否将会直接影响控制效果。控制阀的口径选择是由控制阀流量系数KV值决定的。流量系数KV的定义为：在给定的行
20、程下，当阀两端压差为100kPa，流体密度为1g/cm3时，流经控制阀的流体流量(以m3/h表示)。控制阀的流量系数KV表示控制阀容量的大小，是表示控制阀流通能力的参数。因此，控制阀流量系数KV亦可称控制阀的流通能力。第52页/共83页53控制阀的选择对于不可压缩的流体，且阀前后压差p1p2不太大(即流体为非阻塞流)时，其流量系数KV的计算公式为：从式可以看出，如果控制阀前后压差p1p2保持为100kPa，流经阀的水(lg/cm3)流量Q即为该阀的C值。第53页/共83页54控制阀的选择控制阀全开时的流量系数KV100(即行程为100时的KV值)，称为控制阀的最大流量系数KVmax。KVmax
21、与控制阀的口径大小有着直接的关系。控制阀口径的选择实质上就是根据特定的工艺条件（即给定的介质流量、阀前后的压差以及介质的物性参数等）进行KVmax值的计算，然后按控制阀生产厂家的产品日录，选出相应的控制阀口径，使得通过控制阀的流量满足工艺要求的最大流量且留有一定的裕量，但裕量不宜过大。第54页/共83页55气动执行器的安装和维护(1)为便于维护检修，气动执行器应安装在靠近地面或楼板的地方。当装有阀门定位器或手轮机构时，更应保证观察、凋整和操作的方便。手轮机构的作用是：在开停车或事故情况下，可以用它来直接人工操作控制阀，而不用气压驱动。(2)气动执行器应安装在环境温度不高于60和不低于40的地方
22、，并应远离振动较大的设备。(3)阀的公称通径与管道公称通径不同时，两者之间应加一段异径管。(4)气动执行器应该是正立垂直安装于水平管道上。特殊情况下需要水平或倾斜安装时、除小口径阀外，一般应加支撑。即使正立垂直安装，当阀的自重较大和有振动场合时，也应加文撑。第55页/共83页56气动执行器的安装和维护(5)通过控制阀的流体方向在阀体上有箭头标明、不能装反，正如孔板不能反装一样。(6)控制阀前后一般要各装一只切断阀，以便修理时拆下控制阀。考虑到控制阀发生故障或维修时，不影响工艺生产的继续进行，一般应装旁路阀。(7)控制阀安装前，应对管路进行清洗，排去污物和焊渣。(8)在日常使用中，要对控制阀经常
23、维护和定期检修。应注意填料的密封情况和阀杆上下移动的情况是良好，气路接头及膜片有否漏气等。第56页/共83页576.2 电动执行器 电动执行器也由执行机构和调节阀两部分组成，其中调节阀部分常和气动执行器通用，执行机构为使用电动机等电的动力启闭调节阀。最简单的电动执行器为电磁阀。电动执行器以电动机为核心动力源，接收来自控制器的010mA或420mA的直流电流信号，并将其转换成相应的角位移或直行程位移，去操纵阀门、挡板等控制机构，以实现自动控制。电动执行器有角行程、直行程和多转式等类型。几种类型在电气原理上基本上是相同的，只是减速器不一样。第57页/共83页586.2 电动执行器电动控制阀电动控制
24、阀第58页/共83页59电动执行器角行程电动执行机构主要由伺服放大器、伺服电动机、减速器、位置发送器和操纵器组成。第59页/共83页60电动执行器其工作过程大致如下：伺服放大器将由控制器来的输入信号与位置反馈信号进行比较，当无信号输入时，由于位置反馈信号也为零，放大器无输出，电机不转；如有信号输入，且与反馈信号比较产生偏差，使放大器有足够的输出功率，驱动伺服电动机，经减速后使减速器的输出轴转动，直到与输出轴相连的位置发送器的输出电流与输人信号相等为止。此时输出轴就稳定在与该输入信号相对应的转角位置上，实现了输入电流信号与输出转角的转换。第60页/共83页61电动执行器位置发送器是能将执行机构输
25、出轴的位移转变为010mA DC(或420mA DC)反馈信号的装置、它的主要部分是差动变压器。电动执行机构不仅可与控制器配合实现自动控制，还可通过操纵器实现控制系统的自动控制和手动控制的相互切换。第61页/共83页626.3 电气转换器及电气阀门定位器 在实际系统中，电与气两种信号常是混合使用的，这样可以取长补短。因而有各种电气转换器及气电转换器把电信号(010mA DC或420mA DC)与气信号(0.020.1MPa)进行转换。电气转换器可以把电动变送器来的电信号变为气信号，送到气动控制器或气动显示仪表；也可把电动控制器的输出信号变为气信号去驱动气动控制阀，此时常用电气阀门定位器，它具有
26、电气转换器和气动阀门定位器两种作用。第62页/共83页63电气转换器 第63页/共83页64电气转换器当010mA直流电流信号通入置于恒定磁场里的测量线圈中时，所产生的磁通与磁钢在空气隙中的磁通相互作用而产生一个向上的电磁力(即测量力)。由于线圈固定在杠杆上，使杠杆绕十字簧片偏转，于是装在杠杆另一端的挡板靠近喷嘴，使其背压升高，经过放大器功率放大后、一方面输出，一方面反馈到正、负两个波纹管，建立起与测量力矩相平衡的反馈力矩。于是输出信号(0.020.1MPa)就与线圈电流成一一对应的关系。第64页/共83页65电气转换器第65页/共83页66电气阀门定位器 当气动薄膜执行机构工作条件差及用于调
27、节质量要求高的场合时，一般需要在执行机构上添加一个附件阀门定位器。利用负反馈原理来改善调节阀的定位精度和灵敏度。实现准确定位；改善调节阀的动态特性；改变调节阀的流量特性；实现分程控制。第66页/共83页67阀门定位器带定位器的气动执行器的方框图，借助于阀杆位移负反馈，使调节阀能按输入信号精确地确定自己的开度。第67页/共83页68电气阀门定位器第68页/共83页69阀门定位器气动阀门定位器与执行机构配合使用的原理图。第69页/共83页70改变图中反馈凸轮5的形状或安装位置，还可以改变控制阀的流量特性和实现正、反作用（即输出信号可以随输入信号的增加而增加，也可以随输入信号的增加而减少）。第70页
28、/共83页716.4 数字阀与智能控制阀 随着计算机的发展，为了直接接收数字信号，执行器出现了与之适应的新品种，即数字阀和智能控制阀。第71页/共83页72数字阀数字阀是一种位式的数字执行器，由一系列并联安装并且按二进制排列的阀门组成。数字阀能很大范围内精密控制流量。数字阀的开度按步进方式变化。数字阀主要由流孔、阀体和执行机构三部分组成。每一个流孔都有自己的阀芯和阀座。执行机构驱动通常用步进电机。1248321664128第72页/共83页73数字阀数字阀的特点：高分辨率 位数越高，分辨率越高高精度 适合小流量控制反应速度快，关闭特性好直接与计算机相连没有滞后、线性好、噪声小缺点：结构复杂、部
29、件多、价格贵。对信号错误过于敏感。第73页/共83页74智能控制阀智能控制阀是近年来迅速发展的执行器，集常规仪表的监测、控制、执行等功能于一身，具有智能化的控制、显示、诊断、保护和通信功能，是以控制阀为主体，将许多部件组合装在一起的一体化结构。智能体现的方面：控制智能通信智能诊断智能第74页/共83页75智能控制阀YSF型电动智能控制阀是专为解决油田选油站油罐排水过程中误排误放造成浪费与污染的问题而设计的，结构上采用法兰直联式结构，能很方便地与排水管连接，电路中安装有高灵敏度油水探测传感器。北京长江大卫测控技术有限公司 传感器传感器手 轮控制器第75页/共83页76智能控制阀电动机传动系统控制
30、电路离合器手柄手轮YSFYSF型电动智能控制阀内部结构图型电动智能控制阀内部结构图第76页/共83页77智能控制阀YSFYSF型电动智能控制阀构成控制环路型电动智能控制阀构成控制环路第77页/共83页78控制系统的防爆控制系统的防爆的两个充要条件：在危险场所使用安全火花型的防爆仪表：在控制室仪表与危险场所仪表之间设置安全栅。变送器执行器安全栅安全栅控制器 现场危险场所 控制室非危险场所第78页/共83页79本章作业P151：第4、11题下周统一交要求书写工整，严禁抄袭第79页/共83页第80页/共83页人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。第81页/共83页第82页/共83页83感谢您的观看！第83页/共83页