Transcript 第五章执行器 - 华东理工大学继续教育学院

第五章
执行器
华东理工大学信息学院自动化系
本章内容
5.0 概述
5.1 执行机构
5.2 控制阀
5.3 气动薄膜控制阀的流量特性
5.4 控制阀口径的确定
5.5 阀门定位器
5.6 气动薄膜控制阀的选用
5.7 数字阀和智能控制阀
5.0 概述
作用：接收控制器输出的控制信号，
改变操纵变量，使生产过程按预定
要求正常进行。
控制器
扰动
f(t)
比较
设定值
r(t)
机构
e(t)
广义对象
被控变量
控制装置
测量值
y(t)
u(t)
执行器
q(t)
过程
检测元件、变送器
简单控制系统的方块图
c(t)
组成：执行机构和调节机构
执行机构：执行机构是指根据控制器控制信号产生
推力或位移的装置。
调节机构：调节机构是根据执行机构输出信号去改
变能量或物料输送量的装置，通常指控制阀。
现场有时就将执行器称为控制阀。
分类：
液动
电动
气动
液动:
推力最大，但较笨重，现很少使
用
电动：
电动执行器的执行机构和调节机构是分开的
两部分，其执行机构有角行程和直行程两种，
都是以两相交流电机为动力的位置伺服机构，
作用是将输入的直流电流信号线性地转换为
位移量。安全防爆性能较差，电机动作不够
迅速，在行程受阻或阀杆被轧住时电机易受
损。
气动：
气动执行器的执行机构和调节机构是统
一的整体，其执行机构有薄膜式和活塞式两
类。活塞式行程长，适用于要求有较大推力
的场合，而薄膜式行程较小，只能直接带动
阀杆。化工厂一般均采用薄膜式。（习惯称
为气动调节阀)是用压缩空气为能源，结构简
单、动作可靠、平稳、输出推动力大、维修
方便、防火防爆、价格较低、广泛应用于化
工、炼油生产。
5.1 执行机构
气动执行器的执行机构和调节机构是统一的整体。
5.1.1 气动执行机构
气动执行机构主要分为薄膜式和活塞式。
薄膜式
活塞式
正作用形式: 信号压力增大,
推杆向下。
反作用形式: 信号压力增大,
推杆向上。
这种执行机构的输出位移
与输入气压信号成比例关系。
当压力与弹簧的反作用力平衡
时,推杆稳定在某一位置,信号
压力越大,推杆的位移量也越
大。(推杆的位移即为执行机
构的直线输出位移,也称行
程。)
形式有传统结构和改进结构。
薄膜式
•传统型
国产正作用式执行机构称为ZMA型，反作用式执行机构称
为ZMB型。较大口径的控制阀都是采用正作用的执行机构。信
号压力通过波纹膜片的上方（正作用式）或下方（反作用式）
进入气室。
•侧装式气动执行机构（增力式执行机构）
特点：薄膜式膜头装在支架的侧面
• 轻型气动执行机构
特点：结构上采用多根弹簧，结构
紧凑、重量轻、高度降低、输出推
力增大（图见P89）
(2) 活塞式
活塞式执行机构属于强力气动
执行机构。其气缸允许操作压力高
达0.5MPa，且无弹簧抵消推力，因
此输出推力很大，特别适用于高静
压、高压差、大口径场合。它的输
出特性有两位式和比例式。两位式
是根据活塞两侧的操作压力的大小
而动作，活塞由高压侧推向低压侧，
使推杆从一个极端位置移动到另一
个极端位置，其行程达25～100mm，
适用于双位控制系统；比例式是指
推杆的行程与输入压力信号成比例
关系，必须带有阀门定位器，它适
用于控制质量要求较高的系统。
5.1.2 电动执行机构
在防爆要求不高且无合适气源的情况下可以使用
电动执行器。电动执行机构是由电动机带动减速装置，
在电信号的作用下产生直线运动和角度旋转运动。
电动执行机构一般可以分为直行程、角行程、多
转式三种。
直行程电动执行机构的输出轴输出各种大小不同的
直线位移，通常用来推动单座、双座、三通、套筒
等形式的控制阀。
角行程电动执行机构的输出轴输出角位移，转动角
度范围小于360o, 通常用来推动蝶阀、球阀、偏心旋
转阀等转角式控制阀。
多转式电动执行机构的输出轴输出各种大小不等的
有效圈数，通常用于推动闸阀或由执行电动机带动
旋转式的调节机构，如各种泵等。
5.2 控制阀
5.2.1 控制阀（调节阀）结构
调节阀是一个局部阻力可以改变的节流元件。由
于阀芯在阀体内移动，改变了阀芯与阀座之间的流
通面积，即改变了阀的阻力系数，被调介质的流量
也就相应地改变，从而达到调节工艺参数的目的。
正作用：阀芯向下，阀杆向下，流通面积
减少。
反作用：阀芯向上，阀杆向下，流通面积
增大。
执行器如气动薄膜控制阀的执行
机构和调节机构组合起来可以实现气
开和气关式两种调节。
气动控制阀的气开、气关特性
气关阀：供气量越大，阀门开度越小，
而在失气时则全开，称FO型。
气开阀：供气量越大，阀门开度越大，
而在失气时则全关，称FC型；
Δp(kp)
Δp(kp)
100
100
20
全关
20
全关
全开
气关阀
开度
全开
气开阀
开度
5.2.2 控制阀类型
直通单座阀、直通双座
阀
直通单座阀
直通双座阀
直通单座阀
直通双座阀
结构特点： 只有一个阀芯
优点：
有两个阀芯
泄漏量小
不平衡推力较小
缺点：阀芯受到的不平衡推力大
适用：压差较小、泄漏量
较小的场合
泄漏量大
压差较大、对泄
漏量要求不高的场合
隔膜控制阀：耐腐蚀性强。结构简单，流路阻力
小，流量系数大，无泄漏量。
角型控制阀、三通控制阀、套筒型控制阀等
5.3 气动薄膜控制阀的流量特性
定义：流量特性是指流过阀门的调节
介质的相对流量与阀杆的相对行程
（阀门的相对开度）之间的关系。
数学表达式
q
qmax
 l 
 f

l
 max 
q / qmax
表示控制阀某一开度的流量与全开时流量
之比，称为相对流量。
l / lmax
表示控制阀某一开度下阀杆行程与全开时
阀杆全行程之比，称为相对开度。
类型：理想特性、工作特性
5.3.1 理想流量特性
定义：控制阀的前后压差不变时得到的流量特性。
特点：完全取决于阀的结构参数
类型：线性、对数、快开
可调比（可调范围）：控制阀所能控制的最大流量
qmax与最小流量qmin之比。用R 表示，它反映了控制
阀调节能力的大小。
R
国产控制阀：R=30。
qmax
qmin
线性阀：是指控制阀的相对流量与相
对开度成线性关系。阀杆单位行程变
化所引起的相对流量变化是常数。
 q 
d

q
 max   k
 l 
d

 lmax 
积分表达式为
q
qmax
k
l
lmax
C
对数阀：是指单位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。
 q 
d

q
 max   k q
qmax
 l 
d

l
 max 
积分表达式为
q
qmax
R
l
max
(l
1)
快开阀：在开度较小时就有较大流量，随着开度的
增大，流量很快就达到最大，随后在增大开度时流
量的变化很小，故称为快开特性。
各种阀的特点：
线性阀：放大系数KV是一
个常数，不管阀杆原来在
什么位置，只要阀杆做相
同的变化，流量的数值也
做相同的变化。因此在开
度较小时流量相对变化值
大，灵敏度过高，控制作
用过强，容易产生振荡，
对控制不利；在开度较大
时流量相对变化值小，灵
敏度又太小，控制缓慢，
削弱了控制作用。不适宜
用于负荷变化大的场合。
q/qmax(%)
3
1
2
3.3
l/lmax(%)
0
控制阀的理想流量特性 R=30
1——线性
2——对数
3——快开
q/qmax(%)
3
1
2
3.3
l/lmax(%)
0
控制阀的理想流量特性 R=30
1——线性
2——对数
3——快开
对数阀：对数阀的放
大系数KV随着相对开
度增加而增加。在小
开度时控制阀的放大
系数小，控制平稳缓
和；在大开度时放大
系数大，控制灵敏。
q/qmax(%)
3
1
2
3.3
l/lmax(%)
0
控制阀的理想流量特性 R=30
1——线性
2——对数
3——快开
快开阀：适用于迅速启
闭的双位控制系统。
5.3.2 工作流量特性
定义：实际上控制阀的前后压差是变化的，此时得
到的控制阀的相对流量与相对开度之间的关系称为
工作流量特性。
Δp
Δpf
Δp
Δpv
Δpv
Δp
Δpf
q
串联管道情况
O
I
q
串联管道控制阀压差变化
配管系数S：控制阀全开时，控制阀上压差△pv 与系
统总压差△p之比。
S  pV / p
S=1时，系统的总压差全部降在控制阀上，
工作流量特性就表现为理想流量特性。
S减小会带来两个不利后果：
(1)
p f 管  S  pV  qmax  R(
(2)流量特性畸变（0.3<S<0.6）
qmax
qmin
)
配管系数S的选择：
在实际使用中，S选得过大或过小都有不妥之处。
S选得过大，在流量相同情况下，管路阻力损耗不变，
但是阀上压降很大，消耗能量过多；S选得过小，则
对调节不利。
一般希望S值最小不低于0.3。
选择原则：
S>0.6: 认为工作特性与理想特性相同。
0.3<S<0.6:
S<0.3 （流量特性畸变很大）: 节能运行，可以进行静
态非线性补偿
5.3.3 动态特性
气动薄膜控制阀膜头是一个空间，它可以看作
为一个气容，从控制器到气动薄膜控制阀膜头间的
引压管线有气容和气阻，所以管线和膜头是一个由
气阻和气容组成的一阶滞后环节，其时间常数的大
小取决于气阻和气容。当信号管线太长或太粗，膜
头气室太大时，气阻气容就大，控制阀的时间常数
大。这样在控制阀接受控制器的控制信号时，由膜
头充气到阀杆走完全行程的过程很长，增加了系统
广义对象容量滞后，对控制不利。
通常减小时间常数的措施有：
• 尽量缩短引压管线的长度。
• 选用合适口径的气动管线。
• 加装传输滞后补偿器。
5.4 控制阀口径的确定
依据：流通能力，用流量系数KV表示。
因为：流量系数KV直接反映了流体通过控制阀的最
大能力。
流通能力定义：控制阀全开时，阀前后压差为
100kPa、流体密度为1g/cm2 时，每小时流经控制阀
的流量值（m3/h ）
控制阀口径的确定需经过以下步骤：
• 根据生产能力、设备负荷确定出最大流量qvmax。
• 根据所选的流量特性及系统特点选定S值（S=ΔPv/ΔP），
然后求出计算压差（即阀门全开时的压差）。
• 根据流通能力计算公式，求得最大流量时的Kvmax。
• 根据已求得的Kvmax，在所选用的产品型号的标准系列中
选取大于Kvmax并最接近的Kv值，从而选取阀门口径。
• 验证控制阀开度和可调比，一般要求最大流量时阀开度
不超过90%，最小流量时阀开度不小于10% 。
• 验证合格后，根据Kv确定控制阀的公称通径和阀座直径。
5.5 阀门定位器
功能：接受控制器的输出信号，然后将该信号成比
例地输出到执行机构，当阀杆移动以后，其位移量
又通过机械装置负反馈作用于阀门定位器，它与执
行机构组成一个闭环系统。
采用阀门定位器，可以增加执行机构的输出功率，
改善控制阀的性能。
目前较多使用电动控制器，控制阀较多使用气动控
制阀
5.5.1 电-气阀门定位器
作用：电气转换和阀门定位器
输入信号：电动控制器的输出电流
输出信号：标准气动信号，操纵气动薄膜控制阀
原理：力矩平衡原理，P97
5.5.2 阀门定位器的作用
(1) 改善阀的静态特性
(2) 改善阀的动态特性
——改变了阀原来的一阶滞后特性，减小时间常数，
使之成为比例特性。一般地，气压传送管线超过
60m时，应采用阀门定位器。
(3) 改善阀的流量特性——通过改善反馈凸轮的形状
(4) 用于分程控制
(5) 用于阀门的反向动作——可改变阀的气开、气关
特性
5.6 气动薄膜控制阀的选用
一般包括：
•控制阀结构形式及材质的选择；
•控制阀流量特性的选择。
•气开、气关的选择；
•控制阀口径选择
•安装使用
5.6.1 结构形式及材质的选择
依据：工艺条件
调节介质特性
例如，当控制阀前后压差较小，要求泄漏量也较小
的场合应选用直通单座阀；当控制阀前后压差较大，
并且允许有较大泄漏量的场合选用直通双座阀；当
介质为高粘度，含有悬浮颗粒物时，为避免粘结堵
塞现象，便于清洗应选用角型控制阀。
表5-2（P98、P99）控制阀选用参考表
特殊的情况
• 闪蒸和空化
• 磨损
• 腐蚀
• 高温
• 低温
• 高压降
5.6.2 流量特性的选择
通常是指如何合理选择线性和对数流量特性。
选择步骤：
(1) 根据过程特性，选择阀的工作特性；
(2) 根据配管情况，从所需的工作特性出发，推断理
想流量特性。
输出
选择原则：使整个广义
对象具有线性特征。
控制阀特性的选取要能
够补偿广义对象特性的
非线性性。
过程
控制阀
输入
5.6.3 控制阀气开、气关的选择
原则：安全原则
例１：锅炉汽包水位的控制
因：供气中断时，应使
给水阀全开，使得锅炉
不致烧干引起爆炸。
蒸汽
汽包
LT
LC
故：选气关阀。
省煤器
给水
气关阀
锅炉汽包水位控制带控制点的流程图
例2：加热炉炉温的控制
TT
TC
工艺变量
燃料油
加热炉温度控制带控制点的流程图
因：供气中断时，应使燃料阀全关，
停止供应燃料油，不致使加热炉温度
过高烧坏炉子。
故：选气开阀。
气开阀
5.6.4 调节阀口径的选择
见前面
5.6.5 安装使用
安装使用应考虑以下几个问题（P101）:
(1) 垂直安装在水平管道上。
(2) 环境温度要求：-40℃<温度<60℃，并远离振动设备及腐蚀
严重的地方。
(3) 便于检修维护，如靠近地面或楼板，上方留有足够空间。
(4) 控制阀箭头方向与流体流动方向一致。
(5) 控制阀的公称通径与管道直径不同时，之间要加异径管
(6) 应设旁路以便检修时还可正常维持生产。
(7) 定期检修。
5.7 数字阀和智能控制阀
5.7.1 数字阀
定义：是一种位式的数字执行器，由一系列并联安装而且按
二进制排列的阀门组成。
特点：
(1) 高分辨率
(2) 高精度
(3) 反应速度快，关闭性能好
(4) 直接与计算机相连
(5) 没有滞后、线性好、噪音小
缺点：结构复杂、部件多、价格贵，操作错误会导致控制错误
5.7.2 智能控制阀
集常规仪表的监测、控制、执行等作
用于一身，具有智能化的控制、限制、
诊断、保护和通信功能。
智能体现：
(1) 控制功能
(2) 通信功能
(3) 诊断功能