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1、8.1 概述,作用：接受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。系统故障的70来自执行器。,简单控制系统的方块图,执行器按使用能源分类 电动执行器；液动执行器；气动执行器,气动执行器包括：气动调节阀 气动马达 气动机器人,是以压缩空气为能源，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。,8.2 气动调节阀,0.14Mpa,8.2.1 气动调节阀的组成 执行机构 控制机构,执行机构的作用是 根据控制器控制信号 产生推力或位移。,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。,气 动 调 节 阀 的
2、执 行 机 构 和 调 节 机 构 是 统 一 的 整 体,调节机构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，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。,8.2.2 气动执行机构的分类和作用方式： （1）分类：气动执行机构主要分为薄膜式和活塞式。,薄 膜 式,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。),8.2.2 气动执行机构的分类和作用方式： （1）分类：气动执行机构主要分
3、为薄膜式和活塞式。,活 塞 式,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。,（2）作用方式 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。,8.2.3 调节机构的结构类型 与作用方式,调节机构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。,(1)结构类型,结构特点： 只有一个阀芯 有两个阀芯 优点： 泄漏量小 不平衡推力较小 缺点：阀芯受到的不平衡推力大 泄漏量大 适用：压差较小、泄漏量 压差较大、对泄 较
4、小的场合 漏量要求不高的场合,直通单座阀 直通双座阀,(1)结构类型,阀体为直角形 流路简单、阻力小，适用于高压差、高粘度、含有悬浮物和颗粒状物质的调节。 角形阀一般使用于底进侧出，此时调节阀稳定性好， 在高压差场合下，为了延长阀芯使用寿命，也可采用侧进底出。但侧进底出在小开度时易发生振荡。 角形阀还适用于工艺管道直角形配管的场合。,常用调节阀结构示意图及特点角形调节阀,角形调节阀,分流三通调节阀,阀体有三个接管口，适用于三个方向流体的管路控制系统，大多用于热交换器的温度调节、配比调节和旁路调节。 1、在使用中应注意流体温差不宜过大，通常小于是150，否则会使三通阀产生较大应力而引起变形，造成
5、连接处泄漏或损坏。 2、三通阀有三通合流阀和三通分流阀两种类型。三通合流阀为介质由两个输入口流进混合后由一出口流出；三通分流阀为介质由一入口流进，分为两个出口流出。,常用调节阀结构示意图及特点三通调节阀,合流三通调节阀,隔膜调节阀,常用调节阀结构示意图及特点隔膜调节阀,隔膜调节阀用耐腐蚀衬里的阀体和耐腐蚀隔膜代替阀芯、阀座组件，由隔膜位移起调节作用。隔膜调节阀耐腐蚀性强，适用于对强酸、强碱等强腐蚀牲介质流量的调节。它结构简单，流路阻力小，流通能力较同口径的其他阀大，无泄漏量。但由于隔膜和衬里的限制，一般只能在压力低于1M pa，温度低于150的情况下使用。,常用调节阀结构示意图及特点隔膜调节阀
6、,蝶阀： 蝶阀是通过挡板以转轴为中心旋转 来控制流体的流量。 结构紧凑、体积小、成本低，流通能力大 特别适用于低压差、大口径、大流量的气体形或带有悬浮物流体的场合及允许泄漏量较大的场合 蝶阀通常工作转角应小于70，此时流量特性与等百分比特性相似 多用于开关阀,常用调节阀结构示意图及特点蝶阀,蝶阀,套筒阀的结构比较特殊，阀体与一般的直通单座阀相似，但阀内有一个圆柱形套筒，又称笼子，利用套筒导向，阀芯可在套筒中上下移动。 套筒上开有一定形状的窗口（节流孔），套筒移动时，就改变了节流孔的面积，从而实现流量调节。 套筒阀分为单密封和双密封两种结构，前者类似于直通单座阀，适用于单座阀的场合；后者类似于直
7、通双座阀，适用于双座阀的场合。 套筒阀具有稳定性好、拆装维修方便等优点，因而得到广泛应用，但其价格比较贵。,常用调节阀结构示意图及特点套筒阀,套筒阀,偏心旋转阀： 转轴带动阀芯偏心旋转 体积小，重量轻，使用可靠，维修方便，通用性强，流体阻力小等优点，适用于粘度较大的场合，在石灰、泥浆等流体中，具有较好的使用性能。,常用调节阀结构示意图及特点偏心旋转阀,偏心旋转阀,阀芯为一球体： 阀芯上开有一个直径和管道直径相等的通孔，转轴带动球体旋转，起调节和切断作用。 该阀结构简单，维修方便，密封可靠，流通能力大 流量特性为快开特性，一般用于位式控制。,常用调节阀结构示意图及特点“O”形球阀,“O”形球阀,
8、阀结构形式 特点及适用场合,表 不同结构形式调节阀的特点及适用场合,直通单座阀,只有一个阀芯，阀前后压差小，适用于要求泄漏量小的场合,直通双座阀,有两个阀芯，阀前后压差大，适用于允许有较大泄漏量的场合,角阀,阀体呈直角，适用于高压差、高粘度、含悬浮物和颗粒状物质的场合,隔膜阀,适用于有腐蚀性介质的场合,蝶阀,适用于有悬浮物介质、大流量、压差小、允许大泄漏量的场合,三通阀,适用于分流或合流控制的场合,高压阀,适用于高压控制的特殊场合,气动薄膜 直通单座阀,气动薄膜 直通双座阀,电动 直通单座阀,电动 隔膜阀,气动蝶阀,气动球阀,气动切断阀,气动薄膜 角形阀,电动 三通阀,电磁阀,手动截止阀,正作
9、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。,（2）调节机构的作用方式,8.2.4 气动薄膜调节阀的作用方式 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方式。,气关阀：气压信号越大，阀门开度越小，而在失气时则全开。 气开阀：气压信号越大，阀门开度越大，而在失气时则全关；,8.2.5 气动调节阀的流量方程,？,气动调节阀的流量方程,流量系数,实用 流量方程,流量系数大小直接反映了调节阀所能通过流体的最大能力，所以称之为流通能力,流通能力C 在数值上等于：调节阀全开时，阀前后压差100k Pa、 流体密度为1g/cm3 （即540的
10、水）的条件下，每小时流经调节阀的流量值(m3/h）。即出厂时的标定值,流通能力是调节阀的一个重要参数。 是选择调节阀口径大小的依据,可调比R反映调节阀的调节流量的能力的大小,定义:调节阀所能调节的最大流量和最小流量之比,调节阀前后压差的变化，会引起可调比变化，将可调比分为理想可调比和实际可调比。,调节阀的可调比,国产控制阀理想可调比：R=30。,气动调节阀的特性传函,调节阀流量特性：介质流过调节阀的相对流量与阀杆相对位移（即阀的相对开度）之间的关系,调节阀前后压差的变化，会引起流量变化。流量特性分为理想流量特性和实际流量特性,调节阀的流量特性,最大流量,最大位移,实际位移,实际流量,8.2.1
11、 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（固有特性）,类型：线性、对数、快开、抛物线,调节阀的固有特性，由阀芯的形状所决定。,1-快开特性,2-线性特性,3-抛物线特性,4-等百分比（对数）特性,（1） 理想流量特性 (P 一定),线性特性：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。,控制阀的理想流量特性 R=30,线性特性,对数特性：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。,单位相对位移的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量值的平方根成正比关系。,抛物线流量特性,为了弥补
12、直线特性在小开度时调节性能差的缺点，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%及相对流量变20%这段区间内为抛物线关系，而在此以上的范围是线性关系。,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，随后再增大开度时流量的变化很小，故称为快开特性。,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。,控制阀的理想流量特性
13、R=30 1线性 2对数 3快开,各种阀的特点：,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。,快开阀：适用于迅速启闭的双位控制系统,控制阀的理想流量特性 R=30 1线性 2对数 3快开,控制阀的实际安装使用情况,画等效电路图,8.2.2 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。,串联管道情况,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
14、。阀阻比,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),(2)流量特性畸变（0.3S0.6）,S减小会带来的第二个不利后果：,8.3 控制阀选择,控制阀结构形式及材质的选择 控制阀流量特性的选择 控制阀气开与气关形式的选择 控制阀口径的选择,结构形式及材质的选择,依据：工艺条件 调节介质特性 特殊情况：闪蒸和空化、磨损、腐蚀 、 高温、低温、高压降 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
15、象，便于清洗应选用角型控制阀。,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。,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。,调节阀气开、气关的选择,原则：安全原则、节能原则,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。 故：选气关阀。,锅炉汽包水位控制带控制点的流程图,例：锅炉汽包水位的控制,例2：加热炉炉温的控制,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
16、。,加热炉温度控制带控制点的流程图,控制阀口径的选择,依据：所要求的流通能力 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 ） ，用流量系数C表示。在数值上与阀的开度、前后压差、流体的性质及流体的流动状态有关。显然流量系数C的大小直接反映了控制阀所能通过流体的最大能力。,8.3 气动调节阀的安装与维护,电气转换器,书中图,不好,电气转换器原理结构图,气动阀门定位器,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
17、。,作 用：阀门定位 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.,问题的产生,问题的产生,不平衡力,气动阀门定位器,目的：消除不平衡力的影响，实现p与L的准确定位,L,电气阀门定位器,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。,作 用：电气转换和阀门定位 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.,电气阀门定位器,由电动执行机构和调节机构（与气动的结构、作用原理完全相同）两部分组成。,电动执行器,
18、依据执行机构的不同，电动执行器分成三类： 角行程执行器、直行程执行器和多转式执行器,电动执行机构与调节机构的连接方式有多种， 一般可将两者固定安装在一起构成一个完整的执行器，如电动调节阀、电磁阀等。两者也可以是分体的，需要时用机械连杆把两者就地连接起来,电动执行机构的工作原理：,电动执行器,电动执行机构的组成原理图,提示：此图画黑板,作用: 将输入信号和反馈信号进行比较，得到偏差信号， 根据偏差信号的极性和大小，控制可控硅交流开关、的导通或截止。可控硅交流开关、用来接通伺服电机的电源伺服电机的状态：正转；反转；停止不转,(1) 伺服放大器,(1) 伺服放大器,根据差值信号的极性和大小， 控制可
19、控硅交流开关、的导通或截止,伺服放大器工作原理示意图,1.可控硅导通时：分相电容Cd 与W2串接，由于Cd的作用，W1和W2的电流相位总是相差90,其合成向量产生定子旋转磁场,定子旋转磁场又在转子内产生感应电流并构成转子磁场，两个磁场相互作用，使转子顺时针方向旋转（正转）；,2.可控硅导通时：使转子反时针方向旋转（反转）； 3.可控硅交流开关、均截止时，伺服电机停止运转,(2) 伺服电机,作用:把伺服放大器输出的电功率转换成机械转矩,伺服电机实际上是一个二相电容异步电机，由一个用冲槽硅钢片叠成的定子和鼠笼转子组成，定子上均匀分布着两个匝数、线径相同而相隔90电角度的定子绕组W1和W2。,伺服电
20、机,作用:将伺服电机高转速、小力矩的输出功率转换成执行机构输出轴的低转速、大力矩的输出功率，以推动调节机构。 减速器一般由机械齿轮或齿轮与皮带轮构成。,(3) 减速器,回放,作用:将电动执行机构输出轴的位移线性地转换成反馈信号，反馈到伺服放大器的输入端。 位置发送器包括：位移检测元件和转换电路、 差动变压器 塑料薄膜电位器 ,(4) 位置发送器,回放,伺服放大器是一个具有继电特性的非线性环节：,无输出,输出215V,电动执行机构的特性,电动执行机构输出为角行程或者式直行程：,为不灵敏区,太大会？,太小会？,数字阀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大小不同的阀门组成。例如8位数字阀阀体内有一系列开闭式流孔，每个流孔的流量按 1、2、4、8、16、32、64、128 （流量单位）来设计，当其所有流孔关闭，流量为0，全开流量为255，分辨率1（流量单位），调节范围是1255，能精密控制流量。数字阀特点高分辨率（位数决定）、高精度、反应速度快、关闭性好、无滞后、线性好、噪声小。结构复杂（流孔、阀体、执行机构）、部件多、价格贵，过于敏感易造成控制错误。如下图,新型电动阀1,8位二进制数字阀原理图,智能控制阀集常规仪表的检测、控制、执行等作用于一身，具有智能控制（按控制规律完成执行器功能）、显示、诊断、保护、通信功能，以阀体和各部件组装成。,新型电动阀2,