第8章过程控制仪表与装置

刘玉长刘玉长第八章 过程控制仪表与装置第一节 概述第二节 基本控制规律与控制器第三节 变送器第四节 执行器刘玉长刘玉长第一节 概述 自动控制系统中自动控制系统中,除被控对象外的所有设备都除被控对象外的所有设备都称为控制仪表称为控制仪表(装置装置)。控制仪表包括调节器控制仪表包括调节器(控制器控制器)、变送器、执、变送器、执行器等装置，它的发展经历了行器等装置，它的发展经历了基地式控制仪表基地式控制仪表、单元组合式控制仪表单元组合式控制仪表、组装式综合控制装置组装式综合控制装置、计计算机控制装置算机控制装置等阶段。等阶段。当前，主要采用计算机控制装置构建控制系当前，主要采用计算机控制装置构建控制系统。统。刘玉长刘玉长v 基地式控制仪表基地式控制仪表：以指示、记录仪表为主体，附加控制机：以指示、记录仪表为主体，附加控制机构所组成的装置。构所组成的装置。v 单元组合式控制仪表单元组合式控制仪表：将整套仪表按照功能划分成若干独：将整套仪表按照功能划分成若干独立的单元立的单元(分为变送、转换、计算、显示、给定、调节、执分为变送、转换、计算、显示、给定、调节、执行与辅助单元等八大类行与辅助单元等八大类)，各单元之间用统一的标准信号连，各单元之间用统一的标准信号连接。按照连接信号的不同，单元组合式控制仪表分为气动接。按照连接信号的不同，单元组合式控制仪表分为气动单元组合仪表单元组合仪表(QDZ)和电动单元组合仪表和电动单元组合仪表(DDZ)两类。两类。v 组装式综合控制装置组装式综合控制装置：它的最大的特点是控制和显示操作：它的最大的特点是控制和显示操作功能分离，结构上分为控制机柜和显示操作盘两大部分，功能分离，结构上分为控制机柜和显示操作盘两大部分，可以实现对生产的集中显示和操作。可以实现对生产的集中显示和操作。v 计算机计算机(数字式数字式)控制装置：控制装置：以微型计算机为核心的自动控以微型计算机为核心的自动控制系统。包括：集散控制系统、可编程控制器、现场总线制系统。包括：集散控制系统、可编程控制器、现场总线控制系统等。控制系统等。刘玉长刘玉长过程控制仪表类型过过程程控控制制仪仪表表模模拟拟式式数数字字式式基地式基地式单元组合式单元组合式组装式组装式气动气动QDZ电动电动DDZDDZ-DDZ-DDZ-DDZ-单单/多回路控制器多回路控制器可编程控制器可编程控制器(PLC)工业计算机工业计算机(IPC)集散系统系统集散系统系统(DCS)总线控制系统总线控制系统(FCS)可编程自动化控制器可编程自动化控制器(PAC)刘玉长刘玉长单元组合仪表类型单元组合仪表类型气动气动单元单元组合组合仪表仪表QDZ变送单元变送单元(B)转换单元转换单元(Z)计算单元计算单元(J)显示单元显示单元(X)给定单元给定单元(G)调节单元调节单元(T)辅助单元辅助单元(F)电动电动单元单元组合组合仪表仪表DDZ变送单元变送单元(B)转换单元转换单元(Z)计算单元计算单元(J)显示单元显示单元(X)给定单元给定单元(G)调节单元调节单元(T)执行单元执行单元(K)辅助单元辅助单元(F)刘玉长刘玉长附图：一、DDZ之变送单元类 (温度、压力、差压、流量、物位、成分等)温度变送器温度变送器刘玉长刘玉长二、DDZ之转换单元类(阻抗、电流、毫伏、气/电与电/气、频率、脉冲/电压、峰值检测器等)电流转换器电流转换器 直流毫伏转换器直流毫伏转换器 电电/气转换器气转换器刘玉长刘玉长三、DDZ之显示单元类(比例或开方积算器、各种指示仪与警报器等)单、双针指示器单、双针指示器 比例积算仪比例积算仪刘玉长刘玉长四、DDZ之运算单元类(加减器、乘除器、开方器、函数发生器等)加减器加减器 乘除器乘除器 开方器开方器刘玉长刘玉长五、DDZ之给定单元类(恒流、比值、时间程序、参数给定器等)DGJ型报警给定器型报警给定器DGA-2000型恒流给定器型恒流给定器刘玉长刘玉长六、DDZ之调节单元类(PID基型、PID自整定、PID间歇、SPC、DDC备用、自动选择、抗积分饱和控制等)DDZ-III DTZ2100型全刻度指示调节器型全刻度指示调节器刘玉长刘玉长七、DDZ之执行单元类(角行程、直行程、阀门定位器等)电动角行程电动角行程(DKJ)执行机构执行机构 电动直行程电动直行程(DKZ)执行机构执行机构电气阀门定位器电气阀门定位器 气动阀门定位器气动阀门定位器刘玉长刘玉长八、DDZ之辅助单元类(Q型、D型、便携式及S/Z自动切换操作器，信号限制器、信号选择器、安全栅、配电器、直流稳压电源、隔离器等)配电器配电器 隔离器隔离器 操作器操作器刘玉长刘玉长DDZ之辅助单元类电源箱电源箱刘玉长刘玉长第二节 基本控制规律与控制器 控制器是自动控制系统的核心，控制器是自动控制系统的核心，它接受变送器或转换器送来的标准它接受变送器或转换器送来的标准信号，按预定的规律信号，按预定的规律(称控制作用或称控制作用或控制规律控制规律)输出标准信号，推动执行输出标准信号，推动执行器消除偏差，使被控参数保持在给器消除偏差，使被控参数保持在给定值附近或按预定规律变化，实现定值附近或按预定规律变化，实现对生产过程的自动控制。对生产过程的自动控制。控制器的输出信号控制器的输出信号y与输入偏差信号与输入偏差信号e(=PV-SP)之间随时间变之间随时间变化的规律化的规律y=f(e)叫做控制器的控制规律，也称之为控制器的特性。叫做控制器的控制规律，也称之为控制器的特性。不同的控制规律适应不同的生产要求。要选用合适的控制规不同的控制规律适应不同的生产要求。要选用合适的控制规律，首先必须了解控制规律的特点与适用条件，根据工艺指标的律，首先必须了解控制规律的特点与适用条件，根据工艺指标的要求，结合具体对象特性，才能做出正确的选择。要求，结合具体对象特性，才能做出正确的选择。刘玉长刘玉长一、双位控制 双位控制的输出规律是根据输入偏差的正负，控制器的输出双位控制的输出规律是根据输入偏差的正负，控制器的输出为最大或最小。即控制器只有最大或最小两个输出值，相应的执为最大或最小。即控制器只有最大或最小两个输出值，相应的执行器只有开和关两个极限位置，因此又称开关控制。行器只有开和关两个极限位置，因此又称开关控制。理想的双位控制器其输出理想的双位控制器其输出y于输入偏差于输入偏差e之间的关系为之间的关系为 maxmin0(0)0(0)yeeyyee或或(a)理想理想 (b)滞环滞环(c)死区死区 (d)滞环滞环+死区死区常用位式控制作用常用位式控制作用e(t)y(t)刘玉长刘玉长双位控制特点与适用场合v【特点特点】(1)结构简单，控制质量不高；结构简单，控制质量不高；(2)被控量会被控量会出现振荡出现振荡(被控变量持续地在设定值上下作等幅震荡，被控变量持续地在设定值上下作等幅震荡，无法稳定在设定值上无法稳定在设定值上)。v【适用于适用于】对象惯性大，负荷变化小，控制对象惯性大，负荷变化小，控制质量要求质量要求不高的场合，如炉温控制不高的场合，如炉温控制。SPSP+1SP-2双位控制系统输出曲线双位控制系统输出曲线 刘玉长刘玉长二、比例(Propotional)控制作用控制器输出与输入控制器输出与输入(偏差偏差)成正比：成正比：y(t)=KPe(t)【特点特点】(1)作用速度快作用速度快；(2)e=0，y=0，故，故不可能消除偏差不可能消除偏差。【适用于适用于】对象惯性大、滞后小，负荷变化不大，容许余差存在对象惯性大、滞后小，负荷变化不大，容许余差存在 场合，如要求较低的压力、流量、液位等的控制。场合，如要求较低的压力、流量、液位等的控制。比例控制作用及其特性比例控制作用及其特性KPr(t)c(t)e(t)y(t)e(t)1y(t)KP刘玉长刘玉长比例控制规律的参数 在一般控制器中，比例作用都不用放大系数作为刻度，而是在一般控制器中，比例作用都不用放大系数作为刻度，而是用比例带用比例带来刻度。比例带的定义是：输出信号作全范围的变化来刻度。比例带的定义是：输出信号作全范围的变化时所需输入信号的变化时所需输入信号的变化(占全量程占全量程)百分数。比例带百分数。比例带可用下式表可用下式表示示%100)/()/(minmaxminmaxyyyeee式中，式中，emaxemin偏差变化范围；偏差变化范围；ymaxymin输出信号变化范围。输出信号变化范围。在单元组合仪表中，在单元组合仪表中，emaxemin=ymaxymin，K1，所以有：，所以有：1100%pK刘玉长刘玉长比例带物理意义:比例带就是使控制器变化全范围时，输入偏差对应满量程的百分数。例题例题：一个：一个DDZ-III型的比例控制器，若输入信号从型的比例控制器，若输入信号从6mA增大增大到到10mA，控制器的输出相应地从，控制器的输出相应地从8mA增大到增大到16mA，试求该，试求该控制器的比例带。控制器的比例带。解解:控制器的输入、输出有效量程均为控制器的输入、输出有效量程均为4-20mA%50%100816610%1001pK刘玉长刘玉长三、比例积分(PI)控制规律(一)积分(Integrate)控制作用 积分控制作用是指控制器的输出变化量积分控制作用是指控制器的输出变化量y与输入偏与输入偏差差e的积分成正比：的积分成正比：II d 1 dyKe tye tT 或KI 积分增益，积分增益，1/min;TI 积分时间，积分时间，min。积分作用动态特性积分作用动态特性eytt刘玉长刘玉长积分作用特点(1)只要有偏差存在，输出信号将随时间不断增长只要有偏差存在，输出信号将随时间不断增长(或减小或减小)；只有输入偏差等于零，输出信号才停；只有输入偏差等于零，输出信号才停止变化，而稳定在某一数值上，因而积分控制作止变化，而稳定在某一数值上，因而积分控制作用用可消除静差可消除静差。输出信号的变化与输入偏差的大。输出信号的变化与输入偏差的大小和积分时间小和积分时间TI成反比，成反比，TI越小，积分速度越快，越小，积分速度越快，积分作用越强。输出信号变化方向由积分作用越强。输出信号变化方向由e的正负决的正负决定。定。(2)积分控制作用可以消除静差，但因积分作用是积分控制作用可以消除静差，但因积分作用是随着时间积累而逐渐加强，所以随着时间积累而逐渐加强，所以控制作用缓慢控制作用缓慢，在时间上总是落后于偏差信号的变化，不能及时在时间上总是落后于偏差信号的变化，不能及时控制。控制。刘玉长刘玉长(二)比例积分(PI)控制规律 PI1(d)yKee tT 比例积分控制器比例积分控制器的输出可视为比例输的输出可视为比例输出出yP和积分作用的输和积分作用的输出出yI之和。之和。理想理想PI控控制作用为：制作用为：理想理想PI动态特性动态特性t=TIyIyI=yPyP ytet【适合场合适合场合】：对象滞后较大，负荷变化较大但缓慢，要求无对象滞后较大，负荷变化较大但缓慢，要求无静差场合。应用最广，流量、压力、液位控制均可。静差场合。应用最广，流量、压力、液位控制均可。刘玉长刘玉长四、比例微分(PD)控制规律(一一)微分微分(Differential)控制作用控制作用 微分控制作用就是指输出信号微分控制作用就是指输出信号y与输入偏差信号的变化速度与输入偏差信号的变化速度成正比，即成正比，即 DDd ,mindeyTTt 微分时间，。(a)理想微分作用理想微分作用 (b)实际微分作用特性实际微分作用特性 (c)匀速偏差输入匀速偏差输入 微分控制器动态特性微分控制器动态特性(t)t0t0t0tytetttt刘玉长刘玉长微分作用特点(1)(1)即使偏差很小，但只要出现变化趋势，即即使偏差很小，但只要出现变化趋势，即可马上进行控制，故微分作用也被称之为可马上进行控制，故微分作用也被称之为“超前超前”控制作用控制作用；(2)(2)但它的输出只与偏差信号的变化速度有关。但它的输出只与偏差信号的变化速度有关。如有偏差存在但不变化，则微分输出为零，如有偏差存在但不变化，则微分输出为零，故微分控制故微分控制不能消除静差不能消除静差。所以微分控制。所以微分控制器不能单独使用，它常与比例或比例积分器不能单独使用，它常与比例或比例积分控制作用组合，构成比例微分控制作用组合，构成比例微分(PD)(PD)或比例或比例积分微分积分微分(PID)(PID)控制器。控制器。刘玉长刘玉长(二)比例微分(PD)控制规律 Dd()dpeyKeTt 比例微分控比例微分控制器的输出等于制器的输出等于比例输出比例输出yP和微和微分作用的输出分作用的输出yD之和。之和。理想理想PD控控制作用为：制作用为：(a)e=1(t)(b)e=t比例微分控制动态特性比例微分控制动态特性yPDTDt1t2t0DtytePyte【适合场合适合场合】对象滞后大，负荷变化不大，被控量变化不频繁且允许对象滞后大，负荷变化不大，被控量变化不频繁且允许余差存在场合。余差存在场合。刘玉长刘玉长为了得到比较满意的控制质量，常将比例、积分、为了得到比较满意的控制质量，常将比例、积分、微分三种控制结合起来，构成比例积分微分微分三种控制结合起来，构成比例积分微分(PID:Propotional-Integrate-Differential)三种作用控制三种作用控制器。理想器。理想PID控制作用特性方程如下：控制作用特性方程如下：五、比例-积分-微分(PID)控制作用PD0Id()1()()d dte tyKe tTe tttT 实际实际PID控制特性控制特性(传递函数传递函数)如下：如下：pDIDIID1(1)()11KT sT sG sTsT K sKKI、KD分别为积分与微分别为积分与微分常数。分常数。刘玉长刘玉长实际PID控制阶跃响应曲线 在输入阶跃信号后，在输入阶跃信号后，微分作用和比例作用同时微分作用和比例作用同时发生，发生，PID控制器的输出控制器的输出Y突然发生大幅度的变化，突然发生大幅度的变化，产生一个较强的控制作用，产生一个较强的控制作用，这是比例基础上的微分控这是比例基础上的微分控制作用，然后逐渐向比例制作用，然后逐渐向比例作用下降；接着又随时间作用下降；接着又随时间上升，这是积分作用；直上升，这是积分作用；直到偏差完全消失为止。到偏差完全消失为止。【适合场合适合场合】：对象滞后大，负荷变化大但不频繁，控制要求对象滞后大，负荷变化大但不频繁，控制要求高场合，如反应器温度控制或成分控制等。高场合，如反应器温度控制或成分控制等。刘玉长刘玉长PID控制规律特点及适用场合PPIPDPID特特点点(1)速度快速度快(2)有静差有静差(1)存在滞后，存在滞后，控制不及时控制不及时(2)无静差无静差(1)超前控制，超前控制，减小动态偏减小动态偏差差(2)有有静差静差结合结合P、I、D的优点，同时的优点，同时兼顾动态与静兼顾动态与静态态适适用用场场合合压力、流量、压力、流量、液位等的控液位等的控制制(要求低要求低)流量、压力流量、压力及高性能液及高性能液位控制系统位控制系统温度、液位温度、液位控制等控制等(对象对象存在大惯性存在大惯性)高性能控制系高性能控制系统与温度控制统与温度控制系统等系统等刘玉长刘玉长六、PID控制算式 在模拟控制系统中，在模拟控制系统中，PID控制是被广泛采用的一种控制策略，控制是被广泛采用的一种控制策略，在数字在数字(计算机计算机)控制系统中，控制系统中，PID控制仍被广泛应用。由于计算控制仍被广泛应用。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值(数字量数字量)计算控制量，因此式中积分和微分项不能直接使用，需要进行离计算控制量，因此式中积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。散化处理。PID1()()()(1)kiK e kKe iKe ke k(一)位置式PID控制算式DP1I()()()()(1)kiTTu kKe ke ie ke kTT刘玉长刘玉长(二)增量式PID控制算式 u(k)=u(k)u(k1)=KPe(k)+KIe(k)+KDe(k)e(k1)=Ae(k)+Be(k1)+Ce(k2)v(n)=u(k)/TS(三)速度式PID控制算式刘玉长刘玉长增量式PID控制算式特点与位置式与位置式PID相比，增量式相比，增量式PID算法有下列优点：算法有下列优点：(1)位置式位置式PID算法每次输出与整个过去状态有关，计算式中算法每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过去误差的累加值要用到过去误差的累加值ej，这样容易产生较大的累积，这样容易产生较大的累积计算误差。而增量式计算误差。而增量式PID只需计算增量，计算误差或精度只需计算增量，计算误差或精度不足时对控制量的计算影响较小；不足时对控制量的计算影响较小；(2)控制从手动切换到自动时，位置式控制从手动切换到自动时，位置式PID算法必须首先将计算法必须首先将计算机的输出值置为原始阀门开度算机的输出值置为原始阀门开度u0，才能保证无冲击切换。，才能保证无冲击切换。如果采用增量算法，则由于公式中不出现如果采用增量算法，则由于公式中不出现u0项，这易于实项，这易于实现手动到自动的无冲击切换。因此在实际控制中，增量式现手动到自动的无冲击切换。因此在实际控制中，增量式PID算法要比位置式算法要比位置式PID算法应用更为广泛。算法应用更为广泛。刘玉长刘玉长七、模拟控制器 DDZ-型控制器。型控制器。刘玉长刘玉长刘玉长刘玉长八、数字控制器(一一)概述概述 数字控制器是在模拟控制仪表的基础上采用数字控制器是在模拟控制仪表的基础上采用数字技术和微电子技术发展起来的新型控制器。数字技术和微电子技术发展起来的新型控制器。其结构与微型计算机十分相似，只是在功能上以其结构与微型计算机十分相似，只是在功能上以过程控制为主。过程控制为主。数字控制器分为：数字控制器分为：(1)单回路或多回路控制器；单回路或多回路控制器；(2)可编程序逻辑控制器可编程序逻辑控制器(PLC)；(3)工业控制计算工业控制计算机机(IPC)；(4)集散控制系统集散控制系统(DCS)；(5)现场总线控现场总线控制系统制系统(FCS)。本节仅简单介绍单本节仅简单介绍单(或多或多)回路控制回路控制器。器。刘玉长刘玉长数字式控制器与智能控制器老式老式:面板与模拟表面板与模拟表几乎一样。几乎一样。刘玉长刘玉长数字控制仪表优势(1)智能化：智能化：由于采用微处理器作为仪表的核心，使仪表的运算、由于采用微处理器作为仪表的核心，使仪表的运算、判断可控制功能都极强，功能丰富；判断可控制功能都极强，功能丰富；(2)适应性强：适应性强：控制器的功能主要由软件完成，编制不同的软件，控制器的功能主要由软件完成，编制不同的软件，可以得到各种不同的功能，实现不同的控制策略。用户程序可以得到各种不同的功能，实现不同的控制策略。用户程序编制可使用面向过程语言编制可使用面向过程语言(POL：Procedure Oriented Language)，易学易用；，易学易用；(3)具备通讯能力：具备通讯能力：可以与上位计算机交换信息，可组成可以与上位计算机交换信息，可组成SPC或或DDC(Direct Digital Control)控制，从而实现大规模的集中监控制，从而实现大规模的集中监控系统；控系统；(4)可靠性高：可靠性高：在硬件与软件中采用了可靠性技术，具有自诊断在硬件与软件中采用了可靠性技术，具有自诊断功能，大大提高了其可靠性。功能，大大提高了其可靠性。刘玉长刘玉长(二)数字控制器的构成原理1、数字控制器的硬件多多路路开开关关采采样样保保持持输输入入缓缓冲冲模模拟拟量量输输入入开开关关量量输输入入A/D输输入入接接口口微微处处理理器器输输出出接接口口存储器存储器键盘显示接口键盘显示接口D/A多多路路开开关关输输出出保保持持V/I输输出出缓缓冲冲键盘键盘显示器显示器通信接口通信接口发送发送接收接收模模拟拟量量输输出出开开关关量量输输出出通通信信过程输入通道过程输入通道过程输出通道过程输出通道主主机机人人机机接接口口通信接口通信接口2、数字控制器软件软件系统分为系统软件和应用软件两部分。软件系统分为系统软件和应用软件两部分。刘玉长刘玉长第三节 变送器变送器在自动检测和变送器在自动检测和控制控制系统中的作用，是将各系统中的作用，是将各种工艺参数种工艺参数(温度、压力、流量、液位、成分等温度、压力、流量、液位、成分等)转换成转换成统一的标准信号，以供显示、记录或控制之用统一的标准信号，以供显示、记录或控制之用。刘玉长刘玉长变送器特性 xmax和和xmin分别为变送器测量范围的上限值和下限值，分别为变送器测量范围的上限值和下限值，ymax和和ymin分别为变送器输出信号的上限值和下限值。分别为变送器输出信号的上限值和下限值。变送器的理想输入输出特性变送器的理想输入输出特性 maxminminmaxminyyyxyxx(一一)变送器构成原理变送器构成原理1、模拟变送器的构成原理、模拟变送器的构成原理一、概述刘玉长刘玉长2、数字式变送器的构成原理 智能式变送器由以微处理器智能式变送器由以微处理器(CPU)为核心构成的硬为核心构成的硬件电路和由系统程序、功能模块构成的软件两大部分组件电路和由系统程序、功能模块构成的软件两大部分组成。成。刘玉长刘玉长(二)变送器的共性问题 量程调整：量程调整：使变送器的输出信号上使变送器的输出信号上 限值限值ymax与测量范围的上限值与测量范围的上限值xmax相相 对应对应。零点调整和零点迁移：零点调整和零点迁移：使变送器的使变送器的 输出信号下限值输出信号下限值ymin与测量范围的下与测量范围的下 限值限值xmin相对应相对应。线性化：线性化：使使输出信号与被测参数之输出信号与被测参数之 间往往存在线性关系间往往存在线性关系。信号传输方式信号传输方式。刘玉长刘玉长二、温度变送器 作用是将热电偶、热电阻的检测信号转换成标准统一的信号，作用是将热电偶、热电阻的检测信号转换成标准统一的信号，输出给显示仪表或控制器实现对温度的显示、记录或自动控制。输出给显示仪表或控制器实现对温度的显示、记录或自动控制。(一)热电偶温度变送器(二)热电阻温度变送器(三)直流毫伏变送器注意分度号匹配、接线等问题。注意分度号匹配、接线等问题。刘玉长刘玉长三、差压变送器 通用性强，可用于连续测量差压、正压、负压、液位、密通用性强，可用于连续测量差压、正压、负压、液位、密度等变量，与节流装置配合，还可以连续测量液体度等变量，与节流装置配合，还可以连续测量液体(或气体或气体)流量。流量。(一)电容式差压变送器刘玉长刘玉长电容式差压变送器测压部件结构图电容式差压变送器测压部件结构图1电极引线；电极引线；2差动电容膜盒；差动电容膜盒；3正压侧导压口；正压侧导压口；4正压容室基座；正压容室基座；5负压容室基座；负压容室基座；6负压侧导压口负压侧导压口差动电容膜盒结构差动电容膜盒结构1-固定电极；固定电极；2-中心感压膜片；中心感压膜片；3-填充液；填充液；4-隔膜片隔膜片刘玉长刘玉长(二)扩散硅式差压变送器 扩散硅式差压变送器的扩散硅式差压变送器的检检测元件测元件采用采用扩散硅压阻传感器扩散硅压阻传感器。1负压导压口；负压导压口；2正压导压口；正压导压口；3硅油；硅油；4隔离膜片；隔离膜片；5硅杯；硅杯；6支座；支座；7玻璃密封；玻璃密封；8引线。引线。刘玉长刘玉长四、智能变送器 智能变送器：采用微处理技术和先进传感技术，新智能变送器：采用微处理技术和先进传感技术，新型现场变送类仪表。型现场变送类仪表。刘玉长刘玉长第四节执行器一、概述v 执行器的构成：执行器的构成：执行机构执行机构产生推力或位移的装置。产生推力或位移的装置。调节机构调节机构直接改变能量或物料输直接改变能量或物料输 送量的装置，通常称为送量的装置，通常称为 控制阀控制阀或或调节阀调节阀。v 执行器的分类：执行器的分类：气动、电动和液动气动、电动和液动电动执行器电动执行器 气动执行器气动执行器 液动执行器液动执行器刘玉长刘玉长气动、电动执行机构特点气动执行机构气动执行机构电动执行机构电动执行机构可靠性可靠性高(简单、可靠)较低驱动能源驱动能源压缩空气(设气站)电力，简单、方便输出力输出力大小刚度刚度大小防爆性能防爆性能好，本安型较差，防爆型产品环境温度环境温度-40+80-10+55价格价格低高二、执行机构刘玉长刘玉长(一)气动执行机构 气动执行机构接受气动调节器或阀门定位器输出气动执行机构接受气动调节器或阀门定位器输出的气压信号，并将其转换成相应的输出力的气压信号，并将其转换成相应的输出力F和直线位移和直线位移l，以推动调节机构动作。主要类型如下：以推动调节机构动作。主要类型如下：气动执气动执行机构行机构薄膜式薄膜式活塞式活塞式长行程式：长行程式：滚筒膜片式：滚筒膜片式：专为偏心旋转阀设计的专为偏心旋转阀设计的正作用正作用反作用反作用比例式比例式两位式两位式正作用正作用反作用反作用与蝶阀、风门等需要大转角与蝶阀、风门等需要大转角(0-90o)和大力矩的调节机构配合和大力矩的调节机构配合薄膜式应用最薄膜式应用最广；活塞式次广；活塞式次之之刘玉长刘玉长气动薄膜与气动活塞执行机构示意图执行机构的正反作用执行机构的正反作用刘玉长刘玉长(二)电动执行机构 电动执行器有电动执行器有角行程（角行程（DKJ）和和直行程（直行程（DKZ）两种，是以两相交流电机为动力的位置伺服机构，它两种，是以两相交流电机为动力的位置伺服机构，它将输入的直流电流信号线性将输入的直流电流信号线性地转换成位移量。地转换成位移量。伺服放大器伺服放大器位置发送器位置发送器WF伺服电机伺服电机SD减速器减速器J阀位指示放大器放大器DFC执行机构执行机构DZA420mAIiIf输出轴电动执行器方框图电动执行器方框图090O操作器操作器DFD0900mmmm角行程角行程 直行程直行程刘玉长刘玉长(三)电/气转换器 在过程控制系统中，若调节器是采用电动的，而在过程控制系统中，若调节器是采用电动的，而执行器是气动的，此时必须将电信号转换成气信号，方执行器是气动的，此时必须将电信号转换成气信号，方能与气功执行器配合使用。能与气功执行器配合使用。电电/气转换器工作原理与实物图气转换器工作原理与实物图刘玉长刘玉长喷嘴挡板机构的构造和特性 喷嘴挡板机构是气动仪表中一种最基本的变喷嘴挡板机构是气动仪表中一种最基本的变换和放大环节，能将挡板对于喷嘴的微小位移敏换和放大环节，能将挡板对于喷嘴的微小位移敏感地变换为气动信号，是一种很好的位移检测元感地变换为气动信号，是一种很好的位移检测元件。件。刘玉长刘玉长(四)智能执行机构 随着过程控制仪表中微处理器的引入，变送器、随着过程控制仪表中微处理器的引入，变送器、控制阀等仪表出现了智能化、功能多样化的趋势，控制阀等仪表出现了智能化、功能多样化的趋势，智能执行机构也应运而生。智能执行机构也应运而生。智能执行器有电动、气动两类，每类有众多品智能执行器有电动、气动两类，每类有众多品种。一般智能执行机构的基本功能是信号驱动和执种。一般智能执行机构的基本功能是信号驱动和执行，内含控制阀输出特性补偿、行，内含控制阀输出特性补偿、PID控制和运算、阀控制和运算、阀门特性自检验核自诊断功能。同时，智能执行机构门特性自检验核自诊断功能。同时，智能执行机构备有微机通信接口，它可与上位控制器、变送器、备有微机通信接口，它可与上位控制器、变送器、记录仪等智能化仪表一起联网构成控制系统。记录仪等智能化仪表一起联网构成控制系统。刘玉长刘玉长智能式电动执行机构实例刘玉长刘玉长三、调节机构(控制阀)【作用作用】调节机构又称调节机构又称调节阀，是执行器的调调节阀，是执行器的调节部分，在执行机构的节部分，在执行机构的输出力和输出位移作用输出力和输出位移作用下，调节机构阀芯的运下，调节机构阀芯的运动，改变了阀芯与阀座动，改变了阀芯与阀座之间的流通截面积，即之间的流通截面积，即改变了调节阀的阻力系改变了调节阀的阻力系数，使被控介质流体的数，使被控介质流体的流量发生相应变化。流量发生相应变化。刘玉长刘玉长阀的结构型式阀的结构型式v直通单座阀直通单座阀v直通双座阀直通双座阀v角形阀角形阀v三通阀三通阀v蝶阀蝶阀v套筒阀套筒阀v偏心旋转阀偏心旋转阀v高压阀高压阀刘玉长刘玉长常用调节阀特点直通单直通单座阀座阀结构简单，装配方便，泄漏小，但受流体冲击不平衡力大。适用于结构简单，装配方便，泄漏小，但受流体冲击不平衡力大。适用于小口径小口径Dg25mm 的场合。的场合。直通双直通双座阀座阀受流体冲击不平衡力影响小，但关不严渗漏较大，适用于大口径管受流体冲击不平衡力影响小，但关不严渗漏较大，适用于大口径管道的场合。道的场合。角形阀角形阀体受流体的冲击小，体内不易结污，对粘度高、有悬浮物和颗粒物体受流体的冲击小，体内不易结污，对粘度高、有悬浮物和颗粒物的流体尤为适用，并且调节稳定性较好。的流体尤为适用，并且调节稳定性较好。蝶阀蝶阀流阻小，适用于低差压大流量的气体及含有固体悬浮物的介质，通流阻小，适用于低差压大流量的气体及含有固体悬浮物的介质，通常流量特性与等百分比相似。常流量特性与等百分比相似。隔膜阀隔膜阀用于强腐蚀性粘度高带悬浮物或带纤维的用于强腐蚀性粘度高带悬浮物或带纤维的 介介 质，但不耐高温和质，但不耐高温和 高高 压。压。阀体分阀体分离阀离阀用于强腐用于强腐 蚀性介质，但不耐高蚀性介质，但不耐高 压和高温压和高温 三通阀三通阀适用于介质三个方向的流适用于介质三个方向的流 通。分三通合流阀和三通分流阀。对于三通。分三通合流阀和三通分流阀。对于三个系统的分合流控制非常有效。个系统的分合流控制非常有效。凸轮挠凸轮挠曲阀曲阀阀体为直通型阀阻小阀体为直通型阀阻小 密封性好，可调节，通用性强，对于粘度大如密封性好，可调节，通用性强，对于粘度大如泥浆、石灰介质的调泥浆、石灰介质的调 节非常有效。节非常有效。套筒阀套筒阀不平衡力小，可调性能好，通用性强，因拆装维护方便而被广泛应不平衡力小，可调性能好，通用性强，因拆装维护方便而被广泛应用于生产之中，特别是高温高粘度，含颗粒结构的介质调节。用于生产之中，特别是高温高粘度，含颗粒结构的介质调节。刘玉长刘玉长 控制阀的流量特性控制阀的流量特性A.A.理想流量特性理想流量特性(阀前后压差不随阀的开度而变阀前后压差不随阀的开度而变)（）QQmaxlfL 控制阀的流量特性指介质流过控制阀相对流量（控制阀的流量特性指介质流过控制阀相对流量（）与）与相对位移（相对位移（）之间的关系，即：）之间的关系，即：QQmaxlL流量特性流量特性vv 直线特性：直线特性：Q/Qmax=K(l/L)+C vv 等百分比特性：等百分比特性：vv 抛物线特性：抛物线特性：Q/Qmax=1/R 1+(1)l/L 2 vv 快开特性：随着开度增大快开特性：随着开度增大,流量很快达最大。流量很快达最大。R)Q/Qmax(d(L/Lmax)Q/Qmax(kd刘玉长刘玉长各种流量特性及其阀芯形状如图所示各种流量特性及其阀芯形状如图所示1 1 快开；快开；2 2 直线；直线；3 3 抛物线；抛物线；4 4 修正抛物线；修正抛物线；5 5 等百分比。等百分比。刘玉长刘玉长B.B.工作流量特性工作流量特性(阀前后压差随阀的开度而变阀前后压差随阀的开度而变)串联管道时的工作流量特性串联管道时的工作流量特性刘玉长刘玉长 并联管道时的工作流量特性并联管道时的工作流量特性结论结论vv 使理想流量特性发生畸变使理想流量特性发生畸变,串联管道尤为严重串联管道尤为严重,放大系放大系 数随开度增大而减小数随开度增大而减小,并联管道总比原来小。并联管道总比原来小。vv 使控制阀可调比降低，并联管道尤为严重。使控制阀可调比降低，并联管道尤为严重。vv 串联管道使总流量减少，并联管道则增加。串联管道使总流量减少，并联管道则增加。刘玉长刘玉长(五)阀门定位器 阀门定位器与气动执行机构配套使用，可使调节阀门定位器与气动执行机构配套使用，可使调节阀能按输入信号精确地确定开度，是气动调节阀的主阀能按输入信号精确地确定开度，是气动调节阀的主要附件，主要应用于执行机构工作条件差或调节质量要附件，主要应用于执行机构工作条件差或调节质量要求高的场合得到广泛应用。要求高的场合得到广泛应用。阀门定位器与气动阀相连阀门定位器与气动阀相连 刘玉长刘玉长气动阀门定位器工作原理及实物图气动阀门定位器工作原理及实物图1波纹管波纹管;2主杠杆主杠杆;3迁移弹簧迁移弹簧;4反馈凸轮支点反馈凸轮支点;5反馈凸轮反馈凸轮;6副杠杆副杠杆;7副杠杆支点副杠杆支点;8气缸气缸;9反馈杆反馈杆;10滚轮滚轮;11反馈弹簧反馈弹簧;12调零弹簧调零弹簧;13挡板挡板;14喷嘴喷嘴;15主杠杆支点主杠杆支点;16双向放大器双向放大器;17薄膜室薄膜室;18滑阀滑阀刘玉长刘玉长电电/气阀门定位器原理与实物图气阀门定位器原理与实物图 电电/气阀门定位器具有电气阀门定位器具有电/气转换器和阀门定位器的气转换器和阀门定位器的双重作用。双重作用。