过程控制仪表第6章执行器课件

过程控制仪表第6章执行器6.2 6.2 气动执行器气动执行器它又称为气动调节阀，气动调节阀是由气压信它又称为气动调节阀，气动调节阀是由气压信号控制的阀门。主要包括：气动执行机构和调号控制的阀门。主要包括：气动执行机构和调节机构节机构(阀）两个组成部分。阀）两个组成部分。1.气动执行机构气动执行机构执执行行机机构构按按调调节节器器输输出出的的控控制制信信号号，驱驱动动调调节节机机构构动动作作。气气动动执执行行机机构构的的输输出出方方式式有有角角行行程程输输出出和和直直行程输出两种。行程输出两种。气动活塞式执行机构气动活塞式执行机构薄膜式执行机构薄膜式执行机构P正作用执行机构反作用执行机构直行程输出的气动执行机构有两类：薄膜式和活塞式直行程输出的气动执行机构有两类：薄膜式和活塞式薄膜式薄膜式是用弹性膜片将输入气压转换为推杆的推力，通过推杆使阀芯是用弹性膜片将输入气压转换为推杆的推力，通过推杆使阀芯产生相应的位移，改变阀门开度。产生相应的位移，改变阀门开度。活塞式活塞式是以汽缸内的活塞输出推力，由于汽缸允许压力较高，可以是以汽缸内的活塞输出推力，由于汽缸允许压力较高，可以获得较大的推力，容易制成长行程的执行机构。获得较大的推力，容易制成长行程的执行机构。以薄膜式执行机构为例，如图所示。以薄膜式执行机构为例，如图所示。气动薄膜执行机构的静气动薄膜执行机构的静态特性表示平衡状态时输态特性表示平衡状态时输入的气压入的气压p与阀杆位移与阀杆位移l的关的关系，即系，即A为膜片的有效面积；K为平衡弹簧的弹性系数气动执行机构的动态特性气动执行机构的动态特性可近似成一阶惯性环节，其惯可近似成一阶惯性环节，其惯性的大小取决于膜头空间的大性的大小取决于膜头空间的大小与气管线的长度和直径。小与气管线的长度和直径。2调节机构调节机构调节机构就是阀门，如图所示。主要包括：推杆，阀调节机构就是阀门，如图所示。主要包括：推杆，阀体，阀芯，阀座等。是一个局部阻力可以改变的节流元件。体，阀芯，阀座等。是一个局部阻力可以改变的节流元件。阀芯在阀体内上下移动，可以改变阀芯和阀座之间的流阀芯在阀体内上下移动，可以改变阀芯和阀座之间的流通面积，控制通过的流量。通面积，控制通过的流量。从流体力学的观点，调节阀是一个局部阻力可从流体力学的观点，调节阀是一个局部阻力可以变化的节流元件。对于不可压缩的流体，由能量以变化的节流元件。对于不可压缩的流体，由能量守恒原理可以推导出调节阀的流量方程式为：守恒原理可以推导出调节阀的流量方程式为：当当A一定，（一定，（p1p2）不变时，流量仅随阻力不变时，流量仅随阻力系数系数变化。阻力系数主要与流通面积（阀门开度）变化。阻力系数主要与流通面积（阀门开度）有关，也与流体的性质和流动状态有关。调节阀阻有关，也与流体的性质和流动状态有关。调节阀阻力系数的变化是通过阀芯行程的改变来实现的。即力系数的变化是通过阀芯行程的改变来实现的。即改变开度就改变改变开度就改变，达到调节达到调节Q的目的。（开度的目的。（开度Q）根据不同的使用要求，调节阀的结构形式有多根据不同的使用要求，调节阀的结构形式有多种多样，如：直通单座阀，直通双座阀，角型阀，种多样，如：直通单座阀，直通双座阀，角型阀，高压阀，蝶阀，球阀，隔离阀，三通阀等。高压阀，蝶阀，球阀，隔离阀，三通阀等。（1）直通单座阀直通单座阀q流流体体对对阀阀芯芯的的不不平平衡衡作作用用力力大大。一一般般用用在在小小口口径径、低压差的场合。低压差的场合。q结构简单、泄漏量小。结构简单、泄漏量小。阀门中的柱式阀芯可以正装，也可以反装。阀门中的柱式阀芯可以正装，也可以反装。正装阀阀芯下移时，阀芯与阀座间的流通截面积增大反装阀阀芯下移时，阀芯与阀座间的流通截面积减小（2 2）直通双座阀直通双座阀阀体内有两个阀芯和阀座。q流流体体流流过过时时，作作用用在在上上、下下两两个个阀阀芯芯上上的的推推力力方方向相反且大小相近，可以互相抵消，所以不平衡力小。向相反且大小相近，可以互相抵消，所以不平衡力小。q但是，由于加工的限但是，由于加工的限制，上下两个阀芯阀座不易制，上下两个阀芯阀座不易保证同时密闭，因此泄漏量保证同时密闭，因此泄漏量较大。较大。（3）角形控制阀角形控制阀两两个个接接管管呈呈直直角角形形，一一般般为为底底进进侧侧出出，这这种种阀阀的的流流路路简简单、对流体的阻力较小。单、对流体的阻力较小。q适用于现场管道要适用于现场管道要求直角连接，介质为高求直角连接，介质为高粘度、高压差和含有少粘度、高压差和含有少量悬浮物和固体颗粒状量悬浮物和固体颗粒状的场合。的场合。（4 4）三通控制阀三通控制阀有三个出入口与工艺管道连接。流通方式有合流型（两有三个出入口与工艺管道连接。流通方式有合流型（两种介质混合成一路）和分流型（一种介质分成两路）两种。种介质混合成一路）和分流型（一种介质分成两路）两种。适用于配比控制与旁路控制。适用于配比控制与旁路控制。（5）隔膜控制阀隔膜控制阀采用耐腐蚀材料作隔膜，采用耐腐蚀材料作隔膜，将阀芯与流体隔开。将阀芯与流体隔开。q结结构构简简单单、流流阻阻小小、流流通通能能力力比比同同口口径径的的其其他他种种类类的的阀阀要要大大。由由于于介介质质用用隔隔膜膜与与外外界界隔隔离离，故故无无填填料料，介质也不会泄漏。介质也不会泄漏。q耐耐腐腐蚀蚀能能力力强强，适适用用于于强强酸酸、强强碱碱、强强腐腐蚀蚀性性介介质的控制，也能用于高粘度及悬浮颗粒状介质的控制。质的控制，也能用于高粘度及悬浮颗粒状介质的控制。q适适用用于于大大口口径径、大大流流量量、低低压压差差的的场场合合，也也可可以以用用于于含含少少量量纤纤维维或或悬悬浮浮颗颗粒粒状状介介质质的的控控制。制。（6）蝶阀蝶阀又名翻板阀。又名翻板阀。结构简单、重量轻、流阻极小，但泄漏量大。结构简单、重量轻、流阻极小，但泄漏量大。3.调节阀的选择调节阀的选择选用调节阀时，一般应考虑以下几个方面。选用调节阀时，一般应考虑以下几个方面。1）调节阀结构的选择）调节阀结构的选择通常根据工艺条件，如使用温度、压力，介通常根据工艺条件，如使用温度、压力，介质的物理、化学特性（如腐蚀性、粘度等），对流质的物理、化学特性（如腐蚀性、粘度等），对流量的控制要求等，来选择调节阀的结构形式。量的控制要求等，来选择调节阀的结构形式。例如，一般介质条件选用直通单座阀或直通例如，一般介质条件选用直通单座阀或直通双座阀；高压介质选用高压阀；强腐蚀介质采用隔双座阀；高压介质选用高压阀；强腐蚀介质采用隔膜阀等。膜阀等。2）气开式与气关式的选择）气开式与气关式的选择气动调节阀在气压信号中断后阀门会复位。气动调节阀在气压信号中断后阀门会复位。无压力信号时阀全开，随着信号增大，阀门逐渐关小的称为无压力信号时阀全开，随着信号增大，阀门逐渐关小的称为气关气关式式。反之，无压力信号时阀全闭，随着信号增大，阀门逐渐开大的称为。反之，无压力信号时阀全闭，随着信号增大，阀门逐渐开大的称为气开式气开式。如气动薄膜调节阀的气开、气关有四种构成方式：如气动薄膜调节阀的气开、气关有四种构成方式：序号序号执行机构作行机构作用方式用方式阀体作用方式体作用方式执行器气开、行器气开、气关形式气关形式a正正正正气关气关b正正反反气开气开c反反正正气开气开d反反反反气关气关给水阀燃气阀蒸汽例如：例如：选选择择蒸蒸汽汽锅锅炉炉的的控控制制阀阀门门时时，为为保保证证失失控控状状态态下下锅锅炉的安全：炉的安全：给水阀应选气关式给水阀应选气关式燃气阀应选气开式燃气阀应选气开式v阀门气开气关式的选择原则：阀门气开气关式的选择原则：当控制信号中断时，阀门的复位位置能使工艺设备处当控制信号中断时，阀门的复位位置能使工艺设备处于安全状态。于安全状态。3）.调节阀的流量特性的选择调节阀的流量特性的选择调调节节阀阀的的阀阀芯芯位位移移与与流流量量之之间间的的关关系系，对对控控制制系统的调节品质有很大影响。系统的调节品质有很大影响。流量特性的定义：流量特性的定义：被被控控介介质质流流过过阀阀门门的的相相对对流流量量与与阀阀门门的的相相对对开开度（相对位移）间的关系称为调节阀的流量特性。度（相对位移）间的关系称为调节阀的流量特性。q/qmax 相对流量相对流量 l/L 相对开度相对开度相相对对流流量量q/qmax是是控控制制阀阀某某一一开开度流量度流量q与全开时流量与全开时流量qmax之比；之比；相相对对开开度度l/L是是控控制制阀阀某某一一开开度度行程行程l与全开行程与全开行程L之比。之比。调节阀的流量特性不仅与阀门调节阀的流量特性不仅与阀门的结构和开度有关，还与阀前后的的结构和开度有关，还与阀前后的压差有关，必须分开讨论。压差有关，必须分开讨论。lq为为了了便便于于分分析析，先先将将阀阀前前后后压压差差固固定定，然然后后再再引引伸伸到到实实际际工工作作情情况况，于于是是有有固固有有流流量量特特性性与与工工作作流流量量特特性性之之分。分。1、固有（理想）流量特性、固有（理想）流量特性在在将将控控制制阀阀前前后后压压差差固固定定时时得得到到的的流流量量特特性性称称为为固固有有流流量量特特性性。它它取取决决于于阀阀芯芯的的形形状状。目目前前常常用用的的调调节节阀阀中中有三种代表性的理想流量特性。有三种代表性的理想流量特性。（a）快开特性）快开特性（b）直线特性）直线特性（c）等百分比特性）等百分比特性（1）直线流量特性直线流量特性控控制制阀阀的的相相对对流流量量与与相相对对开开度度成成直直线线关关系系，即即单单位位位位移变化所引起的流量变化是常数。用数学式表示为：移变化所引起的流量变化是常数。用数学式表示为：积分C为积分常数可调比可调比R为调节阀所能为调节阀所能控制的最大流量与最小流量的控制的最大流量与最小流量的比值。比值。其中其中qmin不是指阀门全关时的泄漏量，而是阀门能平不是指阀门全关时的泄漏量，而是阀门能平稳控制的最小流量，约为最大流量的稳控制的最小流量，约为最大流量的24%,一般阀门的可一般阀门的可调比调比R=30。控制力：阀门开度改变时，相对流量的改变比值。控制力：阀门开度改变时，相对流量的改变比值。例如在不同的开度上，再分别增加例如在不同的开度上，再分别增加10%开度，相对流量开度，相对流量的变化比值为的变化比值为10时：时：（20-10）/10100%=100%50时：时：（60-50）/50100%=20%80时：时：（90-80）/80100%=12.5%Q/Q100s=1v直直线线阀阀的的流流量量放放大大系系数数在在任任何何一一点点上上都都是是相相同同的的，但但其对流量的控制力却是不同的。其对流量的控制力却是不同的。L/Lmax线性调节阀在小开度时流量的相对变化量大，灵线性调节阀在小开度时流量的相对变化量大，灵敏度高，控制作用强，容易产生震荡；而在大开度时敏度高，控制作用强，容易产生震荡；而在大开度时流量的相对变化量小，灵敏度低，控制作用弱。因此流量的相对变化量小，灵敏度低，控制作用弱。因此线性调节阀工作在小开度或大开度时，其控制性能均线性调节阀工作在小开度或大开度时，其控制性能均较差，不宜用于负荷变化大的过程。较差，不宜用于负荷变化大的过程。（2）等百分比（对数）流量特性等百分比（对数）流量特性单单位位相相对对行行程程变变化化所所引引起起的的相相对对流流量量变变化化与与此此点点的的相相对流量成正比关系：对流量成正比关系：v曲曲线线斜斜率率（放放大大系系数数）随随行行程程的的增增大大而而增增大大。流流量量小小时时，流流量量变变化化小小；流流量量大大时时，流流量量变变化化大。适合负载变化较大的过程。大。适合负载变化较大的过程。积分积分v等等百百分分比比阀阀在在各各流流量量点点的的放放大大系系数数不不同同，但但对对流流量量的的控制力却是相同的。控制力却是相同的。10%处：处：（6.58%-4.68%）/4.68%41%50%处：处：（25.7%-18.2%）/18.2%41%80%处：处：（71.2%-50.6%）/50.6%41%同样以同样以10、50及及80三点为例，分别增加三点为例，分别增加10%开度，开度，相对流量变化的比值为：相对流量变化的比值为：Q/Q100L/Lmaxs=1（3）快开特性快开特性开开度度较较小小时时就就有有较较大大流流量量，随随开开度度的的增增大大，流流量量很很快快就就达达到到最最大大，故故称称为为快快开开特特性性。适适用用于于迅迅速速启启闭闭的的切切断断阀阀或或双位控制系统。双位控制系统。积分2、调节阀的工作流量特性、调节阀的工作流量特性实实际际使使用用时时，调调节节阀阀装装在在具具有有阻阻力力的的管管道道系系统统中中。管管道道对对流流体体的的阻阻力力随随流流量量而而变变化化，阀阀前前后后压压差差也也是是变变化化的的，这这时时流量特性会发生畸变。流量特性会发生畸变。1)管道串联时的工作流量特性管道串联时的工作流量特性如如图图，管管道道系系统统总总压压力力P等等于于管管路路系系统统的的压压降降PG与与控控制阀的压降制阀的压降PV之和。之和。从从串串联联管管道道中中调调节节阀阀两两端端压压差差PV的的变变化化曲曲线线可可看看出出，调调节节阀阀全全关关时时阀阀上上压压力力最最大大，基基本本等等于于系系统统总总压压力力；调节阀全开时阀上压力降至最小。调节阀全开时阀上压力降至最小。为为了了表表示示调调节节阀阀两两端端压压差差PV的的变变化化范范围围，以以阀阀权权度度s表表示示调调节节阀阀全全开开时时，阀阀前前后后最最小小压压差差PVmin与与总总压压力力P之比。之比。s=PVmin/Pv流量特性畸变：流量特性畸变：以以qmax表表示示串串联联管管道道阻阻力力为为零零时时(s=1)，阀阀全全开开时时达达到到的的最最大大流流量量。可可得得串串联联管管道道在在不不同同s值值时时，以以自自身身qmax作作参参照的工作流量特性。照的工作流量特性。对数阀变为直线阀对数阀变为直线阀直线阀变为快开阀直线阀变为快开阀s 图图3 333 33 调节阀的流量特性曲线调节阀的流量特性曲线a)a)直线；直线；b)b)对数（等百分比）对数（等百分比）结论结论q串联管道使调节阀的流量特性发生畸变。串联管道使调节阀的流量特性发生畸变。q串串联联管管道道使使调调节节阀阀的的流流量量可可调调范范围围降降低低，最最大大流量减小。流量减小。q串串联联管管道道会会使使调调节节阀阀的的放放大大系系数数减减小小，调调节节能能力降低，力降低，s值低于值低于0.3时，调节阀能力基本丧失。时，调节阀能力基本丧失。2)与管道并联工作时的流量特性与管道并联工作时的流量特性图中图中S=1时，旁路阀关闭，工作流量特性即为理想流量特性。随时，旁路阀关闭，工作流量特性即为理想流量特性。随着旁路阀逐渐打开，着旁路阀逐渐打开，S值逐渐减小，调节阀的可调范围也将大大降低，值逐渐减小，调节阀的可调范围也将大大降低，从而使调节阀的控制能力大大下降，影响控制效果。根据实际经验，从而使调节阀的控制能力大大下降，影响控制效果。根据实际经验，值不能低于值不能低于0.8。并联管道时调节阀工作流量特性并联管道时调节阀工作流量特性 a)直线阀直线阀b)对数阀对数阀（3）流量特性的选择）流量特性的选择调调节节阀阀流流量量特特性性的的选选择择有有理理论论分分析析法法和和经经验验法法。前前者者还还在在研研究究中中，目目前前较多采用经验法。一般可从以下几方面考虑。较多采用经验法。一般可从以下几方面考虑。1）依据过程特性选择。）依据过程特性选择。一个过程控制系统，在负荷变动的情况下，要使系统保持期望的控一个过程控制系统，在负荷变动的情况下，要使系统保持期望的控制品质，则必须要求制品质，则必须要求系统总的放大系数在整个操作范围内保持不变。系统总的放大系数在整个操作范围内保持不变。一一般变送器、已整定好的调节器、执行机构等放大系数基本上是不变的，般变送器、已整定好的调节器、执行机构等放大系数基本上是不变的，但过程特性则往往是非线性的，其放大系数随负荷而变。因此，必须通但过程特性则往往是非线性的，其放大系数随负荷而变。因此，必须通过合理选择调节阀的工作特性，以补偿过程的非线性，其选择原则为过合理选择调节阀的工作特性，以补偿过程的非线性，其选择原则为调节阀的放大系数被控过程的放大系数2）依据配管情况选择。）依据配管情况选择。在根据过程特性进行选择之后，再按照配管情况进行进一步的选择，在根据过程特性进行选择之后，再按照配管情况进行进一步的选择，其选择原则可参照下表进行。其选择原则可参照下表进行。配管状况配管状况S=1-0.6S=0.6-0.3工作特性工作特性直直线等百分比等百分比直直线等百分比等百分比理想特性理想特性直直线等百分比等百分比等百分比等百分比等百分比等百分比3）依据负荷变化情况选择。）依据负荷变化情况选择。在负荷变化较大的场合，宜选用对数调节阀，因为对数调节阀的放在负荷变化较大的场合，宜选用对数调节阀，因为对数调节阀的放大系数可随阀芯位移的变化而变化，但它的相对流量变化率则是不变的，大系数可随阀芯位移的变化而变化，但它的相对流量变化率则是不变的，所以能适应负荷变化大的情况；此外，当调节阀经常工作在小开度时，所以能适应负荷变化大的情况；此外，当调节阀经常工作在小开度时，则宜选用对数调节阀。因为直线调节阀工作在小开度时，其相对流量的则宜选用对数调节阀。因为直线调节阀工作在小开度时，其相对流量的变化率很大，不宜进行微调。变化率很大，不宜进行微调。4）.调节阀口径的选择调节阀口径的选择为保证工艺的正常进行，必须合理选择调节阀的尺寸。为保证工艺的正常进行，必须合理选择调节阀的尺寸。如果调节阀的口径选得太大，使阀门经常工作在小开度位置，如果调节阀的口径选得太大，使阀门经常工作在小开度位置，造成调节质量不好。如果口径选得太小，阀门完全打开也不造成调节质量不好。如果口径选得太小，阀门完全打开也不能满足最大流量的需要，就难以保证生产的正常进行。能满足最大流量的需要，就难以保证生产的正常进行。调调节节阀阀的的口口径径决决定定了了调调节节阀阀的流通能力。的流通能力。调调节节阀阀的的流流通通能能力力用用流流量量系系数数C值表示。值表示。通常用公称直径通常用公称直径Dg和阀座直径和阀座直径dg表示，它们的确定表示，它们的确定是合理应用执行器的前提条件。确定调节阀尺寸的主要依是合理应用执行器的前提条件。确定调节阀尺寸的主要依据是据是流通能力，它定义为调节阀全开、阀前后压差为流通能力，它定义为调节阀全开、阀前后压差为0.1MPa、流体重度为、流体重度为1g/cm3时，每小时通过阀门的流体流时，每小时通过阀门的流体流量（量（m3或或kg）。）。当流体为不可压缩时，通过调节阀的体积流量为当流体为不可压缩时，通过调节阀的体积流量为:为流量系数，它取决于调节阀的结构形状和流体流动状况，可从有关手册查阅或由实验确定；A0为调节阀接管截面积；g为重力加速度；r为流体重度。依据流通能力的定义，则有依据流通能力的定义，则有流通能力C与调节阀的结构参数有确定的对应关系。这就是确定调节阀尺寸的理论依据。可得流通能力与流体重度、阀前后压差和介质流量三者的定量关系，即调节阀尺寸的确定过程为：根据通过调节阀的最大流量，流体重度r以及调节阀的前后压差，先由式（1）求得最大的流通能力然后选取大于即可依据下表确定出Dg和dg的大小。的最低级别的C值，公称直径Dg(mm)202532405065阀门直径dg(mm)245678101215202532405065流通能力C单座阀0.080.120.200.320.500.801.22.03.25.0812203256双座阀1016254063公称直径Dg(mm)80100125150200250300阀门直径dg(mm)80100125150200250303流通能力C单座阀80120200280450双座阀10016025040063010001600表3-2调节阀流通能力C与其尺寸的关系6.2 6.2 电动执行器电动执行器它也是由执行机构它也是由执行机构(DZA)和调节机构两部分组成。其中和调节机构两部分组成。其中调节机构和气动执行器是通用的，不同的只是电动执行机调节机构和气动执行器是通用的，不同的只是电动执行机构，它用电动机产生推力启闭调节阀。构，它用电动机产生推力启闭调节阀。电动执行机构用控制电机作动力装置。输出形式有：电动执行机构用控制电机作动力装置。输出形式有：角行程：电机转动经减速器后输出。角行程：电机转动经减速器后输出。直行程：电机转动经减速器减速并转换为直线位移输直行程：电机转动经减速器减速并转换为直线位移输出。出。多转式：转角输出，功率比较大，主要用来控制闸阀、多转式：转角输出，功率比较大，主要用来控制闸阀、截止阀等多转式阀门。截止阀等多转式阀门。这几种执行机构在电气原理上基本相同，只是减速器这几种执行机构在电气原理上基本相同，只是减速器不一样。不一样。相对气动、液动执行器而言，电动执行器主要有相对气动、液动执行器而言，电动执行器主要有3点优势：点优势：(1)无需特殊的气源和空气净化等装置。即使电源失电无需特殊的气源和空气净化等装置。即使电源失电时，也能保持原执行位置；时，也能保持原执行位置；(2)可远距离传输信号，电缆敷设比气管和液体管道敷可远距离传输信号，电缆敷设比气管和液体管道敷设方便得多，且便于线路检查；设方便得多，且便于线路检查；(3)与计算机连接方便简洁，更适应采用电子信息新技与计算机连接方便简洁，更适应采用电子信息新技术。术。1.电动执行器的组成电动执行器的组成输输入入信信号号与与位位置置反反馈馈信信号号进进行行比比较，将差值放大。较，将差值放大。驱动驱动电机电机经减速输出，带动经减速输出，带动阀门阀门直直到到位位置置发发送送器器检检测测到到的的位位置置信信号号与与输输入入信信号号相相等等时时，放放大大器输出为零。器输出为零。电动执行器原理方框图1）伺服放大器伺服放大器它由前置磁放大器，触发器它由前置磁放大器，触发器和和以及晶体管主回路等以及晶体管主回路等组成。其框图如图所示。组成。其框图如图所示。2）两相伺服电动机：是执行机构的动力部分，）两相伺服电动机：是执行机构的动力部分，它具有启动转矩大和启动电流较小的特点；它具有启动转矩大和启动电流较小的特点；3）位置发送器：是差动变压器位移传感器，以）位置发送器：是差动变压器位移传感器，以产生反馈信号和位置信号；产生反馈信号和位置信号；4）减速器：由于电动机转速很高，输出轴全行）减速器：由于电动机转速很高，输出轴全行程时间需程时间需25s，输出轴速度输出轴速度0.6r/min，因此电动机因此电动机主输出轴间要有减速器，减速比为主输出轴间要有减速器，减速比为100015002.手操作器手操作器它主要实现手动操作，与调节器配合完成自动它主要实现手动操作，与调节器配合完成自动手手动，也可以在控制系统出现故障或系统投运时用它进动，也可以在控制系统出现故障或系统投运时用它进行手动遥控。行手动遥控。分为两类：分为两类：Q型操作器和型操作器和D型操作器（型操作器（Q型与气动型与气动执行器配合使用，执行器配合使用，D型与电动执行器配合使用）。型与电动执行器配合使用）。Q型操作器在控制系统中的位置如图所示。来自调型操作器在控制系统中的位置如图所示。来自调节器的信号节器的信号420mA，经经Q型操作器输送到电型操作器输送到电/气转换器，气转换器，转换成气压信号转换成气压信号20100Kpa，控制气动执行器。控制气动执行器。Q型操作器原理框图如图所示。它由可调恒流型操作器原理框图如图所示。它由可调恒流源和自动源和自动手动切换开关组成。手动切换开关组成。处于自动状态时，来自调节器的处于自动状态时，来自调节器的420mA的信号的信号输入经输入经mA表，再输出到电表，再输出到电/气转换器，或电动执行气转换器，或电动执行器的输入阻抗。器的输入阻抗。处于手动时：处于手动时：由操作器的可调恒流源向由操作器的可调恒流源向RL提供手动操作电流，其大小可提供手动操作电流，其大小可由手动操作电位器调节，并由另一只电流表显示；由手动操作电位器调节，并由另一只电流表显示；跟踪电压输出，向调节器中的积分电容两端提供直流跟踪跟踪电压输出，向调节器中的积分电容两端提供直流跟踪电压，当调节器积分电容两端接收到跟踪电压后，调节器输电压，当调节器积分电容两端接收到跟踪电压后，调节器输出电流就跟随电压作相应改变，为手动出电流就跟随电压作相应改变，为手动自动无扰切换作准自动无扰切换作准备。备。跟踪触点接线端子，其作用是当操作器处于手动状态时，跟踪触点接线端子，其作用是当操作器处于手动状态时，短接短接PID调节器的微分电阻调节器的微分电阻RD。手动手动自动，只要将调节器偏差值调节为自动，只要将调节器偏差值调节为0，即能进行切，即能进行切换（因为有跟踪电压输出）。换（因为有跟踪电压输出）。自动自动手动，先调手操作器，使手操作器输出电流与调手动，先调手操作器，使手操作器输出电流与调节器输出电流相等，即能进行抗扰切换。节器输出电流相等，即能进行抗扰切换。3 3、电电/气转换器气转换器将将420mA的的电电流流信信号号转转换换成成20100KPa的标准气压信号。的标准气压信号。为了使气动调节阀能够接收电动调节器的输出信号，为了使气动调节阀能够接收电动调节器的输出信号，必须把标准电流信号转换为标准气压信号。必须把标准电流信号转换为标准气压信号。电电/气转换器作用：气转换器作用：I 吸吸力力Fi杠杠杆杆偏偏转转挡挡板板与与喷喷嘴嘴间间隙隙背背压压放放大大器器输输入入输输出出压压力力P杠杠杆杆的的反反馈馈力力Ff杠杆平衡杠杆平衡PI工作原理工作原理负反馈磁铁调零FiFf背压4 4、阀门定位器、阀门定位器气气动动调调节节阀阀中中，阀阀杆杆的的位位移移是是由由薄薄膜膜上上气气压压推推力力与与弹簧反作用力平衡确定的。弹簧反作用力平衡确定的。为为了了防防止止阀阀杆杆处处的的泄泄漏漏要要压压紧紧填填料料，使使阀阀杆杆摩摩擦擦力力增增大大，且且个个体体差差异异较较大大，这这会影响输入信号会影响输入信号P P的执行精度。的执行精度。解决措施在在调调节节阀阀上上加加装装阀阀门门定定位位器器，引引入入阀阀杆杆位位移移负负反反馈馈。使使阀阀杆杆能能按按输输入入信信号号精精确确地地确确定定自自己的开度己的开度。5 5、电、电/气阀门定位器气阀门定位器 实际应用中，常把电实际应用中，常把电/气转换器和阀门定位器结合成一体，气转换器和阀门定位器结合成一体，组成电组成电/气阀门定位器。气阀门定位器。I杠杆上端右移杠杆上端右移挡板挡板靠近喷嘴靠近喷嘴P压力压力阀杆下移阀杆下移反馈凸轮反馈凸轮右转右转反馈弹簧右拉反馈弹簧右拉杠杆平衡杠杆平衡6.3智能电动执行器智能电动执行器随着电子技术的迅速发展，微处理器也被引入到执行器随着电子技术的迅速发展，微处理器也被引入到执行器中，出现了智能电动执行器。主要功能如下：中，出现了智能电动执行器。主要功能如下：1控制及执行功能控制及执行功能2补偿及校正功能补偿及校正功能3通信功能通信功能4诊断功能诊断功能5保护功能保护功能智能电动执行机构与常规电动执行器相比与常规电动执行器相比,智能电动执行器有如下特点：智能电动执行器有如下特点：1）具有智能化和高精度的控制功能具有智能化和高精度的控制功能。可直接接收变可直接接收变送器信号，按设定值自动进行送器信号，按设定值自动进行PID调节，控制流量、压力和调节，控制流量、压力和温度等过程变量。通过组态可按折线形成多种形状的非线温度等过程变量。通过组态可按折线形成多种形状的非线性流量特性，实现对过程非线性特性的补偿，以提高系统性流量特性，实现对过程非线性特性的补偿，以提高系统的控制精度，同时也摆脱了长期以来依靠改变阀芯形状来的控制精度，同时也摆脱了长期以来依靠改变阀芯形状来改变流量特性的落后状况；改变流量特性的落后状况；（一）智能电动执行器特点（一）智能电动执行器特点2)一体化的结构设计思想一体化的结构设计思想。将位置控制器、将位置控制器、PID控控制器、伺服放大器、电制器、伺服放大器、电-气转换器、阀位变送器等装在一气转换器、阀位变送器等装在一台现场仪表中，减少了信号传输中的泄漏和干扰等因素台现场仪表中，减少了信号传输中的泄漏和干扰等因素对系统控制精度的影响；还采用电制动和断续调节技术对系统控制精度的影响；还采用电制动和断续调节技术代替机械摩擦制动技术，以提高整机的可靠性；代替机械摩擦制动技术，以提高整机的可靠性；3)具有智能化的通信功能具有智能化的通信功能。与上位机或控制系统之与上位机或控制系统之间可通过现场总线按规定的通信协议进行双向数字通信，间可通过现场总线按规定的通信协议进行双向数字通信，并构成所需要的控制系统，这是智能执行器与常规电动并构成所需要的控制系统，这是智能执行器与常规电动执行器的重要区别之一。执行器的重要区别之一。4)具有智能化的自诊断与保护功能具有智能化的自诊断与保护功能。当电源、气动部件、。当电源、气动部件、机械部件、控制信号、通信或其它方面出现故障时，均能机械部件、控制信号、通信或其它方面出现故障时，均能迅速识别并能有效采取保护措施，确保控制系统及生产过迅速识别并能有效采取保护措施，确保控制系统及生产过程的安全。程的安全。5）具有灵活的组态功能具有灵活的组态功能，“一机多用一机多用”，提高了经济效，提高了经济效益。例如，对于输入信号，可通过软件组态来选择合适的益。例如，对于输入信号，可通过软件组态来选择合适的信号源；对于执行器的运行速度和行程，也可通过组态软信号源；对于执行器的运行速度和行程，也可通过组态软件进行任意设置，所有这些都无需更换硬件。这样一来，件进行任意设置，所有这些都无需更换硬件。这样一来，只要用少量类型的智能执行器就能够满足各种工业过程的只要用少量类型的智能执行器就能够满足各种工业过程的不同需求，从而大大提高了制造商和用户的经济效益。不同需求，从而大大提高了制造商和用户的经济效益。（二）单相智能电动执行器工作原理（二）单相智能电动执行器工作原理单相智能电动执行器的结构如下图所示。单相智能电动执行器的结构如下图所示。从框图可看出：从框图可看出：来自上位调节器或变送器的模拟量信号，经处理后进来自上位调节器或变送器的模拟量信号，经处理后进人智能伺服放大器，智能伺服放大器中的微处理器定时检人智能伺服放大器，智能伺服放大器中的微处理器定时检测该输入信号与位置反馈信号。测该输入信号与位置反馈信号。当接受上位调节器信号且当接受上位调节器信号且不进行修正时不进行修正时，微处理器比较两个信号，一旦信号不平衡，微处理器比较两个信号，一旦信号不平衡，偏差超出要求值，即发出控制信号，经放大隔离后驱动智偏差超出要求值，即发出控制信号，经放大隔离后驱动智能伺服放大器中的功率晶闸管，使其导通带动电动机转动，能伺服放大器中的功率晶闸管，使其导通带动电动机转动，进而调节阀门开度，同时微处理器也将表示阀门开度的位进而调节阀门开度，同时微处理器也将表示阀门开度的位置信号转换成相应的脉冲量发往操作器的显示器。操作人置信号转换成相应的脉冲量发往操作器的显示器。操作人员可从数字操作器上观察阀门的开度。员可从数字操作器上观察阀门的开度。当接收变送器信号进入当接收变送器信号进入PI调节工作方式时调节工作方式时，微处理器，微处理器是将变送器信号与给定值进行比较，并按预先设置好的参是将变送器信号与给定值进行比较，并按预先设置好的参数数PI进行计算并发出控制信号，调节阀门，直至两个信号进行计算并发出控制信号，调节阀门，直至两个信号达到平衡。达到平衡。当进入特性修正工作方式时当进入特性修正工作方式时，微处理器将不再是仅，微处理器将不再是仅比较两种信号是否相等，而是对信号按预先设置的特性参比较两种信号是否相等，而是对信号按预先设置的特性参数进行计算，使输入信号与阀门位移呈要求的非线性关系。数进行计算，使输入信号与阀门位移呈要求的非线性关系。这样就使得改变调节阀流量特性变得很方便，为改善系统这样就使得改变调节阀流量特性变得很方便，为改善系统的稳定性提供新的方法。的稳定性提供新的方法。三相智能电动执行器三相智能电动执行器对输入信号的处理、特性修正，对输入信号的处理、特性修正，故障诊断等都一样，只是对输出信号的处理和控制软件做故障诊断等都一样，只是对输出信号的处理和控制软件做了改动。智能伺服放大器的输出进入三相功率转换器，再了改动。智能伺服放大器的输出进入三相功率转换器，再驱动三相伺服电动机工作。驱动三相伺服电动机工作。（三）调节阀流量特性修正（三）调节阀流量特性修正实现调节阀特性修正的基本原理：实现调节阀特性修正的基本原理：输入修正阀输入修正阀门的固有特性和要达到标准特性的必要参数，计算门的固有特性和要达到标准特性的必要参数，计算出达到标准特性时阀门的实际开度。通过修正可使出达到标准特性时阀门的实际开度。通过修正可使一种调节阀的流量特性变为多种，使固有特性只能一种调节阀的流量特性变为多种，使固有特性只能通过加工阀门形状来改变的阀（如蝶阀）也可修正通过加工阀门形状来改变的阀（如蝶阀）也可修正到理想特性。到理想特性。美国美国AUMA公司、德国公司、德国Siemens、美国、美国Valtek公司、美国公司、美国Neles公司、美国公司、美国Joedan公司、德国公司、德国ElsagBailey公司、美国公司、美国FisherRosmount公司、美公司、美国国Fiowserve公司、日本公司、日本Yokogawa公司、日本公司、日本Yamatake公司、英国公司、英国Rotork公司都有相应的智能公司都有相应的智能电动执行器产品。电动执行器产品。1.StarPac智能调节阀是美国福斯智能调节阀是美国福斯Valtek公司公司90年代末推出的，其基本结构和功能如下图所示。年代末推出的，其基本结构和功能如下图所示。（四）几种典型智能电动执行器（四）几种典型智能电动执行器主要技术指标主要技术指标输入信号：输入信号：420mA；RS-485位置发送信号：位置发送信号：420mA；1K 电位器电位器输入通道：输入通道：2个（电隔离）个（电隔离）基本误差：基本误差：士士1（单相）；（单相）；士士2.5（三相）（三相）死死区：区：0.5特性修正：固有特性特性修正：固有特性标准直线标准直线固有特性固有特性等百分比等百分比主要功能：工作方式选择、故障诊断与报警，电制主要功能：工作方式选择、故障诊断与报警，电制动、动、PI调节。调节。其主要性能和特点是：其主要性能和特点是：阀体的进出口部位和内部安有压力、温度检测器，阀体的进出口部位和内部安有压力、温度检测器，阀杆内安装阀位检测器。气缸执行机构进出口安装空气压阀杆内安装阀位检测器。气缸执行机构进出口安装空气压力检测器。这些检测器的输出信号都送到内装的微处理器。力检测器。这些检测器的输出信号都送到内装的微处理器。能进行压力、温度、流量的测量和自动控制。流量测能进行压力、温度、流量的测量和自动控制。流量测量是根据阀门开度所对应流量系数值及阀门前后压差由微量是根据阀门开度所对应流量系数值及阀门前后压差由微处理器进行计算，还可以对此流量进行温度补偿。也可构处理器进行计算，还可以对此流量进行温度补偿。也可构成串级控制回路。温度控制同样可按要求构成控制回路。成串级控制回路。温度控制同样可按要求构成控制回路。压力控制可根据对象是上游还是下游压力加以选择构成回压力控制可根据对象是上游还是下游压力加以选择构成回路，根据路，根据ISA规定，上、下游的取压位置和配管情况有关，规定，上、下游的取压位置和配管情况有关，但从智能调节器作为一个整体设备考虑，取压口仍设在阀但从智能调节器作为一个整体设备考虑，取压口仍设在阀体进出口上；必要时可通过微处理器进行换算加以修正。体进出口上；必要时可通过微处理器进行换算加以修正。调节阀在运行过程中，随时根据气缸进出口压力，阀调节阀在运行过程中，随时根据气缸进出口压力，阀位的变化以及温度、压差、流量变化等工艺参数，分析位的变化以及温度、压差、流量变化等工艺参数，分析调节阀的动态工作状态包括流量特性的变化，实时进行调节阀的动态工作状态包括流量特性的变化，实时进行故障诊断，进行必要的调整和校准。故障诊断，进行必要的调整和校准。具有事故预测、监视、报警及事故切断的程序，实具有事故预测、监视、报警及事故切断的程序，实现安全运行。现安全运行。与上位机控制系统（与上位机控制系统（DCS、主计算机系统）的连接、主计算机系统）的连接用用420mA模拟信号或模拟信号或RS485串行数字信号的通信方串行数字信号的通信方式，二者可任选。但与主机的连接，进行组态、校准、式，二者可任选。但与主机的连接，进行组态、校准、数据检索与故障诊断等重要通信采用数字通信方式。数据检索与故障诊断等重要通信采用数字通信方式。2.IKZL智能型电动执行器智能型电动执行器IKZL智能型电动执行器由上海自动化仪表股份有限公司下属自动化仪表十一厂研制。它采用现代高效单片MCU和外围芯片组成控制单元，接收统一标准直流信号，经过运算处理后，最终驱动交流电机输出与之相对应的直线位移。该机构可方便与调节阀配套成自动调节阀，具备调节阀本身所要求的各种动作变换功能，适用于电力、冶金、石油、化工及轻工等工业部门。其主要特点：(1)以单相交流220V电源为动力；(2)采用高性能导电塑料电位器为位置传感器，精确度高、寿命长；(3)用永磁式交流同步电机作驱动电机，短时间超负荷情况下不会损坏；1.IKZL智能型电动执行器IKZL智能型电动执行器由上海自动化仪表股份有限公司下属自动化仪表十一厂研制。它采用现代高效单片MCU和外围芯片组成控制单元，接收统一标准直流信号，经过运算处理后，最终驱动交流电机输出与之相对应的直线位移。该机构可方便与调节阀配套成自动调节阀，具备调节阀本身所要求的各种动作变换功能，适用于电力、冶金、石油、化工及轻工等工业部门。其主要特点：(1)以单相交流(2)采用高性能导电塑料电位器为位置传感器，精确度高、寿命长；(3)用永磁式交流同步电机作驱动电机，短时间超负荷情况下不会损坏；(4)内置记忆芯片于控制部件，在输入电压低于额定电压前的瞬间，自动记下现场数据，当输入电压恢复正常后，能保证系统继续工作；(5)备有标准(6)除自动跟踪输入信号实现阀门的开度操作外，也可在现场以手动操作按键方式电动改变阀门开度；(7)当执行机构控制电路中发出开或关的命令后，执行机构在6s内不动作，将被判定为电机堵转，并停止发出开或关命令，执行机构将停止运行。直到仪表被复位后，才可再次投入使用。(8)仅配上输入信号线及单相交流电源线即可控制运转而无需另配伺服放大器；(9)该执行器设计成全封闭，防尘、防水。采用MCU控制，无需开盖，就可进行机械行程设定，输入信号标定，且操作简单、方便；(4)内置记忆芯片于控制部件，在输入电压低于额定电压前的瞬间，自动记下现场数据，当输入电压恢复正常后，能保证系统继续工作；(5)备有标准RS-485通信口。(6)除自动跟踪输入信号实现阀门的开度操作外，也可在现场以手动操作按键方式电动改变阀门开度；(7)当执行机构控制电路中MCU发出开或关的命令后，执行机构在6s内不动作，将被判定为电机堵转，同时显示器出现闪烁，并停止发出开或关命令，执行机构将停止运行。直到仪表被复位后，才可再次投入使用。(8)仅配上输入信号线及单相交流电源线即可控制运转而无需另配伺服放大器；(9)该执行器设计成全封闭，防尘、防水。采用MCU控制，无需开盖，就可进行机械行程设定，输入信号标定，且操作简单、方便；3.ONTRACMOE700/MME800系列智能电动执行器系列智能电动执行器该系列智能电动执行器是重庆川仪十厂由德国H&B公司(现属ABB集团)引进并推出的。MOE700系列为数字调节型-S2控制模式，MME800系列为连续调节型-S4控制模式。它们采用机械自锁的蜗轮、蜗杆结构，三相电机变频驱动和智能化监控、数字检测技术，其运行速度和力矩可在线或离线宽范围设定，标准化程度高。具有功能强大，使用简单和维护量小的特点，配上不同减速装置，可输出角位移(力矩可达40000Nm)和直线位移(推力可达80KN)，驱动各类阀体或挡板。其主要特点如下：其主要特点如下：(1)高度智能化设计，位移、力矩、速度等全方位微处理器现代控制技术，组态灵活，功能强大；(2)电子化、数字化霍尔传感器检测，精确度高、可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强；复合传感，位移、速度和转向由同一传感器检测；(3)组态方法有本机控制、遥控或系统在线3种方式，简化了调试和设置操作；(4)电机速度、负载变频控制，不受电源电压波动影响，同一产品应用面宽，备品少；(5)高可靠设计，电子化监控、诊断、报警等，功能齐备，正常工作参数值为报警保护值的一半；电子参数调控型代替原机械额定值型，大大提高执行机构可靠性、可控性和寿命。(6)输入、输出方式组态灵活，数字量、脉冲量、模拟量和现场总线方式根据需要选配，具有广泛的适用性；(7)定位平稳，反向、减速制动，平滑定位；(8)蜗轮、蜗杆机械传动结构，具有逆向自锁特性，电机无需刹车，维护量少；(9)防护等级IP67，可选IP68。4.IQ系列智能电动执行器系列智能电动执行器英国罗托克(ROTORK)公司于90年代推出了智能型电动执行器(IQ系列)，与普通执行器相比具有如下特点：(1)便利的参数遥控设定功能。投入使用前，只要使用由厂家提供的专用设定工具，对准执行器就可进行参数的遥控设定。不仅简化了设定工作程序，还提高了设备安全运行性，特别是那些要求防爆的场所尤为重要；(2)丰富的在线显示功能。采用液晶显示技术，利用内置式液晶显示板，不仅可准确显示阀门开、关状态和正常阀门开度等，且在参数设定或执行器有故障时，也能显示出重要信息；(3)完善的自诊断及保护功能。它可在线诊断出伺服电机过载、过热情况及电源的状态等，还能自动识别三相电源相位，紧急情况时，执行器可保位或运行到预先设定的安全位置；(4)先进的控制功能。采用了计算机技术，把先进自动跟随控制技术设计为它的一项标准功能。执行器响应速度与实际要求偏差大小成比例，即所谓的“变速控制”，大大提高了执行器响应品质；(5)较强的现场适应性。整机设计具有IP54级防护能力，且对执行器内部与外部信号的口也都采用光电隔离技术，提高了可靠性、特别是执行器内部控制卡件采用了防震固定法，所有接插件都带有“反扣”以防松动，积木式结构使维修非常方便。1.执行机构的作用是什么？执行机构的分类如何执行机构的作用是什么？执行机构的分类如何？2.型电动执行机构由哪几部分组成？各部分起何作用？整机是按型电动执行机构由哪几部分组成？各部分起何作用？整机是按什么原理进行工作的什么原理进行工作的？3.现测得三种流量特性的有关数据见下表。试分别计算其相对开度在现测得三种流量特性的有关数据见下表。试分别计算其相对开度在10%、50%、80%各变化各变化10%时的相对流量的变化量，并剧此方析它们时的相对流量的变化量，并剧此方析它们对控制质量的影响和一些选用原则。对控制质量的影响和一些选用原则。练练习习相对开度l/L(%)相对流量q/qmax(%)0102030405060708090100直线流量特性3.313.022.732.342.051.761.371.080.690.3100对数流量特性3.34.676.589.2613.018.325.636.250.871.2100快开流量特性3.321.738.132.665.275.884.591.396.1399.03100