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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 执行器,概述,执行机构,调节机构,调节阀的流量系数和流量特性,阀门定位器,执行器的选择计算和安装,气动薄膜,直通单座阀,气动薄膜,直通双座阀,气动蝶阀,气动球阀,气动切断阀,电动,直通单座阀,电动,隔膜阀,电动,三通阀,气动薄膜,角形阀,电磁阀,手动截止阀,对执行器的初步认识,执行器在自控系统中的作用,执行器是指：阀门调节阀(连续的)、开关阀,(过程控制范畴),电机连续的、开关的,(属于流体机械的范畴，起执行器的作用),执行器是控制系统必不可少的环节,。,执行器工作，使用条件恶劣，,它也是控制系统最薄弱的环节,原因：执行器与介质（操作变量）直接接触,(强)腐蚀性、(高)粘度、(易)结晶、,高温、深冷、高压、高差压,执行器在自控系统中的作用：接收调节器（计算机）输出的控制信号，使调节阀的开度产生相应变化，从而达到调节,操作变量流量,的目的。,执行器通常专指阀门,执行器的构成,图6-2 气动薄膜调节阀的外形和内部结构,1薄膜 2平衡弹簧 3阀杆 4阀芯 5阀体 6阀座,P,O,气动执行机构,调节机构,1,2,3,4,5,6,执行器由,执行机构,和,控制（调节）机构,两个部分构成,辅助装置：阀门定位器 和 手动操作机构,执行机构,调节机构,P,O,I,O,F,l,M,流通截面积,操纵变量的流量,执行机构,根据控制信号产生推力(薄膜、活塞、马达)。,它是执行器的推动装置，它按控制信号的大小产生相应的推力，推动控制机构动作，所以它是将信号的大小转换为阀杆位移的装置,控制机构,根据推力产生位移或转角，改变开度,。,它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的装置,手操机构,手轮机构的作用是当控制系统因停电、停气、控制器无输出或执行机构失灵时，利用它可以直接操纵控制阀，以维持生产的正常进行。,直通双座调节阀,直通单座调节阀,笼式（套筒）调节阀,角型调节阀,三通调节阀,高压调节阀,隔膜调节阀,波纹管密封调节阀,超高压调节阀,小流量调节阀,低噪音调节阀,直,行,程,式,调,节,机,构,角,行,程,式,调,节,机,构,同一类型的气动/电动调节阀，分别采用气动执行机构和电动执行机构,蝶阀,凸轮挠曲调节阀,V,型球阀,O,型球阀,分类,按使用的调节机构：,反作用：,当输入信号增大时，流过执行器的流量减小,气动调节阀通常称为气关阀,正作用：,当输入信号增大时，执行器的开度增大，即流过执行器的流量增大,气动调节阀通常称为气开阀,执行器的作用方式,从安全生产的角度来确定正反作用,H,如果，介质是由强腐蚀性的，再生产过程中不允许溢出，调节阀的作用形式？,如果后面的环节不允许没有物料，调节阀的作用形式？,根据控制信号的大小，产生相应的输出力,F,和位移,M,(,直线位移,l,或角位移,),输出力,F,用于克服调节机构中流动流体对阀芯产生的作用力或作用力矩，以及摩擦力等其他各种阻力；,位移,(,l,或,),用于带动调节机构阀芯动作,2. 执行机构,气动执行机构,电动执行机构,气动执行机构主要分为两大类：薄膜式与活塞式,薄膜式与活塞式执行机构又可分为：有弹簧和无弹簧两种,2.1. 气动执行机构,气源 P,O,气动薄膜式执行机构基本结构和工作原理,气源P,O,气动执行机构的动态特性为一阶滞后环节。其时间常数的大小与薄膜气室大小及引压导管长短粗细有关，一般为数秒到数十秒之间。,气动活塞式执行机构基本结构和工作原理,基本部件：活塞和气缸,活塞在气缸内随活塞两侧压差而移动,两侧可以分别输入一个固定信号和一个变动信号，或两侧都输入变动信号。,它的输出特性有比例式及两位式两种。,两位式是根据输入执行活塞两侧的操作压力的大小，活塞从高压侧推向低压侧，使推杆从一个位置移到另一极端位置,比例式是在两位式基础上加有阀门定位器后，使推杆位移与信号压力成比例关系。,P,1,P,2,构成原理,2.2. 电动执行机构,RETURN,输入信号,伺服放大器,伺服电机,减速器,输出,位置发生器,供参考,调节机构是执行器的调节部分，在执行机构的输出力和输出位移作用下，调节机构阀芯的运动，改变了阀芯与阀座之间的流通截面积，即改变了调节阀的阻力系数，使被控介质流体的流量发生相应变化。,3. 调节机构,1执行机构,2,阀杆,3,阀芯,4,阀座,5,阀体,6,转轴,7,阀板,主要构成：阀体、阀座、阀心、和阀杆或转轴,调节机构的结构和特点,单导向结构,直通单座调节阀：,阀体内只有一个阀芯和一个阀座。,结构简单、泄漏量小（甚至可以完全切断）,允许压差小,（双导向结构的允许压差较单导向结构大）,。,常用调节阀结构示意图及特点直通单座调节阀,双导向结构,它适用于要求泄漏量小，工作压差较小的干净介质的场合。在应用中应特别注意其允许压差，防止阀门关不死。,直通双座调节阀：,阀体内有两个阀芯和阀座 。,因为流体对上、下两阀芯上的作用力可以相互抵消，因此双座阀具有允许压差大,上、下两阀芯不易同时关闭，因此泄漏量较大的特点。,常用调节阀结构示意图及特点直通双座调节阀,均为双导向结构,它适用于阀两端压差较大，泄漏量要求不高的干净介质场合，不适用于高粘度和含纤维的场合。,角形调节阀：,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,分流三通调节阀,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。,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，造成连接处泄漏或损坏。,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,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,泄漏较大,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：,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,“O”形球阀：,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,“V”形球阀：,阀芯也为一球体,但球体上开孔为,V,形口，随着球体的旋转，流通截面积不断发生变化，但流通截面的形状始终保持为三角形。,该阀结构简单，维修方便，关闭性能好，流通能力大，可调比大,流量特性近似为等百分比特性，适用于纤维、纸浆及含颗粒的介质。,常用调节阀结构示意图及特点“V”形球阀,“V”形球阀,孔板流量计的公式？,4. 流量系数和流量特性,调节阀的流量方程,依据的原理：伯努利方程（能量守恒）,流量系数是反映调节阀口径大小的一个重要参数,流量系数,K,V,的定义,:,在调节阀前后压差为100KPa，,流体密度为1g/cm,3,（即540的水）的条件下，,调节阀全开时，,每小时通过阀门的流体量（m,3,）,4.1. 调节阀的流量系数,把上述参数代入流量方程，即可算出实际工况的流经阀门的流量,事实上，这里提出流量系数的概念，用意不在流量的计算上，真正目的是,根据工艺要求如何来选择一台合适的调节阀。,根据工艺要求，即流量Q、前后差压P、介质密度，可以用下式来计算调节阀的流量系数，并以此来作为阀门口径选择的依据之一：,注意：上式中各参数的单位,上式只适用于一般的流体（如水或者类似流体）,流体的种类和性质将影响K,V,的大小，因此对不同的流体必须考虑其对流量系数的影响,流体的流动状态也将影响K的大小,流量系数的计算,可调比R反映调节阀的调节能力的大小,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。,4.2. 调节阀的可调比,理想可调比由结构设计决定，通常,R=30 或 50,(1) 理想可调比R (P 一定),串联管道时的可调比,设,(2)实际可调比 Rr (P 变化),并联管道时的可调比,R,1,设,供参考,调节阀流量特性：介质流过调节阀的相对流量与相对位移（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,4.3. 调节阀的流量特性,最大流量,最大位移,实际位移,实际流量,调节阀的固有特性，由阀芯的形状所决定,。,1-快开特性,2-直线特性,3-抛物线特性,4-等百分比（对数）特性, 理想流量特性 (P 一定),特点：,调节阀的相对流量与相对位移成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数,b. Q,流量相对变化值,(1) 直线流量特性,特点：,a.,Q,放大系数,单位相对位移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,b.,流量相对变化值是常数,(2) 等百分比流量特性（对数流量特性）,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值的平方根成正比关系,(3) 抛物线流量特性,为了弥补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。,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,有效位移一般为阀座直径的1/4,适用于迅速启闭的位式控制或程序控制系统,(4) 快开流量特性,上述4种流量特性中：直线和等百分比最常用。,(1)串联管道时,*,流量特性发生畸变,直线特性,快开特性,等百分比特性,直线特性,* 可调比减小, 工作流量特性 (P 变化),(2)并联管道时的工作流量特性,通常一般,X,值不能低于0.8，,即旁路流量只能为总流量的百分数之十几。,可调比将大大下降,供参考,执行器的选用是否得当，将直接影响控制系统的控制质量、安全性和可靠性,执行器的选择，主要是从以下三方面考虑：,1.调节阀的结构形式；,2.调节阀的流量特性；,3.调节阀的口径。,5. 执行器的选择计算,执行机构的选择,5.1. 执行器结构形式的选择,比较项目,气动薄膜执行机构,电动执行机构,可靠性,高（简单、可靠）,较低,驱动能源,需另设气源,简单方便,价格,低,高,输出力,大,小,刚度,小,大,防爆,好,差,工作环境,大（4080）,小（1055）,可以根据实际使用要求，综合考虑确定,选择执行机构时，还必须考虑执行机构的,输出力（力矩）应大于它所受到的负荷力（力矩）,负荷力（力矩）包括流体对阀芯产生的作用力（不平衡力）或作用力矩（不平衡力矩）阀杆的摩擦力、重量以及压缩弹簧的预紧力,对于气动薄膜执行机构:工作压差小于最大允许压差,但当所用调节阀的口径较大或压差较高时，执行机构要求有,更,大的输出力，此时可考虑用,活塞式执行机构,，也可选用,薄膜执行机构,再配上,阀门定位器,。,(1)执行机构的选择,气开式调节阀:有信号压力输入时阀打开,无信号压力时阀全关,气关式调节阀:有信号压力时阀关闭,无信号压力时阀全开,气开气关的选择考虑原则是：,信号压力中断时，应保证设备和操作人员的发全，如阀门处于打开位置时危害性小，则应选用气关式；反之，则用气开式。,确定整个调节阀的作用方式,主要依据是：,（1）,流体性质,如流体种类、粘度、腐蚀性、是否含悬浮颗粒,（2）,工艺条件,如温度、压力、流量、压差、泄漏量,（3）,过程控制要求,控制系统精度、可调比、噪音,根据以上各点进行综合考虑，并参照各种,调节机构的特点及其适用场合，同时兼顾经济,性，来选择满足工艺要求的调节机构。,(2) 调节机构的选择,实际上是指如何选择直线特性和等百分比特性,经验准则,:,适当地选择调节阀的特性，以阀的放大系数的变化来补偿控制对象放大系数的变化，使控制系统总的放大系数保持不变或近似不变,（1）考虑系统的控制品质,5.2. 执行器流量特性的选择,调节阀在串联管道时的工作流量特性与S值的大小有关，即与工艺配管情况有关。因此，在选择其特性时，还必须考虑工艺配管情况。,（,2）考虑工艺管道情况,P182 表5-5,具体做法:,直线特性调节阀在小开度时流量相对变化值大，控制过于灵敏，易引起振荡，且阀芯、阀座也易受到破坏，因此在S值小、负荷变化大的场合，不宜采用。等百分比特性调节阀的放大系数随调节阀行程增加而增大，流量相对变化值是恒定不变的，因此它对负荷变化有较强的适应性。,（,3）考虑负荷变化情况,结论：,常用的调节阀流量特性为“线性”和“等百分比”,在设计过程中，当流量特性难以确定时，优先选用“等百分比”特性，它的适应性更强。,首先必须要合理确定调节阀流量和压差的数据。,通常把代入计算公式中的流量和压差分别称为计算流量和计算压差。,而在根据计算所得到的流量系数选择调节阀口径之后，还应对所选调节阀开度和可调节比进行验算，以保证所选调节阀的口径能满足控制要求。,依据流量系数,5.3.调节阀的口径选择,就是根据工艺参数计算出K，然后根据K选取一个K,v,值差不多的调节阀。,最大计算流量是指通过调节阀的最大流量，其值应根据工艺设备的生产能力、对象负荷的变化、操作条件变化以及系统的控制质量等因素综合考虑，合理确定,。,避免两种倾向：过多考虑余量,只考虑眼前生产,选择调节阀口径的步骤,（1）,确定计算流量,计算压差是指最大流量时调节阀上的压差，即调节阀全开时的压差,（2）,确定计算压差,确定计算压差时必须兼顾调节性能和动力消耗两方面，即应合理,选定S值,。,2) 在最大流量的条件下，分别计算系统内调节阀之外的各项局部阻力所引起的压力损失，再求出它们的总和P,F,。,3) 选取,S,值,S,值一般希望不小于0.3，常选,4) 求取调节阀计算压差P,V,计算压差确定步骤如下：,1) 选择调节阀前后最近的压力基本稳定的两个设备作为系统的计算范围。,根据已求得的,Kmax,，在所选用的产品 型式的标准系列中，选取大于,Kmax,并与其最接近的那一挡,Kv,值,（P.169,表6-3),根据已决定的计算流量和计算压差，求得最大流量时的流量系数,Kmax,（3）,计算流量系数,K,max,（4）选取流量系数,K,V,最大计算流量时的开度不大于90%,最小计算流量时的开度不小于10%,直线特性调节阀,等百分比特性的调节阀,（5）验算调节阀开度,（6）验算调节阀实际可调比,须满足,根据值决定调节阀的公称直径Dg和阀座直径dg,（7）确定调节阀口径,（P.169表6-3),6 电气转换器/阀门定位器,电气转换器,电气阀门定位器,压缩空气过滤器,阀门定位器,将控制信号（I,0,或P,O,），成比例地转换成气压信号输出至执行机构，使阀杆产生位移,可见，阀门定位器与气动执行机构构成一个负反馈系统（,各参数的名称?如被控变量等,),阀杆位移量通过机械机构反馈到阀门定位器，当位移反馈信号与输入的控制信号相平衡时，阀杆停止动作，调节阀的开度与控制信号相对应。,阀门定位器可以采用更高的气源压力，从而可增大执行机构的输出力,在什么情况下需要使用阀门定位器？,答：大口径阀门，或者要求由较大输出力的阀门等（小口径阀门一般较少使用）,阀门定位器与执行机构安装在一起，因而可减少调节信号的传输滞后。此外，阀门定位器还可以接受不同范围的输入信号，因此采用阀门定位器还可实现分程控制。,按结构形式，阀门定位器可以分为:,电/气阀门定位器,气动阀门定位器,智能式阀门定位器。,电气,阀门定位器,电,气阀门定位器作用：,1.将420mA或010mA转换为气信号，用以控制气动调节阀,2.它还能够起到阀门定位的作用,当输入I,O,对主杠杆2产生向左的力F,1,主杠杆绕支点反时针偏转,挡板13靠近喷嘴15,P,a,使阀杆向下移动,并带动反馈杆9绕支点4偏转,凸轮5也跟着逆时针偏转,从而使反馈弹簧11拉伸,最终使阀门定位器达到平衡状态。此时，一定的信号压力就对应于一定的阀杆位移，即对应于一定的阀门开度。,Pa,特性,K,i,I,o,F,i,l,i,M,i,K,1,P,a,K,2,L,K,f,F,f,l,f,M,f,K,i,I,o,F,i,l,i,M,i,K,1,P,a,K,2,L,K,f,F,f,l,f,M,f,阀杆位移和输入信号之间的关系取决于转换系数K,i,、力臂长度,l,i,以及反馈部分的反馈系数K,f,，而与执行机构的时间常数和放大系数，即执行机构的膜片有效面积和弹簧刚度无关，因此阀门定位器能消除执行机构膜片有效面积和弹簧刚度变化的影响，提高执行机构的线性度，实现准确定位。,气动阀门定位器,原理与前者完全相同,气动,力矩平衡式阀门定位器要将正作用改装成反作用，只要把波纹管的位置从主杠杆的右侧调到左侧即可。,
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