《运算器和执行器》PPT课件.ppt

运算器乘除器和开方器执行器气动执行器模拟控制仪表的运用,第3章运算器和执行器,运算器接受来自变送器或转换器的统一标准信号，它可对一个或几个输入信号进行加、减、乘、除、平方、开方等多种运算，以实现各种算法，满足自动检测和控制系统的要求。执行器接受来自调节器的控制信号，由执行机构将其转换成相应的角位移或直线位移，去操纵调节机构（调节阀），改变控制量，使被控变量符合预期要求。,3.1运算器,3、1、1乘除器（一）概述乘除器可对两个或三个1-5V的直流电压信号进行下列四种运算，运算结果以1-5V直流电压或4-20MA直流电流输出。,乘除器最基本的运算关系是乘除复合运算，而实现乘除复合运算的基础是乘法运算。,1、乘法运算的实现方法可用霍尔元件的霍尔效应，也可用单向矩形脉冲或正、负矩形脉冲的调宽调高原理来构成乘法线路。在电动仪表中，目前普遍应用单向矩形脉冲的调宽调高原理实现乘法运算。乘法电路由调宽电路、调高电路和滤波电路串联而成。其中调高电路和滤波电路通常称为乘法电路M。,此电路实现：,对于单向矩形脉冲（图3-1），其直流分量为：,矩形脉冲周期,矩形脉冲幅值,矩形脉冲宽度,直流分量,乘法运算的实现方法,图3-3乘除器构成方框图,乘除器的构成原理负反馈,输入电路1N1,乘法电路1,比较器,比例放大电路N0,输出电路,输入电路2N2,附加偏置电路1,乘法电路2,附加偏置电路2,输入电路3N3,Ui1,Ui2,Ui3,Uo3,+,Uf,S,U22,Uo2,Uo,U11,U31,U21,U23,图3-4乘除器方框图,自激振荡时间分割器U22U11U21/U31,（二）工作原理,2、应用负反馈原理构成乘除器简单乘法电路难以达到运算精度的要求，因为是开环的，电路元件变量的漂移会造成输出不稳定，并且很难保证调宽电路S和X1的线性关系。为了提高运算精度，应采用负反馈技术，即在X1与S间设置一个放大系数足够大的放大器，而在反馈回路上再设置一套调高和滤波电路（即乘法电路M2，其系数为K3）。电路的第三个输入信号X3（作为除数）加入新增的调高电路。设放大器的放大系数为K，放大器的输入偏差信号为，放大器的输入偏差信号为Xf,则可得到：,求解上述四式可得：,当,，即满足深度负反馈条件时，则有：,设,，则：,上式即为乘除复合运算的关系式。此式表明，在满足深度负反馈条件下，乘除器的输出信号的大小仅与输入信号有关而不受电路变量漂移和非线性的影响。,3、1、2开方器（一）概述开方器对1-5V的直流电压信号进行开方运算，运算结果以1-5V的直流电压或4-20MA的直流电流输出。其运算关系为：,其中K为开方系数。开方器的作用是实现开方运算，它是控制系统中经常使用的一种运算器。通常运用于节流式流量计中，对差压变送器的输出信号进行开方运算后可以得到与被测流量成比例的信号。实现开方运算有许多方法，对乘除器作适当改动或者直接使用乘除器都可以。但一般来说在开方器中还设有小信号切除电路，这是因为开方器对小信号的运算精度很低，而乘除器中没有小信号切除电路，所以在工程上还是比较少用乘除器来实现开方运算的。一般还是用开方器,开方器在节流装置流量测量中的应用,差压变送器,节流装置,开方器,指示记录仪,比例积算器,控制器,瞬时流量,累计流量,q,P,x,y,开方运算的实现,通过改变乘除器信号线的连接方式来实现开方运算或对乘除器线路作适当改进，也可采用折线逼近和应用霍尔元件等方法来实现。,小信号切除,2,y=K,dy,dx,=,由,可得,K,可见，x很小时,动态放大系数很大，x稍有波动，就会引起输出y的很大变化，造成开方器在小信号输入时的较大运算误差。所以,在信号小于输入满量程的1%时，应将输出信号切除。,图3-13开方器方框图,（二）工作原理,振荡条件：,自激振荡时间分割器的起振条件,实际的切除值可通过UL来调整,小信号切除电路,开方器的输入输出特性,一、开方器的构成原理,在模拟式仪表中有许多种方法可以实现开放运算。如利用二极管的开关作用构成折线电路，并通过调整电路元件的参数，使其输入与输出之间呈开放运算特性，如图42（a）所示。,另外，也可以利用负反馈原理，将此折线电路先设计为平方特性，并将其放置在反馈通道中，从而实现整机输入与输出之间的开放运算特性，如图42（b）所示。,图42开方特性实现原理,在单元组合仪表中，还有一种开方器是由乘除器演变来的，这种乘除器构成比较复杂，但其运算精度比较高，所以在控制系统中得到较为广泛的应用。其构成原理如图43所示。,对于实际的开方器，除图45所示的核心电路外，还需要加入一些电路。以DDZ-型开方器为例，其开方运算式为,式中，为输入信号；为输出信号；为开方系数。,其中的就是要把与运算无关的1V零点值除去，所以在电路中要加入输入电路对此进行处理。还有，为实现整机系数的调整和提高带负载能力，还需加入比列放大电路和输出电路等。另外，在开方器中还需要加入小信号切除电路，以便解决开方器对小信号运算精度较低，可引起较大误差的问题。,对式（411）两边求导后可得,(4-11),可视为开方器的放大倍数。由上式可知，开方器的放大倍数与有关。当输入信号很小时，开方器的放大倍数将很大。这时，如果稍有波动，则开方器的输出将发生很大的变化，这将引起较大的运算误差，从而对测量或控制系统造成不利影响。因此，在输入信号较小时，通常将输出信号切除，使之为零点值。而当信号足够大时，再将输出信号重新接入，以避免上述问题的发生。,二、DDZ-型开方器,DDZ-型开方器的作用是对1-5VDC的输入信号进行开方运算，运算结果以1-5VDC或4-20ADC输出，其运算关系式为式（4-15）即,DDZ-型开方器的构成,DDZ-型开方器的构成原理如图4-6所示，由输入电路、开方运算电路、小信号切除电路及输出电路等组成。图4-6中的虚线部分为开方运算电路，由比较器、乘法电路1、乘法电路2和比例放大电路组成，为开方器的核心电路。由该虚线部分可以列出,3.1.3积算器,积算器属于显示单元仪表，其作用是是对输入信号进行累计计算。积算器分为两种，一种是比例积算器，另一种是开方积算器。,一、积算的基本概念与原理,由此可见，流量的累计积算是把反映瞬时流量大小的输入信号转换成与该输入信号成正比的脉冲频率信号，然后再对该脉冲频率信号进行计数，用该计数值表示所流过的流体总量。所以，流量累计积算的关键问题是如何将反映瞬时流量的输入信号（电流或电压信号）转换为与其成正比的脉冲信号。对于开方积算器，其输入信号一般为与节流装置配套使用的差压变送器的输出信号。为获得与瞬时流量成正比的信号，需先对差压变送器的输出信号进行开方处理，然后再对经开方处理后的信号进行比例积算，从而实现流量的累计积算。由于该累计积算过程先对输入信号进行开方处理，所以称为开方积算器。由开方积算器对信号的处理过程可知，它相当于开方器与比例积算器的组合。所以，其核心问题仍然是电流（或电压）信号到脉冲频率信号的转换问题。电流信号转换为脉冲频率信号可通过电容的充放电来实现，其转换原理如图4-14（a）所示。当开关S断开时，电流Ii向电容C充电。C两端的电压Uc与充电电流之间关系为,对于一定的充电电流Ii，Uc将线性增加。当电容上的电压Uc达到某一标准值时，由外部控制电路使开关S闭合。此时电容进入放电过程Uc将瞬间消失。然后，外部控制电路再次使开关S断开，电容再次充电，并重复上述过程。如此循环往复，电容C上的电压Uc便可形成如图4-14（b）所示的锯齿波。由式（4-33）可知，在电容充电阶段，Uc随时间的变化率与充电电流Ii成正比，即Ii越大，充电越快，达到Uc所需的时间就越短。由于放电过程极快，其时间可以忽略不计。所以，在单位时间内电容C的充放电次数就与充电电流Ii成正比，即锯齿波的频率与充电电流Ii成正比。充电电流Ii与锯齿波频率之间的关系可由式（4-33）导出。即设在一个周期内，Ii不变，则由式（4-33）可得,例：有一台气动表QXS100开方积算仪，R1000，今要它跳500个字，它的输入信号应等于多少？,解：设跳字数为N，最大跳字数为N大（都是指在单位小时内跳的数）因为P入Po+P,P=(KN)2PMAX=(KN大）2其中Po20，PMAX80，N大1000所以P/PMAX（KN/KN大）2P（N/N大）2PMAX（500/1000)2PMAX20KPA于是P入20+（500/1000）2*8020+2040KPA,气动乘法器的运算公式是：P出PA*PB。若PA60KPA，PB40KPA，则P出应该为多少？24KPA？8KPA？30KPA？,采用一个气动减法器和一个乘法器，实现算式Y（P1P2）*P3.若P180KPA，P240KPA，P360KPA，则Y为多少？减法器不用减去零点，得：P1P240乘法器得把零点减去并先转换成分数：Y(（4020）/80*(60-20)/80)*80+20=30KPA,3.2执行器,气开、气关阀（芯）结构及其特点流量系数Kv可调比R流量特性（重点2种）阀门定位器（了解）执行器的简单计算安装,关键点：,3、2、1概述一、作用执行器的作用是接受调节器送来的控制信号，自动地改变操作量（如介质流量、热量等），达到对被调参数进行调节的目的。是自动调节系统的终端部件。调节阀是执行器中最广泛使用的形式。执行器的好坏直接影响到调节系统的正常工作。,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,二、分类按能源分，执行器可为：气动、电动、液动，目前主要是用气动的。,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,3、2、2电动执行器电动执行器由电动执行机构和调节机构两部分组成。电动执行机构可将来自调节器的电信号转换成为位移输出信号，去操纵阀门、挡板等调节机构，以实现自动调节。依据电动执行机构的位移信号，完成调节任务的装置称为调节机构。按照输入位移的不同，电动执行机构可分为角行程（DKJ型）和直行程（DKZ型）两种，电气原理和电路完全相同，只是输出机械传动部分（减速器）有所区别。通常有伺服放大器和执行机构两部分组成。角行程执行机构适用于操纵蝶阀、挡板等转角式调节机构。按特性不同，电动执行机构可分为比例式和积分式。比例式的位移输出信号与输入电信号成比例关系；积分式接受断续输入信号，其输出位移信号与输入信号成积分关系。对电动执行器的基本要求是输出转角或直线位移必须与输入电流信号成正比，而且有足够的转矩或力，动作要灵活可靠。,电动执行机构构成原理,输入信号,伺服放大器,伺服电机,减速器,输出,位置发生器,(1)伺服电机,作用:将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。,作用:将输入信号和反馈信号进行比较，得到差值信号，根据差值信号的极性和大小，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,(2)伺服放大器,伺服放大器工作原理示意图,放大器的作用是将输入信号Ii和反馈信号If进行比较，得到差值信号，并根据的极性和大小，控制可控硅交流开关、的导通或截止。,在执行机构工作时，可控硅交流开关、只能其中一组导通。,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。,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位移传感器,(3)位置发送器,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。,(4)减速器,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？,3、2、3气动执行器主要特点：结构简单、动作可靠、性能稳定、故障率低、价格便宜、维护方便、本质防爆、容易做成大功率等。由执行机构与调节机构两部分组成。1、执行机构有薄膜式和活塞式两种。薄膜式简单、价廉但只能直接带动阀杆，行程短。活塞式的特点是行程长，但价格贵。执行机构是推动装置，它按调节器输出信号（20-100KPA）的大小产生相应的推力，使执行机构推杆产生相应位移，推动调节机构动作，有正反作用之分。调节机构是执行器的调节部分，其内腔直接与被调介质接触，调节流体的流量，也有正反作用之分（正装与反装）。正作用：调节信号压力增大，阀杆向下移动的。反之为反作用。主要部分：气室、薄膜、弹簧。活塞式的执行机构也有单向和双向两种作用方式。双向的在结构上是没有弹簧的，由于无弹簧的反作用力，因此其输出力比薄膜式的大，常用作大口径、高压差调节阀的执行机构。,正反作用正作用气压信号增加，推杆向下动作。反作用气压信号增加，推杆向上动作。,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,气源PO,气源PO,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。,气动薄膜式执行机构和电动执行机构的比较,序号,1,2,3,4,5,6,7,比较项目,气动薄膜执行机构,电动执行机构,可靠性,驱动能源,价格,输出力,刚度,防爆性能,工作环境,高（简单、可靠）,需另设气源装置,低,大,小,好,大（4080）,小（1055）,差,大,小,高,简单、方便,较低,气动和电动执行机构各有其特点，并且都包括有各种不同的规格品种选择时，可以根据实际使用要求，结合表5-1综合考虑确定选用哪一种执行机构。,2、调节机构它是执行器的调节部分。在执行机构推力的作用下，调节机构的阀芯产生一定的位移或转角，从而直接调节流体的流量，以克服干扰对系统的影响，实现自动调节的目的。正作用（正装）：阀芯下移时，阀芯与阀座之间的流通截面积减少的。反之为反作用（反装）。主要部分：上阀盖、下阀盖、阀体、阀芯、阀座。主要类型：直通单座阀、直通双座阀、隔膜阀、蝶阀、偏心旋转阀、球阀、角形阀、高压阀、三通阀、套筒阀、二位工切断阀等。,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,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,3、2、4执行器的选型总体要求：根据工艺条件选择合适的结构与类型。根据工艺对象特性选择合适的流量特性。根据工艺参数选择阀门的口径。根据阀杆受不平衡力的大小选择足够推力的执行机构。根据工艺过程要求选择合适的辅助装置。,1、结构形式的选择,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,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,2、气开、气关的选择,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。,形成：,组合方式执行机构有正反作用阀体部件有正装和反装气动调节阀有气开式和气关式,换热器冷却水调节阀选气关式,输入信号中断，调节阀打开，保证冷却水继续流动，防止换热器温度过高损坏,加热炉燃料油调节阀选气开式,输入信号中断，调节阀关闭，燃料油切断，防止加热炉温度过高造成毁坏,蒸馏塔进料调节阀选气开式,输入信号中断，调节阀关闭，进料切断，防止物料过多造成溢出事故,精馏塔回流调节阀选气关式,输入信号中断，调节阀打开，保证回流量，防止不合格产品蒸出,3、流量特性的选择,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,（1）调节阀的流量特性的概念,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,（2）理想流量特性(P一定),特点：a.放大系数是常数,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,A、直线流量特性,相对流量的变化率的定义:曲线上某一点的相对流量的变化量和该点的相对流量之比q%=(qv/qvmax)(qv/qvmax)100%q%=qv/qv100%,在曲线上选择3个点在I/L%=10%处，I/L%变化10%，计算的q%=100%在I/L%=50%处，I/L%变化10%，计算的q%=20%在I/L%=80%处，I/L%变化10%，计算的q%=12.5%,结论：用相对流量的变化率表征阀体部件的灵敏度，小开度时，灵敏度高，容易震荡；大开度时，灵敏度低，调节迟缓。用放大系数表征阀体部件的斜率，斜率常量。,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,B、等百分比流量特性（对数流量特性）,在曲线上选择3个点：在I/L%=10%处，I/L%变化10%，计算的q%=（6.58-4.67）/4.67100%40%在I/L%=50%处，I/L%变化10%，计算的q%=（25.6-18.3）/18.3100%40%在I/L%=80%处，I/L%变化10%，计算的q%=(71.2-50.8)/50.8100%40%,结论：用相对流量的变化率表征阀体部件的灵敏度，小开度时和大开度时，灵敏度相同。用放大系数表征阀体部件的斜率，斜率常量。,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,C、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,D、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。,A、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,（3）工作流量特性(P变化),B、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,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）调节阀的可调比,理想可调比由结构设计决定,A、理想可调比R(P一定),串联管道时的可调比,设,B、实际可调比Rr(P变化),B、并联管道时的可调比,R1,设,（4）理想流量特性的选择,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,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,1.根据系统的特点选择所需要的工作流量特性,2.考虑工艺配管情况确定相应的理想流量特性,P182表5-5,具体做法:,气动调节阀选型规定(CD50A11-84),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。,4、调节阀结构材料的选择选材一般根据工艺介质的腐蚀性及温度、压力、气蚀、冲刷等几个方面而定，同时还考虑其经济的合理性。（1）阀体材料阀体材料：HT20-40、ZG25B、ZG1CR18NI9TI、RT20-40、ZG25。阀芯、阀杆、阀座材料：1CR18NI9TI、YG6X、YG8可淬硬钢铬。垫片材料：2CR13、1CR18NI9夹石棉板、浸蜡石棉胶板、8#-10#钢。填料：V形聚四氟乙烯、石棉、高硅氧纤维。（2）阀内件材料奥氏体不锈钢、哈氏合金、蒙乃尔合金、钛与钛合金、钽。标准号：中国JB，美国ANSI,IS，德国DIN,前苏联TOCT，法国NF，英国RS,瑞典SIS（3）填料选择作用：防止因阀杆移动而阀内介质向外泄漏。最常用的是聚四氟乙烯。,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、调节阀的口径选择,说穿了，就是根据工艺参数计算出K，然后根据K来选取一个Kv值差不多的调节阀。,孔板流量计的公式？,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KV的定义:,在调节阀前后压差为100KPa，流体密度为1g/cm3（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（m3）,（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KV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Kv的大小,流量系数的计算,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PF。,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PV,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Kmax,（4）选取流量系数KV,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、调节阀附件的选择,6.5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（I0或PO），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。,问题：很明显，阀门定位器是与气动调节阀配套使用的，那么，电动调节阀是否有类似与阀门定位器的辅助单元？,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IO对主杠杆2产生向左的力F1主杠杆绕支点反时针偏转挡板13靠近喷嘴15Pa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。,特性,Ki,Io,Fi,li,Mi,K1,Pa,K2,L,Kf,Ff,lf,Mf,阀杆位移和输入信号之间的关系取决于转换系数Ki、力臂长度li以及反馈部分的反馈系数Kf，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。,智能式阀门定位器,原理和前面两种阀门定位器很相似,智能式阀门定位器,以CPU为核心，具有许多模拟式阀门定位器无法比拟的优点：(1)定位精度和可靠性高智能式阀门定位器机械可动部件少，输入信号、反馈信号的比较是数字比较，不易受环境影响，工作稳定性好，不存在机械误差造成的死区影响，因此具有更高的精度和可靠性。(2)流量特性修改方便智能式阀门定位器一般都包含有常用的直线、等百分比和快开特性功能模块，可以通过按钮或上位机、手持式数据设定器直接设定。(3)零点、量程调整简单零点调整与量程调整互不影响，因此调整过程简单快捷。许多品种的智能式阀门定位器不但可以自动进行零点与量程的调整，而且能自动识别所配装的执行机构规格，如气室容积、作用型式等，自动进行调整，从而使调节阀处于最佳工作状态的。(4)具有诊断和监测功能除一般的自诊断功能之外，智能式阀门定位器能输出与调节阀实际动作相对应的反馈信号，可用于远距离监控调节阀的工作状态。接受数字信号的智能式阀门定位器，具有双向的通讯能力，可以就地或远距离地利用上位机或手持式操作器进行阀门定位器的组态、调试、诊断。,7、作用中应该注意的问题（1）闪蒸当流体以P1的压力流经调节阀时，流速突然骤增，而静压力突然下降，当阀后压力P2达到或低于该流体所在的情况下的饱和蒸汽压时，部分液体汽化，形成汽液两相共存的现象，即发生闪蒸。此时对阀芯等材质并无损伤，但影响了液体流量计算公式的正确性，使计算复杂化。（2）空化闪蒸发生后，随着流体的流动，其静压力又要上升。当静压力回升到该液体所在工况的饱和蒸汽压以上时，闪蒸形成的气泡会破裂，重新转化为液体，这种气泡形成和破裂的过程称为空化。这就是说，空化有两具阶段：第一阶段是液体内部形成空隙或气泡，即闪蒸阶段；第二阶段是气泡的破裂，即空化阶段。空化的破坏作用：A、损坏材质气泡破裂时产生了较大的冲击力，严重地冲击阀芯、阀体和阀座，造成气蚀作用。B、振动空化作用还带来阀芯的垂直振动和水平振动，从而造成机械磨损。C、噪声空化使调节阀产生各种噪声，严重时产生呼啸和尖叫。,避免空化和汽蚀的方法，主要从压差的选择、材料、结构上考虑。而最根本的方法是使调节阀前后压差不大于最大允许压差（3）不平衡力流体流经调节阀时，阀芯受到流体静压和动压所产生的作用力，由于其各个方向受力不一，因而产生使阀芯上下移动的轴向力和使阀芯旋转的切向力。对于直线位移的调节阀来说，轴向力直接影响阀芯位移与执行机构输入信号之间的关系，因此把阀芯受到的由流体所产生的轴向合力称为不平衡力。对于转角式调节阀来说，影响其角位移的是转轴受到的切向合力矩，它称为不平衡力矩。,在阀体部件和工艺介质确定的情况下不平衡力的大小取决于：阀前的压力P1阀前后的压差P阀芯的相对流向,气泡爆裂，还原成液体,损害,3.3模拟式控制仪表的运用,3、3、1控制方案的拟定与仪表选择（一）控制方案的拟定基本原则有以下几条：1、控制方案能否成立的先决条件是在工艺上必须是合理的。控制系统只能按照预定的规律来代替人们的部分操作。2、控制方案能否达到预定的工艺要求，在方案与控制规律的选择上必须是合适的。如对象的滞后大、扰动频繁时，除了要很好选择检测点和控制手段外，而且必要时采用某些复杂控制回路。3、控制方案能否可靠运行，在操作上必须是安全的。4、控制方案的评价，要看有无显著的经济效果。自动化本身不是目的，而是一种技术手段，自动化是为了提高生产、降低成本、确保安全和减轻劳动强度。,（二）仪表选择选择仪表时，应从生产工艺要求、现场使用条件、系统的控制质量、可靠性和经济性等多方面加以综合考虑。选表是指仪表类型、品种、特性（或规格）的选择。1、气动类或电动类仪表的选择各有长处，均可选用。若要求变量远距离传输、集中控制、且与计算机控制结合起来，可考虑选用电动仪表。2、调节规律的选择在对象滞后不太大和不允许有余差时，可采用具有P、I、D的调节器；当对象的时间常数较大时，滞后较小时可采用微分。注意微分作用不可能提供很多好处，在纯滞后时间内微分作用是不起作用的。3、调节阀的选择调节阀是控制系统中的一个重要环节。4、仪表防爆规格的选择对于具有危险性和生产过程，应根据有关规定选用本安型、隔爆型或采取其他防爆措施。在构成本质安全型防爆系统时，必须使用安全栅。,3、3、2控制系统构成举例,（一）单变量控制系统,上图为单变量控制系统的方框图，若构成防爆系统时，变送器采用隔爆型，电/气阀门定位器采用隔爆结构。在实际的系统接线中，要注意电压信号是并联采样的，而电流信号是串联采样的。所以在实施这种控制系统时，还会有电源、供电箱、配电器等。,（二）比值控制系统比值控制系统有好几种，开环比值、单闭环比值、双闭环比值等。有定值的也有变比值的。一般定比值的用的比较多。下图为定比值控制系统的方框图,三、仪表静态配合系数的确定（一）量程的确定量程的大小直接影响测量灵敏度和控制精度。（二）比值控制系统中比值系数的确定注意是否带开方器。,