3. 第三讲——执行器.pdf

过程控制原理应用I （检测技术与过程控制原理） 主讲人：安剑奇 教授 中国地质大学（武汉） 自动化学院 2020年9月 1 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 第3章 执行器 2 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 执行器 3.1 执行器的工作原理与分类 3.2 电动执行机构 3.3 气动执行机构 3.4 液动执行机构 3.5 调节机构 3.6 执行器的选择 3.7 其他执行设备 3.8 本章小结 3 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3.1 执行器的工作原理与分类  执行器  执行机构接受控制器的信号，转换成角位移或直线位移，改变调 节机构的流通面积，从而调节流入或流出被控过程的物料或能量， 实现对温度、压力、流量等过程被控参数的自动控制  执行器的组成：执行机构，调节机构（调节阀） 执行器工作原理图 4 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3.1 执行器的工作原理与分类  执行器的分类 电动 执行器  输入DC 0~10mA或DC 4~20mA电流信号  方便、信号传输速度快、传输距离远  结构复杂、安全防爆性能差、推力小、价格贵 按 使 用 能 源 分  输入0.02~0.1MPa气压信号 气动 执行器  结构简单、动作平稳可靠、推力较大、维护方便、价格 便宜、安全防爆系数高  动作时间长，不适合远传（传输距离<150m） 液动 执行器  输入液压信号  推力大，精度高，动作平稳可靠、适用于被控制压力  结构复杂、价格贵、易泄露、体积较大 5 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3.1 执行器的工作原理与分类  执行器的分类 转角型 90°（或<90°）或多圈（>360°） 按输出 位移形式 直线型 短行程和长行程 开关型 全开和全关两种状态，如电磁阀 按动作 规律 积分型 正向等速运动、反向等速运动和停止三状态， 实现任意阀门开度的调节 比例型 输出位移和输入信号成比例关系 6 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 执行器 3.1 执行器的工作原理与分类 3.2 电动执行机构 3.3 气动执行机构 3.4 液动执行机构 3.5 调节机构 3.6 执行器的选择 3.7 其他执行设备 3.8 本章小结 7 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3.2 电动执行机构  接收控制器DC 0~10mA或DC 4~20mA 电流信号，转换为角位移（输 出力矩）或直线位移（输出力），操纵阀门、档板等调节机构 角行程  电动机将直流电信号转为角位移（0~90℃），操纵蝶 阀、档板之类的旋转式调节阀 直行程  电动机和减速器将直流电信号，转为直线位移输出， 适用于操纵单座、双座、三通等直线式调节阀 多转式  开启和关闭闸阀、截止阀等多转式阀门 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3.2 电动执行机构  工作原理  组成：执行机构，伺服放大器  可实现自动调节，还可实现自动和手动调节的相互切换  操作器的置于手动操作时，由正、反操作按钮直接控制电机的电源， 以实现执行机构输出轴的正转或反转 9 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3.2 电动执行机构  伺服放大器  组成：前置放大器，触发器，交流晶闸管开关，校正网络，电源等 10 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3.2 电动执行机构  执行机构 接受伺服放大器或操作器的输出信号，控制伺服电动机的正反转，经 过减速器减速后，转换成输出力矩去推动调节机构动作  伺服电动机：将伺服放大器输出的电功率转换成机械转矩  减速器：把伺服电机高转速，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  位置发送器：将执行机构输出轴的位移线性地转换成DC 0~10mA或 DC 4~20mA反馈信号，反馈到伺服放大器的输入端 11 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 执行器 3.1 执行器的工作原理与分类 3.2 电动执行机构 3.3 气动执行机构 3.4 液动执行机构 3.5 调节机构 3.6 执行器的选择 3.7 其他执行设备 3.8 本章小结 12 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3.3 气动执行机构  气动执行机构  根据控制器或阀门定位器的输出气压信号，推动调节机构的阀芯动作  活塞式 薄膜式  以气缸内的活塞输出推力； 输出推力大、行程长，价格高，只用于 特殊需求场合  使用弹性膜片将输入气压转变为推力；  结构简单、价格低廉、运行可靠、维护方便 13 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3.3 气动执行机构  正反作用  正作用（ZMA）：当输入气压信号增加时，推杆向下移动  反作用（ZMB）：当输入气压信号增加时，推杆向上移动 14 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 执行器 3.1 执行器的工作原理与分类 3.2 电动执行机构 3.3 气动执行机构 3.4 液动执行机构 3.5 调节机构 3.6 执行器的选择 3.7 其他执行设备 3.8 本章小结 15 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3.4 液动执行机构  液动执行机构  以液压传递为动力，推动力大，体型笨重，只适用于需要大推动力 的特定场合，如三峡的船阀  传动平稳可靠，有缓冲无撞击现象，适用于对传动要求较高环境  使用液压油驱动，液体本身有不可压缩的特性，因此液压执行器能 轻易获得较好的抗偏离能力 16 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 执行器 3.1 执行器的工作原理与分类 3.2 电动执行机构 3.3 气动执行机构 3.4 液动执行机构 3.5 调节机构 3.6 执行器的选择 3.7 其他执行设备 3.8 本章小结 17 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3.5.1 调节阀的结构  调节机构  也称调节阀，控制阀，是执行器的调节部分  工作原理：在执行机构输出力（力矩）作用下，阀芯在阀体内移动， 改变阀芯与阀座之间的流通面积，从而使被控介质的流量发生相应 变化，达到改变工艺变量的目的 18 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3.5.1 调节阀的结构  调节阀的结构 组成：上阀盖，下阀盖，阀座，阀芯，阀杆等零部件  直通单座调节阀 • 只有一个阀芯与一个阀座 • 优点：结构简单、泄露量小，不平衡力大，易 于保证关闭。 • 缺点：在压差比较大时，流体对阀芯上下作用 推力不平衡，影响阀芯的移动 • 用于小口径、低压差场合 19 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3.5.1 调节阀的结构  直通双座调节阀 • 有两个阀芯和阀座 • 不平衡力小、允许压差大，但泄漏量也大 • 适用于阀两端压差较大、泄漏量要求不高的场 合，不适用于高黏度场合  角形调节阀 • 特点：流路简单、阻力小，适用于安装现场管 道要求用直角连接，或高压差、高黏度、含有 悬浮物和固体颗粒状物料流量的场合 20 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3.5.1 调节阀的结构  隔膜调节阀 • 特点：结构简单、流阻小、流通能力大。隔 膜与外界隔离，适用于强酸、强碱、强腐蚀 性物料和高黏度、含悬浮颗粒状介质  三通调节阀 • 合流型：两种介质混合成一路 • 分流型：一种介质分成两路 21 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3.5.1 调节阀的结构  球阀 • O型球阀是带圆孔的球形体，用于位式调节。 • V型球阀是V型缺口球形体，适用于高黏度物料  蝶阀 • 结构紧凑、成本低、流阻小、流通能力大，泄 漏量大 • 实用于大口径、大流量、低压差和少量悬浮颗 粒介质的场合 22 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3.5.1 调节阀的结构  套筒型调节阀 • 可调比大、振动小、不平衡力小、互换性好，阀内 部件所受气蚀小、噪音小 • 适用于要求噪音低、 压差大的场合 • 但不宜用于高温、高黏度物料  偏心旋转阀 • 重量轻、体积小、安装方便 • 适用于高黏度或含悬浮物的物料 23 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3.5.1 调节阀的结构 控制阀结构形式的选择 阀结构形式 特点及使用场合 直通单座 阀前后压降低，适用于要求泄露量小的场合 直通双座 阀前后压降大，适用于要求泄露量较大的场合 角阀 适用于高压，高粘度的，含悬浮物或颗粒状物质的场合 高压阀 适用于高压控制的特殊场合 蝶阀 适用于有悬浮物的液体、大流量气体、压差低、允许泄 露量大的场合 隔膜阀 适用于有腐蚀介质的场合 三通阀 适用于分流或合流的控制场合 24 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3.5.2 调节阀特性--气开、气关  执行机构：正、反两种作用形式  调节阀：正装、反装两种方式  因此存在4种组合方式实现气动执行器的气开、气关调节 气开 信号压力增加，阀门开度大 信号压力减小，阀门开度小 无信号压力，阀门全关 信号压力增加，阀门开度小 气关 信号压力减小，阀门开度大 信号压力，阀门全开 25 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3.5.2 调节阀特性--流量特性 调节阀的流量特性：被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开 度（相对位移）之间的关系。即： 相对流量：某一开度时流 量与全开时流量之比 Q l  f( ) Qmax lmax 相对开度：某一开度的阀芯 位移与全开时阀芯位移之比  流过调节阀的流量大小不仅与阀门开度有关，还与阀前后的压差有关  理想流量特性：阀前后压差不变时的流量特性  工作流量特性：阀前后压差变化时的流量特性 26 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3.5.2 调节阀特性--理想流量特性  理想流量特性：假设阀前后压差固定，根据阀芯开关不同，分为 直线、等百分比（对数），抛物线、快开 Q Qmax 直线阀芯 形状 对数阀芯形 状 快开阀芯形 状 l 理想流量特性 lmax 27 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3.5.2 调节阀特性--理想流量特性 直线流量特性：调节阀相对流量与阀芯相对开度成直线关系 Q ) Qmax K l d( ) lmax d( Q l K C Qmax lmax 边界  l  0, Q  Qmin  条件 l  lmax , Q  Qmax Qmin 1  C    Qmax R  K  1 C  1 1  R Q 1 l   1  ( R  1)  Qmax R lmax   K--常数，调节阀放大系数；  C--积分常数；  R--最大流量和最小流量的比值，称为调节阀的可调范围或者可调比 28 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3.5.2 调节阀特性--理想流量特性  假设R=30,阀门相对开度𝑙/𝑙𝑚𝑎𝑥 变化为10%，则相对流量𝑄/𝑄𝑚𝑎𝑥 的增量为  Q   1  l      1-     =9.67% Q R l    max   max   在10%开度时，相对流量的变化量为 22.7−13 × 100%=75% 13  在50%开度时，相对流量的变化量为 61.3−51.7 × 100%=19% 51.7  在80%开度时，相对流量的变化量为 90.3−80.6 × 100%=11% 80.6  在小开度工作时，控制作用过于灵敏，不易稳定（易引起振荡）  在大开度工作时，控制作用过于迟钝，调节效果不明显 29 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3.5.2 调节阀特性--理想流量特性  等百分比(对数)流量特性：指单位相对开度变化所引起的流量 变化与该点相对流量成正比，即 Q ) Qmax Q  K ( ) l Qmax d( ) lmax d( 边界 条件 d (Q Qmax ) l  Kd ( ) Q Qmax lmax  l  0, Q  Qmin   l  lmax , Q  Qmax l ln(Q Qmax )  K lmax C C   ln R, C   K l ( 1) Q ( l lmax 1) lmax ln(Q Qmax )  ln R  ln R  ln R  R lmax Qmax l 30 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3.5.2 调节阀特性--理想流量特性  假设R=30,阀门相对开度𝑙/𝑙𝑚𝑎𝑥 变化为10%，则相对流量𝑄/𝑄𝑚𝑎𝑥 的增量为 𝑄 𝑄max 𝑙 = 𝑅 𝑙max −1  在10%开度时，相对流量的变化量为 6.58−4.67 × 100%=40% 4.67  在50%开度时，相对流量的变化量为 25.6−18.3 × 100%=40% 18.3  在80%开度时，相对流量的变化量为 71.2−50.8 × 100%=40% 50.8  流量特性曲线的斜率随着流量增大而增大，但流量相对变化不变，调节灵敏 度在整个调节范围内不变  在阀门小开度时，放大系数 K 小，调节缓和平稳；在大开度时，放大系数 K 大，控制及时有效 31 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3.5.2 调节阀特性--理想流量特性  抛物线流量特性：指单位相对开度变化所引起的流量变化与该 点相对流量的平方根成正比关系，即 Q ) Qmax Q K l Qmax d( ) lmax d( 对上式积分并带入边界条件可得 Q 1  1+ Qmax R   l  R 1  lmax   2 32 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3.5.2 调节阀特性--理想流量特性  快开流量特性：阀门在小开度时流量增量比较大，随着开度增加， 流量很快达到最大。 即 Q 1 l 2  1 （1  ）(1  ) Qmax R lmax 其有效位移一般为阀座的1/4，当开度继续增加时，阀的流通面积不再增加， 从而失去控制作用，因此，快开特性调节适用于迅速启闭的切断阀或位式控制 33 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3.5.2 调节阀特性--工作流量特性  工作流量特性：阀前后压差变化时，流量与开度之间关系  串联管道  总压差一定，随着阀门开度增大，流量增大，压差与流量平方正比  随着流量的增大，阀门前后的压差逐步减少  实际工作流量比理想情况下小 调节阀 压差 管道 压差 系统总 压差 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3.5.2 调节阀特性--工作流量特性 p1min S p  调节阀全开时前后压差与系统总压差的比值  S = 1时，为理想流量特性  S < 1时，由于串联阻力影响，S越小，特性趋于快开特性  S 越小，畸变越严重，要求S不低于0.3~0.5 S=1 100 S=0.5 60 S=0.2 40 S=0.1 S=0.05 20 0 20 40 60 80 l/lmax (%) 直线调节阀 100 Q/Qmax (%) Q/Qmax (%) S=1 80 S=0.8 S=0.75 80 0 100 60 S=0.65 40 S=0.2 20 0 S=0.1 0 20 40 60 l/lmax (%) 等百分比调节阀 80 100 35 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3.5.2 调节阀特性--工作流量特性  并联管道  很多调节阀都装有旁路阀，以便手动操作和维护  管道总流量是调节阀和旁路阀流量之和 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3.5.2 调节阀特性--工作流量特性  X = 1时，旁路阀全关，为理想特性曲线  随着旁路阀逐渐打开，X 逐渐下降，可调范围随之下降  一般要求 X > 0.8 100 100 60 X=0.5 40 X=0.8 20 X=0.2 80 (%) (%) 80 60 Q/Qmax X=0.2 Q/Qmax  Q1max X 表示调节阀全开是的流量与总管最大流量之比 X  Q max X=0.5 40 X=0.8 20 X=1 X=1 0 20 40 60 l/lmax (%) 直线调节阀 80 100 0 20 40 60 80 100 l/lmax (%) 等百分比调节阀 37 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3.5.2 调节阀特性--工作流量特性  串并联管道工作流量特性总结  都会使理想流量特性发生畸变，串联管道的影响尤为严重  都会使可调范围降低，并联管道尤为严重  串联管道使系统总流量减少，并联管道使系统总流量增加  都会使调节阀的放大系数减小  串联管道，若阀处于大开度，则S值降低对放大系数影响更为严重  并联管道，若阀处于小开度，则X值降低对放大系数影响更为严重 38 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 执行器 3.1 执行器的工作原理与分类 3.2 电动执行机构 3.3 气动执行机构 3.4 液动执行机构 3.5 调节机构 3.6 执行器的选择 3.7 其他执行设备 3.8 本章小结 39 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3.6 执行器的选择  根据生产工艺，工况条件和系统要求，确定执行器结构，调 节阀流量特性及调节阀口径 气动执行机构和电动执行机构的比较 可靠性 驱动能源 价格 输出力 防爆性 气动执行机构 高 压缩气体，气源装置 低 小 好 电动执行机构 较低 电，方便 高 大 差 液动执行机构 高 液压油 高 大 差  要充分考虑流体性质（如黏度、腐蚀、毒性等）、工艺条件（如 温度、压力、流量等）和系统要求，兼顾经济性和工艺要求 40 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3.6 执行器的选择  调节阀流量特性 先根据系统的特点确定阀门预期的工作流量特性，然后再根据工艺 管道情况选择理想流量特性 工艺管道与流量特性的关系 配管情况 S=0.6-1 S=0.3-0.6 阀的工作 流量特性 直线 抛物线 等百分比 直线 阀的理想 流量特性 直线 抛物线 等百分比 等百分比 抛物线 等百分比 直线 等百分比  S 越大，对调节越有利；但阀门压差损失越大，会造成动力消耗  一般选取S=0.3~0.5。对于高压系统，考虑到节约动力，S可以小于0.3  对于气体，考虑到阻力损失较小，一般选取S > 0.5 41 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3.6 执行器的选择  调节阀口径  依据调节阀流量系数 C 确定。 C 表示容量为阀全开，△p=0.1Mpa，流 体重度为1g/𝑐𝑚3 时，每小时通过阀门流体流量  选择过小，在大干扰情况下，会因介质流量不足而失控  选择过大，浪费设备投资，调节性能变差，系统振荡，降低阀门寿命  选取口径的具体步骤为 确定最大流 量 确定S，并 计算阀门全 开时阀前后 压差 计算最大流 量时的流量 系数 选择最接近 的恰当流量 系数 验证调节阀 开度和可调 比 确定调节阀 的公称和阀 座直径 42 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 执行器 3.1 执行器的工作原理与分类 3.2 电动执行机构 3.3 气动执行机构 3.4 液动执行机构 3.5 调节机构 3.6 执行器的选择 3.7 其他执行设备 3.8 本章小结 43 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3.7 其他执行设备  其他执行设备 电磁阀：用电磁控制的工业设备， 气动振动器：在电动机带动下高速 是用来控制流体的自动化基础元件， 转动而产生高频微幅的振动，振动 属于执行器，并不限于液压、气动。 频率及振动力度可可通过调整压缩 用在工业控制系统中调整介质的方 空气流量以及气压来精确控制 向、流量、速度和其他的参数 44 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 3.7 其他执行设备  其他执行设备 传送带：一种摩擦驱动以连续方式运 潜水泵：深井提水的重要设备。使用 输物料的机械。它可以将物料在一定 时整个机组潜入水中工作，把地下水 的输送线上，从最初的供料点到最终 提取到地表，是生活用水、矿山抢险、 的卸料点间形成一种物料的输送流程 工业冷却、农田灌溉、海水提升、轮 船调载，还可用于喷泉景观 45 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 本章小结  介绍了执行器的组成和分类  着重阐述了组成执行器的执行机构和调节机构  重点分析了电动执行机构和气动执行机构的工作原理和组成结构  简要说明了几种常用调节机构  深入阐述了调节机构的气开、气关形式和流量特性  介绍了工业生产中常用的其他执行设备  给出了执行器选择的基本方法 46 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 作业 P99：4-1、4-3、4-4、4-6、4-11 47 过程控制原理与应用技术I 中国地质大学（武汉）安剑奇 致谢  感谢研究生彭佳佳、尹枫、郑文国、江博涛、董文佳等同学参与本 PPT的制作  PPT中部分图片和视频来自互联网，感谢原作者的制作 48