過程控制儀表及控制系統(tǒng)第05章-過程執(zhí)行儀表課件

1、第5章 過程執(zhí)行儀表5.1 概述5.2 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)5.3 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)5.4 電-氣轉(zhuǎn)換器和閥門定位器5.5 電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)和氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇5-1 概述 過程執(zhí)行儀表，簡(jiǎn)稱執(zhí)行器。執(zhí)行器是自動(dòng)控制系統(tǒng)的終端執(zhí)行部件，其作用是接受調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)，以改變執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制參數(shù)，從而達(dá)到對(duì)被控變量進(jìn)行控制的目的。執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）組成 調(diào)節(jié)器(控制器)閥門位置發(fā)生單元輸入信號(hào)執(zhí)行器y調(diào)節(jié)閥位置負(fù)反饋5-1 執(zhí)行器的工作原理5.1概述表5-1執(zhí)行器主要特性比較 根據(jù)能源種類，執(zhí)行器可分為電動(dòng)執(zhí)行器、氣動(dòng)執(zhí)行器、液動(dòng)執(zhí)行器主要特性電動(dòng)執(zhí)行器氣動(dòng)執(zhí)行器液動(dòng)執(zhí)行器構(gòu)造復(fù)雜簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單體積小中大

2、配管配線簡(jiǎn)單較復(fù)雜復(fù)雜推力小中大動(dòng)作滯后小大小維護(hù)檢修復(fù)雜簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單使用場(chǎng)合不適合防火防爆適合防火防爆要注意火花價(jià)格高低高圖5-2 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)原理示意圖5.2電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)執(zhí)行器是以電為能源的執(zhí)行器。包括伺服放大器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩大部分。有連續(xù)調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)程手動(dòng)控制和就地手動(dòng)操作。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)按其輸出形式可分為角行程和直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩大類，其電氣原理完全相同，僅減速器不一樣直行程是一個(gè)用交流伺服電動(dòng)機(jī)為原理機(jī)的位置伺服機(jī)構(gòu)。系統(tǒng)框圖如下5.2.1直行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)圖5-3 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)框圖直行程是一個(gè)用交流伺服電動(dòng)機(jī)為原理機(jī)的位置伺服機(jī)構(gòu)。系統(tǒng)框圖如下5.2.1直行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)圖5-3 電

3、動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)框圖角行程 由伺服放大器和伺服電動(dòng)機(jī)兩部分組成5.2.2角行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)圖5-4 角行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)組成框圖5.3氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣動(dòng)執(zhí)行器是接收氣動(dòng)控制器或閥門定位器輸出的氣壓信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的推桿直線位移，以推動(dòng)調(diào)節(jié)閥動(dòng)作。分為兩種類型：薄膜式與活塞式。氣動(dòng)執(zhí)行器結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)按動(dòng)作方式可分為正作用和反作用： 輸入信號(hào)增大，閥桿下移，為正作用閥； 輸入信號(hào)增大，閥桿上移，為反作用閥5.3.1氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)1、調(diào)節(jié)閥工作原理：當(dāng)不可壓縮流體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時(shí)，由于流通面積的縮小，會(huì)產(chǎn)生局部阻力，并形成壓力降。設(shè)p1和p2分別是流體在調(diào)節(jié)閥

4、前后的壓力，為流體的密度，為接管處的流體平均流速，為阻力系數(shù)，在高雷諾數(shù)Re條件下，根據(jù)伯努力方程可得設(shè)調(diào)節(jié)閥接管的面積為A，則流體流過調(diào)節(jié)閥的體積流量Q為 可見阻力系數(shù)與閥門的結(jié)構(gòu)形式和開度有關(guān)，A一定時(shí)，改變調(diào)節(jié)閥截面積A一定時(shí)，改變調(diào)節(jié)閥的開度即可改變阻力系數(shù) ，從而達(dá)到調(diào)節(jié)被控介質(zhì)流量的目的。2、調(diào)節(jié)閥的分類：直通單座閥、直通雙座閥、蝶閥、三通閥、隔膜閥、角行閥等。5.3.2氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥3、調(diào)節(jié)閥流量特性：指被控價(jià)值流經(jīng)閥門的相對(duì)流量與閥門相對(duì)開度之間的關(guān)系，如下所示。 為相對(duì)流量，即某一開度的流量Q與閥全開流量Qmax 之比；l/L為相對(duì)開度，即某一開度的行程l與閥全開的行程L之比

5、。流量閥的流量特性會(huì)直接影響到自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，必須合理限制。流量閥的流量特性，根據(jù)實(shí)際使用情況可分為：理想流量特性和工作流量特性。5.3.2氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥理想流特性：在調(diào)節(jié)閥前后壓差不變的情況下得到的流量特性。常用調(diào)節(jié)閥中有4種典型的流量特性：直線流量特性、對(duì)數(shù)流特性、快開流量特性和拋物線流量特性。直線流量特性：指調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與相對(duì)位移成直線關(guān)系。用數(shù)字表示為 為常數(shù)，即調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)。5.3.2氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥對(duì)數(shù)流特性(等百分比流量特性)：對(duì)數(shù)流特性指單位相對(duì)位移所引起的相對(duì)流量成百分比。即調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)是變化的，隨著對(duì)數(shù)流量的增大，K亦增大。用數(shù)字表示為 為調(diào)

6、節(jié)閥的放大系數(shù)。5.3.2氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥快開流特性：這種流量特性調(diào)節(jié)閥，在小開度時(shí)，流量已很大，隨著開度增大，流量很快達(dá)到最大值（全開流量）故稱為快開流量特性。用數(shù)字表示為 快開特性調(diào)節(jié)閥主要用于位式控制或程序控制中。5.3.2氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥拋物線流特性：是指調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)K與該點(diǎn)的相對(duì)流量值的平方根成正比。用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為 通常，拋物線流量特性可用對(duì)數(shù)量特性代替，因此工程上很少用。5.3.2氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥可調(diào)范圍：指調(diào)節(jié)閥所能控制的最大流量Qmax與最小流量Qmin之比，用R來表示，即Qmin是調(diào)節(jié)閥可調(diào)流量的下限值，并不等于調(diào)節(jié)閥全關(guān)時(shí)的泄漏量。調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍也有可調(diào)范圍和工作

7、可調(diào)范圍。1）理想可調(diào)范圍：在調(diào)節(jié)閥前后差壓恒定條件下，調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍可見理想可調(diào)范圍是其最大流通能力與最小流通能力之比。反映了調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)能力的大小，希望可調(diào)的范圍大者為好，一般R=3050。5.3.2氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥工作流量特性介紹工作可調(diào)范圍：調(diào)節(jié)閥在實(shí)際工作時(shí)，由于管道的阻力變化，閥前后壓差也隨之變化的調(diào)節(jié)范圍，稱為工作可調(diào)范圍（或?qū)嶋H可調(diào)范圍），可分為串聯(lián)管道和并聯(lián)管道兩種情況來討論。工作流量特性：指調(diào)節(jié)閥前后壓差變化時(shí)調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與相對(duì)位移之間的關(guān)系，分為串聯(lián)管道和并聯(lián)管道兩種情況。5.3.2氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥工作流量特性介紹調(diào)節(jié)閥選擇，一般根據(jù)被控介質(zhì)的特點(diǎn)和生產(chǎn)工藝要求來合理選擇

8、。主要應(yīng)考慮以下幾個(gè)問題：（1）調(diào)節(jié)閥的尺寸選擇（2）氣開式、氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥的選擇（3）單座閥和雙座閥的選擇（4）調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇（5）調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)和材料的選擇5.3.2氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥 電-氣閥門轉(zhuǎn)換器：是電動(dòng)單元組合儀表的一個(gè)輔助單元，將調(diào)節(jié)器或操作器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成氣壓信號(hào)，它根據(jù)力矩平衡原理工作。電-氣閥門定位器是電動(dòng)單元組合儀表的一個(gè)輔助單元，也是氣動(dòng)執(zhí)行器的一個(gè)主要附件。閥門定位器的主要特性1.提高定位精度2.改善調(diào)節(jié)閥的動(dòng)態(tài)特性3.能方便地改變調(diào)節(jié)閥的流量特性4.實(shí)現(xiàn)分程控制5.4 電-氣轉(zhuǎn)換器和閥門定位器 閥門定位器的選擇時(shí)遵循原則：1.要求控制質(zhì)量高的重要控制系統(tǒng)，用以提高閥門的定位精度及工作可靠性，確保控制質(zhì)量。2.用以調(diào)節(jié)閥前后壓差大的場(chǎng)合，通過提高氣源壓力，增大執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力，以克服流體對(duì)閥門芯產(chǎn)生的不平衡力。3.用于控制高壓介質(zhì)的場(chǎng)合，克服流體對(duì)閥芯的不平衡力和由于填料密封緊而造成較大的閥桿摩擦力。4.用于標(biāo)稱口徑Dg100mm以上的調(diào)節(jié)閥，增大執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力5.用于控制高溫或低溫介質(zhì)（由于閥桿與填料之間摩擦力大）的調(diào)節(jié)閥。6.用于流體中含有固態(tài)懸浮物或粘度較高的介質(zhì)場(chǎng)合，以克服介質(zhì)對(duì)閥桿位移時(shí)產(chǎn)生的較大阻力。7.用于調(diào)節(jié)閥與調(diào)節(jié)器距離較遠(yuǎn)（一般大于60m,尤其是氣動(dòng)調(diào)節(jié)器）的場(chǎng)合，以克服控制信號(hào)傳達(dá)的滯后。8.