控制仪表及装置第三章.

《控制仪表及装置》第三章运算器和执行器第一节运算器一、乘除器二、开方器第二节执行器一、电动执行机构二、气动执行机构三、阀门定位器四、调节机构五、执行器的选型第三节模拟控制仪表应用运算器接受来自变送器或转换器的统一标准信号，可对一个或几个输入信号进行加、减、乘、除、开方、平方等多种运算，以实现各种算法，满足自动检测和控制系统的要求。本章介绍两种典型的运算器：乘除器和开方器第一节运算器3.1运算器1、运算关系一、乘除器122033(1)()1()iiiVVKVNVK乘除运算0122330(1)()11,iiiVNVVKKVV乘后开方012233(1)()1314iiiNVVVKKV乘法运算102233(1)4113()iiiVVNVKVK除法运算应用在流量测量，温度压力补偿中。（一）概述可对两个或三个1～5V的直流电压信号进行四种运算,结果以1～5V直流电压或4～20mA直流电流输出。乘除运算关系式为：U0=N(Ui1–1)(Ui2+K2)Ui3+K3+1式中：Ui1、Ui2、Ui3—乘除器的输入信号；U0—乘除器的输出信号；N—运算系数；K2、K3—可调偏置电压。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=3-1（）PDmtUUTUmTt0tpU图3-1单向矩形脉冲2.乘法运算的实现方法11221212,，表征矩形脉冲的高电位与低电位持续时间的不对称程度，称为占空比，用表示即，于是设，则PPDmmDtTtSSTUSUSkxUkxUkkxx滤波取直流分量，完成乘法运算控制矩形脉冲的宽度（调宽）控制矩形脉冲的幅值（调高）调宽电路k1滤波电路调高电路k2x1sUDx2M简单乘法电路方框图x2滤波电路调高电路k2调宽电路k1SUDM1放大器Kx3调高电路k3滤波电路xfM2－x1图3-3乘除器构成方框图3.乘除器的构成原理－负反馈11121222133331332123323123-11,当，设则fDDfDDxxSKkKkkxxUUkSxKkkxxkSxKkkxkxxUkxkkxxUx11110222033310(-1)(-1)(-1)输入电路的作用：减，电平移动（），BiiiUUNUUNUUNU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3N3Ui1Ui2Ui3Uo3+－UfSU22Uo2UoU11U31U21U23图3-4乘除器方框图自激振荡时间分割器U22＝U11U21/U3122122223133333(-1)(-1)附加偏置电路的作用：提供偏压oPiPoPiPUUUNUUUUUNUU23022比例放大电路作用：调量程UNU230221011输出电路的作用：加电平移动（）功率放大BUUoUNU12233(1)()1iioiUUKUNUK（二）乘除器工作原理1.作用：对1～5V直流电压信号进行开方运算,结果以1～5V直流电压或4～20mA直流电流输出，运算关系为：o11＝＋式中，－开方器的输入信号－开方器的输出信号－开方系数oiiUKUUUK（一）概述二、开方器22121212~这样，呈线性关系PKqxKPKKqyKxKKKqyq2.开方器在节流式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Pxyyq0qmax420（mA）21221212~PKqxKPKKqyKxKKKqyq差压变送器与差压关流量与差压关系系：开方器输入输出运算关：系：呈线性关系3.1运算器3、组成框图UiUo输入电路1N1乘法电路1K2比较器乘法电路2K3+－UfSU22U21比例放大电路N2小信号切除电路输出电路N0U23U23开方运算部分U11图3-12开方器方框图（4.5V）3.1运算器11oiUKU＝＋4、运算关系的实现112322222212221233231i22121122323V=VKSVKV(KK1)KN(V1)V(V4.512)31iVNNNVNVNNVVV0023021211()3iVNVVN什么是小信号？为什么要对小信号切除？经过输出电路3.开方运算的实现方法①通过改变乘除器信号线的连接方式②对乘除器的线路作适当改动③应用霍尔元件组成开方运算电路。※小信号切除2yKdydx由可得xKx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%（（5－1）×1%=0.04V）时，应将输出信号切除。UiUo输入电路1N1乘法电路1K2比较器乘法电路2K3+－UfSU22U21比例放大电路N2小信号切除电路输出电路N0U23U23开方运算部分U11图3-13开方器方框图（二）工作原理1.041%1.043-14（满量程的），切除；，正常工作电路见图iiUVUV23221111221231.041311.040.60.6当时，输出被切除这时＝＝当时，所切除点的具体数值以：iiiLLiUVUNUUNNUUUUVUVUUV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第二节执行器TTTICM蒸汽冷液热液应用示例：执行器的构成：执行机构－产生推力或位移的装置。调节机构－直接改变能量或物料输送量的装置，通常称为控制阀或调节阀。执行器的分类：气动、电动和液动电动执行器气动执行器液动执行器一、电动执行机构电动执行机构有角行程和直行程两种，是以两相交流电机为动力的位置伺服机构，它将输入的直流电流信号线性地转换成位移量。（一）基本结构和工作原理0°90°0mmχmm角行程直行程伺服放大器位置发送器伺服电机减速器阀位指示放大器执行机构4～20mAIiIfθ电动执行机构方框图0~90O操作器（二）伺服放大器组成：信号隔离器、综合放大电路、触发电路、固态继电器等。作用：将信号Ii和If综合、比较并放大，然后通过可控硅交流开关去控制伺服电机的正、反转。信号隔离器采用光电隔离电路，实现信号隔离和电流—电压转换。综合放大和触发电路见左图。（三）执行机构1.组成：伺服电机、减速机构、位置发送器等。伺服电机减速器位置发送器0～90°220VAC4～20mADC作用：将伺服放大器输出的电功率转换成机械转矩，并且当伺服放大器没有输出时，电机又能可靠地制动。2.伺服电机CDW1W2220VAC3.减速器作用：把伺服电机高转速、小转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。采用正齿轮和行星齿轮机构相结合的机械传动机构。z1－摆轮的齿数z2－内齿轮的齿数行星齿轮机构相结合的减速比：i＝－(——)z2–z1z1※凸轮机构4.位置发送器作用：将输出轴0~90°的转角转换成4~20mADC直流电流，作为阀位信号和反馈信号。RLE～E1E2U电气原理图二、气动执行机构1.作用：接受电/气转换器(或电/气阀门定位器)输出的气压信号，将其转换成相应的输出力和推杆直位移量，以推动调节动作。即20～100kPa气压信号→直线位移薄膜式：气压推动薄膜并带动连杆运动,结构简单,动作可靠，维修方便，价格较低，但输出行程小；活塞式：气压推动活塞并带动连杆运动，输出推力大，行程长，但价格较高，只用于特殊需要的场合。2分类气信号气信号薄膜式活塞式3.气动薄膜式执行机构分类：正作用式(信号压力增加时推杆向下动作，ZMA)反作用式(信号压力增加时推杆向上动作，ZMB)气开式（气压增大阀门开大）气闭式（气压增大阀门关小）⑴⑵其含义为：Z—执行器大类；M—气动薄膜型式；A—正作用；B—反作用。输入信号：0.02~0.1MPa气体压力输出信号：连杆位移→行程，规格有：10,16,25,40,60,100mm结构结构见右图。当信号压力通过上膜盖1和波纹膜片2组成的气室时，在膜片上产生推力,使推杆5下移并压缩弹簧6。当弹簧力与膜片推力相平衡时，推杆稳定在相应的位置上。膜片的有效面积有：200，280，400，630，1000，1600cm2等。执行机构调节机构PQ阀座阀芯调节件推杆薄膜弹簧结构组成静态特性在平衡状态时，气动薄膜式执行机构的力平衡方程式可表示如下：P1CsAeL=式中：L—推杆位移；Ae—膜片有效面积；P1—输入压力；Cs—弹簧刚度。输入输出特性见右图。存在非线性偏差和正反行程偏差。改善方法：实际执行机构的非线性偏差小于±0.4%，正反行程变差小于2.5%。将阀门定位器作为气动执行器的组成成分，可以有效地减小此项误差。动态特性在动态情况下，输入信号管线存在阻力，管线和薄膜气室近似作为气容，故执行机构可看成一个阻容环节，薄膜气室压力P1与控制器输出压力P0关系为：RCS+11==P1P0TS+11式中，R、C分别为气阻、气容，T为时间常数。可得控制器输出压力P0与推杆位移L之间的关系为：(TS+1)CsAe==LP0TS+1K式中，T为执行机构的放大系数。三、阀门定位器1.作用：阀门定位器与气动控制阀配套使用，它接受控制器的输出信号，成比例地输出压力至执行机构，推杆移动后的位移量反馈至定位器，构成一闭环系统。定位器控制器P0气源位置反馈P1阀门定位器示意图2.优点：阀门定位器可增加执行器输出功率，减小信号传递滞后，加快阀杆位移速度，提高线性度，克服阀杆摩擦力，保证正确定位。电气阀门定位器3.电/气阀门定位器具有电/气转换器和阀门定位器的双重作用，它接受电动控制器输出的420mA电流信号，成比例地输出20100kPa(或40200kPa)气动信号至执行机构。组成转换组件：永久磁钢、线圈、杠杆、喷嘴、挡板及调零装置等。气路组件：气动放大器、气阻、压力表、手/自动切换阀。反馈组件：反馈弹簧、反馈拉杆、反馈压板等。接线盒组件：接线盒、端子板及电缆引线等。结构及原理阀门定位器原理简图PsPoPa应用场合推力大，可用于高差压、大口径、高压、高温、低温及介质中含有固体悬浮物或粘性流体的场合。动作速度快，可用于控制器与执行机构距离较远的场合。可用于需分程控制的场合，两台定位器由一个控制器操纵，每台定位器的工作由分程点决定。可改善控制阀的流量特性，通过改变反馈凸轮的几何形状，使定位器的输出特性发生变化，从而达到修正流量特性的目的。四、调节机构调节机构又称控制阀(或调节阀)，是一个局部阻力可变的节流元件。阀芯移动改变了阀芯与阀座间的流通面积，即改变了阀的阻力系数，使被控介质流量相应改变。（一）控制阀结构由上阀盖、下阀盖、阀体、阀座、阀芯、阀杆、填料和压板等构成。为适应多种使用要求，阀芯和阀体有不同的结构，使用的材料也各不相同。阀的结构型式直通单座阀直通双座阀角形阀三通阀蝶阀套筒阀偏心旋转阀高压阀调节阀的类型1.阀芯型式阀芯型式有直行程阀芯和角行程阀芯两类。（1）直行程阀芯又分为：平板型、柱塞型、窗口型和多级阀芯。各种阀芯的型式见下图。直行程阀芯（2）角行程阀芯有偏心旋转型、蝶型和球型。图3—32角行程阀芯（3）流体对阀芯作用形式：流开阀和流闭阀图3—33图3—34.4.阀芯的安装形式：正装阀和反装阀※控制阀的流量特性1.理想流量特性(阀前后压差不随阀的开度而变)（）QQmaxlfL控制阀的流量特性指介质流过控制阀相对流量（）与相对位移（）之间的关系，即：QQmaxlL（二）控制阀特性直线特性：Q/Qmax=K(l/L)+C对数特性：Q/Qmax=R(l/L-1)抛物线特性：Q/Qmax=1/R[1+(–1)l/L]2快开特性：随着开度增大,流量很快达最大。R各种流量特性及其阀芯形状如图所示1快开；2直线；3抛物线；4修正抛物线2.工作流量特性(阀前后压差随阀的开度而变)⑴串联管道时的工作流量特性⑵并联管道时的工作流量特性结论使理想流量特