第五章执行器05

—控制仪表和计算机控制装置—浙江大学信息学院控制系上页下页目录上页下页目录15.执行器(Actuator)——接受来自调节器的控制信号，通过其本身开度的变化，从而达到调节流量的目的。执行器使用条件恶劣，是调节系统的薄弱环节5.1.概述(7.Finalcontrol)1.作用：—控制仪表和计算机控制装置—浙江大学信息学院控制系上页下页目录上页下页目录25.1.2.执行器的构成执行器由执行机构和调节机构两个部分构成辅助装置：阀门定位器——利用负反馈原理改善执行器的性能手操机构——用于人工直接操作执行器—控制仪表和计算机控制装置—浙江大学信息学院控制系上页下页目录上页下页目录35.1.3.执行器的分类及特点(1)按使用的能源形式分类：气动执行器气动调节阀电动执行器液动执行器ElectricalActuatorPneumaticActuatorHydrodynamicActuator电动调节阀—控制仪表和计算机控制装置—浙江大学信息学院控制系上页下页目录上页下页目录4气动调节阀采用气动执行机构：输出直线位移l直行程式调节机构长行程式输出角位移θ角行程式调节机构薄膜式活塞式—控制仪表和计算机控制装置—浙江大学信息学院控制系上页下页目录上页下页目录5电动调节阀采用电动执行机构：输出直线位移l直行程式调节机构输出角位移θ角行程式调节机构直行程式角行程式—控制仪表和计算机控制装置—浙江大学信息学院控制系上页下页目录上页下页目录6(2)按使用的调节机构分类：直通双座调节阀直通单座调节阀笼式（套筒）调节阀三通调节阀角型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调节阀和电动调节阀，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—控制仪表和计算机控制装置—浙江大学信息学院控制系上页下页目录上页下页目录7(3)执行器的特点优点：结构简单、动作可靠稳定、输出力大、安装维修方便、价格便宜和防火防爆气动调节阀优点：动作较快、能源获取方便、特别适于远距离的信号传送电动调节阀采用电/气转换器或电/气阀门定位器，使传送信号为电信号，现场操作为气动信号。缺点：响应时间大，信号不适于远传缺点：输出力较小、价格贵一般只适用于防爆要求不高的场合—控制仪表和计算机控制装置—浙江大学信息学院控制系上页下页目录上页下页目录85.1.4.执行器的作用方式当输入信号增大时，流过执行器的流量减小当输入信号增大时，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气动调节阀通常称为气关阀正作用:反作用:—控制仪表和计算机控制装置—浙江大学信息学院控制系上页下页目录上页下页目录95.2.执行机构执行机构的作用:——根据输入控制信号的大小，产生相应的输出力F和位移(直线位移l或角位移θ)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θ)用于带动调节机构阀芯动作—控制仪表和计算机控制装置—浙江大学信息学院控制系上页下页目录上页下页目录10执行机构作用方式正作用:输入信号增加，执行机构推杆向下运动反作用:输入信号增加，执行机构推杆向上运动—控制仪表和计算机控制装置—浙江大学信息学院控制系上页下页目录上页下页目录115.2.1.气动执行机构气动执行机构接受气动调节器或阀门定位器输出的气压信号，并将其转换成相应的输出力F和直线位移l，以推动调节机构动作。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—控制仪表和计算机控制装置—浙江大学信息学院控制系上页下页目录上页下页目录12结构1-上膜盖；2-波纹膜片3-下膜盖；4-支架5-推杆；6-压缩弹簧7-弹簧座；8-调节件9-连接阀杆螺母10-行程标尺(1)气动薄膜式执行机构—控制仪表和计算机控制装置—浙江大学信息学院控制系上页下页目录上页下页目录13工作原理当信号压力通入由上膜盖1和膜片2组成的气室时，在膜片上产生一个向下的推力，使推杆5向下移动压缩弹簧6，当弹簧的反作用力与信号压力在膜片上产生的推力相平衡时，推杆稳定在一个对应的位置，推杆的位移l即为执行机构的输出，也称行程。—控制仪表和计算机控制装置—浙江大学信息学院控制系上页下页目录上页下页目录14气动薄膜式执行机构的特性气动薄膜式执行机构的力平衡方程式为CslAPe11PCsAlea)静态特性非线性偏差小于±5％，回差小于3～5％—控制仪表和计算机控制装置—浙江大学信息学院控制系上页下页目录上页下页目录15b)动态特性11111TSRCSPPO1)1(TSKCTSAplseoCslAPe1—控制仪表和计算机控制装置—浙江大学信息学院控制系上页下页目录上页下页目录16（2）气动活塞式执行机构长行程执行机构特点:行程长输出力矩大—控制仪表和计算机控制装置—浙江大学信息学院控制系上页下页目录上页下页目录175.2.2.电动执行机构构成原理接受0~10mADC或4~20mADC的输入信号，并将其转换成相应的输出力F和直线位移l或输出力矩M和角位移θ—控制仪表和计算机控制装置—浙江大学信息学院控制系上页下页目录上页下页目录18(1)伺服电机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:将伺服放大器输出的电功率转换成机械转矩—控制仪表和计算机控制装置—浙江大学信息学院控制系上页下页目录上页下页目录19(2)伺服放大器作用:将输入信号和反馈信号进行比较，得到差值信号，并根据的极性和大小，控制可控硅交流开关Ⅰ、Ⅱ的导通或截止。可控硅交流开关Ⅰ、Ⅱ用来接通伺服电机的交流电源，分别控制伺服电机的正、反转或停止不转—控制仪表和计算机控制装置—浙江大学信息学院控制系上页下页目录上页下页目录20(3)位置发送器位移检测元件用于将电动执行机构输出轴的位移转换成mV或电阻等信号，常用的位移检测元件有差动变压器、塑料薄膜电位器和位移传感器等；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转换电路用于将位移检测元件输出信号转换成伺服放大器所要求的输入信号，如0-10mA或4-20mA直流电流信号。—控制仪表和计算机控制装置—浙江大学信息学院控制系上页下页目录上页下页目录21(4)减速器作用：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。直行程式的电动执行机构中，减速器还起到将伺服电机转子的旋转运动转变为执行机构输出轴的直线运动的作用。减速器一般由机械齿轮或齿轮与皮带轮构成。—控制仪表和计算机控制装置—浙江大学信息学院控制系上页下页目录上页下页目录22电动执行机构的特性伺服放大器是一个具有继电特性的非线性环节，为不灵敏区2fiII无输出；2fiII输出～215VifIKl1ifIK1伺服电机接通电源：伺服电机工作在恒速状态，故为一个积分环节，因此，电动执行机构的动态特性主要取决于伺服电机的特性，即具有积分特性伺服电机停止转动时：或为比例特性减速器和位置发送器为比例环节—控制仪表和计算机控制装置—浙江大学信息学院控制系上页下页目录上页下页目录235.3.调节机构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。—控制仪表和计算机控制装置—浙江大学信息学院控制系上页下页目录上页下页目录245.3.1.调节机构的结构和特点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—控制仪表和计算机控制装置—浙江大学信息学院控制系上页下页目录上页下页目录25常用调节阀结构示意图及特点直通单座调节阀特点:泄漏量小允许压差小特点:泄漏量大允许压差大直通双座调节阀—控制仪表和计算机控制装置—浙江大学信息学院控制系上页下页目录上页下页目录26常用调节阀结构示意图及特点角形调节阀特点:流路简单阻力小特点:有三个接管口三通阀—控制仪表和计算机控制装置—浙江大学信息学院控制系上页下页目录上页下页目录27常用调节阀结构示意图及特点蝶阀特点:成本低泄漏较大流通能力大特点:流路阻力小特点:稳定性好拆装维修方便套筒阀偏心旋转阀—控制仪表和计算机控制装置—浙江大学信息学院控制系上页下页目录上页下页目录285.3.2.调节机构的工作原理流体经调节阀时的能量损失H为单位质量流体经调节阀时的能量损失与流体的动能成正比流体在调节阀的平均流速W为gPPH21gWH22AQWPAPPAQ2)(221—控制仪表和计算机控制装置—浙江大学信息学院控制系上页下页目录上页下页目录29调节阀实际应用的流量方程式A——cm2——g/cm3(10-5Ns2/cm4)——100kPa(10N/cm2)Q——m3/hPAPAQ09.5102010360056设AK09.5则PKQPAQ2P(m3/h)K为调节阀的流量系数—控制仪表和计算机控制装置—浙江大学信息学院控制系上页下页目录上页下页目录305.3.3.调节阀的流量系数K——反映调节阀口径大小的定义:在调节阀前后压差为100KPa，流体密度为1g/cm3（即5～40℃的水）的条件下，调节阀全开时，每小时通过阀门的流体量（m3）AK09.524DNA20.4DNK因故PKQVK规定条件下的流量系数K以表示VK—控制仪表和计算机控制装置—浙江大学信息学院控制系上页下页目录上页下页目录31流量系数的计算PKQ取的单位为kPaPQK101.流体的种类和性质将影响K的大小，因此对不同的流体必须考虑其对流量系数的影响2.流体的流动状态也将影响K的大小，因此要考虑阻塞流与非阻塞流的情况P由可得：适用于一般液体流量系数计算公式汇总表见p171表5-1—控制仪表和计算机控制装置—浙江大学信息学院控制系上页下页目录上页下页目录325.3.4.调节阀的可调比——反映调节阀的调节能力的大小定义:调节阀所能控制的最大流量和最小流量之比minmaxQQR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。—控制仪表和计算机控制装置—浙江大学信息学院控制系上页下页目录上页下页目录33(1)理想可调比(ΔP一定)minmaxminmaxminmaxKKPKPKQQR由结构设计决定R=30;50—控制仪表和计算机控制装置—浙江大学信息学院控制系上页下页目录上页下页目录34(2)实际可调比Rr(ΔP变化)①串联管道时的可调比maxminminmaxPKPK设SPPSminSRRr则minmaxQQRrmaxminPPRSPPRmin—控制仪表和计算机控制装置—浙江大学信息学院控制系上页下页目录上页下页目录35②并联管道时的可调比minmaxQQRrmaxmax1QQmaxmaxmax)1(QRQQRrR＞＞12max11QQRr设则2min1maxQQQ)1(RRR—控制仪表和计算机控制装置—浙江大学信息学院控制系上页下页目录上页下页目录365.3.5.调节阀的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)(maxLlfQQ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PAPKQ09.5—控制仪表和计算机控制装置—浙江大学信息学院控制系上页下页目录上页下页目录37①理想流量特性(ΔP一定)调节阀的固有特性，由阀芯的形状所决定。理想流量特性主要有直线特性、等百分比（对数）特性、抛物线特性及快开特性等四种—控制仪表和计算机控制