1、第四章 执行机构与运算单元,第一节 概述 第二节 电动执行机构 第三节 气动执行机构,第一节 概述,执行机构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（如调节阀），改变控制量，从而影响被控变量符合人们预期的控制要求。,执行器由执行机构和调节单元组成。执行机构的作用是依据控制命令产生推力或位移的装置；调节单元的作用是依据执行机构产生的推力或位移，直接改变生产工艺装置改变能量或物料输送量的装置，如调节阀。,执行机构按其使用的能源形式可分为气动、电动和液动三大类。我们这里重点介绍气动和电动两大类。,第二节 电动执行机构,电动执行机构分为角行程（角位移执行机构
2、）和直行程（线位移执行机构）两种。它们分别将输入的直流电信号线性的转换成角位移量或线位移量输出。,这两种执行机构都是以两相交流电机为动力装置的位置伺服机构，两者的电器原理完全一样，只是减速机构不同。,角行程执行机构的组成框图如图4-1所示。,（一）、基本构成和工作原理,角行程执行机构的相应指标：,输入信号：4-20mA（DC）； 输入电阻：250 ； 输出轴转矩：16、40、100、250、600、1600、4000、6000、10000Nm； 输出轴转角： ； 全行程时间：25s； 基本误差： 2.5%；,角行程执行机构构成原理：,角行程执行机构由伺服放大器和执行机构两部分组成。,伺服放大器
3、将输入信号 Ii 和反馈信号 If 相比较，所得差值经功率放大后，驱使两相伺服电机转动，再经减速机构减速，带动输出轴转动，改变转角 。若差值为正，伺服电机正转，输出轴转角增大；当差值为负，伺服电机反转，输出轴转角减小。,输出轴转角位置经位置发送器转换成相应的反馈电流 If ，馈送回伺服放大器得输入端，当反馈信号 If 与输入信号 Ii 相平衡，即差值为零时，伺服电机停止转动，输出轴就稳定在与输入信号 Ii 相对应得位置上。,输出轴转角 与输入信号 Ii 的关系可描述为：,式中：K为比例系数。,由上式可知，输出轴转角和输入电流信号成正比，所以可以将电动执行机构看成一比例环节。,电动执行机构还可以
4、通过电动操作器实现控制系统的自动操作和手动操作的相互切换。当操作器的切换开关切向“手动”位置时，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和反转，进行遥控手动操作。,（二）、伺服放大器,伺服放大器由信号隔离器、综合放大电路、触发电路和固态继电器构成，结构如图4-2所示。,功能：将来自调节器的电流信号和位置反馈信号进行综合比较，并将差值放大，以足够的功率去驱动伺服电机旋转。,该伺服放大器采用信号隔离器，并使用过零触发的固体继电器技术，因而具有体积小、反应灵敏、抗干扰能力强、性能稳定等优点。,1、信号隔离器,采用光电隔离集成电路作为隔离器。,它把输入信号Ii、位置反馈信号If与
5、放大器电路进行相互隔离其实质是一个电流/电压转换电路，它把输入电流4-20mA电流转换成1-5V电压，送至综合放大器电路。,2、综合放大电路,综合放大电路由集成运算放大器IC1和IC2组成，结构如图4-3所示。IC1将输入信号和位置反馈信号相减，得到偏差信号，IC2再将其放大。RP1为调零电位器，调节RP1使在输入信号和位置反馈信号相等时，放大电路输出为零。电位器RP2用来调整放大倍数，通常取为60。,3、触发电路,触发电路由比较器IC3和IC4组成，结构如图4-3所示。,正偏差时，若Uo ，则IC3输出为正，使固态继电器I工作。负偏差时，若Uo ，则IC4输出为正，使固态继电器 动作。无偏差
6、或偏差小于死区（2 ）时，固态继电器I、 均不动作。,4、固态继电器,固态继电器是一个无触点功率放大器件，由触发电路控制其功率输出，去驱动伺服电机。,（三）、执行机构,执行机构由伺服电机、减速机构和位置反馈发送器组成。,功能：接受伺服放大器或操作器的输出信号，控制伺服电机的正、反转，再经减速机构减速后变成输出力矩去推动调节机构（调节阀等）动作。与此同时位置发送器将调节机构的角位移转换成相应的直流电流信号，进行反馈，用以馈送至输入端与输入电流进行比较和指示阀位。,1、伺服电机,伺服电机的作用是将伺服放大器输出的电功率转换成机械力矩，并且当伺服放大器没有输出时，电机又能可靠地制动停止转动。,2、减
7、速机构,功能：减速机构把伺服电机高转速、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，以推动调节机构。,结构：采用正齿轮和行星齿轮相结合的机械传动机构。,行星齿轮机构的减速比由摆轮的齿数和内齿轮的齿数决定：,即：,式中：i-减速比；,z1-摆轮的齿数；,z2-内齿轮的齿数；,一般z2和z1之差为1-4，故减速比可达到很大。式中负号表示摆轮和系杆的转动方向相反。,1-伺服电机；2，3，4，14-齿轮；5-销轴，销套； 6-偏心轴；7-联轴器；9-输出轴；8，10，11，13，19-轴承；12-内齿轮；15-弹簧片；16-凸轮；17-手动部件；18-限位销；20-差动放大器。,3
8、、位置发送器,位置发送器的结构如图4-7所示。,功能：将执行机构输出轴的转角（ ）线性地转换成4-20mA的直流电流信号，馈送回输入端，用以指示阀位和作为位置反馈信号反馈到伺服放大器的输入端，以实现整机的负反馈。,第三节 气动执行机构,气动执行机构接受电/气转换器（或电/气阀门定位器）输出的气压信号，并将其转换为相应的推杆直线位移，以推动调节机构工作。,气动执行机构有薄膜式和活塞式两种。常见的气动执行机构均属气动薄膜式，它的特点是结构简单，价廉，但输出行程较小，只能直接带动阀杆。活塞式的特点是行程长，但价格昂贵，只用于特殊需要的场合。,（一）基本结构和工作原理,1、气动薄膜执行机构,气动薄膜执
9、行机构依据压力信号的作用方式不同可分为正作用和反作用两种基本执行机构形式。,气压信号增加时，推杆向下移动的执行机构称为正作用执行机构（ZMA）； 气压信号增大时，推杆向上移动的执行机构称为反作用执行机构（ZMB）。,这是气动执行机构的两种基本的作用方式，它们与调节机构的作用方式组合可构成气动调节阀的两种最基本的作用方式。调节阀的作用方式的正确选择在控制系统的设计中是非常重要的，将会决定工艺生产装置和控制系统的安全。,下面以正作用式执行机构为例说明其工作原理。,（1）、结构,正作用气动执行机构的结构如图4-9所示。,当输入气压信号通过上膜盖1和波纹膜片组成的气室时，在膜片上产生一向下的推力，使推
10、杆5向下移动并压缩弹簧6，此时弹簧被压缩后产生一向上的弹簧力。当弹簧的作用力与信号压力在膜片上产生的推力相平衡时，推杆将稳定在一个与信号压力相对应的位置上，推杆的位移即执行机构的输出，也称为输出行程。,气动薄膜执行机构的行程规格有： （10，16，25，40，60，100）mm等；,膜片的有效面积有： （200，280，400，630，1000，1600） 等。,膜片的有效面积越大，执行机构的推力就越大。,（2）、特性,在不计膜片的弹性刚度及推杆与填料之间的摩擦力的情况下，其力平衡方程式可用下式表示：,（4-15）,式中：p 0 -气室中气体的压力，即输入压力信号；,Ae -膜片有效面积； l
11、 -弹簧位移； Cs -弹簧刚度。,式（4-15）说明推杆位移 l 和输入压力信号 p 0 之间成比例关系，如图4-10所示。图中推杆的位移用相对位移变化量 l/L来表示的百分比来表示。,上述关系是在未考虑膜片刚度和推杆摩擦力时得到的，如考虑这些实际因素以及弹簧刚度的变化，则将使执行机构产生非线性偏差和正、反行程变差，如图4-10实线所示。通常执行机构的非线性偏差小于4%，正反行程变差小于2.5%。实际使用中，将阀门定,位器作为气动执行机构的组成部分，可减小非线性偏差和变差。,2、气动活塞式执行机构,活塞式执行机构分为：有弹簧和无弹簧两类。,图4-11是无弹簧活塞式执行机构的工作原理图。其主要
12、由气缸、活塞和推杆组成。,在气缸中、活塞将气缸分为两个单独的相互密封的气室。两个气室分别输入固定气压信号（一般是大气压）和可变气压信号（输入的工作信号）。活塞随两侧的气压差压的变化而移动，从而带动,推杆移动。,它的输出特性有比例式和两位式（开关式）两种。,两位式是根据输入活塞两侧的操作压力大小，将活塞从高压侧推向低压侧。 比例式是在两位式的基础上，加装阀门定位器，使推杆的位移和信号压力成比例关系。,此外还有一种长行程执行机构，其结构原理与气动活塞式执行机构基本相同。它具有行程长、输出推力（或力矩）大的特点，输出直线位移为40-200mm，转角位移为 ，适用于输出角位移和大力矩的场合。,（二）、
13、气动执行机构的输出力,1、薄膜式执行机构的输出力,正作用式薄膜执行机构的输出力向下，反作用薄膜执行机构的输出力向上，如图4-12所示。,正、反作用式薄膜执行机构的输出力均为信号压力在膜片上产生的推力与弹簧的反作用力之差，可用公式表示为：,（4-16）,式中：F -输出力；,p0 -信号压力，kPa； Ae-膜片有效面积， ； Cs-弹簧刚度。N/cm； L0 -弹簧预紧量，cm； l -弹簧位移量，cm。,（4-17）,式中：p r -弹簧产生全行程位移量L时，在膜片上所施加压力的变化量。,（4-18）,式中：p i -弹簧起动压力，相当于使弹簧产生预紧变形L0所施加在膜片上的压力。弹簧处在自
14、由状态时， p i = 0。 p i 可根据需要在一定范围内调整。将式（4-17）和（4-18）代入式（4-16）可得：,（4-19）,式中：pF-有效输出压力，是用来克服负荷的有效压力。,从上式可知，输出力得大小取决于薄膜有效面积 Ae 和有效输出压力 p F 。因此为了提高薄膜执行机构得输出力，可提高信号压力p 0 的变化范围；在选择执行机构时，酌情把膜头尺寸选大1-2号规格。,2、活塞式执行机构的输出力,常见的活塞式执行机构有单向和双向两种作用方式。,双向活塞式执行机构在结构上没有弹簧，由于无弹簧反作用力，因此其输出力比薄膜执行机构大，常用作大口径、高压差调节阀的执行机构。,根据图4-1
15、1所示双向活塞式执行机构的受力情况，其输出力可表示为：,（4-20）,式中：F-执行机构输出力，N；D-活塞直径，cm；,p1-p2-操作压力，kPa；,-气缸效率（计摩擦消耗，常取 =0.9）。,当操作压力不变时，输出力主要取决于活塞直径的大小。活塞直径有： （ 10，15，20，25，30，35）cm。,（三）阀门定位器,阀门定位器的原理功能示意图入图4-13所示。,功能：阀门定位器和气动调节阀配套使用，起到功率输出和反馈阀门阀位反馈的作用。 定位器接受调节器的输出信号（电信号），然后成比例的输出,气压信号到气动执行机构。当阀杆移动后，其位移量又通过机械反馈到阀门定位器，因此阀门定位器和执
16、执行机构构成了一个闭环反馈系统。,在图4-13中，定位器接受调节器的输出信号I0（电信号），经功率放大后输出气压信号pa，控制推动执行机构工作，位置反馈信号再馈送回定位器，由此构成一个使阀杆位移预输入信号成比例的负反馈系统。,电/气阀门定位器的结构入图4-14所示。,阀门定位器的应用场合：,（1）、增加执行机构的推力。通过提高定位器的气源压力来增大执行机构的输出力。适用于高压差、大口径、高压、低压及工作介质含有固体悬浮颗粒或粘性流体的场合；,（2）、加快执行机构的动作速度。调节器与执行机构距离较远时，为了克服信号的传递滞后，加快执行机构的动作速度，必须实用定位器，一般用于两者相距60m以上的场
17、合；,（3）、实现分程控制。两台定位器由一个调节器来操纵，每台定位器的工作区间由分程点来决定。设分程点为50%，则调节器在0-50%输出时，第一台定位器输出0-100%，第二台为零；调节器输出50-100%时，第二台输出0-100%，第一台输出保持在100%；,（4）、改善调节阀的流量特性。通过改变反馈凸轮的几何形状可改变调节阀的流量特性。因为反馈凸轮的变化，就改变了执行机构对定位器的反馈量的变化规律，使定位器的输出特性发生了变化，从而改变了定位器输入信号与执行机构输出阀位间的关系，即修正了流量特性。,除上述场合外，定位器还能使执行机构由两位动作变成比例动作，能改变调节阀的作用形式，或用于需要
18、电/气转换的复合调节中。,三、调节机构,调节机构又称为调节阀，它时一个局部流阻可调的节流元件。由于阀芯受推杆的控制在阀体内移动，改变了阀芯与阀座之间的流通面积，改变了调节阀的流阻大小，即改变了调节阀的阻力系数，从而使流过调节阀的被控流体介质的流量发生改变，从而达到控制工艺变量（被控变量）改变的控制目的。,调节阀是工业生产控制中最常见的一种调节机构，根据阀体结构和阀芯的种类以及安装的位置不同，有多种多样的调节阀，同时依据阀芯的种类不同，又存在不同的流量特性。,（一）调节阀的结构,1、阀芯型式,图4-15为常用直通单座调节阀的结构示意图。,由于调节阀直接与被控介质接触，为适应各种使用要求，阀芯、阀
19、体有不同的结构，使用的材料也不同。,各种常见阀芯的情况参见书上有关章节。,2、调节阀的结构形式,3、流体对阀芯的作用形式和阀芯的安装形式,（1）、流体对阀芯的作用形式,（2）、阀芯的安装形式,（二）、调节阀的流量特性,流量特性是调节阀最重要的特性。调节阀的流量特性对整个控制系统的调节品质有很大的影响。实际上不少的调节系统工作不正常，往往是由于调节阀的特性选择不合适，或阀芯在使用中受到腐蚀磨损时其特性变化引起的。,因此了解调节阀的流量特性并正确地选择调节阀的流量特性在控制系统设计中是非常重要的。,在此将介绍几种常用的调节阀的理想流量特性和其工作流量特性。,流量特性的定义：,调节阀阀芯位（开度）移
20、与通过该调节阀的流量之间的特性关系即为调节阀的流量特性。,所以严格地讲，通过调节阀的流体流量的大小不仅取决于阀的开度大小（它决定流通面积的大小），还和阀前后的压差高低有直接的关系。,流过一管道的流体流量的大小取决于两方面的因素：管道的流通面积和管道两端的压力差的大小。,理想（固有）流量特性-设定阀前后压差恒定时，阀的开度与流量之间的特性关系。 工作（实际）流量特性-考虑阀前后压差变化时，阀的开度和流量之间的特性关系。,在调节阀的实际工作过程中，由于流体流过调节阀时会造成阀前后的压差发生变化，所以调节阀的固有理想特性在实际工作中会随着阀前后压差的变化而发生变化。,研究过程：先研究理想流量特性，再
21、研究工作流量特性。并在研究流量特性之前，对流体力学中与调节阀的工作原理有关的节流原理作一基本的介绍,1、节流原理,对于不可压缩流体，由能量守恒原理可知，调节阀上的能量损失等于阀前后流体的压力之差：,式中：H-流过调节阀的流体的单位流体的能量损失；,P1-阀前压力； p2-阀后压力；,-流体重度。,根据流体力学知识可知：,当调节阀开度不变，流体密度不变，单位流体的能量损耗与流体的动能成比例：,式中：-流体的平均流速；, -调节阀阻力系数，与阀门结构、开度和流体的性质有关； g -重力加速度。,流体的平均流速可计算为：,式中：Q-流体的体积流量；,A -调节阀接管的流通面积。,综合以上三式可得：,
22、该式即为调节阀的流量方程。,上式中各项采用的单位如下：,A - ；,- ；（gf-克力）,g - ；,p1、p2- ；,Q - 。,如果流量和压力采用工程单位，即：,则上式可写为：,上式即为调节阀实际应用的流量方程。,当调节阀口径一定（A一定）和p、不变的情况下，流量Q仅随阻力系数变化，阀的开度增大，阻力系数减小，流量随之增大。调节阀就是通过改变阀芯的行程来实现调节阀开度的变化，从而改变流通面积（节流面积），即改变其阻力系数来实现流量调节。,有关调节阀在应用中的几个参数：,（1） 、流量系数,从调节阀的实际流量方程中，可以看到一些参数（即A和）为调节阀的结构参数，而p和为调节阀工作时的工作流质
23、的参数，因此调节阀的结构参数在控制系统设计时，调节阀的选型时需要考虑计算的参数。为此将调节阀的这两个结构系数归一为流量系数这个参数，我们在调节阀选型时只需考虑计算流量系数，就将上述两个调节阀的结构参数考虑到了，流量系数的物理含义正在于此。,流量系数的定义式可从调节阀的实际流量方程获得。,调节阀的实际流量方程可改写为：,或,定义：,KV-称为调节阀的流量系数。 从定义式可知， KV与A成正比，与的平方根成反比。由此可知， KV的大小反应了调节阀的调节阀所能流过流体的多少，即反应了调节阀的流通能力的大小。因此可以根据系统设计时的控制要求来计算KV的大小，依据计算结果来选择调节阀的类型和型号。,注：
24、 流量系数KV的定义是在如此前提下定义的： （1）、调节阀处于全开状态； （2）、阀前后压差为100kPa， （3）、流体重度为 ； （4）、流过阀门的流质为水。 在以上前提条件下，每小时通过阀门的流体的流量数即为流量系数KV 。,例如：有一台KV =50 的调节阀，则表示当阀门全开、阀前后压差为100kPa时（按假设前提： ），每小时通过该阀门的水流量为50 /h。,一般液体Kv的值计算公式为：或 -流体密度。,其它流质的流量系数Kv计算公式可参见书p109-110,（2）、压力恢复系数FL,压力恢复系数又称为临界流量系数。在流量方程中，阀前压力p1、阀后压力p2的取压位置及流体通过调节,阀
25、的压力降的变化情况如图所示。,按能量守恒定理，流体的势能（流体的压力表示）和动能（流体的流速表征了流体的动能）的转换应当是守恒的。,为流体动能差， 为最大动能，图上画出的只是最大动能发生处。,因此，流体流过调节阀的全过程应当存在一个势能转化为动能然后再转化为势能的过程。在此转换过程中动势能的转化加上流阻上耗损的能量应当是守恒的。,显然，在调节阀中，p1处压力最大，势能最大，动能最小，流速最慢；束流处动能最大（流速最快），势能最小（压力最小），势能转化为动能（注意此处在流阻上有能量损耗）；在p2处动能又转化为势能，流速减慢，压力升高。由于存在能量损耗，此时p2处恢复的压力小于p1处压力。,由以上
26、分析可知：,p1p2pVC ；p= p1-p2 0； ppVC= p1- pVC。,恢复系数：恢复系数表征了在调节阀内流体经束流处后动能转变成为势能（静压p2）的能力，定义式为：,FL的大小与调节阀的结构、流体流向及开度有关。表3-1（见书p111）列出了典型结构调节阀在全开度时的FL值。引入FL后，Kv计算公式可查阅流体力学资料。,注：在阻塞流的状态下，若不引如入FL，Kv的计算结果会偏小，可能产生较大的误差。在非阻塞流的状态下，不考虑FL，对Kv的计算结果影响较小。,（3）、调节阀的可调比（可调范围）,调节阀的可调比R（亦称为可调范围）定义为： 调节阀所能控制的最大流量与最小流量之比，其定
27、义式为：,注意：（1）、区分最小可调流量和泄漏流量；（2）、因为Qmax和Qmin 受阀前后压差的影响，所以R也随压差而变。由此可分为理想可调比和实际可调比。 理想可调比：阀前压差不变； 实际可调比：考虑阀前后压差变化因素后的可调比。,（a）、理想可调比,定义式：,理想可调比等于最大流量系数和最小流量系数之比，它反映了调节阀调节能力的大小。一般总希望调节能力越大越好，但受阀芯结构设计和制造工艺的影响，KVmin不能太小，因此理想可调比一般均小于50。目前统一设计时取R=30。,（b）、实际可调比,、串联管道时的可调比,随着流量Q的增加，管道阻力损失也增加，则调节阀通过的最大流量减小，调节阀的实
28、际可调比降低。,此时实际可调比为：,式中：pmin、 pmax分别为调节阀全开及最小流量（即没关的最小,开度）时的阀前后压差，而可认为pmax p。,令s为调节阀全开时的阀前后压差与系统总压差之比：,令s为调节阀全开时的阀前后压差与系统总压差之比：,由上式可知。当s值越小，即串联管道的阻力越大时，实际可调比就越小。实际情况入图4-27所示。,并联管道时的可调比,并联管道是指在调节阀旁边安装以一旁通阀。其可调比是在旁通阀打开一定的开度时，调节阀的可调比。如图4-28所示。,可调比：,式中：Qmax-总管道最大流量；Q1 min-调节阀最小流量；Q2 -旁路阀流量。,令x为调节阀全开时的流量与总管
29、道的最大流量之比：,因为Q1max =RQ1min，所以Q1min = x（Qmax / R）； 又Q2 = Qmax- Q1max= Qmax （1-x）；代入式（3-50）得：,通常R1， R R -1则：,当 x 越小，Q2 越大时，实际可调比越小，并且实际可调比近似为总管道得最大流量与旁路阀流量得比值。特性曲线如图4-28所示。,2、调节阀的理想流量特性,调节阀的流量特性是指工作介质流过调节阀的相对流量与阀杆的相对位移（即阀的相对开度）之间的特性关系。即：,式中： -相对流量，调节阀在某一开度时的流量与,全开度时的最大流量之比；,-相对位移，调节阀某一开度时阀芯位移l,与调节阀全开度时
30、阀芯的最大位移L之比。,由于调节阀开度变化时，阀前后的压差也会发生改变，而压差的变化又将引起流量的变化。因此一个调节阀的流量特性实际是在发生变化。为了分析方便起见，作如下规定：,理想（固有）流量特性： 调节阀前后的压力差不随调节阀的开度变化而变化即（阀前后压差恒定）的流量特性；,工作（实际）流量特性： 调节阀前后的压力差随调节阀的开度变化而变化即（阀前后压差随开度变化）的流量特性；,理想流量特性有以下几种形式： （如图4-29所示） 快开流量特性（图中曲线1） 直线流量特性（图中曲线2） 抛物线流量特性（图中曲线3）（图中 是修正抛物线流量特性） 等百分比（对数）流量特性（图中曲线4）,（1）
31、、直线流量特性,直线流量特性为：,由上式可解析出K的计算公式，并获得直线流量特性的特性关系式。,直线流量表明：调节阀的相对流量变化与相对开度变化成直线关系，即斜率为一常数。（注：直线流量特性的公式求导数即为直线的斜率）,式中：K-为放大系数（也即直线的斜率）,在获得K、C以后，代入直线流量特性关系式，可得具体的直线流量特性：,直线流量特性：,直线流量的特性曲线和阀芯形状如图4-29中的2所示。,特点：, 、流量相对变化量与开度相对变化量成直线关系； 、在不同开度上，流量相对变化量不同。小开度时，流量相对变化量大，大开度时，流量相对变化量小。,因此，直线流量特性的调节阀在小开度时调节作用强，灵敏
32、度高，易产生振荡；大开度时，调节作用弱，灵敏度低，调节缓慢。 由此可见，直线流量的调节阀最适合调节工作点在较大开度的情况下工作。,（2）、等百分比（对数）流量特性,等百分比流量特性是指：调节阀阀杆的单位行程变化引起的相对流量变化与该行程点的相对流量成正比：,对上式积分，可得：,将在直线流量特性中得到得边界条件代入，可求得C：,最后可得：,在等百分比特性中，相对位移与相对流量成对数关系，故也称之为对数流量特性。在半对数坐标纸上画出的是一条直线，但在直线坐标中则为一条对数曲线（特性曲线和阀芯形状如图4-29中4）。,特点：,、等百分比流量特性曲线的斜率是随流量的增大而增大，即它的放大系数是随着流量
33、增大而增大；,、流量相对变化值相对于阀门开度是相等的，即流量变化的百分比是相等的。,因此等百分比流量特性的调节阀在小开度时，放大系数小，调节缓和平稳；大开度时，放大系数大，调节灵敏、快速有效。,（3）、抛物线流量特性,抛物线流量特性是指：调节阀阀杆的单位行程变化引起的相对流量变化与该行程点的相对流量值的平方根成正比：,积分后代入边界条件后可得：,特点：介于直线流量特性和对数流量特性之间，弥补了直线流量特性在小开度时的控制性能差得缺点。,图4-29中得 是修正抛物线特性，用它能更好地弥补直线流量特性得小开度控制性能。它在开度为30%以下时，呈抛物线特性，降低相对流量变化值，在30%开度以上时，呈
34、直线流量特性，具备了直线流量特性在较大开度时得良好控制性能。,（4）、快开流量特性,快开流量特性是指：调节阀阀杆的单位行程变化引起的相对流量变化与该行程点的相对流量值的倒数成正比：,积分后代入边界条件后可得：,特点：小开度时，流量增加很大，随着开度得进一步 增大，流量很快达到最大值，开度再进一步增加，流量变化已经很小，不能再有大的变化。如图4-29中1。,3、工作流量特性,（1）、串联管道中调节阀的工作流量特性,当调节阀安装在生产工艺管道中时，除调节阀外，还有管道、设备装置等存在流阻，该阻力损耗随着管道里的流量成平方关系变化。图4-30显示了调节阀串联时的串联管道系统的压力情况。当系统的两端总
35、压差P一定时，调节阀上的压差就会随着流量增加而减小，这种压差,的变化又反过来会引起通过调节阀的流量发生变化，从而使调节阀的理想流量特性转变为工作流量特性。,设管道系统的总压力差为psystem，调节阀开度全开时的压差为popen，则定义s为压降分配比：,S表示了串联管道上调节阀全开时，调节阀上压降占管道系统总压降的多少。这样，不同串联管道中理想流量特性的变化情况便可用s来描述，如图4-30所示。,从图可见，当s=1时，管道设备阻力为零，系统的总压差全部降到调节阀上，此时即为理想流量特性。当s越小，分配到调节阀上的压降就越小，特性曲线下移，使使理想直线特性畸变为快开特性，对数流量特性畸变为直线流
36、量特性。可见，s太小对控制是不利的，因此，一般要求s不小于0.3。,（2）、并联管道中的工作流量特性,定义调节阀全开时的流量Qopen和总管道最大流量Qmax之比为x，则不同的x值下的工作流量特性如图4-33所示。,由图可见，当x=1，即旁通阀完全关闭，调节阀的流量特性就是理想流量特性。随着x值的减小，虽然调节阀本身的流量特性没有变化，但管道系统的可控比将大大地降低，泄漏量也增大。同时在实际系统中，总是存在串联管道阻力的影响，其阀上的压差随着流量的加大而降低，这就使系统的可控比更多地下降，从而控制阀在动作过程中流量变化更小，甚至几乎不起控制作用。可见，调节阀并联于管道这种工作方式是不好的，因此
37、，要求x值不应低于0.8，即旁路阀流量最多只能占管道系统的总流量的百分之十几。,四、执行机构的选型,执行器是自动控制系统的终端执行元件，其选型的正确与否对控制系统的工作好坏关系很大。,（一）、执行机构的选择,依据能源、工作介质的工艺要求、生产安全性、控制系统的控制精度、经济效益以及控制现场情况等多种因素，综合考虑选用一种合理的执行机构。再根据执行机构的输出力必须大于调节阀的不平衡力（或力矩）来确定执行机构的规格型号。,重点强调的是气动执行器的气开和气关作用方式的选择。,因为执行机构有正、反作用方式，调节机构（阀体）也有正装和反装两种方式，所以要实现气动执行机构的正反作用方式有四种组合方法，如图
38、4-34所示。,（二）、调节阀流量特性选择,（1）、从控制年品质考虑,从控制品质考虑，为满足品质要求，在负荷变化情况下，应保持控制系统的总放大系数恒定。但对象往往是非线性的，造成放大系数不能恒定。这时合理选择调节阀的流量特性去弥补控制对象的非线性，以达到时总控制系统的放大系数保持恒定。,（2）、从工艺配管情况考虑,表4-2 考虑工艺配管的特性选择,s的选取一般考虑： （1）、首先考虑应保证调节能力，s越大，工作流量特性畸变小，对调节有利； （2）、s越大，调节阀上的压差损失越大，造成不必要的能量消耗。,一般设计取s=0.3-0.5。对于高压系统，考虑到节约能量，允许s=0.15。对于气体介质系统，因阻力上的能量损耗少，一般取s都大于0.5。,（3）、从负荷变化情况考虑,直线阀在小开度时，流量相对变化值大，调节阀过于灵敏，易引起振荡，且阀芯、阀座易受到破坏。因此，在s值小，负荷变化大时，不宜采用直线阀。,等百分比特性调节阀的放大系数随阀门行程增加而增大，流量相对变化值是恒定的，因此适合负荷变化大的场合。另外在工艺变量不能精确确定时，选用等百分比的调节阀，具有较强的适应性。,
