1、执行器,储运1202 谷文力,执行器是自动控制系统中的重要组成部分。,第五章 执行器Actuator概述,作用: 接受控制器送来的控制信号经执行机构将控制信号（指令）转换为角位移或直线位移；操纵控制机构，改变被控对象进出能量或物料。,执行器有自动执行器、自动电压调节器、自动电流调节器、控制电机等。其中自动执行器是最常见的执行器，种类繁多。,按能源形式分类,气动执行器电动执行器液动执行器,常用辅助设备,气动执行器示意图,自动执行器按照工作所用能源形式可分为： 电动执行器：电源配备方便，信号传输快、损失小，可远距离传输；但推力较小。 气动执行器：结构简单，可靠，维护方便，防火防爆；但气源配备不方便
2、。 液动执行器：用液压传递动力，推力最大；但安装、维护麻烦，使用不多。,工业中使用最多的是电动执行器和气动执行器。,5.1 气动执行器,气动薄膜室,推杆,阀门,阀位指示标牌,阀杆,5.1.1 气动执行器的结构与分类,气动执行器由执行机构和控制机构（阀门）两部分组成。 执行机构是推动装置，它是将信号压力的大小转换为相应的推力，进而改变阀杆位移的装置。 控制机构是阀门，它将阀杆的位移转换为流通面积的大小。,1.执行机构,薄膜式,活塞式,结构简单、价格便宜、维修方便，应用广泛。,推力较大，用于大口径、高压降控制阀或蝶阀的推动装置。,长行程,行程长、转矩大，适于输出转角（090）和力矩。,结 构,执行
3、机构按调节器输出的控制信号，驱动调节机构动作。气动执行机构的输出方式有角行程输出和直行程输出两种。,直行程输出的气动执行机构有两类。,气动活塞式执行机构,薄膜式执行机构,执行机构的作用方式：正作用形式-信号压力增大,推杆向下。反作用形式-信号压力增大,推杆向上。,调节机构就是阀门，是一个局部阻力可以改变的节流元件。根据不同的使用要求，阀门的结构型式很多。,2控制（调节）机构,正装阀,阀芯下移时，阀芯与阀座间的流通截面积增大,阀门中的柱式阀芯可以正装，也可以反装。,反装阀,阀芯下移时，阀芯与阀座间的流通截面积减小,2.控制机构,根据不同的使用要求，控制阀的结构形式主要有以下几种。,（1）直通单座
4、控制阀,阀体内只有一个阀芯与阀座。,特点,结构简单、泄漏量小，易保证关闭，甚至完全切断。,缺点,在压差大的时候，流体对阀芯上下作用的推力不平衡，这种不平衡力会影响阀芯的移动。因而一般用在小口径、低压差的场合。,图6-2 直通单座阀,（2）直通双座控制阀,阀体内有两个阀芯和阀座。,特点,流体流过的时候，不平衡力小。,缺点,由于加工的限制，上下两个阀芯阀座不易保证同时密闭，因此泄漏量较大。,可分为正作用式与反作用式两种形式。,根据阀芯与阀座的相对位置,图6-3 直通双座阀,（3）角形控制阀,角形阀的两个接管呈直角形，一般为底进侧出。,特点,流路简单、阻力较小，适于现场管道要求直角连接，介质为高黏度
5、、高压差、含有少量悬浮物和固体颗粒状的场合。,图6-4 角形阀,（4）三通控制阀,共有三个出入口与工艺管道连接。,按照流通方式分,合流型和分流型两种,图6-5 三通阀,（5）隔膜控制阀,采用耐腐蚀衬里的阀体和隔膜。,特点,结构简单、流阻小、流通能力比同口径的其他种类的阀要大。不易泄漏。耐腐蚀性强，适用于强酸、强碱、强腐蚀性介质的控制，也能用于高黏度及悬浮颗粒状介质的控制。,图6-6 隔膜阀,（6）蝶阀,特点,结构简单、重量轻、价格便宜、流阻极小。适用于大口径、大流量、低压差的场合，也可以用于含少量纤维或悬浮颗粒状介质的控制。,缺点,泄漏量大。,图6-7 蝶阀,（7）球阀,球阀的阀芯与阀体都呈球
6、形体，转动阀芯使之与阀体处于不同的相对位置时，就具有不同的流通面积，以达到流量控制的目的。 流量变化较快，可起控制和切断的作用，常用于双位式控制。,“V”形和“O”形两种开口形式。,球阀阀芯分类,图6-8 球阀,图6-9 球阀阀芯的形状,（8）凸轮挠曲阀,阀芯呈扇形球面状，与挠曲臂及轴套一起铸成，固定在转动轴上。,特点,阀芯球面与阀座密封圈紧密接触，密封性好。重量轻、体积小、安装方便，适用于高黏度或带有悬浮物的介质流量控制。,图6-10 凸轮挠曲阀,阀芯,挠曲臂,轴套,（9）笼式阀,特点,可调比大、振动小、不平衡力小、结构简单、套筒互换性好，更换不同的可得到不同的流量特性，阀内部件所受的汽蚀小
7、、噪声小，是一种性能优良的阀，特别适用于要求低噪声及压差较大的场合。,缺点,不适用高温、高黏度及含有固体颗粒的流体。,图6-11 笼式阀,套筒,5.1.2 调节阀的流量特性 调节阀的阀芯位移与流量之间的关系，对控制系统的调节品质有很大影响。 流量特性的定义： 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）间的关系称为调节阀的流量特性。,相对流量Q/Qmax 是控制阀某一开度流量Q与全开时流量Qmax之比；相对开度l/L 是控制阀某一开度行程l与全开行程L之比。,调节阀的流量特性不仅与阀门的结构和开度有关，还与阀前后的压差有关，必须分开讨论。,固有流量特性：对应阀前后压差固定。 工作流量
8、特性：对应实际工作情况（实际工作时的流量特性）。,阀位 指示牌,1、固有（理想）流量特性 在将控制阀前后压差固定时得到的流量特性称为固有流量特性。它取决于阀芯的形状。,1,2,3,4,图6-12 不同流量特性的阀芯形状,1快开；2直线；3抛物线；4等百分比,（1）快开特性 （2）直线特性 （3）抛物线特性 （4）等百分比特性,（1）直线流量特性 控制阀的相对流量与相对开度成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数。用数学式表示为：,(l / L) /%,R 调节阀的可调比系数,积分可得,可调比R为调节阀所能控制的最大流量与最小流量的比值。,其中Qmin不是指阀门全关时的泄漏量，而是阀门能
9、平稳控制的最小流量，约为最大流量的24%一般阀门的可调比R=30。,R = Qmax / Qmin,控制力：阀门开度改变时，流量变化相对值的改变。,直线阀的流量放大系数在任何一点上都是相同的，但其对流量的控制力却是不同的。,在10时，流量变化的相对值为在50时，流量变化的相对值为 在80时，流量变化的相对值为,举例,当R=30,l/L=0时，Qmin/Qmax=0.33。在不同的开度上，再分别增加10%开度,在流量小时，流量变化的相对值大；在流量大时，流量变化的相对值小。,（2） 等百分比（对数）流量特性 单位相对行程变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系：,曲线斜率（放大系数）随
10、行程的增大而增大。流量小时，流量变化小，控制平稳缓和；流量大时，流量变化大，控制灵敏有效。,等百分比阀在各流量点的放大系数不同，但对流量的控制力却是相同的。,10%处：（6.58%-4.68%）/4.68%41% 50%处：（25.7%-18.2%）/18.2%41% 80%处：（71.2%-50.6%）/50.6%41%,同样以10、50及80三点为例，分别增加10%开度，相对流量变化的比值为：,（4） 抛物线流量特性,特性曲线为抛物线，介于直线和对数曲线之间，使用较少。,（3）快开特性,开度较小时就有较大流量，随开度的增大，流量很快就达到最大，故称为快开特性。适用于迅速启闭的切断阀或双位控
11、制系统。,2、调节阀的工作流量特性 实际使用时，调节阀装在具有阻力的管道系统中。管道对流体的阻力随流量而变化，阀前后压差也是变化的，这时流量特性会发生畸变。 （1）例：管道串联时的工作流量特性 如图，管道系统总压力P 等于管路系统的压降PG与控制阀的压降PT之和。,从串联管道中调节阀两端压差PT的变化曲线可看出，调节阀全关时阀上压力最大，基本等于系统总压力；调节阀全开时阀上压力降至最小。 为了表示调节阀两端压差PT的变化范围，以阀权度s表示调节阀全开时，阀前后最小压差PTmin与总压力 P之比。,s = PTmin / P,流量特性畸变：,以Qmax表示串联管道阻力为零时(s=1)，阀全开时达
12、到的最大流量。可得串联管道在不同s值时，以自身Qmax作参照的工作流量特性。,50%,50%,结论 串联管道使调节阀的流量特性发生畸变。 串联管道使调节阀的流量可调范围降低，最大流量减小。 串联管道会使调节阀的放大系数减小，调节能力降低，s值低于0.3时，调节阀能力基本丧失。,（2）并联管道的工作流量特性,控制阀一般都装有旁路，以便手动操作和维护。当生产量提高或控制阀选小了时，可将旁路阀打开一些，此时控制阀的理想流量特性就改变成为工作特性。,图6-17 并联管道的情况,如图6-17所示，显然这时管路的总流量Q是控制阀流量Q1与旁路流量Q2之和，即QQ1Q2。,控制阀,旁路阀,以 x 代表并联管
13、道时控制阀全开时的流量Q1max与总管最大流量Qmax之比，可以得到在压差p为一定时，而x为不同数值时的工作流量特性曲线。,图6-18 并联管道时控制阀的工作特性,由上图可见,当x1，即旁路阀关闭、Q20时，控制阀的工作流量特性与它的理想流量特性相同。随着x值的减小，即旁路阀逐渐打开，虽然阀本身的流量特性变化不大，但控制阀的可调范围大大降低了。控制阀关死，即l/L0时，流量Qmin比控制阀本身的Q1min大得多。, 串、并联管道都会使阀的理想流量特性发生畸变，串联管道的影响尤为严重。 串、并联管道都会使控制阀的可调范围降低，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
14、。 串、并联管道会使控制阀的放大系数减小，即输入信号变化引起的流量变化值减少。,结论,5.1.3 调节阀的选择选用调节阀时，一般应考虑以下几个方面。 调节阀结构的选择 气开式和气关式选择 调节阀的流量特性选择 调节阀口径的选择,5.1.3 调节阀的选择 1调节阀结构的选择通常根据工艺条件，如使用温度、压力，介质的物理、化学特性（如腐蚀性、粘度等），对流量的控制要求等，来选择调节阀的结构形式。 例如： 一般介质条件选用直通单座阀或直通双座阀； 高压介质选用高压阀； 强腐蚀介质采用隔膜阀等。,V型,O型,对夹薄型,气动调节球阀,2气开式与气关式的选择气动调节阀在气压信号中断后阀门会复位。 无压力信
15、号时阀全开，随着信号增大，阀门逐渐关小的称为气关式。反之，无压力信号时阀全闭，随着信号增大，阀门逐渐开大称的为气开式。如气动薄膜调节阀的气开式与气关式：,例如：选择蒸汽锅炉的控制阀门时，为保证失控状态下锅炉的安全：给水阀应选气关式。燃气阀应选气开式。,阀门气开气关式的选择原则： 当控制信号中断时，阀门的复位位置能使工艺设备处于安全状态。,3. 调节阀流量特性的选择 保证控制品质的重要因素之一是：保持控制系统的总放大倍数在工作范围内尽可能恒定。,有的被控对象的放大倍数，在不同的工艺点不同。,如热水加热器的热水流量与送风温度的静特性,K,由图可见，随着热水流量增大，对送风的加热效果越来越差。因为热
16、交换需要时间，热水很快流走，不能充分热交换所致。但若用蒸汽加热，由于冷凝放热很快，该特性为直线特性。,很多对象在工作区域内稳态放大倍数K不是常数，在不同的工艺负荷点，K不相同。因此希望调节阀的流量特性能补偿对象的静特性。,（1）若调节对象的静特性是非线性的，工艺负荷变化又大，用等百分比特性补偿。,（3）配管阻力大、s值低，等百分比阀会畸变成直线阀。,（2）若调节对象的静特性是线性的，或工艺负荷变化不大，用直线阀补偿。,4. 调节阀口径的选择,为保证工艺的正常进行，必须合理选择调节阀的尺寸。如果调节阀的口径选得太大，使阀门经常工作在小开度位置，造成调节质量不好。如果口径选得太小，阀门完全打开也不
17、能满足最大流量的需要，就难以保证生产的正常进行。,调节阀的口径决定了调节阀的流通能力。调节阀的流通能力用流量系数Kv 值表示。,流量系数Kv 的定义： 在阀两端压差100kPa，流体为水（103Kgm3）的条件下，阀门全开时每小时能通过调节阀的流体流量（m3 /h）。 例如，某一阀门全开、阀两端压差为100kPa时，流经阀的水流量为20 m3 /h，则该调节阀的流量系数为：C=20。,在调节阀技术手册上，给出了各种阀门的口径和流通能力 C ，供用户查阅。,将流量系数的定义条件代入基本流量公式：,实际应用中阀门两端压差不一定是100kPa，流经阀门的流体也不一定是水，因此必须换算。,（1）液体流
18、量系数C值的计算根据基本流量公式,两式相除得,（2）气体、蒸汽Kv值的计算气体、蒸汽都具有可压缩性，其Kv 值的计算必须考虑气体的可压缩性和二相流问题，计算时进行相应的修正。,根据实际的工艺流量和管道压力换算出Kv 值后，查阀门手册确定口径。,例 某供暖系统，流过加热盘管的水流量为Q=31m3/h热水为80，Pm-Pr=1.7100kPa， 所装阀门取多大？解：Pm-Pr是管网入口压差，设配管S=0.50.7，,P=（0.50.7）1.7100kPa 100kPa,80热水的密度=971Kg/m3,代入,得Kv31 ，取标准C=32在此档中，选取和管道直径相配的口径。,将420mA的电流信号转
19、换成20100KPa的标准气压信号。,5.2 电/气转换器,为了使气动调节阀能够接收电动调节器的输出信号，必须把标准电流信号转换为标准气压信号。,电/气转换器作用：,电/气 转换器,I 吸力Fi 杠杆偏转 挡板与喷嘴间隙 背压 放大器输入 输出压力P 杠杆的反馈力Ff 杠杆平衡 PI,工作原理,5.3 阀门定位器 气动调节阀中，阀杆的位移是由薄膜上气压推力与弹簧反作用力平衡确定的。 为了防止阀杆处的泄漏要压紧填料，使阀杆摩擦力增大，且个体差异较大，这会影响输入信号 P 的执行精度。,解决措施在调节阀上加装阀门定位器，引入阀杆位移负反馈。使阀杆能按输入信号精确地确定自己的开度。,5.4 电/气阀
20、门定位器 实际应用中，常把电/气转换器和阀门定位器结合成一体，组成电/气阀门定位器。,I杠杆上端右移,挡板靠近喷嘴 P压力,阀杆下移反馈凸轮 右转 反馈弹簧右拉 杠杆平衡,N,S,气动调节阀,气动调节蝶阀,5.5 电动调节阀 电动调节阀接受来自调节器的电流信号，阀门开度连续可调。 电磁阀也接受来自调节器的电流信号，但阀门开度是位式调节。,执行机构,如直动式电磁阀：线圈通电时，产生电磁力，吸引阀芯柱上移，阀门打开。线圈断电后，电磁力消失，阀芯落下。在弹簧压力下阀门紧闭。电磁阀是位式阀，只有全开和全关两个位置。,电动调节阀也由执行机构和阀门两部分组成。 执行机构是调节阀的推动装置，它将输入信号转换
21、成相应的动力，带动控制机构动作。 阀门是调节阀的控制机构，它与气动调节阀的阀门是通用的。,电动执行机构用控制电机作动力装置。输出形式有： 角行程：电机转动经减速器后输出。 直行程：电机转动经减速器减速并转换为直线位移输出。 多转式：转角输出，功率比较大，主要用来控制闸阀、截止阀等多转式阀门。 这几种执行机构在电气原理上基本相同，只是减速器不一样。,电动执行机构,输入信号与位置反馈信号进行比较，将差值放大。,驱动 电机,经减速输出，带动阀门,直到位置发送器检测到的位置信号与输入信号相等时，放大器输出为零。,电动执行机构 原理方框图,5.6 电液执行器,以直流电信号为控制信号，以液压为动力的执行器
22、。 主要用途：与大功率、大位移控制机构配套，用于大型设备的控制。如：大型高压阀门的控制。 防爆性能较差，不能用于易燃、易爆及高温场所。,电液执行器的结构原理,5.7 智能式调节阀随着电子技术的迅速发展，微处理器也被引入到调节阀中，出现了智能式调节阀。主要功能如下：,1控制及执行功能 2补偿及校正功能 3通信功能 4诊断功能 5保护功能,智能电动执行机构,电动小型调节阀,电动直角调节阀,电动双座调节阀,电动浆液阀,电动刀型闸阀,电动闸阀,5.8安全栅（safty barrier，exploder，isolator） 安全栅（又称防爆栅）是防止危险电能从控制系统信号线进入现场仪表的安全保护器。 1
23、 安全防爆的基本概念 在大气条件下，气体蒸汽、簿雾、粉尘或纤维状的易燃物质与空气混合，点燃后燃烧将在整个范围内传播的混和物，称为爆炸性混合物。,爆炸的三要素：自然物质；助燃物质；激发能量 。,衡量爆炸性混合物的危险程度的要点：最易引燃浓度；自燃温度；最小点火能量；最小引燃电流；最小传爆间隙 。,含有爆炸性混合物的环境，称为爆炸性环境。 按爆炸性混合物出现的频度、持续时间和危险程度，又可将危险场所划分成不同级别的危险区。,危险程度分类： Q类：所有可燃气体、蒸汽的爆炸性混合物的场所； G类：含有可燃性粉尘or纤维混合物的场所； H类：火灾危险场所；,Q类分级 0级：正常情况下持续、频繁出现的爆炸
24、性混合物的场所（设备正常启动、停止、运行、维修）。 1级：正常情况下可能持续、频繁出现的爆炸性混合物的场所（仅在非正常情况下才形成爆炸性混合物的场所）。 2级：仅在不正常情况，偶尔短时间出现的爆炸性混合物的场所（设备故障or误操作）。,对于类电气设备，电路电压限制在30VDC时，各种爆炸性混合物按最小引爆电流分为三级。,表5-1 爆炸性混合物的最小引爆电流分级,不同的危险等级对电气设备的防爆要求不同， 煤矿井下用电气设备属类设备； 有爆炸性气体的工厂用电气设备属类设备； 有爆炸性粉尘的工厂用电气设备属类设备。,表5-2 爆炸性混合物的自燃温度分组,2.防爆仪表类型,A安全型 B隔离型 C充油型
25、 H安全火花型i F通风充气型 T特殊型,安全火花型 从电路设计上考虑，从根本防爆（在正常和故障情况下，电路、设备产生的火花能量和达到的温度都不能引起爆炸） 可适用于一切危险场所 隔离型 从结构上与爆炸性气体隔离（电路、端子在壳里） Q-1、Q-2区，且长期使用会丧失防爆能力,B2C HT6,B2C ，隔离型，I，II级，a，b，c组易燃气体 HT6，本安型，级混合气体，f组别（能适合于最危险场所）,Ex 防爆形式，类别，级别，温度组别，防爆合格证，检验机构 Ex-iaIIAT5,3 安全火花防爆系统电动仪表存在电路打火的可能。如果从电路设计就开始考虑防爆，把电路在短路、开路及误操作等各种状态
26、下可能发生的火花都限制在爆炸性气体的点火能量之下，则此仪表称为安全火花防爆仪表。,安全火花防爆仪表只能保证本仪表内部不发生危险火花，对其它仪表通过信号线传入的能量是否安全则无法保证。如果在与其它仪表的电路连线之间设置安全栅，防止危险能量进入，则完全做到了安全火花防爆。,构成安全火花防爆系统的二要素： 在危险现场使用的仪表必须是安全火花防爆仪表（本安仪表）。 现场仪表与危险场所之间的电路连接必须经过安全栅（防爆栅）。,4.安全栅的类型（按原理分）,电阻式 齐纳式 隔离式 中继放大式,安全栅是传递正常信号、阻止危险能量通过的保险器件。 （1）电阻式安全栅 如在信号通路上串联一定电阻，起限流作用，可
27、称作电阻式安全栅。其缺点是正常信号也衰减，且防爆定额低。,5 安全栅的工作原理,如热电偶温度变送器的输入端,存在的问题：,有两点以上接地，会造成信号通过大地短路或形成干扰（除安全栅接地外，相连仪表也有接地）,R1、R2对仪表正常的工作仍有影响，阻值过大影响仪表的恒流特性，过小起不到限流作用。,基本设想：用二极管VD1、VD2进行限压，用电阻R1、R2及熔断丝F进行限流。,（2）齐纳式安全栅,（2）由VD1VD4和F1 F2组成限压电路。背靠背的齐纳管中点接地，改直接接地为保护时接地。,（1）用晶体管限流电路取代固定电阻。VT3工作于零偏压，作为恒流源向VT1提供足够的基极电流，保证信号在420
28、mA范围内VT1处于饱和状态。,改进后的齐纳式安全栅,正常时VT1饱和导通 VR1 = 0.1 0.5V VT2不通,过流时VR 1 0.6V VT2导通，分流VT3的电流, VT1退饱和 Vce1呈现较高的电阻,要求快速熔断丝熔断时间1mS,工作原理,过压时VD1 VD4中至少有一个被击穿，限压并接地,（3） 隔离式安全栅 用变压器作为隔离元件，分别将输入、输出和电源进行隔离，可以对二线制变送器进行隔离供电。因而分检测端安全栅和执行端安全栅。 a 检测端安全栅 检测端安全栅在向变送器提供电源的同时，将变送器的测量信号经隔离变压器传给控制室仪表。,检测端安全栅是一个传递系数为1的传送器，电源、
29、变压器、控制室仪表之间用磁耦合，电路上是隔离的。简化原理图如图所示。,（2）晶体管限压限流电路串联使用了两套完全相同的限压限流电路：VT3、VT4和VD15；VT5、VT6和VD16。 正常工作时VT4、VT6饱和，VT3、VT5截止。, 电源出现过电压 VD15击穿（30V） , VT3饱和,Vce30,VT4截止,VAB 限压,晶体管限压限流电路原理, 变送器出现过电流,VR6 0.6V,VT3导通，分流,VT4退饱和,Vce4 限流,限流特性,限压特性,b 执行端安全栅用于控制室中调节器和现场执行器之间，是420mA调节信号送往现场的安检通道。与检测端安全栅的区别： 信号传输方向相反， 不需给现场供电。 电路原理基本相似。,总结,小结,结构,工作原理,电动执行器,电/气阀门定位器,电/气转换器,调节阀的 选择与计算,调节阀的流量特性,调节阀的流通能力,调节阀的作用形式,气动执行器,
