過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院涂春鳴主要內(nèi)容緒論檢測(cè)儀表調(diào)節(jié)器執(zhí)行器和防爆柵調(diào)節(jié)對(duì)象的特性及實(shí)驗(yàn)測(cè)定單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及調(diào)節(jié)器參數(shù)整定復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要內(nèi)容執(zhí)行器概述氣動(dòng)執(zhí)行器調(diào)節(jié)閥的流量特性調(diào)節(jié)閥的選擇電/氣轉(zhuǎn)換器與閥門定位器

電動(dòng)執(zhí)行器防爆柵概述防爆柵原理4.1執(zhí)行器概述

執(zhí)行器：自動(dòng)控制系統(tǒng)中的重要組成部分，它根據(jù)調(diào)節(jié)器的控制信號(hào)執(zhí)行動(dòng)作，從而控制流入或流出被控過(guò)程的物料或能量，實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程參數(shù)的自動(dòng)控制。執(zhí)行器有自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門、自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器、自動(dòng)電流調(diào)節(jié)器、控制電機(jī)等。其中自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門是最常見(jiàn)的執(zhí)行器，種類繁多。執(zhí)行器組成：執(zhí)行機(jī)構(gòu)（驅(qū)動(dòng)）調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（閥）執(zhí)行器分類電動(dòng)調(diào)節(jié)閥：電源配備方便，信號(hào)傳輸快、損失小，可遠(yuǎn)距離傳輸；但推力較小。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠，維護(hù)方便，防火防爆；但氣源配備不方便。液動(dòng)調(diào)節(jié)閥：用液壓傳遞動(dòng)力，推力最大；但安裝、維護(hù)麻煩，使用不多。工業(yè)中使用最多的是氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。4.2氣動(dòng)執(zhí)行器

由氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)閥、閥門定位器（工作條件差或調(diào)節(jié)質(zhì)量要求高的場(chǎng)合）組成；執(zhí)行機(jī)構(gòu)由膜片、推桿和平衡彈簧等部分組成；氣動(dòng)執(zhí)行器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)可看成一階慣性環(huán)節(jié)（而電動(dòng)執(zhí)行器可看成比例環(huán)節(jié)）。

氣動(dòng)薄膜推桿閥體閥桿氣動(dòng)執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)（閥）兩部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是推動(dòng)裝置，它是將信號(hào)壓力的大小轉(zhuǎn)換為閥桿位移的裝置?？刂茩C(jī)構(gòu)是閥門，它將閥桿的位移轉(zhuǎn)換為流通面積的大小。氣動(dòng)執(zhí)行器接受氣動(dòng)調(diào)節(jié)器輸出的氣壓信號(hào)，經(jīng)膜片轉(zhuǎn)換成推力并克服彈簧力后，使閥桿產(chǎn)生位移，帶動(dòng)閥芯動(dòng)作。1-上蓋2-膜片3-平衡彈簧4-閥桿5-閥體6-閥座7-閥芯1.執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)按調(diào)節(jié)器輸出的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出方式有角行程輸出和直行程輸出兩種。

氣動(dòng)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)P正作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)（1）直通單座閥流體對(duì)閥芯的不平衡作用力大。一般用在小口徑、低壓差的場(chǎng)合。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、泄漏量小。2．調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)就是閥門，是一個(gè)局部阻力可以改變的節(jié)流元件。通過(guò)改變閥芯的行程可以改變調(diào)節(jié)閥的阻力系數(shù)，達(dá)到控制流量的目的。正裝閥閥芯下移時(shí)，閥芯與閥座間的流通截面積增大閥門中的柱式閥芯可以正裝，也可以反裝。反裝閥閥芯下移時(shí)，閥芯與閥座間的流通截面積減?。?）直通雙座閥閥體內(nèi)有兩個(gè)閥芯和閥座。流體流過(guò)時(shí)，作用在上、下兩個(gè)閥芯上的推力方向相反且大小相近，可以互相抵消，所以不平衡力小。但是，由于加工的限制，上下兩個(gè)閥芯閥座不易保證同時(shí)密閉，因此泄漏量較大。（3）角形控制閥兩個(gè)接管呈直角形，一般為底進(jìn)側(cè)出，這種閥的流路簡(jiǎn)單、對(duì)流體的阻力較小。適用于現(xiàn)場(chǎng)管道要求直角連接，介質(zhì)為高粘度、高壓差和含有少量懸浮物和固體顆粒狀的場(chǎng)合。（4）三通控制閥有三個(gè)出入口與工藝管道連接。流通方式有合流型（兩種介質(zhì)混合成一路）和分流型（一種介質(zhì)分成兩路）兩種。適用于配比控制與旁路控制。（5）隔膜控制閥采用耐腐蝕材料作隔膜，將閥芯與流體隔開。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、流阻小、流通能力比同口徑的其他種類的閥要大。由于介質(zhì)用隔膜與外界隔離，故無(wú)填料，介質(zhì)也不會(huì)泄漏。耐腐蝕能力強(qiáng)，適用于強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的控制，也能用于高粘度及懸浮顆粒狀介質(zhì)的控制。適用于大口徑、大流量、低壓差的場(chǎng)合，也可以用于含少量纖維或懸浮顆粒狀介質(zhì)的控制。（6）蝶閥又名翻板閥。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、流阻極小，但泄漏量大。（7）球閥閥芯與閥體都呈球形體，閥芯內(nèi)開孔。轉(zhuǎn)動(dòng)閥芯使之與閥體處于不同的相對(duì)位置時(shí)，就有不同的流通面積。流量變化較快，可起控制和切斷的作用，常用于雙位式控制。4.3調(diào)節(jié)閥的流量特性

調(diào)節(jié)閥的閥心位移與流量之間的關(guān)系，對(duì)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)有很大影響。流量特性的定義：被控介質(zhì)流過(guò)閥門的相對(duì)流量與閥門的相對(duì)開度（相對(duì)位移）間的關(guān)系稱為調(diào)節(jié)閥的流量特性。q/qmax—相對(duì)流量l/L—相對(duì)開度調(diào)節(jié)閥的流量特性不僅與閥門的結(jié)構(gòu)和開度有關(guān)，還與閥前后的壓差有關(guān)，必須分開討論。lq相對(duì)流量q/qmax

是控制閥某一開度流量q與全開時(shí)流量qmax之比；相對(duì)開度l/L是控制閥某一開度行程l與全開行程L之比。為了便于分析，先將閥前后壓差固定，然后再引伸到實(shí)際工作情況，于是有固有流量特性與工作流量特性之分。1、固有（理想）流量特性在將控制閥前后壓差固定時(shí)得到的流量特性稱為固有流量特性。它取決于閥芯的形狀。（a）快開特性（b）直線特性（c）等百分比特性（1）直線流量特性控制閥的相對(duì)流量與相對(duì)開度成直線關(guān)系，即單位位移變化所引起的流量變化是常數(shù)。用數(shù)學(xué)式表示為：積分C為積分常數(shù)直線流量特性特點(diǎn)閥心相對(duì)開度變化所引起的流量變化是相等的流量相對(duì)變化量（流量變化量與原有流量之比）是不同的：在小開度時(shí)，流量相對(duì)變化量大；在大開度時(shí)，其流量相對(duì)變化最小。直線流量特性調(diào)節(jié)閥在小開度時(shí)，控制作用強(qiáng)，易引起振蕩；在大開度時(shí)，控制作用弱，控制緩慢。

可調(diào)比R為調(diào)節(jié)閥所能控制的最大流量與最小流量的比值。

其中qmin不是指閥門全關(guān)時(shí)的泄漏量，而是閥門能平穩(wěn)控制的最小流量，約為最大流量的2~4%一般閥門的可調(diào)比R=30。控制力：閥門開度改變時(shí)，相對(duì)流量的改變比值。例如在不同的開度上，再分別增加10%開度，相對(duì)流量的變化比值為10％時(shí)：[（20-10）/10]×100%=100%50％時(shí)：[（60-50）/50]×100%=20%80％時(shí)：[（90-80）/80]×100%=12.5%Q/Q100L/Lmaxs=1

直線閥的流量放大系數(shù)在任何一點(diǎn)上都是相同的，但其對(duì)流量的控制力卻是不同的。（2）對(duì)數(shù)（等百分比）流量特性單位相對(duì)行程變化所引起的相對(duì)流量變化與此點(diǎn)的相對(duì)流量成正比關(guān)系：曲線斜率（放大系數(shù)）隨行程的增大而增大。流量小時(shí)，流量變化小；流量大時(shí)，流量變化大。對(duì)數(shù)（等百分比）流量特性特點(diǎn)：調(diào)節(jié)閥在小開度時(shí)，控制緩和平穩(wěn)調(diào)節(jié)閥在大開度時(shí)，控制及時(shí)有效。等百分比閥在各流量點(diǎn)的放大系數(shù)不同，但對(duì)流量的控制力卻是相同的。10%處：（6.58%-4.68%）/4.68%≈41%50%處：（25.7%-18.2%）/18.2%≈41%80%處：（71.2%-50.6%）/50.6%≈41%同樣以10％、50％及80％三點(diǎn)為例，分別增加10%開度，相對(duì)流量變化的比值為：Q/Q100L/Lmaxs=1（3）快開特性開度較小時(shí)就有較大流量，隨開度的增大，流量很快就達(dá)到最大，故稱為快開特性。適用于迅速啟閉的切斷閥或雙位控制系統(tǒng)。積分2、調(diào)節(jié)閥的工作流量特性實(shí)際使用時(shí)，調(diào)節(jié)閥裝在具有阻力的管道系統(tǒng)中。管道對(duì)流體的阻力隨流量而變化，閥前后壓差也是變化的，流量特性會(huì)發(fā)生畸變，稱為工作流量特性。如圖，管道系統(tǒng)總壓力ΔP等于管路系統(tǒng)的壓降ΔPG與控制閥的壓降ΔPT之和。P△PGQ△PT管路及設(shè)備△PG△PT調(diào)節(jié)閥△P△P從串聯(lián)管道中調(diào)節(jié)閥兩端壓差△PT的變化曲線可看出，調(diào)節(jié)閥全關(guān)時(shí)閥上壓力最大，基本等于系統(tǒng)總壓力；調(diào)節(jié)閥全開時(shí)閥上壓力降至最小。為了表示調(diào)節(jié)閥兩端壓差△PT的變化范圍，以閥權(quán)度s表示調(diào)節(jié)閥全開時(shí)，閥前后最小壓差△PTmin與總壓力△

P之比。s=PTmin

/△

PP△PGQ△PT管路及設(shè)備△PG△PT調(diào)節(jié)閥△P△P流量特性畸變：以qmax表示串聯(lián)管道阻力為零時(shí)(s=1)，閥全開時(shí)達(dá)到的最大流量。可得串聯(lián)管道在不同s值時(shí)，以自身qmax作參照的工作流量特性。對(duì)數(shù)閥變?yōu)橹本€閥直線閥變?yōu)榭扉_閥s↓調(diào)節(jié)閥的流量特性曲線a)－直線；b)－對(duì)數(shù)（等百分比）串聯(lián)管道使調(diào)節(jié)閥的流量特性發(fā)生畸變。串聯(lián)管道使調(diào)節(jié)閥的流量可調(diào)范圍降低，最大流量減小。串聯(lián)管道會(huì)使調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)減小，調(diào)節(jié)能力降低，s值低于0.3時(shí)，調(diào)節(jié)閥能力基本喪失。選用調(diào)節(jié)閥時(shí)，一般應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面。1．調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)的選擇通常根據(jù)工藝條件，如使用溫度、壓力，介質(zhì)的物理、化學(xué)特性（如腐蝕性、粘度等），對(duì)流量的控制要求等，來(lái)選擇調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)形式。例如，一般介質(zhì)條件選用直通單座閥或直通雙座閥；高壓介質(zhì)選用高壓閥；強(qiáng)腐蝕介質(zhì)采用隔膜閥等。4.4調(diào)節(jié)閥的選擇

氣動(dòng)薄膜三通調(diào)節(jié)閥氣動(dòng)薄膜精小型調(diào)節(jié)閥氣動(dòng)薄膜式隔膜閥V型O型對(duì)夾薄型氣動(dòng)調(diào)節(jié)球閥氣動(dòng)法蘭調(diào)節(jié)蝶閥氣動(dòng)對(duì)夾式調(diào)節(jié)蝶閥氣動(dòng)精小型調(diào)節(jié)閥2．氣開式與氣關(guān)式的選擇

氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥在氣壓信號(hào)中斷后閥門會(huì)復(fù)位。無(wú)壓力信號(hào)時(shí)閥全開，隨著信號(hào)增大，閥門逐漸關(guān)小的稱為氣關(guān)式。反之，無(wú)壓力信號(hào)時(shí)閥全閉，隨著信號(hào)增大，閥門逐漸開大的稱為氣開式。閥門氣開氣關(guān)式的選擇原則：安全當(dāng)控制信號(hào)中斷時(shí)，閥門的復(fù)位位置能使工藝設(shè)備處于安全狀態(tài)。考慮事故狀態(tài)時(shí)人身、工藝設(shè)備的安全；考慮在事故狀態(tài)下減少經(jīng)濟(jì)損失，保證產(chǎn)品質(zhì)量。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有正作用和反作用兩種形式:當(dāng)輸入氣壓信號(hào)增加時(shí)閥桿向下移動(dòng)時(shí)稱正作用；當(dāng)輸入氣壓信號(hào)增加時(shí)閥桿向上移動(dòng)時(shí)稱反作用。在工業(yè)生產(chǎn)中口徑較大的調(diào)節(jié)閥通常采用正作用方式。閥的“氣開、氣關(guān)”有四種構(gòu)成方式序號(hào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用方式閥體安裝方式執(zhí)行器氣開、氣關(guān)形式a正作用正裝氣關(guān)b正作用反裝氣開c反作用正裝氣開d反作用反裝氣關(guān)氣關(guān)式氣關(guān)式氣開式氣開式

給水閥燃?xì)忾y蒸汽例如：選擇蒸汽鍋爐的控制閥門時(shí)，為保證失控狀態(tài)下鍋爐的安全：

給水閥應(yīng)選氣關(guān)式

燃?xì)忾y應(yīng)選氣開式安全原則3.調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇保證控制品質(zhì)的重要因素之一是：保持控制系統(tǒng)的總放大倍數(shù)在工作范圍內(nèi)盡可能恒定。給定值被控量干擾f

控制器傳感器執(zhí)行器被控對(duì)象+eWc(s)－W3(s)W1(s)W2(s)K=K1K2K3Kc很多對(duì)象在工作區(qū)域內(nèi)穩(wěn)態(tài)放大倍數(shù)K不是常數(shù)，在不同的工藝負(fù)荷點(diǎn)，K不相同。因此希望調(diào)節(jié)閥的流量特性能補(bǔ)償對(duì)象的靜特性。（1）若調(diào)節(jié)對(duì)象的靜特性是非線性的，工藝負(fù)荷變化又大，用等百分比特性補(bǔ)償。（3）配管阻力大、s值低，等百分比閥會(huì)畸變成直線閥。（2）若調(diào)節(jié)對(duì)象的靜特性是線性的，或工藝負(fù)荷變化不大，用直線閥。4.調(diào)節(jié)閥口徑的選擇為保證工藝的正常進(jìn)行，必須合理選擇調(diào)節(jié)閥的尺寸。如果調(diào)節(jié)閥的口徑選得太大，使閥門經(jīng)常工作在小開度位置，造成調(diào)節(jié)質(zhì)量不好。如果口徑選得太小，閥門完全打開也不能滿足最大流量的需要，就難以保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行。調(diào)節(jié)閥的口徑?jīng)Q定了調(diào)節(jié)閥的流通能力。

調(diào)節(jié)閥的流通能力用流量系數(shù)C值表示。流量系數(shù)C的定義：在閥兩端壓差100kPa，流體為水（103Kg／m3）的條件下，閥門全開時(shí)每小時(shí)能通過(guò)調(diào)節(jié)閥的流體流量（m3/h）。例如，某一閥門全開、閥兩端壓差為100kPa時(shí)，流經(jīng)閥的水流量為20m3/h，則該調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)為：C=20。

在調(diào)節(jié)閥技術(shù)手冊(cè)上，給出了各種閥門的口徑和流通能力C，供用戶查閱。CDg實(shí)際應(yīng)用中閥門兩端壓差不一定是100kPa，流經(jīng)閥門的流體也不一定是水，因此必須換算。液體流量系數(shù)C值的計(jì)算將4～20mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成20～100KPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào)。為了使氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥能夠接收電動(dòng)調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)，必須把標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào)。1、電/氣轉(zhuǎn)換器4.5電/氣轉(zhuǎn)換器與閥門定位器

I↑

吸力Fi↑

杠桿偏轉(zhuǎn)

擋板與噴嘴間隙↓

背壓↑

放大器輸入↑

輸出壓力P↑

杠桿的反饋力Ff

↑

杠桿平衡

P∝I電/氣轉(zhuǎn)換器工作原理負(fù)反饋磁鐵FiFf背壓氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥中，閥桿的位移是由薄膜上氣壓推力與彈簧反作用力平衡確定的。為了防止閥桿處的泄漏要壓緊填料，使閥桿摩擦力增大，且個(gè)體差異較大，這會(huì)影響輸入信號(hào)P的執(zhí)行精度。2、閥門定位器

閥門定位器

氣動(dòng)執(zhí)行器的主要附件，用于工作條件差或調(diào)節(jié)質(zhì)量要求高的場(chǎng)合克服填料對(duì)閥桿摩擦力和流體對(duì)閥心作用力原理：利用閥桿位移負(fù)反饋來(lái)改善調(diào)節(jié)閥的定位精度和靈敏度。

實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位；改善調(diào)節(jié)閥的動(dòng)態(tài)特性；改變調(diào)節(jié)閥的流量特性；實(shí)現(xiàn)分程控制。解決措施在調(diào)節(jié)閥上加裝閥門定位器，引入閥桿位移負(fù)反饋。使閥桿能按輸入信號(hào)精確地確定自己的開度。3、電/氣閥門定位器

電/氣轉(zhuǎn)換器和閥門定位器組成電/氣閥門定位器。I↑

杠桿上端右移

擋板靠近噴嘴

P壓力↑閥桿下移反饋凸輪右轉(zhuǎn)反饋彈簧右拉杠桿平衡4.6電動(dòng)調(diào)節(jié)閥

組成：執(zhí)行機(jī)構(gòu)+調(diào)節(jié)閥