过程控制--第五讲：执行器(lyz)

第五讲：执行器ProcessControlSystem主讲老师：廉迎战副教授2020/1/19过程控制与仪表2重点内容执行器=执行机构+调节器执行机构：根据控制器信号产生推力和位移的装置调节器：根据执行机构信号去改变能量或物料输送量的装置气动薄膜执行器执行器分类：按照能源划分：气动、电动、液动气动执行器：薄膜式、活塞式电动执行器：单相电机液动执行器：最大特点推力大气动执行器电动执行器液动执行器构造简单复杂简单体积中小大配管配线较复杂简单复杂推力中小大动作滞后大小小维护检修简单复杂简单使用场合适于防火防爆不适于防火防爆要注意火花价格低高高表5-1执行器主要特性比较2020/1/19过程控制与仪表3一、气动薄膜调节阀1、组成：执行器（膜头）产生推力调节机构（阀体）控制介质流量2、结构：3、原理：P—膜片产生推力—弹簧力—位移—阀芯动作正作用：P信号增加，推杆向下移动负作用：P信号增加，推杆向上移动静态特性P*A=K*L（P-压力，A-膜片面积，K-系数，L-杆位移）动态特性表示动态平衡时调节输出信号，P与L成正比2020/1/19过程控制与仪表4一、气动薄膜调节阀4、分类：阀座分类：直通单座阀、直通双座阀、三通阀形状分类：角形、碟阀、球阀5、选用：尺寸：流通能力C：阀全开，P=0.2MPA，流体重度为1g/cm时，每小时通过阀门的流体流量大小。根据C的大小，选择工称直径Dg和阀座直径dg单双座：单座：小口径（Dg25mm）双座：大口径（Dg25mm）2020/1/19过程控制与仪表5一、气动薄膜调节阀5、选用：气开气关：执行机构有正，反作用形式调节阀有正装和反装形式注意：气开、气关形式的选择，主要从生产工艺的安全来考虑。当气源一旦中断时，阀门处于全开或全关状态，应能保证生产过程的设备和人身安全。序号执行机构阀体气动调节阀a正bc（反）气开d反（正）气关（反）气开（正）气关正反正反正反表5-3执行器组合方式2020/1/19过程控制与仪表6一、气动薄膜调节阀5、选用：流量特性：定义：调节阀的流量特性，是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门相对开度之间的关系调节阀的流量特性会直接影响到自动控制系统的控制质量和系统的稳定性，必须合理选择。类型：直线流量特性对数流量特性快开流量特性抛物线流量特性流量特性：理想流量特性、工作流量特性、流量特性选择2020/1/19过程控制与仪表7一、气动薄膜调节阀5、选用：流量特性：理想流量特性（∆P=CONST）在调节阀前后压差不变条件下得到的流量特性理想特性取决于阀芯形状2020/1/19过程控制与仪表8一、气动薄膜调节阀5、选用：流量特性：理想流量特性直线流量特性直线流量特性是指调节阀的相对流量与相对位移成直线关系，即单位位移变化所引起流量变化是常数特点：无论工作在曲线的那一点，只要相对位移变化量相同，相对流量变化量也总是相同的系统影响：直线流量特性调节阀在小开度工作时，其相对流量变化太大，控制作用太强，容易引起超调，使系统产生激烈振荡；而在大开度工作时，其相对流量变化大小，控制作用太弱，造成控制不及时，系统反应迟钝，过渡过程时间长。2020/1/19过程控制与仪表9一、气动薄膜调节阀5、选用：流量特性：理想流量特性对数流量特性定义：对数流量特性指单位相对位移所引起的相对流量变化与该点的相对流量成正比关系。即调节阀的放大系数Kv是变化的，随着对数流量的增加，K增大。用数学表达式为特点：当相对开度变化相同时，其流量变化的增量与该点流量之比的百分数，即相对流量总是相等的。系统影响：利用对数流量特性调节阀，在小开度时，Kv放大系数较小，控制作用缓和平稳，而在大开度时，Kv较大，控制作用及时有效。因此，对数流量特性调节阀是最常用的。VKQQKLldQQdmaxmaxCLlkQQmaxln)1(maxLlRQQ2020/1/19过程控制与仪表10一、气动薄膜调节阀5、选用：流量特性：理想流量特性快开流量特性定义：这种流量特性调节阀，在小开度时，流量已很大，随着开度增大，流量很快达到最大值（全开流量），故称为快开流量特性特点：快开特性的阀芯形状是采用平板形的，见图5-9a)，其有效行程一般在以内D/4（D为阀座直径）。当位移开始增大时，阀的流通面积就不再增大，失去调节作用。所以快开特性调节阀主要用于位式控制或程序控制中。2max)1)(11(1LlRQQ2020/1/19过程控制与仪表11一、气动薄膜调节阀5、选用：流量特性：理想流量特性抛物线流量特性定义：抛物线流量特性是指调节阀的放大系数K与该点的相对流量值的平方根成正比。特点：介于直线特性与对数特性之间。通常，抛物线流量特性调节阀可用对数流量特性代替，工程上很少用。21maxmax)(QQKLldQQd2max)1(11LlRRQQ2020/1/19过程控制与仪表12一、气动薄膜调节阀5、选用：流量特性：工作流量特性调节阀可调范围：定义是指调节阀所能控制的最大流量Qmax与最小流量Mmin之值，以R表示直线流量特性。注意：Mmin是调节阀可调流量的下限值，并不等于调节阀全关时的泄漏量。通常，Mmin最小可调流量为最大流量的(2~4)%；而泄漏量仅为最大流量的(0.1~0.01)%。①理想可调范围在调节阀前后差压恒定条件下，调节阀的可调范围称为理想可调范围。minmaxQQRPAQ2PCQ2020/1/19过程控制与仪表13一、气动薄膜调节阀5、选用：流量特性：工作流量特性调节阀可调范围：①理想可调范围调节阀的理想可调范围是其最大流通能力与最小流通能力之比值。它反映小调节阀调节能力的大小，希望可调范围大者为好，一般R=30~50，我国生产的调节阀可调范围统一设计为R=30。minmaxminmaxminmaxCCPCPCQQR2020/1/19过程控制与仪表14一、气动薄膜调节阀5、选用：调节阀可调范围：②工作可调范围：调节阀在实际工作时，由于管道的阻力变化，阀前后压差也随之变化条件下的调节范围，称为工作可调范围（或实际可调范围），可分为串联管道和并联管道A.串联管道：当调节阀与工艺管道串联时，。若系统的总压差∆P=0不变，分配到调节阀的压差∆Pv相应减小,引起调节阀所能通过的最大流量减少，故调节减的实际可调范围降低。若Rs为实际可调范围maxminmaxminminmaxminmaxppRpCpCQQRVVs2020/1/19过程控制与仪表15一、气动薄膜调节阀5、选用：调节阀可调范围：②工作可调范围：A.串联管道：设s为阀全开时阀前后∆Pvmin压差与系统总压差∆Pv之比，即S=∆Pvmin/∆Pv由于调节阀接近全关时的流量为Qmin，其前后压差∆Pv≈∆Pvma则s值愈小，调节阀实际可调范围愈小，因此在实际使用时，应考虑调节阀前后压差值，使值s不致过低，以保证一定的可调范围。sRRs2020/1/19过程控制与仪表16一、气动薄膜调节阀5、选用：调节阀可调范围：B.并联管道：由于调节阀的流通能力选择不合适，或者工艺生产负荷变化较大（如增加产量），有时不得不把旁路阀打开，形成并联管道。Q总管流量分成两路：一路为调节阀控制流量Q1，而另一路为旁路Q2。由于旁路流量的存在，相当于提高Qmin，致使调节阀实际可调范围下降。设Rs’为并联管道的实际可调范围2min1max'QQQRs2020/1/19过程控制与仪表17一、气动薄膜调节阀5、选用：调节阀可调范围：B.并联管道：若s’令为调节阀全开时的Q1max流量与总管最大流量Qmax之比值即：s’=Q1max/Qmax由于：Qmax=Q1max+Q2,R=Q1max/Q1min则：所以：RsQQ'maxmin1)'1(max2sQQ'111)'1('1)'1('maxmaxmax'sRRsRssQRsQQRs2020/1/19过程控制与仪表18一、气动薄膜调节阀5、选用：调节阀可调范围：B.并联管道：注意：由于调节阀的最小流量Q1min远远小于旁路流量Q2，因此实际可调范围Rs’近似为总管的最大流量Qmax与旁路流量Q2的比值。随着的s’减少，实际可调范围Rs’迅速降低，比串联管道时的情况更为严重。在生产实际中使用时，应尽量避免把调节阀的旁路阀打开。2020/1/19过程控制与仪表19一、气动薄膜调节阀5、选用：流量特性：工作流量特性工作流量特性：工作流量特性是指调节阀前后压差变化时调节阀的相对流量与相对位移之间的关系。①串联管道时的工作流量特性∆P=∆Pv+∆Pg在相同(l/L)时，流过调节阀的实际流量较理想流量特性流过的流量小，因此工作流量特性较理想流量特性发生了变化。2020/1/19过程控制与仪表20一、气动薄膜调节阀5、选用：工作流量特性：①串联管道时的工作流量特性若直线流量特性当S=1时∆Pg=0∆P=∆Pv理想当S1时∆Pg≠0S越小，Rs越小,可调能力降低，直线变快开对数特性趋向于直线特性在实际使用中，一般希望值S不应低于0.3~0.5。2020/1/19过程控制与仪表21一、气动薄膜调节阀5、选用：工作流量特性：①并联管道时的工作流量特性Q=Q1+Q2∆P=const若S‘=1，Rs’=R，Q2=0，理想状况若S‘1，Q1控制能力降低，Q2对特性影响增加设直线特性：对于R=30的调节阀，S’=0.9时，计算实际可调范围Rs’=8；S’=0.8时Rs’=4.5.故：S’可见不能低于0.8，否则调节阀操作不灵敏。2020/1/19过程控制与仪表22一、气动薄膜调节阀5、选用：调节阀流量特性选择(直线流量特性\对数流量特性)1)根据被控过程的特性来选择目的：保证系统的总的放大系数保持为常数。执行器特性选择：因为：变送器、调节器（已整定好）和执行机构等的放大系数基本上是不变的，但被控过程的特性往往是非线性的。所以：合理选择调节阀的流量特性，以补偿被控过程的非线性，其选择原则为：Kv*Ko=const其中：Kv执行器系数，Ko对象系数注意：当被控过程的特性为线性时，应选择直线流量特性的调节阀，否则选择对数流量特性调节阀。2020/1/19过程控制与仪表23一、气动薄膜调节阀5、选用：调节阀流量特性选择2）根据配管情况选择目的：串联管道对流量特性的影响较大，并联管道对可调范围影响较大，必须根据配管情况合理选择调节器的流量特性。通常首先根据系统的特点选择工作流量特性，然后再考虑配管情况选择相应的理想流量特性。执行器特性选择：表5-5根据配管情况选择调节阀的流量特性配管状况S=1～0.6工作特性理想特性直线等百分比S=0.6～0.3直线等百分比直线等百分比等百分比等百分比2020/1/19过程控制与仪表24一、气动薄膜调节阀5、选用：调节阀流量特性选择3）根据负荷变化情况选择在负荷变化较大的场合，应选用对数流量特性调节阀。由于对数流量特性调节阀的放大系数是随着阀芯的相对位移的变化而变化的，其相对流量变化率是不变的，因此，它能适应负荷较激烈变化的情况。当调节阀经常工作在较小负荷时，由于其开度较小，应选用对数流量特性调节阀。因为直线流量特性调节阀在小开度时，其相对流量变化率很大，控制作用过于强烈，不利于控制系统的稳定，不宜进行微调。2020/1/19过程控制与仪表25一、气动薄膜调节阀5、选用：调节阀流量特性选择4）调节阀结构形式和材料的选择调节阀的品种很多，根据上阀盖的不同结构形式可分为普通型、散热片型、长颈型和波纹管密封型等，分别适用于不同的使用场合。根据不同的使用要求，调节阀具有不同的结构，主要包括直通单座阀、直通