化工自动化及仪表2(本科)

化工自动化及仪表内容辅导（二）1本辅导主要内容第四章：执行器第五章：控制器第六章：简单控制系统2第四章执行器3作用：接受控制器的输出信号，改变操纵变量，使生产过程按照预定要求运行执行器直接控制工艺介质，若使用或选型不当，会影响自控系统功能发挥。执行器由执行机构和调节机构组成。执行机构是根据控制器信号产生推力或位移的装置调节机构是根据执行机构输出信号去改变能量或物料输送量的装置，通常指控制阀4按照工作能源分为：气动，广泛使用电动，有一定使用液动，现较少使用5电动执行器的执行机构和调节机构是分开的，其执行机构有角行程和直行程两种，都是以两相交流电机为动力的伺服机构，作用是将输入的直流电流信号线性地转换为位移量。电动执行机构安全防爆性能差，电机动作不够迅速，在行程受阻或阀杆被轧住时电机容易受损。6气动执行机构的执行机构和调节机构是统一的整体。执行机构有薄膜式和活塞式。活塞式行程长，适用于要求有较大推力的场合。薄膜式行程小，只能带动阀杆。气动执行机构结构简单，输出推力大，动作平稳可靠、本质安全防爆，因此气动薄膜控制阀在化工、炼油生产中得到广泛应用。71－上盖，2－薄膜，3－托板，4－阀杆，5－阀座6－阀体，7－阀芯，8－推杆，9－平衡弹簧，10－下盖图4－1气动薄膜控制阀外形和内部结构8§1执行机构9一、气动执行机构1、薄膜式传统型侧装式(增力式执行机构)采用杠杠传动，把力矩放大，扩大执行机构的输出力。10图4－2气动薄膜执行机构（传统型正作用）1－上膜盖2－波纹薄膜3－下膜盖4－支架5－推杆6－压缩弹簧7－弹簧座8－调节件9－螺母10－行程标尺11当信号压力增加时，阀杆向下移动，称为正作用，称为ZMA型。当信号压力增加时，阀杆向上移动，称为反作用，称为ZMB型。通常正作用的执行机构信号压力是通入薄膜片上方的气室，而反作用的执行机构信号是通入薄膜片下方的气室。12图4－3气动薄膜控制阀执行机构13图4－4气动薄膜执行机构（侧装式正作用）1－推杆2－摇板3－连接板4－连杆5－丝杆6－滑块7－手轮142、活塞式属于强力气动执行机构。其气缸允许操作压力高达0.5MPa，且无弹簧抵消推力，因此输出推力大，特别适合高静压、高压差、大口径场合。输出特性有两位式和比例式。15图4－5活塞式行机构结构图1－活塞2－气缸16在防爆要求不高且无合适气源时可用电动执行机构。电动执行机构都是由电机带动减速装置，在电信号作用下产生直线运动和角度旋转运动。可分为：直行程：输出各种大小不同的直线位移角行程：输出角位移，转动角度小于360度多转式：输出各种大小不等的有效圈数，通常用于推动闸阀或执行电动机带动旋转式的调节机构，如各种泵。二、电动执行机构17§2控制阀18一、控制阀结构从流体力学看，控制阀是一个局部阻力可以改变的节流元件。由于阀芯在阀体内移动，改变了阀芯与阀座间的流通面积，即改变了阀的阻力系数，从而达到控制工艺变量的目的。常用的控制阀有直通双座控制阀。19图4－6控制阀机构结构图（直通双座）控制阀杆上端通过螺母与执行机构推杆相连，推杆带动阀杆及阀杆下端的阀芯上、下移动，流体从左侧进入控制阀，然后经阀芯与阀座之间的间隙从右侧流出20图4－7控制阀正、反作用（a）正作用（b）、反作用21执行器如气动薄膜控制阀的执行机构和调节机构组合起来，可以实现气开和气关两种调节。由于执行机构有两种调节，控制阀也有两种作用方式，因此，就可以有四种组合方式可以组成气开或气关形式。气开式是输入气压越高，开度越大，气失时全关，称为FC型。气关式是输入气压越高，开度越小。气失时全开，称为FO型。22正正反反正反反正气关气关气开气开图4－8气动控制阀气开、气关组合方式图23控制阀的气开与气关选择主要从工艺生产安全要求出发，考虑原则是：信号中断时，应该保证设备和操作人员的安全。如果阀处于打开位置危害小，应选择气关式，这样，即使气源故障（气源中断时），阀门能自动打开，保证安全，反之，应该选择气开式。如加热炉燃气或燃油应该选择气开阀；24二、控制阀类型1、直通单座控制阀2、直通双座控制阀3、角型控制阀4、隔膜控制阀5、三通控制阀25§2气动薄膜控制阀的流量特性26控制阀的流量特性是指流过阀门的调节介质的相对流量与阀杆的相对行程（即阀门对应的开度）之间的关系。表示控制阀某一开度的流量与全开时流量之比，表示控制阀某开度下阀杆行程与全开时阀杆行程之比，称为相对开度。)(maxmaxllfqqmaxqqmaxll(4-1)27流量特性通常用两种形式表示1、理想特性即在阀的前后压差固定的条件下，流量与阀杆位移之间的关系，它完全取决于阀的结构参数。2、工作特性即在工作条件下，阀门两端压差变化时，流量与阀杆位移之间的关系。28阀门是整个管路中的一部分，在不同流量下，管路系统的阻力不一样，因此分配给阀门的压降也不同。工作特性不仅与阀门本身的结构参数有关，也与配管情况有关。29一、理想特性曲线控制阀的前后压差保持不变时得到的流量特性就是理想流量特性，阀门厂提供的就是这种特性。理想流量特性有：线性流量特性对数流量特性（等百分比）快开特性这三种特性完全取决于阀芯的形状，不同的阀芯曲面可以得到不同的流量特性。30图4－9阀芯曲面形状311、线性流量特性线性流量特性是指控制阀的相对流量与相对开度成直线关系。流过阀门的相对流量与阀杆相对行程的关系可以表示成：R表示控制阀所能控制的最大流量与最小流量之比，称为控制阀的可调比，它反映了控制阀调节能力的大小。国产R=30。RllRqq1)1(maxmax(4-2)32当时，当时，，它反映出控制阀的最小流量是其所能控制的最小流量，而不是控制阀全关时的泄漏量。线性控制阀的放大系数也是一个常数，即不论阀杆在什么位置，只要阀杆作相同的变化，流量的数值也作相同的变化。因此，在不同的开度时流量的相对变化值不同，导致在小开度或大开度控制阀性能较差。0/maxll%3.3/maxqq%100/maxll%100/maxqqminq33指单位行程相对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。可以表示为：求解得：2、对数流量特性（等百分比）)1(maxmaxllRqqmaxmaxmax)()(qqklldqqd(4-3)(4-4)34对数阀放大系数随相对开度的增加而增加，因此，有利于自动控制系统在小开度时控制阀放大系数小，控制平稳缓和，在大开度时放大系数大，控制灵敏有效353、快开特性这种流量特性在开度较小时就有较大流量，随开度的增加，流量很快就达到最大，随后再增加开度时流量变化甚小，故称为快开特性。主要用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统中。36线性对数快开(%)/maxll(%)/maxqq020406080100204060801003.3R=30图4－10控制阀的理想流量特性37二、工作特性曲线理想流量特性是在假定控制阀前后压差不变的情况下得到的。然而，实际生产过程中，控制阀前后压差总是变化的。在这样的情况下，控制阀的相对开度与相对流量之间的关系称为工作流量特性。设串连管道上的系统总的压差等于管道压差与阀门压差之和。串连管道上的阻力损失与流速的平方成正比。38图4－11串连管道情况39pfpvppq0图4－12串连管道上控制阀压差变化40若以S表示控制阀全开时，控制阀上压差与系统总压差之比，即以表示理想流量特性下（阀门压差为系统总压差，管道压差为0）控制阀全开流量。可以得到串连管道时以作为参比值的工作流量特性。ppSv(4-5)maxqmaxq41(%)/maxll(%)/maxqq0S=0.1100100S=0.2S=0.5S=0.75S=1图4－13串连管道上控制阀特性曲线（理想特性为线性）PPSV42(%)/maxll(%)/maxqq0S=0.1100100S=0.2S=0.65S=0.8S=1图4－14串连管道上控制阀特性曲线（理想特性为对数型）PPSV43工作特性分析S＝1表示理想特性曲线。S减小，即管道阻力增加。系统总压差不变，管道阻力增加，阀门前后压差减小，全开时的流量也小，控制阀的可调范围R也变小。控制阀的流量特性发生畸变，理想线性特性趋向快开；理想对数特性趋向线性。44S的选择过大或过小都不合适。S过大，在流量相同的情况下，管路阻力损耗不变，但是阀上压降很大，消耗能量过多。S过小，则对控制不利。一般希望S不低于0.3。当S0.6时，认为工作特性与理想特性接近。45三、动态特性气动薄膜控制阀膜头是一个空间，它可以看成是一个气容，从控制器到气动薄膜控制阀膜头见的引压管线有气容和气阻，所以管线和膜头是一个由气阻和气容组成的一阶滞后环节，其时间常数取决于气阻和气容。当信号管线太长或太粗，膜头气室太大时，控制阀的时间常数太大，增加了系统广义对象容量滞后，对控制不利。46通常通过减小时间常数的措施有：尽量缩短引压管线的长度，如采用电动控制器时，电气转换器应该安装在气动薄膜控制阀附近。选用合适口径的气动管线：管线过细，气容小，但气阻大；管线过粗，气阻小，但气容大。加装传输滞后补偿器47§3阀门定位器48阀门定位器是气动控制阀的主要附件，它与气动控制阀配套使用。阀门定位器接受控制器输出信号，然后将控制器的输出信号成比例地输出到执行机构，当阀杆移动以后，其位移量又通过机械装置负反馈作用于阀门定位器，因此它与执行机构组成一个闭环系统。采用阀门定位器，能够增强执行机构的输出功率，改善控制阀的性能。49阀门定位器的工作原理如图4－16所示，当输入电流对主杠杠的电磁力矩与反馈力矩相等时，阀杆就稳定在某个位置，从而使得阀杆位移与输入电流成比例关系。即阀门定位器是按照力矩平衡原理工作的。一、电－气阀门定位器50图4－15电－气阀门定位器原理图1永久磁钢2主杠杠3平衡弹簧4反馈支点5反馈凸轮6副杠杠7副杠杠支点8薄膜执行机构9反馈杠10滚轮11反馈弹簧12调零弹簧13挡板14喷嘴15主杠杠支点16放大器51二、阀门定位器的作用改善阀的静态特性采用阀门定位器后，只要控制器输出信号稍有变化，经过喷嘴－挡板系统及放大器的作用，就可使通往控制阀膜头的气压有大的变化，以克服阀杆的摩擦和消除控制阀不平衡力的影响，从而保证阀门位置按照控制器发出的信号正确定位。52改善阀的动态特性定位器改变了原来阀的一阶滞后特性，减小时间常数，使之成为比例特性。一般说来，若气压传输管线超过60米时，应采用阀门定位器。改善阀的流量特性通过改变定位器的凸轮的形状，可使控制阀的线性、对数、快开流量特性互换。53用于分程控制用一个控制器控制两个以上的控制阀，使它们分别在信号的某一个区段内完成全行程移动。如使两个控制阀分别在（4～12mADC）和(12～20mADC)的信号范围内完成全行程移动。实现方式是通过零位调整和反馈弹簧的调整。使定位器在这两个信号范围内，输出都是20－100KPa。54用于阀门的反向动作阀门定位器有正、反作用之分。正作用时，输入信号增加，输出气压也增大；反作用时，输入信号增加，输出气压减小。采用反作用式定位器可以使气开阀变成气关阀，气关阀变成气开阀。55§4控制阀口径的确定56一、控制阀流量系数的计算VK控制阀的流量系数直接反映了流体通过控制阀的最大能力，它是控制阀的一个重要参数。定义：控制阀全开时，阀前后压差为100KPa时、流体密度为1000Kg/m3时(即假设流体为水)，每小时流经控制阀的流量值(m3/h)。57控制阀是一个可以改变局部阻力的节流元件，对不可压缩流体，可推导出流经控制阀的体积流量式中：A为控制阀接管的截面积，Dg为接管直径（公称通径）采用如下单位212ppAqv24gD)/(A33cm/kg,KPapcmD,h/mqgv(4-6)58可得：流量系数流量系数取决于控制阀的公称通径和阻力系数。240gVDKpDqgV240(4-7)(4-8)59当生产工艺中流体性质（密度）一定、所需流量qv和阀前后差压确定后，只要计算出K