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1、化工过程控制基础化工过程控制基础东南大学化学化工学院东南大学化学化工学院1第第6章执行器章执行器第一节 概述第一节 概述第二节 气动执行器第二节 气动执行器第三节 电动执行器第三节 电动执行器第四节 电第四节 电- 气转换器及电气转换器及电- 气阀门定位器气阀门定位器2给定值 对象测量元件、变送器控制器 x执行器偏差e控制器输出p测量值z操纵变量q被控变量y干扰作用f执行器的作用：执行器的作用：接收控制器送来的控制信号，使控制阀的开度产生相应变化，进而改变操纵介接收控制器送来的控制信号，使控制阀的开度产生相应变化，进而改变操纵介 质的流量（操纵变量），来克服干扰对被控变量的影响质的流量（操纵变
2、量），来克服干扰对被控变量的影响执行器的分类：执行器的分类：气动执行器（应用最广泛！）气动执行器（应用最广泛！） 结构简单、动作可靠、输出推力大、安装维修方便、防火防爆、价格便宜结构简单、动作可靠、输出推力大、安装维修方便、防火防爆、价格便宜 电动执行器（应用较少！）电动执行器（应用较少！） 能源获取方便、信号传递快；输出推力较小、价格贵、防爆性能较差能源获取方便、信号传递快；输出推力较小、价格贵、防爆性能较差 液动执行器（过程控制领域基本不使用！）液动执行器（过程控制领域基本不使用！）第一节 概述第一节 概述电- 气转换器/ 电- 气阀门定位器3对执行器的初步认识：对执行器的初步认识：气动薄
3、膜 直通单座阀气动薄膜 直通双座阀气动蝶阀气动球阀气动切断阀电动 直通单座阀电动 隔膜阀电动 三通阀气动薄膜 角形阀电磁阀手动截止阀执行器是控制系统必不可少的环节，也是控制系统最薄弱的环节！原因：执行器工作、使用条件恶劣，执行器与操纵介质直接接触 ；操纵介质常有原因：执行器工作、使用条件恶劣，执行器与操纵介质直接接触 ；操纵介质常有 (强强)腐蚀性、腐蚀性、(高高)粘度、粘度、(易易)结晶、高温、深冷、高压、高差压等结晶、高温、深冷、高压、高差压等4第二节 气动执行器第二节 气动执行器一、气动执行器的组成一、气动执行器的组成 由执行机构和控制机构（控制阀）两部分构成 由执行机构和控制机构（控制
4、阀）两部分构成p气 动 执 行 机 构控 制 机 构薄膜（波纹膜片）平衡弹簧阀杆阀芯阀体阀座气动薄膜执行器（调节阀）的外形和内部结构5执行器由执行机构和控制机构两个部分构成执行器由执行机构和控制机构两个部分构成执行机构执行机构控制机构控制机构 （控制阀）（控制阀）pF lM流通面积流通面积操纵变量操纵变量执行机构执行机构 执行器的推动装置，它按控制信号压力的大小产生相应的推力， 推动控制机构动作，所以它是将信号压力大小转换成阀杆位移 （直线位移/角位移）的装置控制机构控制机构 执行器的控制部分，它直接与操纵介质接触，控制流体的流量， 所以它是将阀杆位移转换为流过阀的流量的装置阀门定位器阀门定位
5、器按照控制器的控制信号，实现执行器（阀杆）的准确定位手轮机构手轮机构 当控制系统因停电、停气、控制器无输出或执行机构失灵时， 利用它可以直接操纵控制阀，以维持生产的正常进行辅助装置：阀门定位器 和 手轮机构6执行机构执行机构根据控制信号的大小，产生相应的输出推力 F 和阀杆位移（直线位移 l 或角位移 ）：输出推力 F 用于克服控制机构中流动流体对阀芯产生的作用力、阀杆的摩擦力以及压缩弹簧的预紧力等各种阻力；阀杆位移（l或）用于带动控制机构阀芯动作气动执行机构气动执行机构（气动）薄膜式薄膜式（执行机构）（气动）活塞式活塞式（执行机构）有弹簧（最常用）无弹簧（双位控制）p 薄膜（波纹膜片）平衡弹
6、簧阀杆阀芯阀体阀座7气动薄膜式执行机构（最常用）p正作用式正作用式p反作用式反作用式输入气压信号 阀杆位移（行程） 阀门开度20- 100 kPa 全行程全关全开 （全开全关）气动活塞式执行机构p1p2特点：输出推力大，适用于大 口径、高压差控制阀、蝶阀、 隔膜阀的推动装置通人波纹膜片上 方的薄膜气室通人波纹膜片下 方的薄膜气室8控制机构（控制阀）控制机构（控制阀） 局部阻力（系数）可以改变的节流元件。通过阀杆，上部与执行机构相连，下部与阀芯相连。在执行机构输出推力和输出位移作用下，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，从而达到改变操作介质流量的目的直通单座阀：
7、直通单座阀：阀体内只有一个阀芯和一个阀座结构简单、泄漏量小（甚至完全切断）不平衡力大、允许压差小适用场合：小口径、低压差、干净介质、要求泄漏量小9直通双座阀：（最常用）直通双座阀：（最常用）阀体内有两个阀芯和两个阀座不平衡力小、允许压差大（流体对上、下两 阀芯上的作用力可以相互抵消）泄漏量较大（上、下两阀芯不易同时关闭）适用场合：压差较大、泄漏量要求不高、干净介质阀芯与阀杆用“销钉”连接，使得阀芯可根据需要， 进行“正装”与“反装”！正作用式（阀芯正装）：阀杆下移 开度减小反作用式（阀芯反装）：阀杆下移 开度增大正作用式反作用式10角形阀：角形阀： 阀体为直角形，一般底进侧出流路简单、阻力小适
8、用场合：高压差、高粘度、含有悬浮物和颗粒状物质的介质、工艺管道要求直角连接三通阀：三通阀：阀体有三个接管口阀体内两个阀芯，一个正装， 一个反装阀杆移动时，总流量不变， 但两路流量配比发生变化适用场合：配比控制、旁路控制合流型合流型分流型分流型两路流体温两路流体温 差差 1）21控制阀的流量特性控制阀的流量特性 介质流过控制阀的相对流量与阀门相对开度（位移、 介质流过控制阀的相对流量与阀门相对开度（位移、行程）之间的关系行程）之间的关系阀全开时阀杆最大阀全开时阀杆最大 行程（位移）行程（位移）阀某一开度时阀杆阀某一开度时阀杆 行程（位移）行程（位移）阀全开时最大阀全开时最大 流量流量阀某一开度时
9、阀某一开度时 流量流量控制阀的放大系数：根据控制阀前后压差是否随阀门开度变化，流量特性分为理想流量特性和实际流量特性（工作流量特性）：22理想流量特性：理想流量特性：（p 一定） 控制阀的固有特性，取决于阀芯形状 控制阀的固有特性，取决于阀芯形状1- 快开特性2- 直线特性3- 抛物线特性4- 等百分比（对数）特性23 直线特性 单位相对开度变化所引起的相对流量变化是常数， 单位相对开度变化所引起的相对流量变化是常数， 即控制阀的相对流量与相对开度成直线关系即控制阀的相对流量与相对开度成直线关系a.放大系数是常数（与开度无关）b.开度变化相同量时，流量变化的绝对值相同（与开 度无关），但流量变
10、化的相对值随开度 而 c.小开度时，控制作用太强；大开度时，控制作用太 弱（直线特性阀不适用于负荷变化较大的场合）特点：特点：一定，一定，l = 而而不变（与不变（与 l 无关）无关）QlQl24 等百分比（对数）特性 单位相对开度变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成比例 单位相对开度变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成比例特点：特点：一定，一定，l = ，而，而不变（与不变（与 l 无关）无关）a.开度 l = 放大系数 K b.开度变化相同量时，流量变化的相对值相同（与开 度无关），但流量变化的绝对值随开度 而 c.小开度时，控制平稳缓和；大开度时，控制灵敏有 效Q1lQ2l2
11、5 抛物线特性 单位相对开度变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量 单位相对开度变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量 平方根成比例平方根成比例特点：特点：a.开度 l = 放大系数 K b.介于直线特性与等百分比特性之间26 快开特性 单位相对开度变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量 单位相对开度变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量 倒数成比例倒数成比例特点：特点：a.开度 l = 放大系数 K b.开度较小时就有较大流量，随着开度 ， 流量很快就达到最大（快开）；此后再 增大开度，流量变化很小c.平板形阀芯d.适用于迅速启闭的切断阀或双位控制27工作流量特性 ：工作流量特性 ：
12、（p 变化）不变 串联管道 Rr 流量特性发生畸变：直线特性快开特性等百分比特性直线特性 对于任意开度，Q K （尤其在大开度时）分压比（阻力比）：控制阀全开时阀上压差与系统总压差之比串联工艺阀开度串联工艺阀开度 s 控制阀控制能力控制阀控制能力 （变化很小）（变化很小）s ：注：Qmax 管道阻力为零时控制阀全开流量 ( s = 1 )直线特性等百分比特性实际要求实际要求 s 0.3 ！28 并联管道不变直线特性等百分比特性分流比：控制阀全开时通过阀的流量与总管流量之比旁路阀开度旁路阀开度 x 控制阀控制能力控制阀控制能力 Rr 曲线形状基本保持不变，流量 特性畸变较轻 对于任意开度，总管Q
13、 K （尤其在小开度时）x ：实际要求实际要求 x 0.8 ！29四、执行器的选择四、执行器的选择执行器的选用是否得当，将直接影响控制系统的控制质量、安全性和可靠性执行器的选择，主要应考虑以下几方面：执行器的结构形式控制阀的流量特性（阀芯形状）控制阀的口径执行器的气关、气开型式30执行器的结构形式执行器的结构形式 执行机构的选择 控制机构的选择主要依据：主要依据：执行机构的输出力应大于它所受到的负荷力（流体对阀芯产生的不平 衡力、阀杆的摩擦力以及压缩弹簧的预紧力等）通常采用气动薄膜式执行机构；但当控制阀口径较大或压差较高时，可 考虑选用活塞式执行机构，也可选用薄膜式执行机构再配上阀门定位器主要
14、依据：主要依据：（1） 流体性质（种类、粘度、腐蚀性、是否含悬浮颗粒）（2） 工艺条件（温度、压力、流量、压差、泄漏量）（3） 过程控制要求（控制精度、可调比、噪音）根据以上各点进行综合考虑，并参照各种控制机构的特点及其适用 场合，同时兼顾经济性，来选择满足工艺要求的控制机构31控制阀的流量特性控制阀的流量特性主要步骤：主要步骤：（1）根据控制系统的特点，确定所需要的工作流量特性（2）考虑工艺配管情况，计算 s 和 x ，选择理想流量特性（3）考虑负荷变化情况（直线特性阀不适用于负荷变化较大的场合，而等百分比特性阀对负荷变化有较强的适应性）常用的控制阀流量特性为“直线”和“等百分比”特性在设计
15、过程中，当流量特性难以确定时，优先选用“等百分比”特性，因它的适应性强32控制阀的口径控制阀的口径根据工艺要求（最大流量Q、阀前后压差p、介质密度），计算出所需控制阀的流量系数KVmax，然后根据KVmax值在控制阀产品目录中选择一个与其差不多的控制阀口径太小：口径太小：控制阀经常工作在大开度。控制效果不好，当出现控制阀全开仍满足 不了生产负荷的要求时，就会失去控制作用。此时若企图开启旁路阀，来满 足对负荷的要求，就会使控制阀特性发生畸变，可调范围大大降低口径太大：口径太大：控制阀经常工作在小开度。控制过于灵敏（直线特性阀），控制阀会振 动，产生噪声，严重时发出尖叫声。此时若关小与控制阀串联的工艺阀门， 增加管路阻力，使控制阀开度增大，这样会使控制阀特性发生严重畸变，甚 至会接近快开特性，可调范围降低，严重时会使阀失去控制作用33控制阀的气开、气关型式控制阀的气开、气关型式选择原则：选择原则：工艺生产安全要求（当信号压力中断时，应保证设备和操作人员的发全） 信号压力中断，若阀处于打开状态安全，则应选择气关阀 信号压力中断，若阀处于关闭状态安全，则应选择气开阀气开阀气关阀34第三节 电动执行器第三节 电动执行器电动执行器由电动执行机构和控制机构两个部分构成电动执行器由电动执行机构和控制机构两个部分构成执行机构执行机构控制机构
