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1、第三章发信器与执行器,掌握发信器的特性 掌握执行器的特点 一些自控元件的应用及工作原理,3-1 发信器,发信器其主要特征是能感知和检测某一形态的信息、并将其转换成另一形态的信息。因此、发信器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受(或响应)与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的有用输出信号的元器件或装置。当然这里的信息应包括电量或非电量。,发信器(或测量设备)的输出输入关系特性是发信器的基本特性。,发信器所测量的物理量基本上有两种形式，一种是稳态(静态或准静态)的形式，这种信号不随时间变化(或变化很缓慢)，另一种是动态(周期变化或瞬态)的形式，这种信号是随时间变化而变化的。,由于输入
2、物理量状态不同，发信器所表现出来的输出输入特性也不同，因此存在所谓静态特性和动态特性。由于不同发信器有不同的内部参数，它们的静态特性和动态特性也表现出不同的特点，对测量结果的影响也各不相同。一个高精度发信器，必须有良好的静态特性和动态特性，这样它才能完成信号(或能量)无失真的转换。,一发信器的静态特性 发信器在稳态信号作用下，其输出输入关系称为静态特性。 衡量发信器静态特性的重要指标是线性度、灵敏度、迟滞和重复性。,1线性度 发信器的线性度是指发信器输出与输入之间的线性程度。,发信器的理想输出输入特性是线性的，它具有以下优点： (1)可大大简化发信器的理论分析和设计计算； (2)为标定和数据处
3、理带来很大方便，只要知道线性输出输入特性上的两点(一般为零点和满度值)就可以确定其余各点； (3)可使仪表刻度盘均匀刻度，因而制做、安装、调试容易，提高测量精度； (4)避免了非线性补偿环节。,2灵敏度（放大系数、传递系数）Ku 灵敏度是指发信器在稳态下输出变化与输入变化的比值。,对于线性发信器，它的灵敏度就是它的静态特性的斜率，即 。 非线性发信器的灵敏度为一变量。 一般希望发信器的灵敏度高(Ku大一些)，在满量程范围内是恒定的，即发信器的输出一输入特性为直线。,3迟滞(迟环) 迟滞(或称迟环)特性表明发信器在正(输入量增大)反(输入量减小)行程期间输出输入特性曲线不重合的程度，如图所示。,
4、对应于同一大小的输入信号，发信器正反行程的输出信号大小不相等，这就是迟滞现象。产生这种现象的主要原因是发信器机械部分存在不可避免的缺陷，如轴承摩擦、间隙、紧因件松动、材料的内摩擦、积尘等。,迟滞大小一般要由实验方法确定。用最大输出差值max对满量程输出y F.S的百分比表示,式中max为正反行程输出值间的最大差值。,4重复性 重复性表示发信器在输入量按同一方向作全量程多次测试时所得特性曲线不一致性程度。多次重复测试的曲线重复性好，误差也小。重复特性的好坏是与许多因素有关的，与产生迟滞现象具有相同的原因。,不重复性指标一般采用输出最大不重复误差max与满量程输出yF.S的百分比表示：,不重复性误
5、差是属于随机误差性质的，按上述方法计算就不太合理了。校准数据的离散程度是与随机误差的精密度相关的，应该根据标准偏差来计算重复性指标。因此，重复性误差ez可按下式计算：,标准偏差。,误差服从正态分布，标准偏差可以根据贝塞尔公式来计算： 式中：y i测量值； 测量值的算术平均值； n测量次数。,二发信器的动态特性,在测量静态信号时，线性发信器的输出输入特性是一条直线，二者之间有一一对应的关系，而且因为被测信号不随时间变化，测量和记录过程不受时间限制。 而在实际测试工作中，大量的被测信号是动态信号，发信器对动态信号的测量任务不仅需要精确地测量信号幅值的大小，而且需要测量和记录动态信号变换过程的波形，
6、这就要求发信器能迅速准确地测出信号幅值的大小和无失真的再现被测信号随时间变化的波形。,发信器的动态特性是指发信器对激励(输入)的响应(输出)特性。,一个动态特性好的发信器，其输出随时间变化的规律(变化曲线)，将能同时再现输入随时间变化的规律(变化曲线)，即具有相同的时间函数。这就是动态测量中对发信器提出的新要求。 但实际上除了具有理想的比例特性的环节外，输出信号将不会与输入信号具有完全相同的时间函数，这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。,测量水温的实验过程： 一个恒温水槽水温保持T 环境温度为T0 设TT0 把一支热电偶放于此环境中一定时间，热电偶反映出来的温度应为T0(不考虑其它因素造
7、成的误差),将热电偶迅速插到恒温水槽的热水中(插入时间忽略不计)，这时热电偶测量的温度参数发生一个突变，即从T突然变化到T0。立即观察热电偶输出的指示值，热电偶指示出来温度从T0上升到了T，历经了时间从t0到t的过渡过程。,如图从t0t的过程中，测试曲线始终与温度从T0跳变到T的阶跃波形存在差值，这个差值就称为动态误差。从记录波形看，测试具有一定失真。,热电偶测量热水温度时，水温的热量需通过热电偶的壳体传播到热接点上，热接点又具有一定热容量，它与水温的热平衡需要一个过程，所以热电偶不能在被测温度变化时立即产生相应的反映。 这种由热容量所决定的性能称为热惯性，这种热惯性是热电偶固有的，这种热惯性
8、就决定了热电偶测量快速温度变化时会产生动态误差。,这种影响动态特性的“固有因素”任何发信器都有，只不过它们的表现形式和作用程度不同而已。研究发信器的动态特性主要是从测量误差角度分析产生动态误差的原因以及改善措施。,在采用阶跃输入研究发信器时域动态特性时，为表征发信器的动态特性，常用上升时问、响应时间(过渡过程时间)、动态偏差等参数来综合描述，如图所示。,三发信器的微分方程,发信器实质上是一个信息(能量)转换和传送的通道，在静态测量情况下，输出量为输入量的函数。在动态测量情况下，如果输入量随时间变化时，输出量能立即随之无失真地变化的话，那么这样的发信器可以看作是理想的。但是实际的发信器(或测试系
9、统)，总是存在着诸如弹性、惯性和阻尼等元件。此时，输出y不仅与输入x有关，而且还与输入量的变化速度dxdt，加速度d2xdt2等有关。,要精确地建立发信器(或测试系统)的数学模型是很因难的。在工程上总是采取一些近似的方法，忽赂一些影响不大的因素，给数学模型的确立和求解都带来很多方便。,对于无套热电偶、热电阻等测量元件，其动态特性属于一阶元件（单容对象）。,课堂练习：推导无套热电偶动态方程。,被测介质温度为i 传感器测头温度为,3-2 执行器,执行器是构成自动控制系统不可缺少的重要部分，它在自动控制系统中，接受来自调节器的控制信号，转换成角位移或直线位移输出，并通过调节机构改变流入(或流出)被控
10、对象的物质量(或能量)，达到控制温度、压力、流量、液位、空气温度等工艺参数的目的。,执行器由执行机构和调节机关两部分所组成。 执行机构是执行器的推动部分，它按照调节器所给信号的大小，产生推力或位移； 调节机关是执行器的调节部分，最常见的是调节阀，它接受执行器的操纵，改变阀芯与阀座间的流通面积，控制工艺介质的流量(或能量)。,按照采用动力能源形式的不同，执行器可分三大类：电动执行器、气动执行器和液动执行器。 目前在生产过程的自动控制系统中，用得最为普遍的是电动执行器与气动执行器两种。电动执行器的输入信号有连续信号和断续信号两种，连续信号为0一10mA DC和420mA DC两种范围，断续信号系指
11、开关信号。气动执行器的输入信号为20100kPa。,电动调节器通过电一气转换器或电一气阀门定位器可与气动执行器连接，从而达到电动仪表与气动阀门并用的目的，构成电气复合控制系统。,一气动执行器,气动执行器又称气动调节阀，是指以压缩空气为动力的一种执行器，它接受气动调节器送来的气压信号，改变操纵量(如液体、气体、蒸气等)的大小，使生产过程按预定的要求自动进行，实现生产过程的自动控制。,气功执行器由执行机构和调节阀两部分组成。执行机构是执行器的推动装置，它按控制信号压力的大小产生相应的推力，推动调节阀动作，调节机关是执行器的调节部分，它直接与被调介质接触，调节流体的流量。,气动执行器具有结构简单，动
12、作可靠，性能稳定，价格低廉，维修方便，防火防爆等特点。它能与气动调节仪表配用，而且通过电一气转换器还能和电动调节仪表配用，因而，它广泛地应用空调工程的自动控制系统中。,气动执行机构主要分为薄膜式和活塞式两种。活塞式有很大的输出推力，适用于高静压，高压差的场合。气动薄膜执行机构主要用作一般调节阀(包括蝶阀)的推动装置。无弹簧薄膜执行机构常用于双位式控制，气动薄膜调节阀最为常用。,气动薄膜执行机构主要由薄膜、推杆和弹簧等组成。 通常接受20一100kPa的标准压力信号，并转换成推力。,按动作方式分为正作用式和反作用式两种 当信号压力增加，推杆向下移动的叫正作用式； 当信号压力增加、推杆向上移动的叫
13、反作用式。,正、反作用式执行机构的构造基本相同。,来自调节器的信号压力(通常为20100kPa)通入薄膜气室时，在薄膜上产生一个推力，使推杆移动并压缩弹簧，直至弹簧的反作用力与推力相平衡时，推杆稳定在一个新的位置。 信号压力越大，推杆的位移量也越大。推杆的位移即为执行机构的直线输出位移，也称行程。推杆从零走到全行程，阀门就从全开(或全关)到全关(或全开)。,与气动执行机构配用的调节阀有气开和气关 有信号压力时，阀开启的叫气开式 有信号压力时，阀关闭的叫气关式 气开和气关是由气动执行机构的正、反作用与调节阀的正、反安装来决定的。,二、气动执行机构的特性,气动薄膜执行机构接受的气动调节器输出的气压
14、信号Pi发生变化时，膜头气室内压力也随之变化，使阀杆和阀芯上下移动，对流体产生调节作用，如图所示。,气动薄膜执行机构的特性，即输入的气压信号Pi与输出的阀杆位移L之间的关系。,气动薄膜机构的膜头是一个封闭的气室，节流气室流出的气量力零，因此 （1） 式中 C膜头的容量数； qi气体输入流量； P1膜头内的气压信号。,qi与压力的近似关系是： （2）,式中 Pi调节器来的气压信号； R调节器到执行机构间导管阻力系数。,将式（2）代入到式（1）中，并简化得 （3）,式中T zRC称为执行机构的时间常数。 (3)式是膜头内压力与输入气动执行机构的气压信号之间的微分方程式。,从膜片的运动看，P1变化形
15、成对膜片的推力P1F(F是膜片有效面积，并假设不变)，如果忽略阀杆密封填料处的摩擦力和运动部件的惯性力，此推力引起弹簧位移，有 （4）,式中 Kl弹簧的弹性系数； L弹簧的位移即阀杆的位移。,将式（4）代入式（3）整理后得： （5） 上式是气动执行机构阀杆位移与输入气压信号变化的微分方程式。,（6）,在实际应用中，一般都将气动执行机构作为一阶惯性环节来处理。 当执行机构时间常数较小，即当被控对象时间常数较大时，可把气动执行机构作为放大环节来处理，这时则有：,式中KFK l是气动执行机构放大系数。,因此，气动薄膜执行机构的输出阀杆位移与输入气压信号成比例关系。,三电动执行器,电动执行器接受来自调
16、节器的电流信号，并将其转换成相应的角位移或直行程位移，去操纵阀门、挡板等调节机关，以实现自动控制。电动执行器还可以通过电动操作器实现控制系统的自动操作和手动操作的相互切换。它有角行程、直行程和多转式三种类型。,电动执行器由执行机构和调节阀两部分组成，其中调节阀部分多数和气动执行器是通用的。电动执行器根据不同的使用要求有各种结构。 最简单的电动执行器是电磁阀。它利用电磁铁的吸合和释放，对小口径的阀门作通断两种状态的控制。,连续动作的电动执行器由伺服电动机、减速器和位置发送器三部分组成，它接受可控硅交流开关或电动操作器的信号，使伺服电机按正、反方向运转，通过减速器减速后，变成较大的输出力矩去带动阀门。同时位置发送器又根据阀门的位置，发出相应数值的直流电流信号反馈到前置磁放大器的输入端，与来自调节器的输出电流进行比较，并将二者的偏差进行放大，以驱动两相电动机转动，再经减速器减速，带动输出轴改变转角。,电动执行机构输出
