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1、過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 第四章 執(zhí)行器 教學目的要求 ： 了解執(zhí)行器的分類和構成，掌握氣動調節(jié) 閥的結構與工作原理，理解調節(jié)閥的各種結構形式，了解 各種調節(jié)閥的應用場合，掌握調節(jié)閥的工作流量特性和理 想流量特性，掌握電氣轉換器、閥門定位器的作用與工作 原理。掌握電動執(zhí)行器的結構與工作原理。熟悉執(zhí)行器現(xiàn) 場安裝的一般方法。 教學重點 ： 氣動調節(jié)閥，電動調節(jié)閥結構與工作原理 教學難點 ： 電動調節(jié)閥、閥門定位器結構與工作原理 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 第九講 氣動、電動執(zhí)行器 一、概述 執(zhí)行器是自動控制系統(tǒng)中的重要組成部分，它 將控制器送來的控制信號轉換成執(zhí)行動作，從而

2、操 縱進入設備的能量，將被控變量維持在所要求的數 值上或一定的范圍內。 執(zhí)行器有自動調節(jié)閥門、自動電壓調節(jié)器、自 動電流調節(jié)器、控制電機等。其中自動調節(jié)閥門是 最常見的執(zhí)行器，種類繁多。 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 1、執(zhí)行器發(fā)展概況 20世紀 50年代開始使用氣動執(zhí)行器和液動執(zhí) 行器，防爆性能好，應用廣，但對氣源要求較高。 50年代末出現(xiàn)電動執(zhí)行器，信號傳輸速度快。 80年代出現(xiàn)代電腦的智能電動執(zhí)行器，用于 DCS。 90年代出現(xiàn)智能執(zhí)行器，用于現(xiàn)場總線控制。 2、執(zhí)行器的構成 執(zhí)行器由執(zhí)行機構和調節(jié)機構組成。 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 按動力分類：氣動、電動和液動執(zhí)行

3、機構 按動作極性分類：正作用執(zhí)行器和反作用執(zhí)行器 按動作特性分類：比例式執(zhí)行器和積分式執(zhí)行器 按動作形成分類：角行程執(zhí)行器和直行程執(zhí)行器 2、執(zhí)行器的分類與構成 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 執(zhí)行器按照工作所用能源形式可分為： 電動 執(zhí)行器 ：電源配備方便 ， 信號傳輸快 、 損失小 ， 可遠距離傳輸；但推力較小 。 氣動 執(zhí)行器 ：結構簡單 ， 可靠 ， 維護方便 ， 防火防爆；但氣源配備不方便 。 液動 執(zhí)行器 ：用液壓傳遞動力 ， 推力最大； 但安裝 、 維護麻煩 ， 使用不多 。 工業(yè)中使用最多的是氣動 執(zhí)行器 和電動 執(zhí)行器 。 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 圖 b中

4、采用電氣轉換器，精度不高。 采用電氣閥門定位器，可以提高調節(jié)閥的位置精度，應用廣泛。 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 二 、 氣動執(zhí)行器 （ 氣動調節(jié)閥 ） 氣動 執(zhí)行器是由氣壓信號控制的閥門 。 氣動薄膜室 推桿 閥門 閥位指示標牌 閥桿 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 1、 氣動執(zhí)行器的結構與 分類 氣動 執(zhí)行器 由執(zhí)行機構和 調節(jié)機構 （ 控制機構 ） 兩部分 組成 。 執(zhí)行機構是推動裝置 ， 它 是將信號壓力的大小轉換為閥 桿位移的裝置 。 控制機構是閥門 ， 它將閥 桿的位移轉換為流通面積的大 小 。 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 2.執(zhí)行 機構 執(zhí)行機構按調節(jié)器

5、輸出的控制信號 ， 驅動調 節(jié)機構動作 。 氣動執(zhí)行機構的輸出方式有角行程輸 出和直行程輸出兩種 。 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 直行程輸出的氣動執(zhí)行機構有兩類 。 氣動活塞式執(zhí)行機構 薄膜式執(zhí)行機構 P 正作用執(zhí)行機構 反作用執(zhí)行機構 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 1).薄膜式 p膜片 變 形 帶動推桿 移動 閥芯產 生位移 改變 閥門開度。 （輸出力較小， 精度較高） 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 氣動執(zhí)行機構接收的信號標準： 0.02MPa 0.1MPa 2).活塞式 活塞在汽缸中移動輸出推力。 （輸出力較大） 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 執(zhí)行機構的輸

6、出（推桿位移）也稱為 行程 。 薄膜式執(zhí)行機構的行程規(guī)格： 10mm， 16mm， 25mm， 60mm， 100mm。 活塞式執(zhí)行機構有比例式和兩位式。 長行程執(zhí)行機構：行程 40 200mm，轉角 90 氣動薄膜執(zhí)行機構： 輸出位移 L Ap/K， A為波紋膜片有效面積， K為彈簧剛度。 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 3調節(jié)機構 調節(jié)機構就是閥門，是一個局部阻力可以改變 的節(jié)流元件。由閥體，閥座，閥芯，閥桿，上下閥 蓋組成。根據不同的使用要求，閥門的結構型式很 多。 閥芯形式： 直行程閥芯和角行程閥芯 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 （ 1） 直通單座閥 流體對閥芯的不平 衡

7、作用力大 。 一般用在小 口徑 、 低壓差的場合 。 結構簡單、泄漏量小。 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 正裝閥 閥芯下移時，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，閥芯與閥 座間的流通截面積減小 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 （ 2） 直通雙座閥 閥體內有兩個閥芯和閥座。 流體流過時 ， 作用在上 、 下兩個閥芯上的推 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，上下兩個閥芯閥 座不易保證同時密閉， 因此泄漏量較大。 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 （ 3） 角形控制

8、閥 兩個接管呈直角形 ， 一般為底進側出 ， 這種閥的 流路簡單 、 對流體的阻力較小 。 適用于現(xiàn)場管道 要求直角連接，介質 為高粘度、高壓差和 含有少量懸浮物和固 體顆粒狀的場合。 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 （ 4） 三通控制閥 有三個出入口與工藝管道連接。流通方式有合 流型（兩種介質混合成一路）和分流型（一種介質 分成兩路）兩種。適用于配比控制與旁路控制。 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 （ 5） 隔膜控制閥 采用耐腐蝕材料作 隔膜，將閥芯與流體隔 開。 結構簡單 、 流阻小 、 流通能力比同口徑的其他 種類的閥要大 。 由于介質用隔膜與外界隔離 ， 故無填 料 ， 介

9、質也不會泄漏 。 耐腐蝕能力強 ， 適用于強酸 、 強堿 、 強腐蝕性 介質的控制 ， 也能用于高粘度及懸浮顆粒狀介質的控 制 。 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 適用于大口徑 、 大流量 、 低壓差的場 合 ， 也可以用于含少 量纖維或懸浮顆粒狀 介質的控制 。 （ 6） 蝶閥 又名翻板閥。 結構簡單、重量輕、流阻極小，但泄漏量大。 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 （ 7） 球閥 閥芯與閥體都呈球形體 ， 閥芯內開孔 。 轉動閥 芯使之與閥體處于不同的相對位置時 ， 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 。 過程控制系統(tǒng)與裝置

10、第 4章 唐德東 （ 8） 籠式閥 閥內有一個圓柱形套筒 （ 籠子 ） 。 套筒壁上有 一個或幾個不同形狀的孔 （ 窗口 ） ， 利用套筒導向 ， 閥芯在套筒內上下移動 ， 改變閥的節(jié)流孔面積 。 可調比大 ， 不平衡 力小 ， 更換開孔不同的 套筒 ， 就可得到不同的 流量特性 。 但不適于高 粘度或帶有懸浮物的介 質流量控制 。 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 （ 9） 凸輪撓曲閥 又名偏心旋轉閥 。 其閥芯呈扇形球面狀 ， 與撓 曲臂及軸套一起鑄成 ， 固定在轉動軸上 。 閥芯球面與閥座密封圈緊密接觸 ， 密封性好 。 適用于高粘度或帶有懸浮物的介質流量控制 。 調節(jié)閥除了結構類

11、型的不同外 ， 其它的主 要技術參數是流量特性 和口徑 。 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 如果采用電 /氣轉換器和氣動執(zhí)行機構配合， 是開環(huán)系統(tǒng)，調節(jié)精度不高。 如果采用閥門定位器與氣動執(zhí)行機構配合， 執(zhí)行機構的輸出位移通過凸輪杠桿反饋到閥門 定位器，利用負反饋，提高氣動調節(jié)閥的位置 精度 。 三、電 /氣轉換器 /閥門定位器 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 將 4 20mA的電 流信號 轉換成 20 100KPa的標準氣壓 信號 。 1、 電 /氣轉換器 電 /氣轉換器作用： 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 I 吸力 Fi 杠桿偏轉 擋板與噴嘴間隙 背壓 放大器輸入 輸出

12、壓力 P 杠桿 的反饋力 Ff 杠桿平衡 P I 工作原理 負反饋 磁鐵 調零 Fi Ff 背壓 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 電氣轉換器工作原理 ： 輸入信號： 4 20mADC； 輸出信號： 0.02 0.1MPa（ 0.04 0.2MPa） 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 把 4 20mA的信號轉換為 0.02 0.1MPa的標準信號， 以實現(xiàn)電動儀表與氣動儀表的連用，構成混合控 制系統(tǒng)，充分發(fā)揮電、氣儀表的優(yōu)點。 輸入信號： 4 20mADC； 輸出信號： 0.02 0.1MPa（ 0.04 0.2MPa） 基本誤差： 0.5 變差： 0.5 靈敏度： 0.05 防爆等級

13、：安全隔爆型： AB3e，安全火花型： HIII 電 /氣轉換器 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 1.氣阻 R=P/q 2.氣容 固定氣容 C=V/KT 彈性氣容 3.彈性元件 4.噴嘴擋板機構：位移 壓力 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 5.功率放大器 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 2、 閥門定位器 氣動調節(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 ， 且個體差異較 大 ， 這會影響輸入信號 P的 執(zhí)行精度 。 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 解決措施 在調節(jié)閥上加裝 閥門定位

14、器 ， 引入閥桿 位移負反饋 。 使閥桿能 按輸入信號精確地確定 自己的開度 。 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 2、氣動閥門定位器原理 Pi進入波紋管 主杠桿產生逆時針轉矩 擋板靠近噴嘴 噴嘴背壓 增加 放大 產生 P1 推動執(zhí)行機構薄膜室 執(zhí)行機構輸出閥桿位 移 反饋桿繞支點逆時針 旋轉 帶動凸輪逆時 針旋轉 副杠桿順時 針旋轉 通過反饋彈 簧 對主杠桿產生順 時針方向轉矩 與 Pi 產生逆時針力矩平衡。 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 3、電 /氣閥門定位器 實際應用中，常把電 /氣轉換器和閥門定位器結 合成一體，組成電 /氣閥門定位器。 I杠桿上端右移 擋板 靠近噴嘴 P壓

15、力 閥桿下移 反饋凸輪 右轉 反饋彈簧右拉 杠桿平衡 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 3、電氣閥門定位器 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 4、智能型電氣閥門定位器 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 氣動薄膜單座 (套筒 )調節(jié)閥 氣動薄膜 雙 座調節(jié)閥 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 氣動調節(jié)閥 氣動調節(jié)蝶閥 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 四 、 電動執(zhí)行器 電動執(zhí)行器接受來自控制器的電 流信號 ， 閥門開度連續(xù)可調 。 電磁閥也 接受來自控制器的電流 信號 ， 但閥門開度是位式調節(jié) 。 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 如直動式電磁閥： 線圈通電時，產生電

16、磁力，吸引閥芯柱上移， 閥門打開。 線圈斷電后，電磁力 消失，閥芯落下。在彈簧 壓力下閥門緊閉。 電磁閥是位式閥，只 有全開和全關兩個位置。 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 電動調節(jié)閥也由執(zhí)行機構 和閥門兩部分組成 。 執(zhí)行機構是調節(jié)閥的推動 裝置 ， 它將輸入信號轉換成相 應的動力 ， 帶動控制機構動作 。 閥門是調節(jié)閥的控制機構 ， 它與氣動調節(jié)閥的閥門是通用 的 。 執(zhí) 行 機 構 控 制 機 構 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 電動執(zhí)行機構用控制電機作動力裝置。 輸出形 式有： 角行程 ：電機轉動經減速器后輸出。 直行程：電機轉動經減速器減速并轉換為直線 位移輸出。 多轉式

17、：轉角輸出，功率比較大，主要用來控 制閘閥、截止閥等多轉式閥門。 這幾種執(zhí)行機構在電氣原理上基本相同， 只是減速器不一樣。 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 電動執(zhí)行機構 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 輸入信號與位置反饋信號 進行比較 ， 將差值放大 。 驅動 電機 經減速輸出， 帶動閥門 直到位置發(fā)送器檢測到的 位置信號與輸入信號相等 時 ， 放大器輸出為零 。 電動執(zhí)行機構 原理方框圖 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 兩相電機伺服驅動電路 線圈 、 CF 例 a（ +） b（ -） 時 觸發(fā)電路 1工作 SCR1導通 c、 d間短接 線圈 電機正轉 220V通路 90 相

18、移 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 四、 智能式調節(jié)閥 隨著電子技術的迅速發(fā)展，微處理器也被引入到 調節(jié)閥中，出現(xiàn)了智能式調節(jié)閥。主要功能如下： 1控制及執(zhí)行功能 2補償及校正功能 3通信功能 4診斷功能 5保護功能 智能電動執(zhí)行機構 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 電動 V形球閥 電動 O形球閥 電動三通球閥 電動蝶閥 電動高溫蝶閥 智能電動蝶閥 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 電動小型調節(jié)閥 電動直角調節(jié)閥 電動雙座調節(jié)閥 電動漿液閥 電動刀型閘閥 電動閘閥 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 作業(yè)：執(zhí)行器在控制系統(tǒng)中處于什么地位？ 其性能對控制系統(tǒng)的運行有什么影響？ 小結 結構 工作原理 電動調節(jié)閥 電 /氣閥門定位器 電 /氣轉換器 氣動調節(jié)閥