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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(xué)目的要求 ： 了解執(zhí)行器的分類和構(gòu)成，掌握氣動(dòng)調(diào)節(jié) 閥的結(jié)構(gòu)與工作原理，理解調(diào)節(jié)閥的各種結(jié)構(gòu)形式，了解 各種調(diào)節(jié)閥的應(yīng)用場合，掌握調(diào)節(jié)閥的工作流量特性和理 想流量特性，掌握電氣轉(zhuǎn)換器、閥門定位器的作用與工作 原理。掌握電動(dòng)執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)與工作原理。熟悉執(zhí)行器現(xiàn) 場安裝的一般方法。 教學(xué)重點(diǎn) ： 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)與工作原理 教學(xué)難點(diǎn) ： 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、閥門定位器結(jié)構(gòu)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(dòng)、電動(dòng)執(zhí)行器 一、概述 執(zhí)行器是自動(dòng)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(hào)轉(zhuǎn)換成執(zhí)行動(dòng)作，從而

2、操 縱進(jìn)入設(shè)備的能量，將被控變量維持在所要求的數(shù) 值上或一定的范圍內(nèi)。 執(zhí)行器有自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門、自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器、自 動(dòng)電流調(diào)節(jié)器、控制電機(jī)等。其中自動(dòng)調(diào)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(jì) 50年代開始使用氣動(dòng)執(zhí)行器和液動(dòng)執(zhí) 行器，防爆性能好，應(yīng)用廣，但對氣源要求較高。 50年代末出現(xiàn)電動(dòng)執(zhí)行器，信號(hào)傳輸速度快。 80年代出現(xiàn)代電腦的智能電動(dòng)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(gòu)成 執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 按動(dòng)力分類：氣動(dòng)、電動(dòng)和液動(dòng)執(zhí)行

3、機(jī)構(gòu) 按動(dòng)作極性分類：正作用執(zhí)行器和反作用執(zhí)行器 按動(dòng)作特性分類：比例式執(zhí)行器和積分式執(zhí)行器 按動(dòng)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(gòu)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(dòng) 執(zhí)行器 ：電源配備方便 ， 信號(hào)傳輸快 、 損失小 ， 可遠(yuǎn)距離傳輸；但推力較小 。 氣動(dòng) 執(zhí)行器 ：結(jié)構(gòu)簡單 ， 可靠 ， 維護(hù)方便 ， 防火防爆；但氣源配備不方便 。 液動(dòng) 執(zhí)行器 ：用液壓傳遞動(dòng)力 ， 推力最大； 但安裝 、 維護(hù)麻煩 ， 使用不多 。 工業(yè)中使用最多的是氣動(dòng) 執(zhí)行器 和電動(dòng) 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(zhuǎn)換器，精度不高。 采用電氣閥門定位器，可以提高調(diào)節(jié)閥的位置精度，應(yīng)用廣泛。 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 二 、 氣動(dòng)執(zhí)行器 （ 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥 ） 氣動(dòng) 執(zhí)行器是由氣壓信號(hào)控制的閥門 。 氣動(dòng)薄膜室 推桿 閥門 閥位指示標(biāo)牌 閥桿 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 1、 氣動(dòng)執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)與 分類 氣動(dòng) 執(zhí)行器 由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) （ 控制機(jī)構(gòu) ） 兩部分 組成 。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)是推動(dòng)裝置 ， 它 是將信號(hào)壓力的大小轉(zhuǎn)換為閥 桿位移的裝置 。 控制機(jī)構(gòu)是閥門 ， 它將閥 桿的位移轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)按調(diào)節(jié)器

5、輸出的控制信號(hào) ， 驅(qū)動(dòng)調(diào) 節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作 。 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有兩類 。 氣動(dòng)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu) 薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu) P 正作用執(zhí)行機(jī)構(gòu) 反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu) 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(dòng)推桿 移動(dòng) 閥芯產(chǎn) 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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)： 0.02MPa 0.1MPa 2).活塞式 活塞在汽缸中移動(dòng)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(jī)構(gòu)的輸

6、出（推桿位移）也稱為 行程 。 薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程規(guī)格： 10mm， 16mm， 25mm， 60mm， 100mm。 活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)有比例式和兩位式。 長行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)：行程 40 200mm，轉(zhuǎn)角 90 氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)： 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(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)就是閥門，是一個(gè)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(jù)不同的使用要求，閥門的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shí)，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(shí)，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(nèi)有兩個(gè)閥芯和閥座。 流體流過時(shí) ， 作用在上 、 下兩個(gè)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(gè)閥芯閥 座不易保證同時(shí)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(gè)接管呈直角形 ， 一般為底進(jìn)側(cè)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(zhì) 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(gè)出入口與工藝管道連接。流通方式有合 流型（兩種介質(zhì)混合成一路）和分流型（一種介質(zhì) 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(jié)構(gòu)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(zhì)用隔膜與外界隔離 ， 故無填 料 ， 介

9、質(zhì)也不會(huì)泄漏 。 耐腐蝕能力強(qiáng) ， 適用于強(qiáng)酸 、 強(qiáng)堿 、 強(qiáng)腐蝕性 介質(zhì)的控制 ， 也能用于高粘度及懸浮顆粒狀介質(zhì)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(zhì)的控制 。 （ 6） 蝶閥 又名翻板閥。 結(jié)構(gòu)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(nèi)開孔 。 轉(zhuǎn)動(dòng)閥 芯使之與閥體處于不同的相對位置時(shí) ， 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(nèi)有一個(gè)圓柱形套筒 （ 籠子 ） 。 套筒壁上有 一個(gè)或幾個(gè)不同形狀的孔 （ 窗口 ） ， 利用套筒導(dǎo)向 ， 閥芯在套筒內(nèi)上下移動(dòng) ， 改變閥的節(jié)流孔面積 。 可調(diào)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(zhì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)動(dòng)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(zhì)流量控制 。 調(diào)節(jié)閥除了結(jié)構(gòu)類

11、型的不同外 ， 其它的主 要技術(shù)參數(shù)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(zhuǎn)換器和氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)配合， 是開環(huán)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)精度不高。 如果采用閥門定位器與氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)配合， 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出位移通過凸輪杠桿反饋到閥門 定位器，利用負(fù)反饋，提高氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的位置 精度 。 三、電 /氣轉(zhuǎn)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(hào) 轉(zhuǎn)換成 20 100KPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓 信號(hào) 。 1、 電 /氣轉(zhuǎn)換器 電 /氣轉(zhuǎn)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(zhuǎn) 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(fù)反饋 磁鐵 調(diào)零 Fi Ff 背壓 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 電氣轉(zhuǎn)換器工作原理 ： 輸入信號(hào)： 4 20mADC； 輸出信號(hào)： 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(hào)轉(zhuǎn)換為 0.02 0.1MPa的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)， 以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)儀表與氣動(dòng)儀表的連用，構(gòu)成混合控 制系統(tǒng)，充分發(fā)揮電、氣儀表的優(yōu)點(diǎn)。 輸入信號(hào)： 4 20mADC； 輸出信號(hào)： 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(zhuǎn)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(jī)構(gòu)：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(dòng)調(diào)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(gè)體差異較 大 ， 這會(huì)影響輸入信號(hào) 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(diào)節(jié)閥上加裝 閥門定位

14、器 ， 引入閥桿 位移負(fù)反饋 。 使閥桿能 按輸入信號(hào)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(dòng)閥門定位器原理 Pi進(jìn)入波紋管 主杠桿產(chǎn)生逆時(shí)針轉(zhuǎn)矩 擋板靠近噴嘴 噴嘴背壓 增加 放大 產(chǎn)生 P1 推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)薄膜室 執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出閥桿位 移 反饋桿繞支點(diǎn)逆時(shí)針 旋轉(zhuǎn) 帶動(dòng)凸輪逆時(shí) 針旋轉(zhuǎn) 副杠桿順時(shí) 針旋轉(zhuǎn) 通過反饋彈 簧 對主杠桿產(chǎn)生順 時(shí)針方向轉(zhuǎn)矩 與 Pi 產(chǎn)生逆時(shí)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(shí)際應(yīng)用中，常把電 /氣轉(zhuǎn)換器和閥門定位器結(jié) 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(zhuǎn) 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(dòng)薄膜單座 (套筒 )調(diào)節(jié)閥 氣動(dòng)薄膜 雙 座調(diào)節(jié)閥 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥 氣動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 四 、 電動(dòng)執(zhí)行器 電動(dòng)執(zhí)行器接受來自控制器的電 流信號(hào) ， 閥門開度連續(xù)可調(diào) 。 電磁閥也 接受來自控制器的電流 信號(hào) ， 但閥門開度是位式調(diào)節(jié) 。 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 如直動(dòng)式電磁閥： 線圈通電時(shí)，產(chǎn)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(guān)兩個(gè)位置。 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥也由執(zhí)行機(jī)構(gòu) 和閥門兩部分組成 。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)是調(diào)節(jié)閥的推動(dòng) 裝置 ， 它將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成相 應(yīng)的動(dòng)力 ， 帶動(dòng)控制機(jī)構(gòu)動(dòng)作 。 閥門是調(diào)節(jié)閥的控制機(jī)構(gòu) ， 它與氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的閥門是通用 的 。 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 控 制 機(jī) 構(gòu) 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)用控制電機(jī)作動(dòng)力裝置。 輸出形 式有： 角行程 ：電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)減速器后輸出。 直行程：電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)減速器減速并轉(zhuǎn)換為直線 位移輸出。 多轉(zhuǎn)式

17、：轉(zhuǎn)角輸出，功率比較大，主要用來控 制閘閥、截止閥等多轉(zhuǎn)式閥門。 這幾種執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 輸入信號(hào)與位置反饋信號(hào) 進(jìn)行比較 ， 將差值放大 。 驅(qū)動(dòng) 電機(jī) 經(jīng)減速輸出， 帶動(dòng)閥門 直到位置發(fā)送器檢測到的 位置信號(hào)與輸入信號(hào)相等 時(shí) ， 放大器輸出為零 。 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 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(jī)伺服驅(qū)動(dòng)電路 線圈 、 CF 例 a（ +） b（ -） 時(shí) 觸發(fā)電路 1工作 SCR1導(dǎo)通 c、 d間短接 線圈 電機(jī)正轉(zhuǎn) 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(diào)節(jié)閥 隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，微處理器也被引入到 調(diào)節(jié)閥中，出現(xiàn)了智能式調(diào)節(jié)閥。主要功能如下： 1控制及執(zhí)行功能 2補(bǔ)償及校正功能 3通信功能 4診斷功能 5保護(hù)功能 智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 電動(dòng) V形球閥 電動(dòng) O形球閥 電動(dòng)三通球閥 電動(dòng)蝶閥 電動(dòng)高溫蝶閥 智能電動(dòng)蝶閥 過程控制系統(tǒng)與裝置 第 4章 唐德東 電動(dòng)小型調(diào)節(jié)閥 電動(dòng)直角調(diào)節(jié)閥 電動(dòng)雙座調(diào)節(jié)閥 電動(dòng)漿液閥 電動(dòng)刀型閘閥 電動(dòng)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(yùn)行有什么影響？ 小結(jié) 結(jié)構(gòu) 工作原理 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 電 /氣閥門定位器 電 /氣轉(zhuǎn)換器 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥