第五章
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5.1 控制器的发展与分类 5.2 控制器基本控制规律 5.3 模拟式控制器 5.4 数字式控制器 5.5 执行器 5.6 调节机构 5.7 执行机构 - PowerPoint PPT Presentation


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第五章 自动控制仪表. 5.1 控制器的发展与分类 5.2 控制器基本控制规律 5.3 模拟式控制器 5.4 数字式控制器 5.5 执行器 5.6 调节机构 5.7 执行机构 5.8 电 - 气阀门转换器和电 - 气阀门定位器 5.9 执行器的选择. 5.1 控制器的发展与分类. 基地式控制器 基地式控制以指示、记录为主体,附加控制机构而组成。它不仅对某变量进行指示和记录,还具有控制功能。由于基地式控制结构比较简单,价格便宜,常用于单机自动化系统。 单元组合式控制器

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第五章自动控制仪表

  • 5.1 控制器的发展与分类

  • 5.2 控制器基本控制规律

  • 5.3 模拟式控制器

  • 5.4 数字式控制器

  • 5.5 执行器

  • 5.6 调节机构

  • 5.7 执行机构

  • 5.8 电-气阀门转换器和电-气阀门定位器

  • 5.9 执行器的选择


5.1 控制器的发展与分类

基地式控制器

基地式控制以指示、记录为主体,附加控制机构而组成。它不仅对某变量进行指示和记录,还具有控制功能。由于基地式控制结构比较简单,价格便宜,常用于单机自动化系统。

单元组合式控制器

单元组合式仪表是将仪表按其功能的不同分成若干单元(例如变送单元、定值单元、控制单元、显示单元等),每个单元只完成其中一种功能。各个单元之间以统一的标准信号相互联系。

组装式控制器

组装式控制是在单元组合式控制的基础上发展起来的一种功能分离、结构组件化的成套仪表装置。

数字智能式控制器

数字智能式控制是以数字计算机为核心的数字式仪表。

2


5.2 控制器基本控制规律

5.2.1 双位控制

5.2.2 比例控制

5.2.3 比例积分控制

5.2.4 比例微分控制

5.2.5 比例积分微分控制

5.2.6 PID控制规律总结

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基本控制规律及其对系统过渡过程的影响

研究控制器的控制规律时是把控制器和系统断开的,即只在开环时单独研究控制器本身的特性。

所谓控制规律是指控制器的输出信号与输入信号之间的关系。

控制器的输入信号是经比较后的偏差信号e,它是给定信号x与变送器送来的测量值信号z之差。

  • 在分析自动化系统时,偏差采用e=x-z,但在单独分析控制仪表时,习惯上采用测量值减去给定值作为偏差。

  • 控制器的输出信号就是控制器送往执行器(常用气动执行器)的信号p。

  • 所谓控制器的控制规律就是指p与e之间的函数关系,即


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5.2.1 双位控制

双位控制的动作规律是当测量值大于给定值时,控制器的输出为最大(或最小),而当测量值小于给定值时,则输出为最小(或最大)。

控制器只有两个输出值,相应的控制机构只有开和关两个极限位置,因此又称开关控制。

理想的双位控制器其输出p与输入偏差e之间的关系为:


具有中间区的双位控制器

图5-3 实际的双位控制特性

图5-4 具有中间区的双位控制过程


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5.2.2 比例控制

  • 比例控制器:其输出信号(指变化量)p与输入信号(指偏差,当给定值不变时,偏差就是被控变量测量值的变化量)e之间成比例关系,即

图5-5 简单的比例控制系统示意图


比例度

比例度就是使控制器的输出变化满刻度时(也就是控制阀从全关到全开或相反),相应的仪表测量值变化占仪表测量范围的百分数。或者说,使控制器输出变化满刻度时,输入偏差变化对应于指示刻度的百分数。

比例度就是指控制器输入的变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数,用公式表示为:

图5-6 比例度示意图


比例控制会有余差

  • 液位比例控制系统的过渡过程如右图所示。在控制过程结束时,液位的新稳态值将低于给定值,它们之间的差就叫余差。

  • 如果定义偏差e为测量值减去给定值,则e的变化曲线如右图(e)。

图5-7 比例控制系统过渡过程


为什么会有余差?

我们一起讨论一下图5-5的系统从一个稳态过渡到另外一个稳态的过程。

存在余差是比例控制的缺点。

比例控制的优点是反应快,控制及时。

有偏差信号输入时,输出立刻与它成比例地变化,偏差越大,输出控制作用越强。

图5-5 简单的比例控制系统示意图


比例度与余差、过渡过程的关系

增大Kp(即减小比例度δ),可以减小余差,但这样会使系统稳定性变差。

图5-8 比例度对过渡过程的影响


积分控制作用的输出变量p与输入偏差e的积分成正比,

5.2.3 比例积分控制器

图5-9 积分控制器特性


如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。

由于积分控制动作缓慢,一般与比例控制组合使用,这样既能及时控制,又能消除余差。

图5-9 积分控制器特性


积分时间对过渡过程的影响如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。

实测 和 。

积分时间 对过渡过程的影响,如右图所示。

图5-11 积分实际对过渡过程的影响


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5.2.4 如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。微分控制

对于惯性较大的对象,常常希望能根据被控变量变化的快慢来控制。

微分控制规律:就是控制器的输出信号与偏差信号的变化速度成正比,

图5-12 理想微分控制器特性


微分控制的优缺点如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。

超前控制:即使偏差很小,只要出现变化趋势,马上就进行控制。

但它的输出不能反映偏差的大小,假如偏差固定,即使数值很大,微分作用也没有输出,因而控制结果不能消除偏差,所以不能单独使用这种控制器,它常与比例或比例积分组合构成比例微分或三作用控制器。

图5-13 比例微分控制器特性


微分时间对过渡过程的影响如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。

微分作用的强弱用微分时间来衡量。

图5-14 微分实际对过渡过程的影响


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5.2.5 如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。几种调节方法的比较

  • P调节

  • PI调节

  • PD调节

  • PID调节


20如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。


5.3 如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。模拟式控制器

1. 基本构成

比较环节

将测量值与设定值进行比较(电流、电压、气压相减),产生偏差信号。

放大器

将偏差信号、反馈信号、载波信号叠加后进行放大。

反馈环节

将输出信号通过一定的运算关系反馈到放大器的输入端,以实现比例、积分、微分等控制规律。


2.如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。仪表的特点

采用国际电工委员会(IEC)推荐的统一标准信号:

4~20mA DC 或 1~5V DC,信号电流与电压的转换电阻为250。

高度集成化,可靠性高,维修量少。

全系统统一采用24V DC电源供电,单元仪表无须单独设置电源。

功能齐全,结构合理。

具有本安(本质安全)性能。


3. 如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。基本功能

控制功能

自动控制:针对偏差,按PID规律自动调整输出。

手动控制:由人工直接设定输出值——遥控执行器。

软手动:输出随时间按一定的速度增加或减小。

硬手动:瞬间直接改变输出值。

显示功能

输入显示、设定值显示、手动给定显示、输出显示、(输出)限位报警。

调整功能

给定输入调整:

控制参数整定:


如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。5-15 模拟控制器结构方框图

图5-16 控制器面板

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5.4 如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。数字式控制器

数字式控制器主要由微机单元、输入电路、输出电路和人机对话接口电路组成

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可编程序控制器如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。

PLC由中央处理单元(CPU)、存储器(RAM、ROM)、输入/输出接口(I/O)等几个部分组成

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5.5 如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。执行器

  • 5.5.1 执行器的分类及特点

  • 5.5.2 执行器的组合方式

  • 5.5.3 执行器的基本结构

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气动薄膜如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。

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

气动薄膜

角形阀

电动

直通单座阀

电动

隔膜阀

电动

三通阀

电磁阀

手动截止阀

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执行器在自控系统中的作用如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。

执行器通常专指阀门

执行器是指:阀门-调节阀(连续的)、开关阀(过程控制范畴)

电机-连续的、开关的(属于流体机械的范畴,起执行器的作用)

执行器在自控系统中的作用:接收调节器(计算机)输出的控制信号,使调节阀的开度产生相应变化,从而达到调节操作变量流量的目的。

执行器是控制系统必不可少的环节。

执行器工作,使用条件恶劣,它也是控制系统最薄弱的环节

原因:执行器与介质(操作变量)直接接触

(强)腐蚀性、(高)粘度、(易)结晶、

高温、深冷、高压、高差压

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分类--按使用的能源形式:如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。

5.5.1 执行器的分类及特点

电动执行器

液动执行器

气动执行器

气动阀

电动阀

在过程控制领域应用很少

按阀门的输出:

连续式(0~100%)

开关式(ON/OFF)

调节阀**

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5.5.2 如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。执行器的组合形式

1. 气动控制器-阀门定位器-气动执行器

这种组合方式适用于要求准确定位、差压较大的场合,其工作模式是通过阀门定位器的辅助作用,使气动执行器准确定位,同时可在一定程度上放大调节信号的压力,增大执行器的输出力(力矩),增强执行器的工作平稳性。

图5-22 执行器的各种组合方式

2. 气动控制器-气/电转换器-电动执行器

这种组合方式通过气/电转换器将气动调节器的气压信号成比例地转换成标准的电信号,从而推动电动执行器工作,实现了气动信号的远传及与数字装置的连接。

3. 电动控制器-电/气阀门定位器-气动执行器

这种组合方式应用广泛,通过电/气阀门定位器可实现传输信号为电信号,现场操作为气动执行器,具备电动和气动执行器的优点。


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5.5.3 如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。执行器的基本结构

  • 执行器由执行机构和调节机构组成。

  • 执行机构是执行器的推动装置,它根据控制信号的大小,产生相应的推动力,推动调节阀动作。

  • 调节阀是执行器的调节机构,在执行机构推力的作用下,调节阀产生一定的位移或转角,直接调节流体的流量。

图5-23 气动执行器的外形

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执行器由如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。执行机构和控制(调节)机构两个部分构成

PO

F → l

流通截面积

执行机构

调节机构

IO

M→θ

操纵变量的流量

辅助装置:阀门定位器 和 手动操作机构

执行机构——根据控制信号产生推力(薄膜、活塞、马达…)。

它是执行器的推动装置,它按控制信号的大小产生相应的推力,推动控制机构动作,所以它是将信号的大小转换为阀杆位移的装置

控制机构——根据推力产生位移或转角,改变开度。

它是执行器的控制部分,它直接与被控介质接触,控制流体的流量。所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置

手操机构——手轮机构的作用是当控制系统因停电、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。

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气动调节阀如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。

气动调节阀采用气动执行机构

优点:结构简单、动作可靠稳定、输出力大、安装维修方便、价格便宜和防火防爆

缺点:响应时间大,信号不适于远传

采用电/气转换器或电/气阀门定位器,使传送信号为电信号,现场操作为气动信号

气信号

电信号

电动调节阀

电动调节阀采用电动执行机构

优点:动作较快、能源获取方便,特别适于远距离的信号传送

缺点:输出力较小、价格贵,

且一般只适用于防爆要求不高的场合

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5.6 如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。调节机构

调节机构是执行器的调节部分,在执行机构的输出力和输出位移作用下,调节机构阀芯的运动,改变了阀芯与阀座之间的流通截面积,即改变了调节阀的阻力系数,使被控介质流体的流量发生相应变化。

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分类--如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。按使用的调节机构:

5.6.1 调节阀的分类

直通双座调节阀

直通单座调节阀

笼式(套筒)调节阀

角型调节阀

三通调节阀

高压调节阀

隔膜调节阀

波纹管密封调节阀

超高压调节阀

小流量调节阀

低噪音调节阀

蝶阀

凸轮挠曲调节阀

V型球阀

O型球阀

同一类型的气动/电动调节阀,分别采用气动执行机构和电动执行机构

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执行器的作用方式如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。

H

从安全生产的角度来确定正反作用

正作用:当输入信号增大时,执行器的开度增大,即流过执行器的流量增大

气动调节阀通常称为气开阀

反作用:当输入信号增大时,流过执行器的流量减小

气动调节阀通常称为气关阀

如果,介质是由强腐蚀性的,再生产过程中不允许溢出,调节阀的作用形式?

如果后面的环节不允许没有物料,调节阀的作用形式?

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调节机构的结构和特点如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。

主要构成:阀体、阀座、阀心、和阀杆或转轴

1—执行机构

2—阀杆

3—阀芯

4—阀座

5—阀体

6—转轴

7—阀板

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常用调节阀结构示意图及特点如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。——直通单座调节阀

直通单座调节阀:

  • 阀体内只有一个阀芯和一个阀座。

  • 结构简单、泄漏量小(甚至可以完全切断)

  • 允许压差小(双导向结构的允许压差较单导向结构大)。

双导向结构

它适用于要求泄漏量小,工作压差较小的干净介质的场合。在应用中应特别注意其允许压差,防止阀门关不死。

单导向结构

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常用调节阀结构示意图及特点如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。——直通双座调节阀

直通双座调节阀:

阀体内有两个阀芯和阀座 。

因为流体对上、下两阀芯上的作用力可以相互抵消,因此双座阀具有允许压差大

上、下两阀芯不易同时关闭,因此泄漏量较大的特点。

它适用于阀两端压差较大,泄漏量要求不高的干净介质场合,不适用于高粘度和含纤维的场合。

均为双导向结构

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常用调节阀结构示意图及特点如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。——角形调节阀

角形调节阀:

阀体为直角形

流路简单、阻力小,适用于高压差、高粘度、含有悬浮物和颗粒状物质的调节。

角形阀一般使用于底进侧出,此时调节阀稳定性好,

在高压差场合下,为了延长阀芯使用寿命,也可采用侧进底出。但侧进底出在小开度时易发生振荡。

角形阀还适用于工艺管道直角形配管的场合。

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常用调节阀结构示意图及特点如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。——三通调节阀

三通调节阀:

  • 阀体有三个接管口,适用于三个方向流体的管路控制系统,大多用于热交换器的温度调节、配比调节和旁路调节。

  • 在使用中应注意流体温差不宜过大,通常小于是150℃,否则会使三通阀产生较大应力而引起变形,造成连接处泄漏或损坏。

  • 三通阀有三通合流阀和三通分流阀两种类型。三通合流阀为介质由两个输入口流进混合后由一出口流出;三通分流阀为介质由一入口流进,分为两个出口流出。

合流三通调节阀

分流三通调节阀

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常用调节阀结构示意图及特点如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。——蝶阀

蝶阀:

  • 蝶阀是通过挡板以转轴为中心旋转来控制流体的流量。

  • 结构紧凑、体积小、成本低,流通能力大

  • 特别适用于低压差、大口径、大流量的气体形或带有悬浮物流体的场合

  • 泄漏较大

  • 蝶阀通常工作转角应小于70℃,此时流量特性与等百分比特性相似

  • 多用于开关阀

蝶阀

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常用调节阀结构示意图及特点如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。——套筒阀

套筒阀:

  • 套筒阀的结构比较特殊,阀体与一般的直通单座阀相似,但阀内有一个圆柱形套筒,又称笼子,利用套筒导向,阀芯可在套筒中上下移动。

  • 套筒上开有一定形状的窗口(节流孔),套筒移动时,就改变了节流孔的面积,从而实现流量调节。

  • 套筒阀分为单密封和双密封两种结构,前者类似于直通单座阀,适用于单座阀的场合;后者类似于直通双座阀,适用于双座阀的场合。

  • 套筒阀具有稳定性好、拆装维修方便等优点,因而得到广泛应用,但其价格比较贵。

套筒阀

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常用调节阀结构示意图及特点如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。——偏心旋转阀

偏心旋转阀:

转轴带动阀芯偏心旋转

体积小,重量轻,使用可靠,维修方便,通用性强,流体阻力小等优点,适用于粘度较大的场合,在石灰、泥浆等流体中,具有较好的使用性能。

偏心旋转阀

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常用调节阀结构示意图及特点如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。——“O”形球阀

“O”形球阀:

阀芯为一球体

阀芯上开有一个直径和管道直径相等的通孔,转轴带动球体旋转,起调节和切断作用。

该阀结构简单,维修方便,密封可靠,流通能力大

流量特性为快开特性,一般用于位式控制。

“O”形球阀

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常用调节阀结构示意图及特点如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。——“V”形球阀

“V”形球阀:

阀芯也为一球体

但球体上开孔为V形口,随着球体的旋转,流通截面积不断发生变化,但流通截面的形状始终保持为三角形。

该阀结构简单,维修方便,关闭性能好,流通能力大,可调比大

流量特性近似为等百分比特性,适用于纤维、纸浆及含颗粒的介质。

“V”形球阀

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5 6 2
5.6.2. 如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。调节阀的流量特性

调节阀流量特性:介质流过调节阀的相对流量与相对位移(即阀的相对开度)之间的关系

实际流量

实际位移

最大位移

最大流量

调节阀前后压差的变化,会引起流量变化。流量特性分为理想流量特性和实际流量特性

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1. 如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。理想流量特性 (ΔP 一定)

调节阀的固有特性,由阀芯的形状所决定。

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

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(1) 如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。直线流量特性

调节阀的相对流量与相对位移成直线关系,即单位位移变化所引起的流量变化是常数

特点:a.放大系数是常数

b. Q ↑流量相对变化值↓

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(2) 如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。等百分比流量特性(对数流量特性)

单位相对位移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

特点:a. Q ↑放大系数↑

b. 流量相对变化值是常数

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(3) 如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。抛物线流量特性

单位相对位移的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量值的平方值的平方根成正比关系

为了弥补直线特性在小开度时调节性能差的缺点,在抛物线特性基础上派生出一种修正抛物线特性,它在相对位移30%及相对流量变20%这段区间内为抛物线关系,而在此以上的范围是线性关系。

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(4) 如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。快开流量特性

在开度较小时就有较大的流量,随着开度的增大,流量很快就达到最大;此后再增加开度,流量变化很小

有效位移一般为阀座直径的1/4

适用于迅速启闭的位式控制或程序控制系统

上述4种流量特性中:直线和等百分比最常用。

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2. 如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。调节阀的工作流量特性

(1)串联管道时

* 可调比减小

* 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

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(2)如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。并联管道时的工作流量特性

可调比将大大下降

通常一般X 值不能低于0.8,

即旁路流量只能为总流量的百分数之十几。

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5.7 如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。执行机构

根据控制信号的大小,产生相应的输出力F和位移M(直线位移l或角位移θ)

输出力F用于克服调节机构中流动流体对阀芯产生的作用力或作用力矩,以及摩擦力等其他各种阻力;

位移(l或θ)用于带动调节机构阀芯动作

气动执行机构

电动执行机构

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5 7 1
5.7.1 如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。电动执行机构

构成原理

输入信号

伺服放大器

ε

伺服电机

减速器

输出

位置发生器

图5-32 电动执行机构组成框图

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5 7 11
5.7.1. 如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。气动执行机构

气动执行机构主要分为两大类:薄膜式与活塞式

薄膜式与活塞式执行机构又可分为:有弹簧和无弹簧两种

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气动薄膜式执行机构基本结构和工作原理如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。

气源 PO

气源PO

气动执行机构的动态特性为一阶滞后环节。其时间常数的大小与薄膜气室大小及引压导管长短粗细有关,一般为数秒到数十秒之间。

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气动活塞式执行机构基本结构和工作原理如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。

P1

P2

基本部件:活塞和气缸

活塞在气缸内随活塞两侧压差而移动

两侧可以分别输入一个固定信号和一个变动信号,或两侧都输入变动信号。

它的输出特性有比例式及两位式两种。

两位式是根据输入执行活塞两侧的操作压力的大小,活塞从高压侧推向低压侧,使推杆从一个位置移到另一极端位置

比例式是在两位式基础上加有阀门定位器后,使推杆位移与信号压力成比例关系。

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5.8 如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。电气转换器/阀门定位器

电气转换器

电气阀门定位器

压缩空气过滤器

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阀门定位器如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。

将控制信号(I0或PO),成比例地转换成气压信号输出至执行机构,使阀杆产生位移

阀杆位移量通过机械机构反馈到阀门定位器,当位移反馈信号与输入的控制信号相平衡时,阀杆停止动作,调节阀的开度与控制信号相对应。

可见,阀门定位器与气动执行机构构成一个负反馈系统(各参数的名称?如被控变量等)

阀门定位器可以采用更高的气源压力,从而可增大执行机构的输出力

在什么情况下需要使用阀门定位器?

答:大口径阀门,或者要求由较大输出力的阀门等(小口径阀门一般较少使用)

阀门定位器与执行机构安装在一起,因而可减少调节信号的传输滞后。此外,阀门定位器还可以接受不同范围的输入信号,因此采用阀门定位器还可实现分程控制。

问题: 很明显,阀门定位器是与气动调节阀配套使用的,那么,电动调节阀是否有类似与阀门定位器的辅助单元?

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按结构形式,阀门定位器可以分为如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。:

电/气阀门定位器

气动阀门定位器

智能式阀门定位器。

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电/气阀门定位器如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。

电/气阀门定位器作用:

1.将4~20mA或0~10mA转换为气信号,用以控制气动调节阀

2.它还能够起到阀门定位的作用

当输入IO →

对主杠杆2产生向左的力F1 →

主杠杆绕支点反时针偏转 →

挡板13靠近喷嘴15→

Pa↑ →

使阀杆向下移动 →

并带动反馈杆9绕支点4偏转 →

凸轮5也跟着逆时针偏转 →

从而使反馈弹簧11拉伸 →

最终使阀门定位器达到平衡状态。此时,一定的信号压力就对应于一定的阀杆位移,即对应于一定的阀门开度。

Pa

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特性如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。

Io

Fi

Mi

Pa

L

Ki

li

K1

K2

Mf

Ff

lf

Kf

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I如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。o

Fi

Mi

Pa

L

Ki

li

K1

K2

Mf

Ff

lf

Kf

阀杆位移和输入信号之间的关系取决于转换系数Ki、力臂长度li以及反馈部分的反馈系数Kf,而与执行机构的时间常数和放大系数,即执行机构的膜片有效面积和弹簧刚度无关,因此阀门定位器能消除执行机构膜片有效面积和弹簧刚度变化的影响,提高执行机构的线性度,实现准确定位。

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气动阀门定位器如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。

原理与前者完全相同

气动力矩平衡式阀门定位器要将正作用改装成反作用,只要把波纹管的位置从主杠杆的右侧调到左侧即可。

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智能式阀门定位器如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。

原理和前面两种阀门定位器很相似

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5.9. 如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。执行器的选择计算

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,主要是从以下三方面考虑:

1.调节阀的结构形式;

2.调节阀的流量特性;

3.调节阀的口径。

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5 9 1
5.9.1. 如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。执行器结构形式的选择

执行机构的选择

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(1)如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。执行机构的选择

可以根据实际使用要求,综合考虑确定

选择执行机构时,还必须考虑执行机构的

输出力(力矩)应大于它所受到的负荷力(力矩)

负荷力(力矩)包括流体对阀芯产生的作用力(不平衡力)或作用力矩(不平衡力矩)阀杆的摩擦力、重量以及压缩弹簧的预紧力

对于气动薄膜执行机构:工作压差小于最大允许压差

但当所用调节阀的口径较大或压差较高时,执行机构要求有更大的输出力,此时可考虑用活塞式执行机构,也可选用薄膜执行机构再配上阀门定位器。

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确定整个调节阀的作用方式 如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。

气开式调节阀:有信号压力输入时阀打开

无信号压力时阀全关

气关式调节阀:有信号压力时阀关闭

无信号压力时阀全开

气开气关的选择考虑原则是:

信号压力中断时,应保证设备和操作人员的发全,如阀门处于打开位置时危害性小,则应选用气关式;反之,则用气开式。

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(2) 如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。调节机构的选择

主要依据是:

(1)流体性质 如流体种类、粘度、腐蚀性、是否含悬浮颗粒

(2)工艺条件 如温度、压力、流量、压差、泄漏量

(3)过程控制要求 控制系统精度、可调比、噪音

根据以上各点进行综合考虑,并参照各种调节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调节机构。

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5 9 2
5.9.2. 如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。执行器流量特性的选择

实际上是指如何选择直线特性和等百分比特性

经验准则:

(1)考虑系统的控制品质

适当地选择调节阀的特性,以阀的放大系数的变化来补偿控制对象放大系数的变化,使控制系统总的放大系数保持不变或近似不变

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如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。2)考虑工艺管道情况

调节阀在串联管道时的工作流量特性与S值的大小有关,即与工艺配管情况有关。因此,在选择其特性时,还必须考虑工艺配管情况。

具体做法:

1.根据系统的特点选择所需要的工作流量特性

P182 表5-5

2.考虑工艺配管情况确定相应的理想流量特性

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如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。3)考虑负荷变化情况

直线特性调节阀在小开度时流量相对变化值大,控制过于灵敏,易引起振荡,且阀芯、阀座也易受到破坏,因此在S值小、负荷变化大的场合,不宜采用。等百分比特性调节阀的放大系数随调节阀行程增加而增大,流量相对变化值是恒定不变的,因此它对负荷变化有较强的适应性。

结论:常用的调节阀流量特性为“线性”和“等百分比”

在设计过程中,当流量特性难以确定时,优先选用“等百分比”特性,它的适应性更强。

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5 9 3
5.9.3.如图所示,当有偏差存在时,输出信号将随时间增长(或减少)。当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。调节阀的口径选择

调节阀口径选择的主要依据是其流通能力,而流通能力的确定是在计算阀流量系数,的基础上进行的。流量系数的定义是指阀门全开条件下,阀两端压差为100kPa,流体密度为1t/m3时,通过阀的流体体积流量为Q(m3/h),其节流公式为:

其中,C是一个比例系数,它与流量系数的关系是m倍,即,当流量特性为直线型时,当流量特性为等百分比型时

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当测量介质为气体时应考虑温度和压力对介质体积的影响,其当测量介质为气体时应考虑温度和压力对介质体积的影响,其C值的计算如下:

1)当阀前后压差小于0.5倍的阀前压力时;即

时,有:

2)当时有:


确定好 当测量介质为气体时应考虑温度和压力对介质体积的影响,其值以后,要对调节阀的开度进行验算。理论要求最大流量时,阀开度不大于90%;最小流量时,开度不小于10%。在正常工况下,阀门开度一般在15%~85%之间。最后根据 值确定调节阀口径。


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