1、第三章 最終矯正裝置 final correcting devices 前言：很多情況下，閉環系統的最終矯正裝置是閥門（活塞，valve）或類似閥門的裝置，調節流體流量。溫度控制：熱量的輸入利用閥門的調整控制空氣或氣體/液體燃料；（流體的流速是操縱變量）壓力控制：利用閥門控制入口和出口的流量；（流體的流速是操縱變量）（如，阻尼板（damper）、羽板（louver）、滑閘（sliding gate）。馬達：轉速一般為操縱變量（manipulated variable，可以改變被控量的變量）。SCR/繼電器：（電熱系統里，）操縱變量是電流。伺服馬達：（伺服系統里，）被控量是物體的位置。學習目標：

2、1 例舉常見最終矯正裝置2 電磁閥，雙位置馬達驅動閥，（位置）可調馬達驅動閥3 平衡梁原理的氣電閥，氣電式信號轉換器/氣動式位移器，噴射管原理的流體電氣式活塞位移器4 電磁繼電器/接觸器（控制電流）5 三相，Y接法3-1 電磁閥（Solenoid Valve）圖3-1 電磁閥的剖面圖電磁閥：電磁線圈操縱閥門。線圈無電流，則無磁場，電樞不受磁力，但受壓力彈簧推力，所連接的連桿（stem）下推，活塞錐（vavle plug）進入錐座（valve seat），堵塞進出口間通道。線圈加電流，磁場磁力上推電樞，克服彈簧下推力量，將連桿和活塞錐帶離錐座，進出口間通道暢通。一把全開，或全關，所以用于開關式控

3、制系統。電磁閥所用電流，可以是交流或直流，交流較為普遍，但交流有一直流所沒有的缺點：若卡位，加上電流后，因為電感很低，電流很大流過線圈，會因過熱燒毀線圈。3-2雙位置馬達驅動閥（Two-position Electric Motor-Driven Valve）圖3-2 分相活塞馬達的線路圖，馬達可以把活塞打開或關閉，所示極限開關（LS）位置對應于活塞關閉位置（原位置），右邊時序圖說明偏心輪如何操縱極限開關 馬達：閥門對抗巨大流體壓力。 結構類似，連桿經一連動機構與馬達相連，由馬達驅動。 單向分相感應馬達（split-phase induction motor）：速度低，轉矩大。輸出軸由0

4、76;到180°：閥門打開；180°到360°：閥門關閉。 馬達附近有極限開關（LS1，LS2）：檢測180°和360°（原）位置。 LS1：NO；LS2：NC；A：控制器打開閥門B：控制器關閉閥門； 馬達輸出軸在原位置，閥門關閉，極限開關LS1，LS2均受力，故LS1關閉，LS2打開； 1 控制器打開閥門，合上接頭A，交流電流通過LS1的NO端，接入馬達繞組，馬達開始轉動，一轉動，LS1，LS2均脫離偏心輪（cam）（不再受力），LS1的NO端打開，（NC端接上），但同時LS2的NC端合上，故馬達電源未中斷。 2 馬達輸出軸在180°

5、;位置時，閥門全開，LS2再次受到偏心輪的力量，NC接點打開，馬達電力中斷，停止轉動，閥門停留在張開的位置。 3 控制器關閉閥門，合上接頭B，攵流經由LS1的NC接頭（因為此時LS1并未受力）進入馬達繞組（同時LS2不受力，NC接頭也是閉合的），馬達以相同方向旋轉，直到原位置（360°），此時LS1、LS2再次受力，（NC接頭均打開），電力中斷，馬達停止，閥門停留在關閉位置。 大多數驅動雙位置閥門的馬達，轉半周需30秒，有時候設計轉得很慢，長達4分鐘，有時候用3位置控制器（既非開關也非比例式，而是二者的折衷），也稱懸浮式控制（floating control），輸出信號有3種： 1

6、檢測值很低打開閥門； 2 檢測量很高，關閉閥門； 3 檢測量在差額范圍內，不動閥門。3-3比例位置馬達驅動閥（Proportional-position Electric Motor-Driven Valve）閥門能停留在任意一個中間位置。常用方法，將閥門接到一可逆轉低速感應馬達上（reversible slow-speed induction motor）。例1， 可變位移阻尼器。交流電源。比例控制器從比較器接收到誤差信號，為正：電源接到A點，繞組1（直接）受電，繞組2經過移相（phase-shift）電容器串聯電，馬達順時針轉動（假設），帶動阻尼板，關閉通道，位移檢測變阻器隨時將閥門位置反

7、饋至控制器，若合適，（控制器）將電源從A點移走，馬達停止，阻尼板停留在那位置；為負：相反，電源接到B點，繞組2（直接）受電，繞組1經過移相（phase-shift）電容器串聯受電，馬達逆時針轉動，帶動阻尼板，打開通道，位移檢測變阻器隨時將閥門位置反饋至控制器，若合適，（控制器）將電源從B點移走，馬達停止，阻尼板停留在那位置。無論什么方向轉動，馬達一旦到達盡頭，2只極限開關之一會打開，中斷電源，此后馬達只能向另一方向轉動，只要控制器將電源再接入A/B，馬達即可向另一方向旋轉。圖3-3 分相馬達驅動的比例位移阻尼板，a）阻尼板，連動機構示意圖，馬達可逆向旋轉，b）電路圖，依據需要打開/關閉阻尼板，

8、控制器把電源接到A/B接頭，分壓變阻器把阻尼板位置信息反饋給控制器。3-4電氣閥（Electropneumatic Valve） 大型閥門用馬達驅動也許行不通，閥門的慣性（inertia）和起動摩擦（break-away friction）非馬達所能克服，此時須靠氣壓（pneumatic）或水壓（hydraulic）才能移動閥門。3-4-1 氣電式操縱閥（Electropneumatic Valve Operator） 閥門最終位置：依輸入電流大小而定。 平衡桿：重量輕，無摩擦，數寸長金屬桿。 電磁線圈：輸入電流，建立電磁場，與永久磁鐵相吸，順時針旋轉，旋轉力量與流經電磁線圈的電流成比例。 平

9、衡桿右旋，左端上仰，空氣流出量降低，（限流刀片baffle越靠近噴嘴，流出量越低（導致限流頸部fixed restriction前后壓力差下降），因此變壓管內（variable air pressure）氣壓上升，傳至活塞/閥門橫隔室上半部（因為氣壓上升），隔板向下，（帶動連接的）中心桿下伸，使活塞打開（或反之，關閉），同時使反饋彈簧受力，反向旋轉平衡桿，當彈簧與磁鐵力矩相等時，平衡桿達到（新的）平衡（位置）。 即：活塞中心桿位置為活塞張開率，與輸入電磁鐵線圈電流成比例。 可采用前面章節中電氣比例控制器實現控制。圖3-4 氣電式活塞操縱器，活塞中心桿位移量和右上部的電氣輸入信號成比例3-4-2

10、 驅動氣壓式移位器的氣電信號轉換器（Electropneumatic Signal Converter Driving a Pneumatic Positioner）與上一節（氣電式操縱閥）不同處：反饋非從活塞來，而是壓力箱，（輸入相同，電磁鐵的電流）。氣壓用以與活塞位移相平衡。同樣，電磁線圈電流產生上舉力量，使平衡桿順時針旋轉，噴嘴阻塞，導致管內氣壓上升，傳至壓力箱，產生下推力量，達到（新的）平衡，電流決定壓力（同時被傳送至他處有用）。簡單說，系統將電流轉換成氣壓，二者關系為線性。輸出氣壓信號至氣動活塞位移器（pneumatic valve positioner）（可能與氣電信號轉換器不在一

11、起，有些距離，轉換器的輸出為移位器的輸入），使壓力箱膨脹，連桿A左旋（逆時針），致前導汽缸（pilot cylinder）活塞上移，打開（下方）輸出口，（此時）大汽缸（power cylinder）（活的）上半部分接通前導汽缸內部（使高壓橺氣進入大汽缸），下半部分接通前導汽缸下邊的排氣口（vent hole），（排出空氣），活塞下推，中心桿下伸，同時使連桿B右旋，反饋彈簧壓力至壓力箱，當與壓力箱所受氣壓平衡時，A回復原位置，（前導汽缸活塞回至中心），關閉出氣口，大汽缸活塞停止移動，位置固定，最終位置與輸入壓力成比例，（良好設計，二者可有非常好的線性關系）。圖3-5 氣電信號轉換器和活塞位移器，

12、上面部分將電氣信號（電流）轉換成氣壓信號（空氣壓力），下面部分依據氣壓信號將活塞適當移位。總體，活塞張開率與氣電信號轉換器輸入電流成正比，系統可采用電氣式/電子式比例控制器。 3-5（流體）電氣式活塞（Electrohydraulic Valve）活塞或阻尼器重量很大，或活塞不易控制穩定位置（流經活塞流體流量變化大），采用流體式移位器比較合適。輸入：電磁線圈電流。電流增大，（垂直）平衡桿左偏（因為電磁吸力），高壓流體（油）經（下方）噴射管高速噴出，完全垂直時，等量射入左右小口，兩邊壓力相等，汽缸活塞受力平衡，若略右偏，右口（油）多于左口，致活塞上邊壓力大于下邊壓力，下伸，反饋桿順轉，使反饋彈簧

13、B張力加大，中心桿右偏，與電磁力轉矩相等時，中心桿平衡，活塞停止，位置固定。最終位置：輸入電流大小決定。圖3-6 流體電氣式活塞移位器，采用噴射管。控制活塞的位移比例于輸入的電氣信號。3-6 活塞流量特性（Valve Flow Characteristic）系統（對象）的理想流量特性：流量與活塞開度成絕對線性。圖3-7 控制系統（對象）的理想流量特性。 在實際系統里這種理想線性關系是無法達到的實際，與管道系統其他流量特性也有關（不僅是活塞）。活塞流量特性：假設活塞前后壓力差固定時，流量百分比和張開率之間關系。圖3-8 實際系統的流量特性圖。a）絕對線性的活塞流量特性，b）絕對線性活塞加入實際系

14、統里所得的流量特性，c）非線性活塞的流量特性，開度大時流量特性接近直線，開度小時，流量很低，d）用c中的活塞（加入到實際系統中），所得到的系統流量特性，因為前后壓力差變動的影響，系統特性向下彎，中和了活塞的上翹特性，結果得到很接近直線的系統流量特性。實際系統里，活塞開度變化時，前后壓力差也會改變，不能維持固定，開度變大，壓力差變小，流量會（比假設比例值）變小。b）：大開度時，流量下降，不再成比例，系統流量曲線下彎，前50開度，流量改變80，后50開度，流量改變20，缺點明顯。一般對此，將活塞流量特性設計成c）圖所示，上翹，在實際系統里，經過b）圖的影響，特性如d），線性改善。（蝴）蝶式（but

15、terfly），百葉式（louver）：無活塞頭，故無活塞曲線，流量特性如圖，可借助特殊設計的轉軸連動機構調整改善，使系統得到線性流量特性。圖3-9 a）蝶式活塞或阻尼板，b）百葉式活塞，c）蝶式或葉式活塞的典型流量特性，幾乎全部的流量變化集中在中間的30°轉角之內，在最初的30°和最后的30°之內，幾乎無任何流量變化。3-7 繼電器和電接頭（Relay and Contactor） 3-7-1 開關式控制負載電流（On-Off Control of Current to a Load）操縱變量為電流，最終矯正裝置常用繼電器和電接頭，如電熱系統，借開/關電源進行控

16、制。圖示，單向交流電源驅動暄單向電熱元件，正誤差信號，切斷CA，溫度回降；反之，打開CA，溫度上升。需較大熱量系統，可采用三相電熱元件，3個接頭，控制3條電源線。圖3-10 開/關電阻性加熱元件以控制溫度，a）單接頭單相加熱器，b）單線圈三接頭三相加熱線路 繼電器和電接頭的區別，在于接通或截斷電流的能力，繼電器小，電接頭大。3-7-2 繼電器遲滯現象（Relay Hysteresis）遲滯，因此有差額間隙（differential gap）。（起動電流大于斷落電流）起動電流（pick-up current）：大于某一定值，拉動電樞，使接頭接上。斷落電流（drop-out current）：相對

17、的，小于某一定值，電樞彈回正常位置，電路中斷。線圈無電流時，彈簧將電樞拉離磁心，因此磁心和電樞間存在空氣間隙（air gap），當線圈有電流時，建立的磁場須克服彈簧拉力，才能拉下電樞，有2個困難： 1 磁環路（magnetic field）存在空氣間隙，產生的磁場比無間隙要小； 2 磁鐵與電樞（core and armature）間間距大，吸力薄弱（磁性固定，吸力與磁間距的平方成反比）圖3-11 a）繼電器時滯圖，電流需上升到啟動電流，閉合動作發生；電流下降到斷落電流，釋放動作發生，b）電磁繼電器的主要部分，遲滯現象因電樞和磁心之間的空氣間隙而產生同理，接合時，只需較小電流就可維持現狀，要降到相當低的程度，電樞才會返回原位置（斷落） 。 3-7-3 和Y型三相切換電接頭（A Three-Phase Contactor Switching between Delta and Wye）圖示，三相電接頭的電熱線路。 開關式控制器，接法（CON激勵）比Y接法（CON釋放）功率高，可以控制溫度的高低。 激勵時：CON的常開接點閉合，為型； 釋放時：CON的常閉接點閉合，為Y型；二者功率相差3倍，因此可以控制溫度的