1、自動化儀表第三章 運算器和執行器 第一節 運算器一、乘除器二、開方器 第二節 執行器一、電動執行機構二、氣動執行機構三、閥門定位器四、調節機構五、執行器的選擇第三節 模擬式控制儀表的應用（不講） 一 、控制方案的擬定與儀表的選擇 二、控制系統構成舉例 三、儀表靜態配合系數的確定（一）概述一、乘除器可對兩個或三個15V的直流電壓信號進行四種運算，結果以15V 直流電壓或420mA 直流電流輸出。乘除運算關系式為：U0 = N(Ui11)(Ui2 + K2)Ui3 + K3+ 1式中：Ui1、Ui2、Ui3 乘除器的輸入信號； U0 乘除器的輸出信號； N 運算系數； K2、 K3 可調偏置電壓。

2、另外，上式可實現乘后開方、乘法和除法三種運算。對于單向矩形脈沖（圖3-1），其直流分量為：UmTt0tpU圖3-1 單向矩形脈沖乘法運算的實現方法矩形脈沖周期矩形脈沖幅值矩形脈沖寬度直流分量 表征矩形脈沖的高電位與低電位持續時間的不對稱程度，稱為占空比，用S表示，即 ，于是 ，設 ， ，則 ，其中 控制矩形脈沖的寬度（調寬）， 控制矩形脈沖的幅值（調高），濾波取直流分量，完成乘法運算。 調寬電路k1濾波電路調高電路k2x1sUDx2M圖3-2 簡單乘法電路方框圖 x2濾波電路調高電路k2調寬電路k1SUDM1放大器Kx3調高電路k3濾波電路xfM2x1圖3-3 乘除器構成方框圖乘除器的構成原理

3、負反饋輸入電路1N1乘法電路1比較器比例放大電路N0輸出電路輸入電路2N2附加偏置電路1乘法電路2附加偏置電路2輸入電路3N3Ui1Ui3Uo3+UfSU22UoU11U31U21U23圖3-4 乘除器方框圖自激振蕩時間分割器U22U11U21/U31（二）工作原理Ui2Uo2輸入電路的作用：減1，電平移動（0UB） ， ，附加偏置電路的作用：提供偏置電壓 比例放大電路作用：調量程輸出電路的作用：加1；電平移動（UB0）；功率放大自激振蕩時間分割器附加偏置電路13141516R36R33R34R35UBU21Uo2R55R54RP6MNPUp2-C22+-IC6同樣，返回（b）等效電路U11U

4、fU22U21S1S3S4U31R9R6C12C5C7S2abcd-+IC2Q當U11Uf+h Q為正脈沖 S1、S3通 S2 、 S4斷 U31通過R6向C7充電 （同時U21經R9向電容C12充電） Uf增加 直至U11 Uf-h IC2翻轉 Q為負脈沖 S1 、 S3斷 S2 、 S4通 C7通過R6放電 （同時C12兩端的電壓通過R9放電） Uf降低 直至Uf +h U11 Q又為正調整電位器RP1，可改變N0的大小，借此改變儀表量程。比例放大電路U22UF+IC3U23R10R11R12RP1 將 U23轉換成整流輸出信號Uo和Io。輸出電路VT5875624vVD3R18R15R1

5、6R14C14R13U23UBUp=9vR17+1U-IC4Uo開方器對15V直流電壓信號進行開方運算, 結果以15V 直流電壓或420mA 直流電流輸出，運算關系為：（一）概述二、開方器 開方運算的實現通過改變乘除器信號線的連接方式來實現開方運算或對乘除器線路作適當改進，也可采用（二極管開關電路）折線逼近和應用霍爾元件等方法來實現。小信號切除2 y = Kdydx=由可得xKx可見，x很小時,動態放大系數很大，x稍有波動，就會引起輸出y的很大變化，造成開方器在小信號輸入時的較大運算誤差。所以, 在信號小于輸入滿量程的1%時，應將輸出信號切除。（二） 工作原理Ui圖 3-13 開方器方框圖 U

6、o輸入電路1N1乘法電路1K2比較器乘法電路2K3+UfSU22U21比例放大電路N2小信號切除電路輸出電路N0U23U23開方運算部分U11以及輸出電路的運算關系式：聯立求解可得：若N1=1，N2=2，No=2/3，U21=4.5V，則K=2所以： 振蕩條件：U23U21 （4.5V）U11自激振蕩時間分割器的起振條件開方器的輸入輸出特性執行器的構成： 執行機構產生推力或位移的裝置。 調節機構直接改變能量或物料輸送量的裝置，通常稱為控制閥或調節閥。 執行器的分類： 氣動、電動和液動第二節 執行器一、電動執行機構電動執行機構有角行程和直行程兩種，均是以兩相交流電機為動力的位置伺服機構，它將輸入

7、的直流電流信號線性地轉換成位移量。以角行程為例。（一）基本結構和工作原理420mA伺服放大器位置發送器伺服電機操作器減速器閥位顯示放大器執行機構IiIf電動執行機構方框圖0O 90O位置反饋作用：將伺服放大器輸出的電功率轉換成機械轉矩，并且當伺服放大器沒有輸出時，電機又能可靠地制動。（三）執行機構組成：伺服電機、減速器、位置發送器等。 伺服電機減速器把伺服電機高轉速、小力矩的輸出功率轉換成執行機構輸出軸的低轉速、大力矩的輸出功率，以推動調節機構。采用正齒輪和行星齒輪機構相結合的機械傳動機構。i ( )z1 擺輪的齒數 z2 內齒輪的齒數行星齒輪機構的減速比：z2 z1 z1位置發送器作用：將輸

8、出軸090的轉角轉換成420mA直流電流，作為閥位信號和反饋信號。氣氣二、氣動執行機構接受電/氣轉換器 (或電/氣閥門定位器) 輸出的氣壓信號，并將其轉換成相應的輸出力和推桿直線位移，以推動調節機構動作。有薄膜式執行機構和活塞式執行機構：薄膜式：氣壓推動薄膜并帶動連桿運動；結構簡單，動作可靠，維修方便，價格較低，但輸出行程小。 活塞式：氣壓推動活塞并帶動連桿運動；輸出推力大，行程長，但價格較高，只用于特殊需要的場合。 輸入信號氣體壓力：0.020.1MPa 輸出連桿位移 行程，規格有：10，16，25，40，60，100mm氣動薄膜式執行結構有正作用(信號壓力增加時推桿向下動作，ZMA)和反作

9、用(信號壓力增加時推桿向上動作，ZMB)兩種形式。結構（以正作用為例）結構見右圖。 當信號壓力通過上膜蓋1和波紋膜片2組成的氣室時，在膜片上產生推力，使推桿5下移并壓縮彈簧 6。當彈簧力與膜片推力相平衡時，推桿穩定在相應的位置上。推桿位移即執行機構的輸出（行程）。膜片的有效面積有：200、280、400、630、1000、1600cm2等。3-24靜態特性在平衡狀態時，氣動薄膜式執行機構的力平衡方程式可表示如下：式中：P1CsAeL = L 推桿位移； Ae 膜片有效面積； P1 輸入壓力； Cs 彈簧剛度。輸入輸出特性見右圖。存在非線性偏差和正反行程變差。原因及解決方法。動態特性在動態情況下

10、，輸入信號管線存在阻力，管線和薄膜氣室近似作為氣容，故執行機構可看成一個阻容環節，薄膜氣室壓力P1與控制器輸出壓力P0關系為：RCS+11 = =P1P0TS+11式中:R、C分別為氣阻、氣容，T為時間常數。可得控制器輸出壓力P0與推桿位移L之間的關系為：(TS+1)CsAe = =LP0TS+1K式中 K為執行機構的放大系數。K=Ae/Cs三、閥門定位器閥門定位器與氣動控制閥配套使用，它接受控制器的輸出信號，成比例地輸出壓力至執行機構，推桿移動后的位移量反饋至定位器，構成一閉環系統。定位器控制器P0氣源位置反饋P1閥門定位器功能示意圖閥門定位器可增加執行機構的輸出功率，減小信號傳遞滯后，加快

11、閥桿移動速度，提高信號與閥位間的線性度，克服閥桿摩擦力，保證正確定位。電氣閥門定位器具有電 / 氣轉換器和閥門定位器的雙重作用， 它接受電動控制器輸出的420mADC電流信號，成比例地輸出20100kPa(或40200kPa)氣動信號至執行機構。組成轉換組件：永久磁鋼、線圈、杠桿、噴嘴、擋板及調零裝置等。氣路組件：氣動放大器、氣阻、壓力表、手 - 自動切換閥。反饋組件：反饋彈簧、反饋拉桿、反饋壓板等。接線盒組件：接線盒、端子板及電纜引線等。工作原理 如圖3-28閥門定位器的應用場合推力大，用于高差壓、大口徑、高壓、高溫、低溫及介質中含有固體懸浮物或粘性流體的場合。動作速度快，可用于控制器與執行

12、機構距離較遠的場合。（60m以上的距離）可用于需分程控制的場合，兩臺定位器由一個控制器操縱，每臺定位器的工作由分程點決定。改善控制閥的流量特性，通過改變反饋凸輪的幾何形狀，使定位器的輸出特性發生變化，從而達到修正流量特性的目的。四、調節機構又稱控制閥(或調節閥)，是一個局部阻力可變的節流元件。閥芯移動改變了閥芯 與閥座間的流通面積，即改變 了閥的阻力系數，使被控介質 流量相應改變。（一）控制閥結構由上閥蓋、下閥蓋、閥體、閥座、閥芯、閥桿、填料和壓板等構成。為適應多種使用要求，閥芯和閥體有不同的結構，使用的材料也各不相同。3-291、閥的結構形式 直通單座閥 直通雙座閥 角形閥 三通閥 蝶閥 套

13、筒閥 偏心旋轉閥 高壓閥3-302、閥芯形式有直行程閥芯和角行程閥芯兩類。直行程閥芯又分為：平板型、柱塞型、窗口型和多級閥芯。各種閥芯的型式見下圖。3-31角行程閥芯有偏心旋轉型、蝶型和球型。見右。3、流體對閥芯作用形式：流開閥和流閉閥閥芯的安裝形式： 正裝閥和反裝閥3-323-343-33（二）控制閥特性1、控制閥的流量方程：對于不可壓縮流體式中 Q 體積流量，m3/hP1 、P2 閥前后壓力，100kPa 流體密度，g/cm3 A 閥接口流通面積，cm2 閥阻力系數，與閥門結構、開度和 流體的性質等有關。 在閥口徑一定和P、 不變的情況下，流量Q僅隨阻力系數 變化。2、流量系數上式可改寫為

14、：)( KV PQ= KV= 5.09A KV稱為流量系數，其大小反映了通過閥門的流量，即流通能力的大小。KV與流體性質、工況、閥結構尺寸有關，根據KV值可確定閥門口徑。采用國際單位制時，流量系數定義為：在閥全開，閥前后壓差為100kPa，流體密度為1g/cm3(540的水)時，每小時通過閥門的流量數(m3)。流量系數的計算：將上式中P的單位取為kPa，可得不可壓縮流體KV值的計算公式為： 10QKV = P在計算流量系數時，應考慮不同流體的影響因素，例如液體的粘度、氣體的壓縮因數等。流體的流動狀態也影響KV的大小，當閥前后壓差達到某一臨界值時的阻塞流狀態，KV計算要引入壓力恢復系數、臨界壓差

15、比等。流量系數的計算見教材表3-1計算公式,也可參閱控制閥工程設計手冊。3、控制閥的可調比（可調范圍）控制閥所能控制的最大與最小流量之比。以R 表示。理想可調比控制閥前后壓差不變時的可調比：國內統一值為30QmaxR =Qmin=KVmaxKVmin實際可調比 (考慮閥前后壓差變化時的可調比)串聯管道時的可調比 sRr = R= RP1minP1max P P1Q 令 S =P1minP1max并聯管道時的可調比令閥全開時的流量與總管最大流量之比：x Q1maxQmax則：Rr = RR (R - 1)x11 x Q1Q P并聯管道可調比特性串聯管道可調比特性x Rr30 1.0 0 S Rr

16、30 1.0 0 4、控制閥的流量特性指介質流過控制閥的相對流量( 與相對位移( QQmax) 之間的關系，即：lL) QQmax= f (lL) 理想流量特性(又稱固有流量特性，閥前后壓差不隨閥的開度而變)直線特性： Q/Qmax= K ( l/L )+ C 對數（或等百分比）特性： Q/Qmax= R (l/L-1) 拋物線特性：Q/Qmax= 1/R 1+( 1) l/L 2 快開特性：隨著開度增大，流量很快達最大。 各種理想流量特性及其閥芯形狀如圖所示。1快開；2直線；3拋物線；3-修正拋物線（虛線）；4等百分比。工作流量特性(閥前后壓差隨閥的開度而變)串聯管道時的工作流量特性Qmax

17、表示管道阻力等于零時的閥全開流量。并聯管道時的工作流量特性使理想流量特性發生畸變, 串聯管道尤為嚴重。放大系數隨開度增大而減小, 并聯管道總比原來小。 使控制閥可調比降低，并聯管道尤為嚴重。 串聯管道使總流量減少，并聯管道則增加。結論（二）空化作用及其避免閃蒸與空化閃蒸是液體通過閥節流后，縮流處靜壓降至低于飽和蒸汽壓時，部分液體汽化形成氣液兩相共存的現象。當靜壓回升到飽和蒸汽壓以上時，閃蒸形成的氣泡破裂，重新轉化為液體，其過程稱為空化。空化的破壞作用：損壞材質、振動和噪音空化的避免：閥前后壓差不大于最大允許壓差 Pc： Pc Kc (P1 P2) P1 、P2分別為閥入口壓力和飽和蒸汽壓,Kc

18、為汽蝕系數。五、執行器的選擇主要包括結構形式、流量特性、閥門口徑等的選擇。（一）結構形式的選擇執行機構的選擇 是根據能源、工藝條件、介質性質等來確定執行機構的規格品種。對于氣動執行器，從工藝生產的安全考慮, 選擇其作用方式是氣開式或是氣關式。按執行機構的正反作用和調節機構的正反安裝方式，實現氣動執行器的氣開、氣關時有四種組合方式。3-42調節機構的選擇 是根據流體性質、流動狀態、工藝條件和過程控制的要求，并兼顧經濟性來確定合適的結構形式。（二）控制閥流量特性的選擇從控制品質考慮 在負荷變化的情況下，應使控制系統總的放大系數不變。例如對于放大系數隨負荷增大而減小的對象，選用放大系數隨負荷增大而變

19、大的等百分比特性閥門，使系統總放大系數不變。從工藝配管情況考慮 選擇相應的控制閥，見下表。配管情況閥的工作特性閥的理想特性S = 0.6 1S = 0.3 0.6直線直線拋物線拋物線等百分比等百分比直線拋物線等百分比等百分比直線等百分比從負荷變化情況考慮 在負荷變化小時可用直線特性閥，負荷變化幅度大的場合使用等百分比特性閥。（三）控制閥口徑的選擇1.確定計算流量 根據生產能力、設備負荷等來確定 Qmax和Qmin 。2.確定計算差壓 按選定的S值來確定計算差壓。 3.計算流量系數 按計算流量和計算差壓求取KVmax 。 4.選擇流量系數 在所選產品型號的標準系列中選取 大于KVmax且與其最接近的那一檔KV值。 5.驗算控制閥開度和可調比 6.確定控制閥口徑 根據KV值決定控制閥的公稱直徑 和閥座直徑。作 業書上：P127的T3-3、T3-17。補充：1、各種閥門都有自己特定的流量特性，在不能用改變閥芯曲面形狀來改變其特性時，怎么改善控制閥的流量特性？2、如圖為鍋爐的生產情況，即冷水進入汽鼓，經燃燒加熱產生蒸汽，在生產過程