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执行单元 自动控制网www.eadianqi.com版权所有 气动活塞式执行机构由活塞和气缸基本部分组成，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 。 气动执行机构的动态特性可近似成一阶惯性环节，其惯性的大小取决于膜头空间的大小与气管线的长度和直径。 调节机构 气动执行器和电动执行器的执行机构不同，但调节机构即控制阀是相同的。 调节机构主要由阀体、阀座、阀心、和阀杆或转轴等几部分组成。  1—执行机构；2—阀杆；3—阀芯；4—阀座；5—阀体；6—转轴；7—阀板 图3.32 调节机构结构示意图 调节机构就是阀门，是一个局部阻力可以改变的节流元件。根据不同的使用要求，阀门的结构型式很多。根据不同的使用要求，控制阀的类型很多，按阀芯动作的方式可分为直行程、角行程；按结构形式分为直通单座阀，直通双座阀、角形阀、蝶阀、三通阀、隔膜阀等；按动作规律可分为开关型、积分型和比例型；按流体通过调节阀时对阀芯作用方向可分为流开阀和流闭阀。 本文来自www.eadianqi.com （1） 直通单座阀  结构简单、泄漏量小。流体对阀芯的不平衡作用力大。一般用在小口径、低压差的场合。阀门中的柱式阀芯可以正装，也可以反装。  （2） 直通双座阀 阀体内有两个阀芯和阀座。  流体流过时，作用在上、下两个阀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，上下两个阀芯阀座不易保证同时密闭，因此泄漏量较大。 （3）角形控制阀：两个接管呈直角形，一般为底进侧出，这种阀的流路简单、对流体的阻力较小。  本文来自www.eadianqi.com 适用于现场管道要求直角连接，介质为高粘度、高压差和含有少量悬浮物和固体颗粒状的场合。 （4） 三通控制阀：有三个出入口与工艺管道连接。流通方式有合流型（两种介质混合成一路）和分流型（一种介质分成两路）两种。适用于配比控制与旁路控制。  （5）隔膜控制阀 采用耐腐蚀材料作隔膜，将阀芯与流体隔开。  结构简单、流阻小、流通能力比同口径的其他种类的阀要大。由于介质用隔膜与外界隔离，故无填料，介质也不会泄漏。耐腐蚀能力强，适用于强酸、强碱、强腐蚀性介质的控制，也能用于高粘度及悬浮颗粒状介质的控制。调节阀的尺寸 ：通常用公称直径Dg和阀座直径dg表示。确定调节阀尺寸的主要依据是流通能力，它定义为调节阀全开、阀前后压差为0.1MPa、流体重度为1g/cm3时，每小时通过阀门的流体流量（m3或kg）。 本文来自www.eadianqi.com 当流体为不可压缩时，通过调节阀的体积流量为:  α为流量系数，它取决于调节阀的结构形状和流体流动状况，可从有关手册查阅或由实验确定；A0为调节阀接管截面积；g为重力加速度；r为流体重度。 依据流通能力的定义，则有  流通能力C与调节阀的结构参数有确定的对应关系。这就是确定调节阀尺寸的理论依据。 可得流通能力与流体重度、阀前后压差和介质流量三者的定量关系，即  调节阀尺寸的确定过程为：根据通过调节阀的最大流量qmax，r流体重度以及调节阀的前后压差  ，先由式（3－35）求得最大的流通能力Cmax，然后选取大于Cmax的最低级别的C值，即可依据表确定出Dg和dg的大小。 本文来自www.eadianqi.com (3) 控制阀气开式、气关型式的选择 气开阀是指输入气压信号p>0.02MPa时，控制阀开始打开，也就是说有气时阀门打开。气关阀是指输入气压信号p<0.02MPa时，控制阀开始关闭，当p=0.1Mpa时控制阀全关闭，当p≤0.02MPa时，控制阀全打开。执行器的执行机构和调节机构组合起来可以实现气开和气关两种调节。由于执行机构有正、反两种作用方式，控制阀也有正、反两种作用方式，因此通过四种组合方式可以组成执行器的气开和气关型式。如表所示：   确定调节阀开关方式的原则是：当信号压力中断时，应保证工艺设备和生产的安全。例如，加热炉的燃料气或燃料油管路上的调节阀，应选用气开阀，当信号中断后，阀自动关闭，燃料被切断，以免炉温过高而发生事故；又例如锅炉进水管路上的调节阀，应选用气关阀，当信号中断后，阀自动打开，仍然向锅炉内送水，可避免锅炉烧坏。 本文来自www.eadianqi.com 单座阀与双座阀的选择：流体流过时，作用在上、下两个阀芯上的推力方向相反且大小相近，可以互相抵消，不平衡力小，所以大口径调节阀用双座阀。 单座阀一般用于小口径场合（Dg小于25mm） 调节阀的流量特性：控制阀的可调比是指控制阀所能控制的最大流量和最小流量的比值，用R表示，即  式中最小流量是控制阀可控流量的下限值，通常为最大流量的10%，最小为2%～4%，不是阀全关时的泄漏量，泄漏量为最大流量的0.01%～0.1%。可调比是反映控制阀特性的一个重要参数，是控制阀选择是否合适的指标之一。由于控制阀前后压差的变化，会引起可调比的变化，因此为方便起见，将可调比分为理想可调比和实际可调比。 ① 理想可调比 ：理想可调比是指控制阀前后差压不变时的可调比，即  ② 实际可调比 理想流量特性是在假定控制阀前后差压不变的情况下得到得，在实际应用中，控制阀安装在管道上，要么与其他设备串联，要么与旁路管道并联，因此控制阀前后差压总是变化的。这种情况下的控制阀所能控制的最大流量和最小流量的比值为实际可调比。 自动控制网www.eadianqi.com版权所有 控制阀的流量特性：调节阀的阀芯位移与流量之间的关系，对控制系统的调节品质有很大影响。控制阀的流量特性是指流过阀门的被控制介质的相对流量与阀杆的相对行程(即阀门的相对开度)之间的关系，即  式中  为控制阀门在某一开度时的流量与全开时流量之比，称为相对流量， 为控制阀门在某一开度时的阀杆行程与全开时阀杆行程之比，称为相对开度。虑到实际应用中压差改变的情况。与之相对应，控制阀的流量特性可分为理想流量特性和工作流量特性。 为了便于分析，先将阀前后压差固定，然后再引伸到实际工作情况，于是有理想流量特性与工作流量特性之分。 1、理想流量特性 理想流量特性是指当控制阀前后压差一定的情况下得到的流量特性，它仅取决于阀芯的形状，不同的阀芯曲面得到不同的流量特性，阀芯形状一旦固定，该阀便具有固定的理想流量特性。常用控制阀有四种典型的理想流量特性，即直线流量特性、对数流量特性、快开流量特性和抛物线流量特性。 自动控制网www.eadianqi.com版权所有  （a）快开特性（b）直线特性（c）抛物线 （d）等百分比特性 下图为相应的理想流量特性曲线。  1—直线；2—等百分比；3—快开；4—抛物线 直线流量特性：直线流量特性是指控制阀的相对流量与相对位移成直线关系，即  对上式积分可得：  式中K为常数，是控制阀的放大系数。C为积分常数。 控制阀在小开度时，相对流量变化太大，控制作用太强，容易引起超调，使系统产生激烈振荡；而在大开度时，相对流量变化太小，控制作用太弱，造成控制不及时，系统反应迟钝，过渡过程时间长。因此直线流量特性控制阀不宜用在负荷变化大的场合。 本文来自www.eadianqi.com 对数流量特性(等百分比流量特性) 对数流量特性是指单位相对行程变化所引起的相对流量变化与该点的相对流量成正比关系，即  可见控制阀的放大系数是变化的，它随相对流量的变化而变化。对上式积分：  式中K为常数，是控制阀的放大系数。C为积分常数。 将边界条件，l=0时，q=qmin，l=L时，q=qmax代入上式可得：  上式表明：控制阀阀门的相对位移与相对流量之间成对数关系，与直线流量特性的控制阀相比，对数流量特性控制阀小开度时，放大系数较小，控制作用平缓，在大开度时，放大系数较大，控制作用及时有效。因此对数流量特性控制阀实际中最为常用。 快开流量特性 快开流量特性控制阀在开度较小时流量就比较大，随着开度的增加，流量很快达到最大，此后再增加开度，流量的变化量很小。 快开流量特性的数学表达式为： 自动控制网www.eadianqi.com版权所有  抛物线流量特性 抛物线流量特性是指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，其数学表达式为  积分后并代入边界条件得  工作流量特性：工作流量特性是指控制阀前后差压变化的情况下相对流量与阀芯相对开度之间的关系。 管道串联时的工作流量特性 控制阀与其他设备串联工作时的，管道系统总压力ΔP等于管路系统的压降ΔPG与控制阀的压降ΔPT之和。随着阀门开度的增大，引起流量的增加，设备及管道上的压力随流量的平方而增加，控制阀前后的压差逐渐减小，在相同的阀芯位移时，流过控制阀的实际流量比理想流量特性时流过的流量小。因此工作流量特性较理想流量特性发生了变化。流量大时调节阀控制效果变得迟钝。 自动控制网www.eadianqi.com版权所有  qmax表示串联管道阻力为零时(s=1)，阀全开时达到的最大流量。可得串联管道在不同s值时，以自身qmax作参照的工作流量特性。  调节阀的流量特性曲线 a)－直线；b)－对数（等百分比）  与管道并联工作时的流量特性 S’=1时旁路阀关闭，工作流量特性即为理想流量特性。随着旁路阀逐渐打开，值逐渐减小，调节阀的可调范围也将大大降低，从而使调节阀的控制能力大大下降，影响控制效果。根据实际经验，值不能低于0.8。  调节阀全开流量和总管最大流量之比 电动执行器 电动执行器分为电磁式和电动式两种，前者是以电磁阀及用电磁铁驱动的装置为主，后者是由电动机提供动力，这里主要介绍电动式电动执行器。 自动控制网www.eadianqi.com版权所有 电动执行机构根据配用的调节不同，可以分为直行程、角行程和多转式行程三种类型。三者的电气原理图完全相同，只有减速机构不同。 1) 过程控制系统对对电动执行器的基本要求 (1) 对于输出为转角的执行机构要有足够的转矩，对于输出为直线位移的执行机构要有足够的力，以便克服负载的阻力。特别是高温高压阀门，常时间关闭后再开启时比正常情况需要克服的负载阻力更大。为了加大输出转矩或力，电动机的输出轴都有减速器。 (2) 减速器或电动机的传动机构中应有自锁特性，当电机不转时，负载的不平衡力不能引起转角或位移的变化。因此，往往需要用蜗轮轮蜗杆机构或电磁制动器，以防在意外停电时，阀门还能保持在停电前的位置上。 (3)必须有离合器或手轮，以防在控制器发生故障或停电时，能够在执行器上进行手动操作，采取应急措施。 (4) 在对执行器进行手动操作时，为了实现控制器无扰动无平衡的自动跟踪，执行器上应该有阀位输出信号。这既是执行器本身位置反馈的需要，也是阀门指示的需要。 (5) 执行器上应有限位装置或限制力或转矩的装置，以保护阀门及传动机构不致因操作力过大而损坏。 本文来自www.eadianqi.com 电动执行器：电动执行机构组成框图如图，由伺服放大器、伺服电机组成。  电/气转换器：在过程控制系统中，如果控制器采用电动的，而执行器采用的是气动的，此时必须要将电信号转换为气信号，才能与气动执行器配用。 电/气转换器的工作原理是基于力矩平衡，其原理图如图3.38所示。  阀门定位器:阀门定位器是气动执行器的主要附件，与气动执行机构配套使用，接收控制器的输出信号，产生与之成比例关系的输出信号控制气动执行器，从而实现控制阀的准确定位。阀门定位器按结构形式可分为电－气阀门定位器、气动阀门定位器和智能式阀门定位器等。 在以下情况下需要采用阀门定位器： (1) 需要对阀门作精确调整的场合； (2) 管道口径较大或阀门前后压差较大等会产生较大不平衡的场合； (3) 为防止泄漏而需要将填料压得很紧，如高压、高温或低温的场合； 本文来自www.eadianqi.com (4) 调节介质粘滞较高等情况。 解决措施:在调节阀上加装阀门定位器，引入阀杆位移负反馈。使阀杆能按输入信号精确地确定自己的开度。下图为带阀门定位器的气动执行机构  电/气阀门定位器 实际应用中，常把电/气转换器和阀门定位器结合成一体，组成电/气阀门定位器。  I↑  杠杆上端右移挡板靠近喷嘴P压力↑阀杆下移反馈凸轮右转反馈弹簧右拉杠杆平衡 自动控制网www.eadianqi.com版权所有 气动阀门定位器 气动阀门定位器直接接受气动信号，按工作原理不同，可分为位移平衡式和力矩平衡式两种。图3.43为配用气动薄膜式执行器的力矩平衡式气动阀门定位器的原理图。与图3.41相比，二者的差别主要在输入部分，其它部分完全相同。  1—波纹管；2—主杠杆；3—迁移弹簧；4—支点；5—反馈凸轮；6—副杠杆；7—副杠杆支点； 8—气动执行机构；9—反馈杆；10—滚轮； 11—反馈弹簧；12—调零弹簧；13—挡板；14—气动放大器；15—喷嘴；16—主杠杆支点 图3.43 力矩平衡式气动阀门定位器原理图 智能执行器:是智能仪表的一种，可以实现信号驱动和执行、控制阀特性补偿、PID控制、阀门特性自校验和自诊断等功能，内含微机通信接口，可以与上位调节器、变送器、记录仪等智能化仪表联网，构成一个基于现场总线的网络控制系统。 智能电动执行器可分为单相和三相两大类。图3.44为单相智能电动执行器的原理框图。它主要由数字式操作器、智能伺服放大器、单相电机、减速机构、控制阀和位置发送器等组成 自动控制网www.eadianqi.com版权所有  图3.44 单相智能电动执行器的原理框图 智能阀门定位器:智能阀门定位器由信号调理电路、微处理器、电气转换控制部分和阀位检测反馈装置等部分组成，如图3.46所示。  执行器的选择和安装 1) 执行器的选择 执行器的选用是否得当，直接影响控制系统的控制质量、安全型和可靠性，因此，必须根据工况特点、生产工艺和控制系统的要求，综合考虑，合理选用。 执行器的选择主要是指气动薄膜式执行机构和电动执行机构的选择。表3-17为这两种执行机构的比较  表3-17 气动薄膜式执行机构和电动执行机构的比较 气动和电动执行机构各有特点，且有各种不同规格的品种，选择时，可以根据实际要求，结合表3-17综合考虑。 本文来自www.eadianqi.com 控制阀流量特性的选择:控制阀流量特性的选择直接影响到过程控制系统的控制品质，目前比较常用的控制阀有直线流量特性和对数流量特性的控制阀。选择的方法一般有数学分析法和经验法两种，目前使用较多的是经验法。 ① 根据被控过程的性能指标来选择 一个过程控制系统，在负荷变动的情况下，要使系统保持期望的控制品质，则必须要求系统总的放大系数在整个操作范围内保持不变。一般变送器、已整定好的调节器、执行机构等放大系数基本上是不变的，但过程特性则往往是非线性的，其放大系数随负荷而变。因此，必须通过合理选择调节阀的工作特性，以补偿过程的非线性，其选择原则为  ② 根据工艺管路情况来选择 控制阀在使用时总是与工艺设备和管道连接在一起的，因此在选择控制阀的流量特性时应该考虑工艺管路情况。选择的原则参考表3-18。 
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