《運算器和執(zhí)行器》PPT課件.ppt

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運算器——乘除器和開方器執(zhí)行器——氣動執(zhí)行器模擬控制儀表的運用,第3章運算器和執(zhí)行器,運算器接受來自變送器或轉換器的統(tǒng)一標準信號，它可對一個或幾個輸入信號進行加、減、乘、除、平方、開方等多種運算，以實現(xiàn)各種算法，滿足自動檢測和控制系統(tǒng)的要求。執(zhí)行器接受來自調節(jié)器的控制信號，由執(zhí)行機構將其轉換成相應的角位移或直線位移，去操縱調節(jié)機構（調節(jié)閥），改變控制量，使被控變量符合預期要求。,3.1運算器,3、1、1乘除器（一）概述乘除器可對兩個或三個1-5V的直流電壓信號進行下列四種運算，運算結果以1-5V直流電壓或4-20MA直流電流輸出。,,,,,乘除器最基本的運算關系是乘除復合運算，而實現(xiàn)乘除復合運算的基礎是乘法運算。,1、乘法運算的實現(xiàn)方法可用霍爾元件的霍爾效應，也可用單向矩形脈沖或正、負矩形脈沖的調寬調高原理來構成乘法線路。在電動儀表中，目前普遍應用單向矩形脈沖的調寬調高原理實現(xiàn)乘法運算。乘法電路由調寬電路、調高電路和濾波電路串聯(lián)而成。其中調高電路和濾波電路通常稱為乘法電路M。,此電路實現(xiàn)：,,對于單向矩形脈沖（圖3-1），其直流分量為：,矩形脈沖周期,矩形脈沖幅值,矩形脈沖寬度,直流分量,,,,,乘法運算的實現(xiàn)方法,,,,圖3-3乘除器構成方框圖,乘除器的構成原理－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3N3,,,,,,,,,,,,,,,,,Ui1,Ui2,Ui3,Uo3,+,－,Uf,?,S,U22,Uo2,Uo,U11,U31,U21,U23,,,,,圖3-4乘除器方框圖,自激振蕩時間分割器U22＝U11U21/U31,,,,,,,,（二）工作原理,2、應用負反饋原理構成乘除器簡單乘法電路難以達到運算精度的要求，因為是開環(huán)的，電路元件變量的漂移會造成輸出不穩(wěn)定，并且很難保證調寬電路S和X1的線性關系。為了提高運算精度，應采用負反饋技術，即在X1與S間設置一個放大系數(shù)足夠大的放大器，而在反饋回路上再設置一套調高和濾波電路（即乘法電路M2，其系數(shù)為K3）。電路的第三個輸入信號X3（作為除數(shù)）加入新增的調高電路。設放大器的放大系數(shù)為K，放大器的輸入偏差信號為ε，放大器的輸入偏差信號為Xf,則可得到：,,求解上述四式可得：,,當,，即滿足深度負反饋條件時，則有：,,設,，則：,,上式即為乘除復合運算的關系式。此式表明，在滿足深度負反饋條件下，乘除器的輸出信號的大小僅與輸入信號有關而不受電路變量漂移和非線性的影響。,3、1、2開方器（一）概述開方器對1-5V的直流電壓信號進行開方運算，運算結果以1-5V的直流電壓或4-20MA的直流電流輸出。其運算關系為：,其中K為開方系數(shù)。開方器的作用是實現(xiàn)開方運算，它是控制系統(tǒng)中經(jīng)常使用的一種運算器。通常運用于節(jié)流式流量計中，對差壓變送器的輸出信號進行開方運算后可以得到與被測流量成比例的信號。實現(xiàn)開方運算有許多方法，對乘除器作適當改動或者直接使用乘除器都可以。但一般來說在開方器中還設有小信號切除電路，這是因為開方器對小信號的運算精度很低，而乘除器中沒有小信號切除電路，所以在工程上還是比較少用乘除器來實現(xiàn)開方運算的。一般還是用開方器,開方器在節(jié)流裝置流量測量中的應用,差壓變送器,節(jié)流裝置,開方器,指示記錄儀,比例積算器,控制器,,,,,,,,瞬時流量,累計流量,q,?P,x,y,,,,開方運算的實現(xiàn),通過改變乘除器信號線的連接方式來實現(xiàn)開方運算或對乘除器線路作適當改進，也可采用折線逼近和應用霍爾元件等方法來實現(xiàn)。,小信號切除,,,2,y=K,dy,dx,=,由,可得,K,可見，x很小時,動態(tài)放大系數(shù)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。,圖3-13開方器方框圖,（二）工作原理,,,,,振蕩條件：,自激振蕩時間分割器的起振條件,,,實際的切除值可通過UL來調整,小信號切除電路,開方器的輸入輸出特性,一、開方器的構成原理,在模擬式儀表中有許多種方法可以實現(xiàn)開放運算。如利用二極管的開關作用構成折線電路，并通過調整電路元件的參數(shù)，使其輸入與輸出之間呈開放運算特性，如圖4－2（a）所示。,另外，也可以利用負反饋原理，將此折線電路先設計為平方特性，并將其放置在反饋通道中，從而實現(xiàn)整機輸入與輸出之間的開放運算特性，如圖4－2（b）所示。,圖4－2開方特性實現(xiàn)原理,在單元組合儀表中，還有一種開方器是由乘除器演變來的，這種乘除器構成比較復雜，但其運算精度比較高，所以在控制系統(tǒng)中得到較為廣泛的應用。其構成原理如圖4－3所示。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,對于實際的開方器，除圖4－5所示的核心電路外，還需要加入一些電路。以DDZ-Ⅲ型開方器為例，其開方運算式為,式中，為輸入信號；為輸出信號；為開方系數(shù)。,其中的就是要把與運算無關的1V零點值除去，所以在電路中要加入輸入電路對此進行處理。還有，為實現(xiàn)整機系數(shù)的調整和提高帶負載能力，還需加入比列放大電路和輸出電路等。另外，在開方器中還需要加入小信號切除電路，以便解決開方器對小信號運算精度較低，可引起較大誤差的問題。,對式（4－11）兩邊求導后可得,,(4-11),可視為開方器的放大倍數(shù)。由上式可知，開方器的放大倍數(shù)與有關。當輸入信號很小時，開方器的放大倍數(shù)將很大。這時，如果稍有波動，則開方器的輸出將發(fā)生很大的變化，這將引起較大的運算誤差，從而對測量或控制系統(tǒng)造成不利影響。因此，在輸入信號較小時，通常將輸出信號切除，使之為零點值。而當信號足夠大時，再將輸出信號重新接入，以避免上述問題的發(fā)生。,,二、DDZ-Ⅲ型開方器,DDZ-Ⅲ型開方器的作用是對1-5VDC的輸入信號進行開方運算，運算結果以1-5VDC或4-20ADC輸出，其運算關系式為式（4-15）即,,DDZ-Ⅲ型開方器的構成,DDZ-Ⅲ型開方器的構成原理如圖4-6所示，由輸入電路、開方運算電路、小信號切除電路及輸出電路等組成。圖4-6中的虛線部分為開方運算電路，由比較器、乘法電路1、乘法電路2和比例放大電路組成，為開方器的核心電路。由該虛線部分可以列出,3.1.3積算器,積算器屬于顯示單元儀表，其作用是是對輸入信號進行累計計算。積算器分為兩種，一種是比例積算器，另一種是開方積算器。,一、積算的基本概念與原理,,,,,,,,,,,,,,,,由此可見，流量的累計積算是把反映瞬時流量大小的輸入信號轉換成與該輸入信號成正比的脈沖頻率信號，然后再對該脈沖頻率信號進行計數(shù)，用該計數(shù)值表示所流過的流體總量。所以，流量累計積算的關鍵問題是如何將反映瞬時流量的輸入信號（電流或電壓信號）轉換為與其成正比的脈沖信號。對于開方積算器，其輸入信號一般為與節(jié)流裝置配套使用的差壓變送器的輸出信號。為獲得與瞬時流量成正比的信號，需先對差壓變送器的輸出信號進行開方處理，然后再對經(jīng)開方處理后的信號進行比例積算，從而實現(xiàn)流量的累計積算。由于該累計積算過程先對輸入信號進行開方處理，所以稱為開方積算器。由開方積算器對信號的處理過程可知，它相當于開方器與比例積算器的組合。所以，其核心問題仍然是電流（或電壓）信號到脈沖頻率信號的轉換問題。電流信號轉換為脈沖頻率信號可通過電容的充放電來實現(xiàn)，其轉換原理如圖4-14（a）所示。當開關S斷開時，電流Ii向電容C充電。C兩端的電壓Uc與充電電流之間關系為,,對于一定的充電電流Ii，Uc將線性增加。當電容上的電壓Uc達到某一標準值時，由外部控制電路使開關S閉合。此時電容進入放電過程Uc將瞬間消失。然后，外部控制電路再次使開關S斷開，電容再次充電，并重復上述過程。如此循環(huán)往復，電容C上的電壓Uc便可形成如圖4-14（b）所示的鋸齒波。由式（4-33）可知，在電容充電階段，Uc隨時間的變化率與充電電流Ii成正比，即Ii越大，充電越快，達到Uc所需的時間就越短。由于放電過程極快，其時間可以忽略不計。所以，在單位時間內電容C的充放電次數(shù)就與充電電流Ii成正比，即鋸齒波的頻率與充電電流Ii成正比。充電電流Ii與鋸齒波頻率之間的關系可由式（4-33）導出。即設在一個周期內，Ii不變，則由式（4-33）可得,例：有一臺氣動表QXS－100開方積算儀，R＝1000，今要它跳500個字，它的輸入信號應等于多少？,解：設跳字數(shù)為N，最大跳字數(shù)為N大（都是指在單位小時內跳的數(shù)）因為P入＝Po+△P,△P=(KN)2△PMAX=(KN大）2其中Po＝20，△PMAX＝80，N大＝1000所以△P/△PMAX＝（KN/KN大）2△P＝（N/N大）2△PMAX＝（500/1000)2△PMAX＝20KPA于是P入＝20+（500/1000）2*80＝20+20＝40KPA,氣動乘法器的運算公式是：P出＝PA*PB。若PA＝60KPA，PB＝40KPA，則P出應該為多少？24KPA？8KPA？30KPA？,采用一個氣動減法器和一個乘法器，實現(xiàn)算式Y＝（P1－P2）*P3.若P1＝80KPA，P2＝40KPA，P3＝60KPA，則Y為多少？減法器不用減去零點，得：P1－P2＝40乘法器得把零點減去并先轉換成分數(shù)：Y＝(（40－20）/80*(60-20)/80)*80+20=30KPA,3.2執(zhí)行器,氣開、氣關閥（芯）結構及其特點流量系數(shù)Kv可調比R流量特性（重點2種）閥門定位器（了解）執(zhí)行器的簡單計算安裝,關鍵點：,3、2、1概述一、作用執(zhí)行器的作用是接受調節(jié)器送來的控制信號，自動地改變操作量（如介質流量、熱量等），達到對被調參數(shù)進行調節(jié)的目的。是自動調節(jié)系統(tǒng)的終端部件。調節(jié)閥是執(zhí)行器中最廣泛使用的形式。執(zhí)行器的好壞直接影響到調節(jié)系統(tǒng)的正常工作。,執(zhí)行器在自控系統(tǒng)中的作用,執(zhí)行器是指：閥門－調節(jié)閥(連續(xù)的)、開關閥(過程控制范疇)電機－連續(xù)的、開關的(屬于流體機械的范疇，起執(zhí)行器的作用),執(zhí)行器在自控系統(tǒng)中的作用：接收調節(jié)器（計算機）輸出的控制信號，使調節(jié)閥的開度產(chǎn)生相應變化，從而達到調節(jié)操作變量流量的目的。,執(zhí)行器通常專指閥門,執(zhí)行器是控制系統(tǒng)必不可少的環(huán)節(jié)。執(zhí)行器工作，使用條件惡劣，它也是控制系統(tǒng)最薄弱的環(huán)節(jié)原因：執(zhí)行器與介質（操作變量）直接接觸(強)腐蝕性、(高)粘度、(易)結晶、高溫、深冷、高壓、高差壓,二、分類按能源分，執(zhí)行器可為：氣動、電動、液動，目前主要是用氣動的。,氣動薄膜直通單座閥,氣動薄膜直通雙座閥,氣動蝶閥,氣動球閥,氣動切斷閥,電動直通單座閥,電動隔膜閥,電動三通閥,氣動薄膜角形閥,電磁閥,手動截止閥,3、2、2電動執(zhí)行器電動執(zhí)行器由電動執(zhí)行機構和調節(jié)機構兩部分組成。電動執(zhí)行機構可將來自調節(jié)器的電信號轉換成為位移輸出信號，去操縱閥門、擋板等調節(jié)機構，以實現(xiàn)自動調節(jié)。依據(jù)電動執(zhí)行機構的位移信號，完成調節(jié)任務的裝置稱為調節(jié)機構。按照輸入位移的不同，電動執(zhí)行機構可分為角行程（DKJ型）和直行程（DKZ型）兩種，電氣原理和電路完全相同，只是輸出機械傳動部分（減速器）有所區(qū)別。通常有伺服放大器和執(zhí)行機構兩部分組成。角行程執(zhí)行機構適用于操縱蝶閥、擋板等轉角式調節(jié)機構。按特性不同，電動執(zhí)行機構可分為比例式和積分式。比例式的位移輸出信號與輸入電信號成比例關系；積分式接受斷續(xù)輸入信號，其輸出位移信號與輸入信號成積分關系。對電動執(zhí)行器的基本要求是輸出轉角或直線位移必須與輸入電流信號成正比，而且有足夠的轉矩或力，動作要靈活可靠。,電動執(zhí)行機構構成原理,輸入信號,,,,伺服放大器,,伺服電機,,減速器,,輸出,,,位置發(fā)生器,,,＋,－,ε,(1)伺服電機,作用:將伺服放大器輸出的電功率轉換成機械轉矩,伺服電機實際上是一個二相電容異步電機，由一個用沖槽硅鋼片疊成的定子和鼠籠轉子組成，定子上均勻分布著兩個匝數(shù)、線徑相同而相隔90電角度的定子繞組W1和W2。,作用:將輸入信號和反饋信號進行比較，得到差值信號，根據(jù)差值信號的極性和大小，控制可控硅交流開關Ⅰ、Ⅱ的導通或截止可控硅交流開關Ⅰ、Ⅱ用來接通伺服電機的電源伺服電機的狀態(tài)：正轉反轉停止不轉,(2)伺服放大器,伺服放大器工作原理示意圖,放大器的作用是將輸入信號Ii和反饋信號If進行比較，得到差值信號，并根據(jù)的極性和大小，控制可控硅交流開關Ⅰ、Ⅱ的導通或截止。,在執(zhí)行機構工作時，可控硅交流開關Ⅰ、Ⅱ只能其中一組導通。,1.可控硅Ⅰ導通時：分相電容Cd與W2串接，由于Cd的作用，W1和W2的電流相位總是相差90,其合成向量產(chǎn)生定子旋轉磁場,定子旋轉磁場又在轉子內產(chǎn)生感應電流并構成轉子磁場，兩個磁場相互作用，使轉子順時針方向旋轉（正轉）；2.可控硅Ⅱ導通時：使轉子反時針方向旋轉（反轉）；3.可控硅交流開關Ⅰ、Ⅱ均截止時，伺服電機停止運轉。,作用:將電動執(zhí)行機構輸出軸的位移線性地轉換成反饋信號，反饋到伺服放大器的輸入端。位置發(fā)送器包括：位移檢測元件和轉換電路、差動變壓器塑料薄膜電位器位移傳感器……,(3)位置發(fā)送器,作用:將伺服電機高轉速、小力矩的輸出功率轉換成執(zhí)行機構輸出軸的低轉速、大力矩的輸出功率，以推動調節(jié)機構。減速器一般由機械齒輪或齒輪與皮帶輪構成。,(4)減速器,伺服放大器是一個具有繼電特性的非線性環(huán)節(jié)：,無輸出,輸出～215V,電動執(zhí)行機構的特性,電動執(zhí)行機構輸出為角行程或者式直行程：,Δ為不靈敏區(qū),Δ太大會？？,Δ太小會？？,3、2、3氣動執(zhí)行器主要特點：結構簡單、動作可靠、性能穩(wěn)定、故障率低、價格便宜、維護方便、本質防爆、容易做成大功率等。由執(zhí)行機構與調節(jié)機構兩部分組成。1、執(zhí)行機構有薄膜式和活塞式兩種。薄膜式簡單、價廉但只能直接帶動閥桿，行程短?；钊降奶攸c是行程長，但價格貴。執(zhí)行機構是推動裝置，它按調節(jié)器輸出信號（20-100KPA）的大小產(chǎn)生相應的推力，使執(zhí)行機構推桿產(chǎn)生相應位移，推動調節(jié)機構動作，有正反作用之分。調節(jié)機構是執(zhí)行器的調節(jié)部分，其內腔直接與被調介質接觸，調節(jié)流體的流量，也有正反作用之分（正裝與反裝）。正作用：調節(jié)信號壓力增大，閥桿向下移動的。反之為反作用。主要部分：氣室、薄膜、彈簧?；钊降膱?zhí)行機構也有單向和雙向兩種作用方式。雙向的在結構上是沒有彈簧的，由于無彈簧的反作用力，因此其輸出力比薄膜式的大，常用作大口徑、高壓差調節(jié)閥的執(zhí)行機構。,正反作用正作用—氣壓信號增加，推桿向下動作。反作用—氣壓信號增加，推桿向上動作。,氣動執(zhí)行機構主要分為兩大類：薄膜式與活塞式薄膜式與活塞式執(zhí)行機構又可分為：有彈簧和無彈簧兩種,氣源PO,,,氣源PO,,,,,氣動執(zhí)行機構的動態(tài)特性為一階滯后環(huán)節(jié)。其時間常數(shù)的大小與薄膜氣室大小及引壓導管長短粗細有關，一般為數(shù)秒到數(shù)十秒之間。,氣動活塞式執(zhí)行機構基本結構和工作原理,基本部件：活塞和氣缸活塞在氣缸內隨活塞兩側壓差而移動兩側可以分別輸入一個固定信號和一個變動信號，或兩側都輸入變動信號。它的輸出特性有比例式及兩位式兩種。兩位式是根據(jù)輸入執(zhí)行活塞兩側的操作壓力的大小，活塞從高壓側推向低壓側，使推桿從一個位置移到另一極端位置比例式是在兩位式基礎上加有閥門定位器后，使推桿位移與信號壓力成比例關系。,,氣動薄膜式執(zhí)行機構和電動執(zhí)行機構的比較,,,,,,,,,,,,,序號,1,2,3,4,5,6,7,比較項目,氣動薄膜執(zhí)行機構,電動執(zhí)行機構,可靠性,驅動能源,價格,輸出力,剛度,防爆性能,工作環(huán)境,高（簡單、可靠）,需另設氣源裝置,低,大,小,好,大（－40—＋80℃）,小（－10—＋55℃）,差,大,小,高,簡單、方便,較低,氣動和電動執(zhí)行機構各有其特點，并且都包括有各種不同的規(guī)格品種選擇時，可以根據(jù)實際使用要求，結合表5-1綜合考慮確定選用哪一種執(zhí)行機構。,,2、調節(jié)機構它是執(zhí)行器的調節(jié)部分。在執(zhí)行機構推力的作用下，調節(jié)機構的閥芯產(chǎn)生一定的位移或轉角，從而直接調節(jié)流體的流量，以克服干擾對系統(tǒng)的影響，實現(xiàn)自動調節(jié)的目的。正作用（正裝）：閥芯下移時，閥芯與閥座之間的流通截面積減少的。反之為反作用（反裝）。主要部分：上閥蓋、下閥蓋、閥體、閥芯、閥座。主要類型：直通單座閥、直通雙座閥、隔膜閥、蝶閥、偏心旋轉閥、球閥、角形閥、高壓閥、三通閥、套筒閥、二位工切斷閥等。,1—執(zhí)行機構2—閥桿3—閥芯4—閥座5—閥體6—轉軸7—閥板,主要構成：閥體、閥座、閥心、和閥桿或轉軸,調節(jié)機構的結構和特點,單導向結構,直通單座調節(jié)閥：閥體內只有一個閥芯和一個閥座。結構簡單、泄漏量?。ㄉ踔量梢酝耆袛啵┰试S壓差小（雙導向結構的允許壓差較單導向結構大）。,常用調節(jié)閥結構示意圖及特點——直通單座調節(jié)閥,雙導向結構,它適用于要求泄漏量小，工作壓差較小的干凈介質的場合。在應用中應特別注意其允許壓差，防止閥門關不死。,直通雙座調節(jié)閥：閥體內有兩個閥芯和閥座。因為流體對上、下兩閥芯上的作用力可以相互抵消，因此雙座閥具有允許壓差大上、下兩閥芯不易同時關閉，因此泄漏量較大的特點。,常用調節(jié)閥結構示意圖及特點——直通雙座調節(jié)閥,它適用于閥兩端壓差較大，泄漏量要求不高的干凈介質場合，不適用于高粘度和含纖維的場合。,角形調節(jié)閥：閥體為直角形流路簡單、阻力小，適用于高壓差、高粘度、含有懸浮物和顆粒狀物質的調節(jié)。角形閥一般使用于底進側出，此時調節(jié)閥穩(wěn)定性好，在高壓差場合下，為了延長閥芯使用壽命，也可采用側進底出。但側進底出在小開度時易發(fā)生振蕩。角形閥還適用于工藝管道直角形配管的場合。,常用調節(jié)閥結構示意圖及特點——角形調節(jié)閥,分流三通調節(jié)閥,三通調節(jié)閥：閥體有三個接管口，適用于三個方向流體的管路控制系統(tǒng)，大多用于熱交換器的溫度調節(jié)、配比調節(jié)和旁路調節(jié)。在使用中應注意流體溫差不宜過大，通常小于是150℃，否則會使三通閥產(chǎn)生較大應力而引起變形，造成連接處泄漏或損壞。三通閥有三通合流閥和三通分流閥兩種類型。三通合流閥為介質由兩個輸入口流進混合后由一出口流出；三通分流閥為介質由一入口流進，分為兩個出口流出。,常用調節(jié)閥結構示意圖及特點——三通調節(jié)閥,合流三通調節(jié)閥,蝶閥：蝶閥是通過擋板以轉軸為中心旋轉來控制流體的流量。結構緊湊、體積小、成本低，流通能力大特別適用于低壓差、大口徑、大流量的氣體形或帶有懸浮物流體的場合泄漏較大蝶閥通常工作轉角應小于70℃，此時流量特性與等百分比特性相似多用于開關閥,常用調節(jié)閥結構示意圖及特點——蝶閥,蝶閥,套筒閥：套筒閥的結構比較特殊，閥體與一般的直通單座閥相似，但閥內有一個圓柱形套筒，又稱籠子，利用套筒導向，閥芯可在套筒中上下移動。套筒上開有一定形狀的窗口（節(jié)流孔），套筒移動時，就改變了節(jié)流孔的面積，從而實現(xiàn)流量調節(jié)。套筒閥分為單密封和雙密封兩種結構，前者類似于直通單座閥，適用于單座閥的場合；后者類似于直通雙座閥，適用于雙座閥的場合。套筒閥具有穩(wěn)定性好、拆裝維修方便等優(yōu)點，因而得到廣泛應用，但其價格比較貴。,常用調節(jié)閥結構示意圖及特點——套筒閥,套筒閥,偏心旋轉閥：轉軸帶動閥芯偏心旋轉體積小，重量輕，使用可靠，維修方便，通用性強，流體阻力小等優(yōu)點，適用于粘度較大的場合，在石灰、泥漿等流體中，具有較好的使用性能。,常用調節(jié)閥結構示意圖及特點——偏心旋轉閥,偏心旋轉閥,“O”形球閥：閥芯為一球體閥芯上開有一個直徑和管道直徑相等的通孔，轉軸帶動球體旋轉，起調節(jié)和切斷作用。該閥結構簡單，維修方便，密封可靠，流通能力大流量特性為快開特性，一般用于位式控制。,常用調節(jié)閥結構示意圖及特點——“O”形球閥,“O”形球閥,“V”形球閥：閥芯也為一球體但球體上開孔為V形口，隨著球體的旋轉，流通截面積不斷發(fā)生變化，但流通截面的形狀始終保持為三角形。該閥結構簡單，維修方便，關閉性能好，流通能力大，可調比大流量特性近似為等百分比特性，適用于纖維、紙漿及含顆粒的介質。,常用調節(jié)閥結構示意圖及特點——“V”形球閥,“V”形球閥,3、2、4執(zhí)行器的選型總體要求：根據(jù)工藝條件選擇合適的結構與類型。根據(jù)工藝對象特性選擇合適的流量特性。根據(jù)工藝參數(shù)選擇閥門的口徑。根據(jù)閥桿受不平衡力的大小選擇足夠推力的執(zhí)行機構。根據(jù)工藝過程要求選擇合適的輔助裝置。,1、結構形式的選擇,可以根據(jù)實際使用要求，綜合考慮確定,選擇執(zhí)行機構時，還必須考慮執(zhí)行機構的輸出力（力矩）應大于它所受到的負荷力（力矩）,負荷力（力矩）包括流體對閥芯產(chǎn)生的作用力（不平衡力）或作用力矩（不平衡力矩）閥桿的摩擦力、重量以及壓縮彈簧的預緊力,對于氣動薄膜執(zhí)行機構:工作壓差小于最大允許壓差但當所用調節(jié)閥的口徑較大或壓差較高時，執(zhí)行機構要求有更大的輸出力，此時可考慮用活塞式執(zhí)行機構，也可選用薄膜執(zhí)行機構再配上閥門定位器。,(1)執(zhí)行機構的選擇,主要依據(jù)是：（1）流體性質如流體種類、粘度、腐蝕性、是否含懸浮顆粒（2）工藝條件如溫度、壓力、流量、壓差、泄漏量（3）過程控制要求控制系統(tǒng)精度、可調比、噪音根據(jù)以上各點進行綜合考慮，并參照各種調節(jié)機構的特點及其適用場合，同時兼顧經(jīng)濟性，來選擇滿足工藝要求的調節(jié)機構。,(2)調節(jié)機構的選擇,2、氣開、氣關的選擇,氣開式調節(jié)閥:有信號壓力輸入時閥打開無信號壓力時閥全關氣關式調節(jié)閥:有信號壓力時閥關閉無信號壓力時閥全開氣開氣關的選擇考慮原則是：信號壓力中斷時，應保證設備和操作人員的發(fā)全，如閥門處于打開位置時危害性小，則應選用氣關式；反之，則用氣開式。,形成：,組合方式執(zhí)行機構有正反作用閥體部件有正裝和反裝氣動調節(jié)閥有氣開式和氣關式,換熱器冷卻水調節(jié)閥選氣關式,輸入信號中斷，調節(jié)閥打開，保證冷卻水繼續(xù)流動，防止換熱器溫度過高損壞,加熱爐燃料油調節(jié)閥選氣開式,輸入信號中斷，調節(jié)閥關閉，燃料油切斷，防止加熱爐溫度過高造成毀壞,蒸餾塔進料調節(jié)閥選氣開式,輸入信號中斷，調節(jié)閥關閉，進料切斷，防止物料過多造成溢出事故,精餾塔回流調節(jié)閥選氣關式,輸入信號中斷，調節(jié)閥打開，保證回流量，防止不合格產(chǎn)品蒸出,3、流量特性的選擇,調節(jié)閥流量特性：介質流過調節(jié)閥的相對流量與相對位移（即閥的相對開度）之間的關系,調節(jié)閥前后壓差的變化，會引起流量變化。流量特性分為理想流量特性和實際流量特性,（1）調節(jié)閥的流量特性的概念,,最大流量,,最大位移,實際位移,,,實際流量,調節(jié)閥的固有特性，由閥芯的形狀所決定。,1-快開特性,2-直線特性,3-拋物線特性,4-等百分比（對數(shù)）特性,（2）理想流量特性(ΔP一定),特點：a.放大系數(shù)是常數(shù),調節(jié)閥的相對流量與相對位移成直線關系，即單位位移變化所引起的流量變化是常數(shù),b.Q↑流量相對變化值↓,A、直線流量特性,,相對流量的變化率的定義:曲線上某一點的相對流量的變化量和該點的相對流量之比q%=(△qv/qvmax)／(qv/qvmax)100%q%=△qv/qv100%,在曲線上選擇3個點在I/L%=10%處，I/L%變化10%，計算的q%=100%在I/L%=50%處，I/L%變化10%，計算的q%=20%在I/L%=80%處，I/L%變化10%，計算的q%=12.5%,結論：用相對流量的變化率表征閥體部件的靈敏度，小開度時，靈敏度高，容易震蕩；大開度時，靈敏度低，調節(jié)遲緩。用放大系數(shù)表征閥體部件的斜率，斜率＝常量。,特點：a.Q↑放大系數(shù)↑,單位相對位移變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量成正比關系,b.流量相對變化值是常數(shù),B、等百分比流量特性（對數(shù)流量特性）,在曲線上選擇3個點：在I/L%=10%處，I/L%變化10%，計算的q%=（6.58-4.67）/4.67100%≈40%在I/L%=50%處，I/L%變化10%，計算的q%=（25.6-18.3）/18.3100%≈40%在I/L%=80%處，I/L%變化10%，計算的q%=(71.2-50.8)/50.8100%≈40%,結論：用相對流量的變化率表征閥體部件的靈敏度，小開度時和大開度時，靈敏度相同。用放大系數(shù)表征閥體部件的斜率，斜率≠常量。,單位相對位移的變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量值的平方值的平方根成正比關系,C、拋物線流量特性,為了彌補直線特性在小開度時調節(jié)性能差的缺點，在拋物線特性基礎上派生出一種修正拋物線特性，它在相對位移30%及相對流量變20%這段區(qū)間內為拋物線關系，而在此以上的范圍是線性關系。,,在開度較小時就有較大的流量，隨著開度的增大，流量很快就達到最大；此后再增加開度，流量變化很小,有效位移一般為閥座直徑的1/4,適用于迅速啟閉的位式控制或程序控制系統(tǒng),D、快開流量特性,上述4種流量特性中：直線和等百分比最常用。,,A、串聯(lián)管道時,*流量特性發(fā)生畸變直線特性→快開特性等百分比特性→直線特性,*可調比減小,（3）工作流量特性(ΔP變化),B、并聯(lián)管道時的工作流量特性,通常一般X值不能低于0.8，即旁路流量只能為總流量的百分數(shù)之十幾。,可調比將大大下降,可調比R反映調節(jié)閥的調節(jié)能力的大小,定義:調節(jié)閥所能調節(jié)的最大流量和最小流量之比,調節(jié)閥前后壓差的變化，會引起可調比變化，將可調比分為理想可調比和實際可調比。,（4）調節(jié)閥的可調比,理想可調比由結構設計決定,A、理想可調比R(ΔP一定),①串聯(lián)管道時的可調比,設,B、實際可調比Rr(ΔP變化),B、并聯(lián)管道時的可調比,R＞＞1,設,（4）理想流量特性的選擇,實際上是指如何選擇直線特性和等百分比特性,經(jīng)驗準則:,適當?shù)剡x擇調節(jié)閥的特性，以閥的放大系數(shù)的變化來補償控制對象放大系數(shù)的變化，使控制系統(tǒng)總的放大系數(shù)保持不變或近似不變,（1）考慮系統(tǒng)的控制品質,調節(jié)閥在串聯(lián)管道時的工作流量特性與S值的大小有關，即與工藝配管情況有關。因此，在選擇其特性時，還必須考慮工藝配管情況。,（2）考慮工藝管道情況,1.根據(jù)系統(tǒng)的特點選擇所需要的工作流量特性,2.考慮工藝配管情況確定相應的理想流量特性,P182表5-5,具體做法:,氣動調節(jié)閥選型規(guī)定(CD50A11-84),直線特性調節(jié)閥在小開度時流量相對變化值大，控制過于靈敏，易引起振蕩，且閥芯、閥座也易受到破壞，因此在S值小、負荷變化大的場合，不宜采用。等百分比特性調節(jié)閥的放大系數(shù)隨調節(jié)閥行程增加而增大，流量相對變化值是恒定不變的，因此它對負荷變化有較強的適應性。,（3）考慮負荷變化情況,結論：常用的調節(jié)閥流量特性為“線性”和“等百分比”在設計過程中，當流量特性難以確定時，優(yōu)先選用“等百分比”特性，它的適應性更強。,4、調節(jié)閥結構材料的選擇選材一般根據(jù)工藝介質的腐蝕性及溫度、壓力、氣蝕、沖刷等幾個方面而定，同時還考慮其經(jīng)濟的合理性。（1）閥體材料閥體材料：HT20-40、ZG25B、ZG1CR18NI9TI、RT20-40、ZG25。閥芯、閥桿、閥座材料：1CR18NI9TI、YG6X、YG8可淬硬鋼鉻。墊片材料：2CR13、1CR18NI9夾石棉板、浸蠟石棉膠板、8#-10#鋼。填料：V形聚四氟乙烯、石棉、高硅氧纖維。（2）閥內件材料奧氏體不銹鋼、哈氏合金、蒙乃爾合金、鈦與鈦合金、鉭。標準號：中國——JB，美國——ANSI,IS，德國——DIN,前蘇聯(lián)——TOCT，法國——NF，英國——RS,瑞典——SIS（3）填料選擇作用：防止因閥桿移動而閥內介質向外泄漏。最常用的是聚四氟乙烯。,首先必須要合理確定調節(jié)閥流量和壓差的數(shù)據(jù)。通常把代入計算公式中的流量和壓差分別稱為計算流量和計算壓差。而在根據(jù)計算所得到的流量系數(shù)選擇調節(jié)閥口徑之后，還應對所選調節(jié)閥開度和可調節(jié)比進行驗算，以保證所選調節(jié)閥的口徑能滿足控制要求。,——依據(jù)流量系數(shù),5、調節(jié)閥的口徑選擇,說穿了，就是根據(jù)工藝參數(shù)計算出K，然后根據(jù)K來選取一個Kv值差不多的調節(jié)閥。,孔板流量計的公式？？,調節(jié)閥的流量方程,依據(jù)的原理：伯努利方程（能量守恒）,流量系數(shù)是反映調節(jié)閥口徑大小的一個重要參數(shù),流量系數(shù)KV的定義:,在調節(jié)閥前后壓差為100KPa，流體密度為1g/cm3（即5～40℃的水）的條件下，調節(jié)閥全開時，每小時通過閥門的流體量（m3）,（1）調節(jié)閥的流量系數(shù),把上述參數(shù)代入流量方程，即可算出實際工況的流經(jīng)閥門的流量,事實上，這里提出流量系數(shù)的概念，用意不在流量的計算上，真正目的是根據(jù)工藝要求如何來選擇一臺合適的調節(jié)閥。,根據(jù)工藝要求，即流量Q、前后差壓△P、介質密度ρ，可以用下式來計算調節(jié)閥的流量系數(shù)，并以此來作為閥門口徑選擇的依據(jù)之一：,注意：上式中各參數(shù)的單位上式只適用于一般的流體（如水或者類似流體）流體的種類和性質將影響KV的大小，因此對不同的流體必須考慮其對流量系數(shù)的影響流體的流動狀態(tài)也將影響Kv的大小,流量系數(shù)的計算,最大計算流量是指通過調節(jié)閥的最大流量，其值應根據(jù)工藝設備的生產(chǎn)能力、對象負荷的變化、操作條件變化以及系統(tǒng)的控制質量等因素綜合考慮，合理確定。,避免兩種傾向：過多考慮余量,只考慮眼前生產(chǎn),選擇調節(jié)閥口徑的步驟,（1）確定計算流量,計算壓差是指最大流量時調節(jié)閥上的壓差，即調節(jié)閥全開時的壓差,（2）確定計算壓差,確定計算壓差時必須兼顧調節(jié)性能和動力消耗兩方面，即應合理選定S值。,2)在最大流量的條件下，分別計算系統(tǒng)內調節(jié)閥之外的各項局部阻力所引起的壓力損失，再求出它們的總和△PF。,3)選取S值S值一般希望不小于0.3，常選,4)求取調節(jié)閥計算壓差△PV,計算壓差確定步驟如下：,1)選擇調節(jié)閥前后最近的壓力基本穩(wěn)定的兩個設備作為系統(tǒng)的計算范圍。,根據(jù)已求得的Kmax，在所選用的產(chǎn)品型式的標準系列中，選取大于Kmax并與其最接近的那一擋Kv值（P.169,表6-3),根據(jù)已決定的計算流量和計算壓差，求得最大流量時的流量系數(shù)Kmax,（3）計算流量系數(shù)Kmax,（4）選取流量系數(shù)KV,最大計算流量時的開度不大于90%最小計算流量時的開度不小于10%,直線特性調節(jié)閥,等百分比特性的調節(jié)閥,（5）驗算調節(jié)閥開度,（6）驗算調節(jié)閥實際可調比,須滿足,根據(jù)值決定調節(jié)閥的公稱直徑Dg和閥座直徑dg,（7）確定調節(jié)閥口徑,（P.169表6-3),6、調節(jié)閥附件的選擇,6.5電氣轉換器/閥門定位器,電氣轉換器,電氣閥門定位器,壓縮空氣過濾器,閥門定位器,將控制信號（I0或PO），成比例地轉換成氣壓信號輸出至執(zhí)行機構，使閥桿產(chǎn)生位移,可見，閥門定位器與氣動執(zhí)行機構構成一個負反饋系統(tǒng)（各參數(shù)的名稱?如被控變量等),閥桿位移量通過機械機構反饋到閥門定位器，當位移反饋信號與輸入的控制信號相平衡時，閥桿停止動作，調節(jié)閥的開度與控制信號相對應。,閥門定位器可以采用更高的氣源壓力，從而可增大執(zhí)行機構的輸出力在什么情況下需要使用閥門定位器？,答：大口徑閥門，或者要求由較大輸出力的閥門等（小口徑閥門一般較少使用）閥門定位器與執(zhí)行機構安裝在一起，因而可減少調節(jié)信號的傳輸滯后。此外，閥門定位器還可以接受不同范圍的輸入信號，因此采用閥門定位器還可實現(xiàn)分程控制。,問題：很明顯，閥門定位器是與氣動調節(jié)閥配套使用的，那么，電動調節(jié)閥是否有類似與閥門定位器的輔助單元？,按結構形式，閥門定位器可以分為:電/氣閥門定位器氣動閥門定位器智能式閥門定位器。,電／氣閥門定位器,電／氣閥門定位器作用：1.將4～20mA或0～10mA轉換為氣信號，用以控制氣動調節(jié)閥2.它還能夠起到閥門定位的作用,當輸入IO→對主杠桿2產(chǎn)生向左的力F1→主杠桿繞支點反時針偏轉→擋板13靠近噴嘴15→Pa↑→使閥桿向下移動→并帶動反饋桿9繞支點4偏轉→凸輪5也跟著逆時針偏轉→從而使反饋彈簧11拉伸→最終使閥門定位器達到平衡狀態(tài)。此時，一定的信號壓力就對應于一定的閥桿位移，即對應于一定的閥門開度。,特性,,Ki,Io,,Fi,li,,Mi,,,K1,Pa,K2,L,,,Kf,Ff,lf,,,Mf,＋,－,,,,閥桿位移和輸入信號之間的關系取決于轉換系數(shù)Ki、力臂長度li以及反饋部分的反饋系數(shù)Kf，而與執(zhí)行機構的時間常數(shù)和放大系數(shù)，即執(zhí)行機構的膜片有效面積和彈簧剛度無關，因此閥門定位器能消除執(zhí)行機構膜片有效面積和彈簧剛度變化的影響，提高執(zhí)行機構的線性度，實現(xiàn)準確定位。,氣動閥門定位器,原理與前者完全相同氣動力矩平衡式閥門定位器要將正作用改裝成反作用，只要把波紋管的位置從主杠桿的右側調到左側即可。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,智能式閥門定位器,原理和前面兩種閥門定位器很相似,智能式閥門定位器,以CPU為核心，具有許多模擬式閥門定位器無法比擬的優(yōu)點：(1)定位精度和可靠性高智能式閥門定位器機械可動部件少，輸入信號、反饋信號的比較是數(shù)字比較，不易受環(huán)境影響，工作穩(wěn)定性好，不存在機械誤差造成的死區(qū)影響，因此具有更高的精度和可靠性。(2)流量特性修改方便智能式閥門定位器一般都包含有常用的直線、等百分比和快開特性功能模塊，可以通過按鈕或上位機、手持式數(shù)據(jù)設定器直接設定。(3)零點、量程調整簡單零點調整與量程調整互不影響，因此調整過程簡單快捷。許多品種的智能式閥門定位器不但可以自動進行零點與量程的調整，而且能自動識別所配裝的執(zhí)行機構規(guī)格，如氣室容積、作用型式等，自動進行調整，從而使調節(jié)閥處于最佳工作狀態(tài)的。(4)具有診斷和監(jiān)測功能除一般的自診斷功能之外，智能式閥門定位器能輸出與調節(jié)閥實際動作相對應的反饋信號，可用于遠距離監(jiān)控調節(jié)閥的工作狀態(tài)。接受數(shù)字信號的智能式閥門定位器，具有雙向的通訊能力，可以就地或遠距離地利用上位機或手持式操作器進行閥門定位器的組態(tài)、調試、診斷。,7、作用中應該注意的問題（1）閃蒸當流體以P1的壓力流經(jīng)調節(jié)閥時，流速突然驟增，而靜壓力突然下降，當閥后壓力P2達到或低于該流體所在的情況下的飽和蒸汽壓時，部分液體汽化，形成汽液兩相共存的現(xiàn)象，即發(fā)生閃蒸。此時對閥芯等材質并無損傷，但影響了液體流量計算公式的正確性，使計算復雜化。（2）空化閃蒸發(fā)生后，隨著流體的流動，其靜壓力又要上升。當靜壓力回升到該液體所在工況的飽和蒸汽壓以上時，閃蒸形成的氣泡會破裂，重新轉化為液體，這種氣泡形成和破裂的過程稱為空化。這就是說，空化有兩具階段：第一階段是液體內部形成空隙或氣泡，即閃蒸階段；第二階段是氣泡的破裂，即空化階段。空化的破壞作用：A、損壞材質——氣泡破裂時產(chǎn)生了較大的沖擊力，嚴重地沖擊閥芯、閥體和閥座，造成氣蝕作用。B、振動——空化作用還帶來閥芯的垂直振動和水平振動，從而造成機械磨損。C、噪聲——空化使調節(jié)閥產(chǎn)生各種噪聲，嚴重時產(chǎn)生呼嘯和尖叫。,避免空化和汽蝕的方法，主要從壓差的選擇、材料、結構上考慮。而最根本的方法是使調節(jié)閥前后壓差不大于最大允許壓差（3）不平衡力流體流經(jīng)調節(jié)閥時，閥芯受到流體靜壓和動壓所產(chǎn)生的作用力，由于其各個方向受力不一，因而產(chǎn)生使閥芯上下移動的軸向力和使閥芯旋轉的切向力。對于直線位移的調節(jié)閥來說，軸向力直接影響閥芯位移與執(zhí)行機構輸入信號之間的關系，因此把閥芯受到的由流體所產(chǎn)生的軸向合力稱為不平衡力。對于轉角式調節(jié)閥來說，影響其角位移的是轉軸受到的切向合力矩，它稱為不平衡力矩。,在閥體部件和工藝介質確定的情況下不平衡力的大小取決于：閥前的壓力P1閥前后的壓差△P閥芯的相對流向,,,氣泡爆裂，還原成液體,損害,3.3模擬式控制儀表的運用,3、3、1控制方案的擬定與儀表選擇（一）控制方案的擬定基本原則有以下幾條：1、控制方案能否成立的先決條件是在工藝上必須是合理的?？刂葡到y(tǒng)只能按照預定的規(guī)律來代替人們的部分操作。2、控制方案能否達到預定的工藝要求，在方案與控制規(guī)律的選擇上必須是合適的。如對象的滯后大、擾動頻繁時，除了要很好選擇檢測點和控制手段外，而且必要時采用某些復雜控制回路。3、控制方案能否可靠運行，在操作上必須是安全的。4、控制方案的評價，要看有無顯著的經(jīng)濟效果。自動化本身不是目的，而是一種技術手段，自動化是為了提高生產(chǎn)、降低成本、確保安全和減輕勞動強度。,（二）儀表選擇選擇儀表時，應從生產(chǎn)工藝要求、現(xiàn)場使用條件、系統(tǒng)的控制質量、可靠性和經(jīng)濟性等多方面加以綜合考慮。選表是指儀表類型、品種、特性（或規(guī)格）的選擇。1、氣動類或電動類儀表的選擇——各有長處，均可選用。若要求變量遠距離傳輸、集中控制、且與計算機控制結合起來，可考慮選用電動儀表。2、調節(jié)規(guī)律的選擇——在對象滯后不太大和不允許有余差時，可采用具有P、I、D的調節(jié)器；當對象的時間常數(shù)較大時，滯后較小時可采用微分。注意微分作用不可能提供很多好處，在純滯后時間內微分作用是不起作用的。3、調節(jié)閥的選擇——調節(jié)閥是控制系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)。4、儀表防爆規(guī)格的選擇——對于具有危險性和生產(chǎn)過程，應根據(jù)有關規(guī)定選用本安型、隔爆型或采取其他防爆措施。在構成本質安全型防爆系統(tǒng)時，必須使用安全柵。,3、3、2控制系統(tǒng)構成舉例,（一）單變量控制系統(tǒng),上圖為單變量控制系統(tǒng)的方框圖，若構成防爆系統(tǒng)時，變送器采用隔爆型，電/氣閥門定位器采用隔爆結構。在實際的系統(tǒng)接線中，要注意電壓信號是并聯(lián)采樣的，而電流信號是串聯(lián)采樣的。所以在實施這種控制系統(tǒng)時，還會有電源、供電箱、配電器等。,（二）比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)有好幾種，開環(huán)比值、單閉環(huán)比值、雙閉環(huán)比值等。有定值的也有變比值的。一般定比值的用的比較多。下圖為定比值控制系統(tǒng)的方框圖,三、儀表靜態(tài)配合系數(shù)的確定（一）量程的確定——量程的大小直接影響測量靈敏度和控制精度。（二）比值控制系統(tǒng)中比值系數(shù)的確定——注意是否帶開方器。,