第4章過程控制

1、概述概述1 1、執(zhí)行器作用：、執(zhí)行器作用：是接受來自調(diào)節(jié)器輸出的控制信號，是接受來自調(diào)節(jié)器輸出的控制信號，并轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移，來改變調(diào)節(jié)閥的流并轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移，來改變調(diào)節(jié)閥的流通截面積，以控制流入或流出被控過程的物料或通截面積，以控制流入或流出被控過程的物料或能量，從而達到控制流量的目的。能量，從而達到控制流量的目的。 （1 1）氣動調(diào)節(jié)閥：）氣動調(diào)節(jié)閥：以壓縮空氣為動力源，輸入信號以壓縮空氣為動力源，輸入信號 0.02Mpa0.02Mpa0.1Mpa0.1Mpa。 優(yōu)點：優(yōu)點：結(jié)構簡單、動作可靠穩(wěn)定、輸出力大、安結(jié)構簡單、動作可靠穩(wěn)定、輸出力大、安 裝維修方便、價格便宜和防火防

2、爆裝維修方便、價格便宜和防火防爆 缺點：缺點：響應時間大，信號不適于遠傳響應時間大，信號不適于遠傳（2 2）電動調(diào)節(jié)閥：）電動調(diào)節(jié)閥：以電為動力源，輸入信號為以電為動力源，輸入信號為4-4-20mADC20mADC。 優(yōu)點優(yōu)點：動作較快、能源獲取方便、特別適于遠距離：動作較快、能源獲取方便、特別適于遠距離的信號傳送的信號傳送. . 缺點：缺點：輸出力較小、價格貴一般只適用于防爆要求輸出力較小、價格貴一般只適用于防爆要求不高的場合。不高的場合。（3 3）液動調(diào)節(jié)閥：液動調(diào)節(jié)閥：以高壓液體為動力源，推力最大；以高壓液體為動力源，推力最大；但安裝、維護麻煩，使用不多。但安裝、維護麻煩，使用不多。2

3、2、執(zhí)行器按照工作所用能源形式可分為：、執(zhí)行器按照工作所用能源形式可分為：3 3、執(zhí)行器的構成、執(zhí)行器的構成 執(zhí)行器由執(zhí)行機構和調(diào)節(jié)機構（又稱為控制閥）執(zhí)行器由執(zhí)行機構和調(diào)節(jié)機構（又稱為控制閥）兩個部分組成。兩個部分組成。執(zhí)行機構執(zhí)行機構調(diào)節(jié)機構調(diào)節(jié)機構Ip,執(zhí)行機構執(zhí)行機構調(diào)節(jié)機構：調(diào)節(jié)機構：是執(zhí)行器的調(diào)節(jié)部分，在執(zhí)行機構推力的是執(zhí)行器的調(diào)節(jié)部分，在執(zhí)行機構推力的作用下，調(diào)節(jié)機構產(chǎn)生一定的位移或轉(zhuǎn)角，直接調(diào)節(jié)作用下，調(diào)節(jié)機構產(chǎn)生一定的位移或轉(zhuǎn)角，直接調(diào)節(jié)流體的流量。流體的流量。 電動執(zhí)行器接受來自電動控制器輸出的電動執(zhí)行器接受來自電動控制器輸出的4-20mADC4-20mADC信信號，并將其

4、轉(zhuǎn)換成為適當?shù)牧蛄兀ゲ倏v調(diào)節(jié)號，并將其轉(zhuǎn)換成為適當?shù)牧蛄?，去操縱調(diào)節(jié)機構，從而達到連續(xù)調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程中有關管路內(nèi)流機構，從而達到連續(xù)調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程中有關管路內(nèi)流體的流量。體的流量。電動執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）也由執(zhí)行機構和閥門電動執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）也由執(zhí)行機構和閥門兩部分組成。兩部分組成。執(zhí)行機構是調(diào)節(jié)閥的推動裝置，它將輸入信執(zhí)行機構是調(diào)節(jié)閥的推動裝置，它將輸入信號轉(zhuǎn)換成相應的動力，帶動控制機構動作。號轉(zhuǎn)換成相應的動力，帶動控制機構動作。閥門是調(diào)節(jié)閥的控制機構，它與氣動調(diào)節(jié)閥閥門是調(diào)節(jié)閥的控制機構，它與氣動調(diào)節(jié)閥的閥門是通用的。的閥門是通用的。電動執(zhí)行機構用控制電機作動力裝置。輸出形電動執(zhí)行機構用

5、控制電機作動力裝置。輸出形式有：式有： 角行程：角行程：電機轉(zhuǎn)動經(jīng)減速器后輸出電機轉(zhuǎn)動經(jīng)減速器后輸出（把（把4-4-20mA20mA的直流電流信號線性的轉(zhuǎn)換成輸出軸的直流電流信號線性的轉(zhuǎn)換成輸出軸0-900-90的的機械轉(zhuǎn)角）。機械轉(zhuǎn)角）。 直行程：直行程：電機轉(zhuǎn)動經(jīng)減速器減速并轉(zhuǎn)換為直電機轉(zhuǎn)動經(jīng)減速器減速并轉(zhuǎn)換為直線位移輸出。線位移輸出。 多轉(zhuǎn)式：多轉(zhuǎn)式：轉(zhuǎn)角輸出，功率比較大，主要用來轉(zhuǎn)角輸出，功率比較大，主要用來控制閘閥、截止閥等多轉(zhuǎn)式閥門?？刂崎l閥、截止閥等多轉(zhuǎn)式閥門。 這幾種執(zhí)行機構在電氣原理上基本相同，只這幾種執(zhí)行機構在電氣原理上基本相同，只是減速器不一樣。是減速器不一樣。電動執(zhí)行機

6、構電動執(zhí)行機構 圖圖4-1 4-1 電動執(zhí)行器框圖電動執(zhí)行器框圖 電動執(zhí)行器由伺服放大器和執(zhí)行機構兩部分組電動執(zhí)行器由伺服放大器和執(zhí)行機構兩部分組成。執(zhí)行機構又包括兩相伺服電動機、減速器和成。執(zhí)行機構又包括兩相伺服電動機、減速器和位置發(fā)送器。位置發(fā)送器。 工作過程：工作過程：伺服放大器將輸入信號和反饋信號相伺服放大器將輸入信號和反饋信號相比較，得到偏差信號比較，得到偏差信號e e，并將，并將e e進行功率放大（當進行功率放大（當e0e0時，伺服放大器的輸出驅(qū)動伺服電機正轉(zhuǎn)，反之，伺時，伺服放大器的輸出驅(qū)動伺服電機正轉(zhuǎn)，反之，伺服電機反轉(zhuǎn)），再經(jīng)減速器減速后，帶動輸出軸改變服電機反轉(zhuǎn)），再經(jīng)減速

7、器減速后，帶動輸出軸改變轉(zhuǎn)角，輸出軸不同位置經(jīng)位置發(fā)送器轉(zhuǎn)換成相應的反轉(zhuǎn)角，輸出軸不同位置經(jīng)位置發(fā)送器轉(zhuǎn)換成相應的反饋電流，反饋到伺服放大器的輸入端使饋電流，反饋到伺服放大器的輸入端使e e減小。當減小。當e=0e=0時，伺服放大器無輸出，伺服電機才停止運轉(zhuǎn)，輸出時，伺服放大器無輸出，伺服電機才停止運轉(zhuǎn)，輸出軸也就穩(wěn)定在輸入信號相對應的位置上。軸也就穩(wěn)定在輸入信號相對應的位置上。 圖圖 4-2 4-2 電動執(zhí)行結(jié)構輸入輸出關系電動執(zhí)行結(jié)構輸入輸出關系圖圖 4-3 4-3 電動執(zhí)行單元電器框圖電動執(zhí)行單元電器框圖（1 1）伺服放大器）伺服放大器 伺服放大器是伺服放大器是由前置放大器、由前置放大器

8、、觸發(fā)器，可控硅觸發(fā)器，可控硅主回路及電源等主回路及電源等部分組成。部分組成。 伺服放大器的作用是綜合輸入信號和反饋信號，伺服放大器的作用是綜合輸入信號和反饋信號，并將該結(jié)果信號加以放大，使之有足夠大的功率來并將該結(jié)果信號加以放大，使之有足夠大的功率來控制伺服電動機的轉(zhuǎn)動。根據(jù)綜合后結(jié)果信號的極控制伺服電動機的轉(zhuǎn)動。根據(jù)綜合后結(jié)果信號的極性，放大器應輸出相應極性的信號，以控制電動機性，放大器應輸出相應極性的信號，以控制電動機的正、反運轉(zhuǎn)。的正、反運轉(zhuǎn)。 伺服放大器有伺服放大器有三個輸入通道三個輸入通道和和一個反饋通道一個反饋通道，可，可以同時輸入三個輸入信號和一個反饋信號，以滿足以同時輸入三個

9、輸入信號和一個反饋信號，以滿足復雜控制系統(tǒng)的要求。復雜控制系統(tǒng)的要求。 一般簡單控制系統(tǒng)中只用一個輸入通道和一個反一般簡單控制系統(tǒng)中只用一個輸入通道和一個反饋通道。饋通道。 前置放大器是一個增益很高的放大器，將來自控制器前置放大器是一個增益很高的放大器，將來自控制器的輸入信號和位置反饋信號在放大器中進行比較，放大的輸入信號和位置反饋信號在放大器中進行比較，放大器把偏差信號進行放大，根據(jù)輸入信號與反饋相減后偏器把偏差信號進行放大，根據(jù)輸入信號與反饋相減后偏差的正負，控制兩個晶體管觸發(fā)電路中一個工作，一個差的正負，控制兩個晶體管觸發(fā)電路中一個工作，一個截止。使主回路的可控硅導通，兩相伺服電動機接通

10、電截止。使主回路的可控硅導通，兩相伺服電動機接通電源而旋轉(zhuǎn)，從而帶動調(diào)節(jié)機構進行自動控制。源而旋轉(zhuǎn)，從而帶動調(diào)節(jié)機構進行自動控制。兩相電機伺服驅(qū)動電路兩相電機伺服驅(qū)動電路 線圈線圈、 CF例例 a（+）b（-）時）時 觸發(fā)電路觸發(fā)電路1 1工作工作 SCRSCR1 1導通導通c c、d d間短接間短接線圈線圈 電機正轉(zhuǎn)電機正轉(zhuǎn)220V220V通路通路 9090 相移相移（2 2） 執(zhí)行機構執(zhí)行機構 執(zhí)行機構由兩相交流伺服電機、位置發(fā)送器和執(zhí)行機構由兩相交流伺服電機、位置發(fā)送器和減速器組成。減速器組成。A A、伺服電機、伺服電機 伺服電機是電動調(diào)節(jié)閥的動力部件，其作用是伺服電機是電動調(diào)節(jié)閥的動力

11、部件，其作用是將伺服放大器輸出的電功率轉(zhuǎn)換成機械轉(zhuǎn)矩。將伺服放大器輸出的電功率轉(zhuǎn)換成機械轉(zhuǎn)矩。B B、位置發(fā)送器、位置發(fā)送器 作用：將電動執(zhí)行機構輸出軸的位移線性地轉(zhuǎn)作用：將電動執(zhí)行機構輸出軸的位移線性地轉(zhuǎn)換成反饋信號，反饋到伺服放大器的輸入端。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(zhuǎn)換電路。位置發(fā)送器包括：位移檢測元件和轉(zhuǎn)換電路。C C、減速器、減速器 作用：將伺服電機高轉(zhuǎn)速、小力矩的輸出功率作用：將伺服電機高轉(zhuǎn)速、小力矩的輸出功率轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機構輸出軸的低轉(zhuǎn)速、大力矩的輸出功轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機構輸出軸的低轉(zhuǎn)速、大力矩的輸出功率，以推動調(diào)節(jié)機構。率，以推動調(diào)節(jié)機構。

12、氣動調(diào)節(jié)閥由執(zhí)行機構和氣動調(diào)節(jié)閥由執(zhí)行機構和控制機構（閥）兩部分組成。控制機構（閥）兩部分組成。 執(zhí)行機構：執(zhí)行機構：推動裝置，它推動裝置，它是將信號壓力的大小轉(zhuǎn)換為是將信號壓力的大小轉(zhuǎn)換為閥桿位移的裝置。閥桿位移的裝置。 控制機構控制機構：是閥門，它將：是閥門，它將閥桿的位移轉(zhuǎn)換為流通面積閥桿的位移轉(zhuǎn)換為流通面積的大小。的大小。 是氣動執(zhí)行器的推動部分，它按控制信號的大是氣動執(zhí)行器的推動部分，它按控制信號的大小產(chǎn)生相應的輸出力，通過執(zhí)行機構的推桿，帶動控小產(chǎn)生相應的輸出力，通過執(zhí)行機構的推桿，帶動控制閥的閥芯使它產(chǎn)生相應的位移（或轉(zhuǎn)角）。制閥的閥芯使它產(chǎn)生相應的位移（或轉(zhuǎn)角）。 氣動執(zhí)行機構

13、常用的有薄膜執(zhí)行機構和活塞執(zhí)氣動執(zhí)行機構常用的有薄膜執(zhí)行機構和活塞執(zhí)行機構兩種。行機構兩種。正作用執(zhí)行機構正作用執(zhí)行機構 反作用執(zhí)行機構反作用執(zhí)行機構P圖圖4-6 4-6 氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器KLPA KPAL （1 1） 直通單座閥直通單座閥結(jié)構簡單、泄漏量小結(jié)構簡單、泄漏量小。流體對閥芯的不平衡作流體對閥芯的不平衡作用力大。一般用在小口徑、用力大。一般用在小口徑、低壓差的場合。低壓差的場合。正裝閥正裝閥閥芯下移時，閥芯與閥閥芯下移時，閥芯與閥座間的流通截面積增大座間的流通截面積增大閥門中的柱式閥芯可以正裝，也可以反裝。閥門中的柱式閥芯可以正裝，也可以反裝。 反裝閥反裝閥閥芯下移時，閥芯與閥

14、閥芯下移時，閥芯與閥座間的流通截面積減小座間的流通截面積減?。? 2） 直通雙座閥直通雙座閥 閥體內(nèi)有兩個閥芯和閥座。閥體內(nèi)有兩個閥芯和閥座。但是，由于加工的但是，由于加工的限制，上下兩個閥芯閥限制，上下兩個閥芯閥座不易保證同時密閉，座不易保證同時密閉，因此泄漏量較大。因此泄漏量較大。 流體流過時，作用在上、下兩個閥芯上的推流體流過時，作用在上、下兩個閥芯上的推力方向相反且大小相近，可以互相抵消，所以不力方向相反且大小相近，可以互相抵消，所以不平衡力小。平衡力小。（3 3）蝶閥）蝶閥( (翻板閥翻板閥) ) 結(jié)構簡單、重量輕、流阻極小，但泄漏量大。結(jié)構簡單、重量輕、流阻極小，但泄漏量大。適用于

15、大口徑、適用于大口徑、大流量、低壓差的場大流量、低壓差的場合，也可以用于含少合，也可以用于含少量纖維或懸浮顆粒狀量纖維或懸浮顆粒狀介質(zhì)的控制。介質(zhì)的控制。（4 4）三通閥）三通閥 有三個出入口與工藝管道連接。適用于三個方有三個出入口與工藝管道連接。適用于三個方向流體的管路控制系統(tǒng)和配比控制系統(tǒng)。向流體的管路控制系統(tǒng)和配比控制系統(tǒng)。（5 5）隔膜閥）隔膜閥 采用耐腐蝕材料采用耐腐蝕材料作隔膜，將閥芯與流作隔膜，將閥芯與流體隔開。體隔開。結(jié)構簡單、流阻小、流通能力比同口徑的其結(jié)構簡單、流阻小、流通能力比同口徑的其他種類的閥要大。由于介質(zhì)用隔膜與外界隔離，故他種類的閥要大。由于介質(zhì)用隔膜與外界隔離，

16、故無填料，介質(zhì)也不會泄漏。無填料，介質(zhì)也不會泄漏。耐腐蝕能力強，適用于強酸、強堿、強腐蝕耐腐蝕能力強，適用于強酸、強堿、強腐蝕性介質(zhì)的控制，也能用于高粘度及懸浮顆粒狀介質(zhì)性介質(zhì)的控制，也能用于高粘度及懸浮顆粒狀介質(zhì)的控制。的控制。 （6 6）角形控制閥）角形控制閥兩個接管呈直角形，這種閥的流路簡單、對流體兩個接管呈直角形，這種閥的流路簡單、對流體的阻力較小。的阻力較小。適用于現(xiàn)場管道適用于現(xiàn)場管道要求直角連接，介質(zhì)要求直角連接，介質(zhì)為高粘度、高壓差和為高粘度、高壓差和含有少量懸浮物和固含有少量懸浮物和固體顆粒狀的場合。體顆粒狀的場合。 氣動薄膜三通氣動薄膜三通調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥氣動薄膜精氣動薄膜精小

17、型調(diào)節(jié)閥小型調(diào)節(jié)閥氣動薄膜式隔氣動薄膜式隔膜閥膜閥（2 2）控制閥流量特性的選擇）控制閥流量特性的選擇 按照過程控制系統(tǒng)的要求，確定工作流量特按照過程控制系統(tǒng)的要求，確定工作流量特 性，再根據(jù)流量特性曲線畸變程度及工藝要求和工性，再根據(jù)流量特性曲線畸變程度及工藝要求和工藝配管情況，確定理想流量特性。藝配管情況，確定理想流量特性。a a、固有（理想）流量特性、固有（理想）流量特性 在將控制閥前后壓差固定時得到的流量特性在將控制閥前后壓差固定時得到的流量特性稱為固有流量特性。它取決于閥芯的形狀。稱為固有流量特性。它取決于閥芯的形狀。b b、調(diào)節(jié)閥的工作流量特性、調(diào)節(jié)閥的工作流量特性 實際使用時，調(diào)

18、節(jié)閥裝在具有阻力的管道系實際使用時，調(diào)節(jié)閥裝在具有阻力的管道系統(tǒng)中。管道對流體的阻力隨流量而變化，閥前后統(tǒng)中。管道對流體的阻力隨流量而變化，閥前后壓差也是變化的，這時流量特性會發(fā)生畸變。壓差也是變化的，這時流量特性會發(fā)生畸變。yt輸出特性輸 出 特 性對 象 特 性調(diào) 節(jié) 閥 特 性調(diào)節(jié)閥特性補償作用 執(zhí)行器的執(zhí)行機構有正作用式執(zhí)行器的執(zhí)行機構有正作用式和反作用式兩種，控制閥有正和反作用式兩種，控制閥有正裝和反裝兩種。裝和反裝兩種。執(zhí)行機構：執(zhí)行機構： 正作用：當輸入信號增大時，正作用：當輸入信號增大時，執(zhí)行機構推桿向下運動。執(zhí)行機構推桿向下運動。 反作用：當輸入信號增大時，反作用：當輸入信號

19、增大時，執(zhí)行機構推桿向上運動。執(zhí)行機構推桿向上運動?？刂崎y：正裝和反裝控制閥：正裝和反裝閥芯下移時，閥芯與閥閥芯下移時，閥芯與閥座間的流通截面積增大座間的流通截面積增大閥芯下移時，閥芯與閥閥芯下移時，閥芯與閥座間的流通截面積減小座間的流通截面積減小執(zhí)行器的作用方式可分為氣開和氣關兩種形式。執(zhí)行器的作用方式可分為氣開和氣關兩種形式。 氣開閥氣開閥是隨著信號壓力的增加而閥門開度增大，是隨著信號壓力的增加而閥門開度增大，無信號時，閥處于全關狀態(tài)；無信號時，閥處于全關狀態(tài)； 氣關閥氣關閥是隨著信號壓力的增加閥門逐漸關閉，是隨著信號壓力的增加閥門逐漸關閉，無信號時，閥處于全開狀態(tài)。無信號時，閥處于全開狀

20、態(tài)。圖圖 4-8 4-8 執(zhí)行器組合方式執(zhí)行器組合方式 a)a)氣關氣關 b)b)氣開氣開 c)c)氣開氣開 d)d)氣關氣關序序 號號執(zhí)行機構執(zhí)行機構閥體閥體氣動控制閥氣動控制閥a a正正正正（正）氣關（正）氣關b b正正反反（反）氣開（反）氣開c c反反正正（反）氣開（反）氣開d d反反反反（正）氣關（正）氣關 給水閥給水閥燃氣閥燃氣閥蒸汽蒸汽例如：例如： 選擇蒸汽鍋爐的控選擇蒸汽鍋爐的控制閥門時，為保證失控制閥門時，為保證失控狀態(tài)下鍋爐的安全：狀態(tài)下鍋爐的安全： 給水閥應選氣關式給水閥應選氣關式 燃氣閥應選氣開式燃氣閥應選氣開式v閥門氣開氣關式的選擇原則：閥門氣開氣關式的選擇原則：當控制

21、信號中斷時，閥門的復位位置能使工藝當控制信號中斷時，閥門的復位位置能使工藝設備處于安全狀態(tài)。設備處于安全狀態(tài)。 對于一個控制系統(tǒng)來說，究竟選擇氣開作用對于一個控制系統(tǒng)來說，究竟選擇氣開作用方式還是氣關作用方式要由生產(chǎn)工藝要求來決定。方式還是氣關作用方式要由生產(chǎn)工藝要求來決定。一般來說，要根據(jù)以下幾條原則來進行選擇。一般來說，要根據(jù)以下幾條原則來進行選擇。 i i、從生產(chǎn)的安全出發(fā)、從生產(chǎn)的安全出發(fā) iiii、從保產(chǎn)品質(zhì)量考慮、從保產(chǎn)品質(zhì)量考慮 iiiiii、從降低原料和動力的損耗考慮、從降低原料和動力的損耗考慮 iviv、從介質(zhì)特點考慮、從介質(zhì)特點考慮120.02QLLKvPP作用：作用：改善

22、調(diào)節(jié)閥的改善調(diào)節(jié)閥的定位精度和靈敏度定位精度和靈敏度工作原理：工作原理：負反饋負反饋 工作過程：工作過程：閥門定位閥門定位器將來自控制器的控制信器將來自控制器的控制信號（號（I I或或P P），成比例地轉(zhuǎn)），成比例地轉(zhuǎn)換成氣壓信號換成氣壓信號PaPa輸出至執(zhí)輸出至執(zhí)行機構，使閥桿產(chǎn)生位移，行機構，使閥桿產(chǎn)生位移，其位移量通過機械機構反其位移量通過機械機構反饋到閥門定位器，當位移饋到閥門定位器，當位移反饋信號與輸入的控制信反饋信號與輸入的控制信號相平衡時，閥桿停止動號相平衡時，閥桿停止動作，調(diào)節(jié)閥的開度與控制作，調(diào)節(jié)閥的開度與控制信號相對應。信號相對應。 4 4、電、電/ /氣轉(zhuǎn)換器氣轉(zhuǎn)換器 實際應用中，常把電實際應用中，常把電/ /氣轉(zhuǎn)換器和閥門定位器氣轉(zhuǎn)換器和閥門定位器結(jié)合成一體，組成電結(jié)合成一體，組成電/ /氣閥門定位器。氣閥門定位器。 電電/ /氣