第三章 最終矯正裝置

1、第三章 最終矯正裝置 final correcting devices 前言：很多情況下，閉環(huán)系統(tǒng)的最終矯正裝置是閥門（活塞，valve）或類似閥門的裝置，調(diào)節(jié)流體流量。溫度控制：熱量的輸入利用閥門的調(diào)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(dá)：轉(zhuǎn)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(tǒng)里，）操縱變量是電流。伺服馬達(dá)：（伺服系統(tǒng)里，）被控量是物體的位置。學(xué)習(xí)目標(biāo)：

2、1 例舉常見最終矯正裝置2 電磁閥，雙位置馬達(dá)驅(qū)動(dòng)閥，（位置）可調(diào)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)閥3 平衡梁原理的氣電閥，氣電式信號(hào)轉(zhuǎn)換器/氣動(dòng)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(wú)電流，則無(wú)磁場(chǎng)，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(jìn)入錐座（valve seat），堵塞進(jìn)出口間通道。線圈加電流，磁場(chǎng)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(jìn)出口間通道暢通。一把全開，或全關(guān)，所以用于開關(guān)式控

3、制系統(tǒng)。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(diǎn)：若卡位，加上電流后，因?yàn)殡姼泻艿停娏骱艽罅鬟^線圈，會(huì)因過熱燒毀線圈。3-2雙位置馬達(dá)驅(qū)動(dòng)閥（Two-position Electric Motor-Driven Valve）圖3-2 分相活塞馬達(dá)的線路圖，馬達(dá)可以把活塞打開或關(guān)閉，所示極限開關(guān)（LS）位置對(duì)應(yīng)于活塞關(guān)閉位置（原位置），右邊時(shí)序圖說明偏心輪如何操縱極限開關(guān) 馬達(dá)：閥門對(duì)抗巨大流體壓力。 結(jié)構(gòu)類似，連桿經(jīng)一連動(dòng)機(jī)構(gòu)與馬達(dá)相連，由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。 單向分相感應(yīng)馬達(dá)（split-phase induction motor）：速度低，轉(zhuǎn)矩大。輸出軸由0

4、76;到180°：閥門打開；180°到360°：閥門關(guān)閉。 馬達(dá)附近有極限開關(guān)（LS1，LS2）：檢測(cè)180°和360°（原）位置。 LS1：NO；LS2：NC；A：控制器打開閥門B：控制器關(guān)閉閥門； 馬達(dá)輸出軸在原位置，閥門關(guān)閉，極限開關(guān)LS1，LS2均受力，故LS1關(guān)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(dá)繞組，馬達(dá)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，一轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shí)LS2的NC端合上，故馬達(dá)電源未中斷。 2 馬達(dá)輸出軸在180°

5、;位置時(shí)，閥門全開，LS2再次受到偏心輪的力量，NC接點(diǎn)打開，馬達(dá)電力中斷，停止轉(zhuǎn)動(dòng)，閥門停留在張開的位置。 3 控制器關(guān)閉閥門，合上接頭B，攵流經(jīng)由LS1的NC接頭（因?yàn)榇藭r(shí)LS1并未受力）進(jìn)入馬達(dá)繞組（同時(shí)LS2不受力，NC接頭也是閉合的），馬達(dá)以相同方向旋轉(zhuǎn)，直到原位置（360°），此時(shí)LS1、LS2再次受力，（NC接頭均打開），電力中斷，馬達(dá)停止，閥門停留在關(guān)閉位置。 大多數(shù)驅(qū)動(dòng)雙位置閥門的馬達(dá)，轉(zhuǎn)半周需30秒，有時(shí)候設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)得很慢，長(zhǎng)達(dá)4分鐘，有時(shí)候用3位置控制器（既非開關(guān)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(hào)有3種： 1

6、檢測(cè)值很低打開閥門； 2 檢測(cè)量很高，關(guān)閉閥門； 3 檢測(cè)量在差額范圍內(nèi)，不動(dòng)閥門。3-3比例位置馬達(dá)驅(qū)動(dòng)閥（Proportional-position Electric Motor-Driven Valve）閥門能停留在任意一個(gè)中間位置。常用方法，將閥門接到一可逆轉(zhuǎn)低速感應(yīng)馬達(dá)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(hào)，為正：電源接到A點(diǎn)，繞組1（直接）受電，繞組2經(jīng)過移相（phase-shift）電容器串聯(lián)電，馬達(dá)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)（假設(shè)），帶動(dòng)阻尼板，關(guān)閉通道，位移檢測(cè)變阻器隨時(shí)將閥門位置反

7、饋至控制器，若合適，（控制器）將電源從A點(diǎn)移走，馬達(dá)停止，阻尼板停留在那位置；為負(fù)：相反，電源接到B點(diǎn)，繞組2（直接）受電，繞組1經(jīng)過移相（phase-shift）電容器串聯(lián)受電，馬達(dá)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)阻尼板，打開通道，位移檢測(cè)變阻器隨時(shí)將閥門位置反饋至控制器，若合適，（控制器）將電源從B點(diǎn)移走，馬達(dá)停止，阻尼板停留在那位置。無(wú)論什么方向轉(zhuǎn)動(dòng)，馬達(dá)一旦到達(dá)盡頭，2只極限開關(guān)之一會(huì)打開，中斷電源，此后馬達(dá)只能向另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)，只要控制器將電源再接入A/B，馬達(dá)即可向另一方向旋轉(zhuǎn)。圖3-3 分相馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的比例位移阻尼板，a）阻尼板，連動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖，馬達(dá)可逆向旋轉(zhuǎn)，b）電路圖，依據(jù)需要打開/關(guān)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(dá)驅(qū)動(dòng)也許行不通，閥門的慣性（inertia）和起動(dòng)摩擦（break-away friction）非馬達(dá)所能克服，此時(shí)須靠氣壓（pneumatic）或水壓（hydraulic）才能移動(dòng)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(wú)摩擦，數(shù)寸長(zhǎng)金屬桿。 電磁線圈：輸入電流，建立電磁場(chǎng)，與永久磁鐵相吸，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)力量與流經(jīng)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(dǎo)致限流頸部fixed restriction前后壓力差下降），因此變壓管內(nèi)（variable air pressure）氣壓上升，傳至活塞/閥門橫隔室上半部（因?yàn)闅鈮荷仙?，隔板向下，（帶?dòng)連接的）中心桿下伸，使活塞打開（或反之，關(guān)閉），同時(shí)使反饋彈簧受力，反向旋轉(zhuǎn)平衡桿，當(dāng)彈簧與磁鐵力矩相等時(shí)，平衡桿達(dá)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(jié)中電氣比例控制器實(shí)現(xiàn)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(hào)成比例3-4-2

10、 驅(qū)動(dòng)氣壓式移位器的氣電信號(hào)轉(zhuǎn)換器（Electropneumatic Signal Converter Driving a Pneumatic Positioner）與上一節(jié)（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(chǎn)生上舉力量，使平衡桿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，噴嘴阻塞，導(dǎo)致管內(nèi)氣壓上升，傳至壓力箱，產(chǎn)生下推力量，達(dá)到（新的）平衡，電流決定壓力（同時(shí)被傳送至他處有用）。簡(jiǎn)單說，系統(tǒng)將電流轉(zhuǎn)換成氣壓，二者關(guān)系為線性。輸出氣壓信號(hào)至氣動(dòng)活塞位移器（pneumatic valve positioner）（可能與氣電信號(hào)轉(zhuǎn)換器不在一

11、起，有些距離，轉(zhuǎn)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(shí)針），致前導(dǎo)汽缸（pilot cylinder）活塞上移，打開（下方）輸出口，（此時(shí)）大汽缸（power cylinder）（活的）上半部分接通前導(dǎo)汽缸內(nèi)部（使高壓橺氣進(jìn)入大汽缸），下半部分接通前導(dǎo)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(shí)使連桿B右旋，反饋彈簧壓力至壓力箱，當(dāng)與壓力箱所受氣壓平衡時(shí)，A回復(fù)原位置，（前導(dǎo)汽缸活塞回至中心），關(guān)閉出氣口，大汽缸活塞停止移動(dòng)，位置固定，最終位置與輸入壓力成比例，（良好設(shè)計(jì)，二者可有非常好的線性關(guān)系）。圖3-5 氣電信號(hào)轉(zhuǎn)換器和活塞位移器，

12、上面部分將電氣信號(hào)（電流）轉(zhuǎn)換成氣壓信號(hào)（空氣壓力），下面部分依據(jù)氣壓信號(hào)將活塞適當(dāng)移位。總體，活塞張開率與氣電信號(hào)轉(zhuǎn)換器輸入電流成正比，系統(tǒng)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(wěn)定位置（流經(jīng)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?yàn)殡姶盼Γ邏毫黧w（油）經(jīng)（下方）噴射管高速噴出，完全垂直時(shí)，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(zhuǎn)，使反饋彈簧

13、B張力加大，中心桿右偏，與電磁力轉(zhuǎn)矩相等時(shí)，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?？刂苹钊奈灰票壤谳斎氲碾姎庑盘?hào)。3-6 活塞流量特性（Valve Flow Characteristic）系統(tǒng)（對(duì)象）的理想流量特性：流量與活塞開度成絕對(duì)線性。圖3-7 控制系統(tǒng)（對(duì)象）的理想流量特性。 在實(shí)際系統(tǒng)里這種理想線性關(guān)系是無(wú)法達(dá)到的實(shí)際，與管道系統(tǒng)其他流量特性也有關(guān)（不僅是活塞）。活塞流量特性：假設(shè)活塞前后壓力差固定時(shí)，流量百分比和張開率之間關(guān)系。圖3-8 實(shí)際系統(tǒng)的流量特性圖。a）絕對(duì)線性的活塞流量特性，b）絕對(duì)線性活塞加入實(shí)際系

14、統(tǒng)里所得的流量特性，c）非線性活塞的流量特性，開度大時(shí)流量特性接近直線，開度小時(shí)，流量很低，d）用c中的活塞（加入到實(shí)際系統(tǒng)中），所得到的系統(tǒng)流量特性，因?yàn)榍昂髩毫Σ钭儎?dòng)的影響，系統(tǒng)特性向下彎，中和了活塞的上翹特性，結(jié)果得到很接近直線的系統(tǒng)流量特性。實(shí)際系統(tǒng)里，活塞開度變化時(shí)，前后壓力差也會(huì)改變，不能維持固定，開度變大，壓力差變小，流量會(huì)（比假設(shè)比例值）變小。b）：大開度時(shí)，流量下降，不再成比例，系統(tǒng)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(diǎn)明顯。一般對(duì)此，將活塞流量特性設(shè)計(jì)成c）圖所示，上翹，在實(shí)際系統(tǒng)里，經(jīng)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(wú)活塞頭，故無(wú)活塞曲線，流量特性如圖，可借助特殊設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)軸連動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)整改善，使系統(tǒng)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(zhuǎn)角之內(nèi)，在最初的30°和最后的30°之內(nèi)，幾乎無(wú)任何流量變化。3-7 繼電器和電接頭（Relay and Contactor） 3-7-1 開關(guān)式控制負(fù)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(tǒng)，借開/關(guān)電源進(jìn)行控

16、制。圖示，單向交流電源驅(qū)動(dòng)暄單向電熱元件，正誤差信號(hào)，切斷CA，溫度回降；反之，打開CA，溫度上升。需較大熱量系統(tǒng)，可采用三相電熱元件，3個(gè)接頭，控制3條電源線。圖3-10 開/關(guān)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(qū)別，在于接通或截?cái)嚯娏鞯哪芰?，繼電器小，電接頭大。3-7-2 繼電器遲滯現(xiàn)象（Relay Hysteresis）遲滯，因此有差額間隙（differential gap）。（起動(dòng)電流大于斷落電流）起動(dòng)電流（pick-up current）：大于某一定值，拉動(dòng)電樞，使接頭接上。斷落電流（drop-out current）：相對(duì)

17、的，小于某一定值，電樞彈回正常位置，電路中斷。線圈無(wú)電流時(shí)，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(dāng)線圈有電流時(shí)，建立的磁場(chǎng)須克服彈簧拉力，才能拉下電樞，有2個(gè)困難： 1 磁環(huán)路（magnetic field）存在空氣間隙，產(chǎn)生的磁場(chǎng)比無(wú)間隙要??； 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(shí)滯圖，電流需上升到啟動(dòng)電流，閉合動(dòng)作發(fā)生；電流下降到斷落電流，釋放動(dòng)作發(fā)生，b）電磁繼電器的主要部分，遲滯現(xiàn)象因電樞和磁心之間的空氣間隙而產(chǎn)生同理，接合時(shí)，只需較小電流就可維持現(xiàn)狀，要降到相當(dāng)?shù)偷某潭?，電樞才?huì)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(guān)式控制器，接法（CON激勵(lì)）比Y接法（CON釋放）功率高，可以控制溫度的高低。 激勵(lì)時(shí)：CON的常開接點(diǎn)閉合，為型； 釋放時(shí)：CON的常閉接點(diǎn)閉合，為Y型；二者功率相差3倍，因此可以控制溫度的