《过程控制装置》课程授课教案（控制仪表及装置）第三章.执行器 Actuator

第三章.执行器(Actuator)教学目的与要求：通过对电动、气动、数字式执行器的学习，掌握各类执行器基本结构特点和使用方法，能够熟练进行选型。授课内容：执行器概述，执行机构，调节机构重点、难点：掌握执行器的基本结构和特点、调节机构的流量特性，执行器的正反作用选择：理解执行器的选型步骤；了解工业过程中使用的各类执行器。外语词汇：actuator,actuatormechanism,adjustment mechanism,adjusting valve,flowcoefficient，valvepositioner阀门定位器，valvecore阀心,valveseat阀座，pneumaticvalve气动阀参考书：张永德过程控制装置，北京化学工业出版社，20003.1.概述3.1.1.作用：8示糖变送器接受来自调节原料器的控制信号，通整制器SF过其本身开度的变执行部文0一换器：化，从而达到调节燃料油流量的目的执行器使用条件恶劣，是调节系统的薄弱环节3.1.2.执行器的构成执行器由执行机构和调节机构两个部分构成((8)F控制变量流量o执行机构调节机构+（流通截面积）执行器的推动装置执行器的调节部分产生相应的输出力F和位移调节从阅芯，阅座之间流过的流量辅助装置：阀门定位器-利用负反馈原理改善执行器的性能手操机构一用于人工直接操作执行器3.1.3.执行器的分类及特点(1)按使用的能源形式分类：

第三章.执行器(Actuator) 教学目的与要求：通过对电动、气动、数字式执行器的学习，掌握各类执行器基本结构特点 和使用方法，能够熟练进行选型。 授课内容：执行器概述,执行机构,调节机构 重点、难点：掌握执行器的基本结构和特点、调节机构的流量特性，执行器的正反作用选择； 理解执行器的选型步骤；了解工业过程中使用的各类执行器。 外语词汇： actuator, actuator mechanism, adjustment mechanism,adjusting valve, flow coefficient, valve positioner 阀门定位器,valve core 阀心,valve seat 阀座,pneumatic valve 气动阀 参考书：张永德 过程控制装置，北京 化学工业出版社，2000 3.1. 概述 3.1.1.作用： • 3.1.2. 执行器的构成 执行器由执行机构和调节机构两个部分构成 辅助装置：阀门定位器——利用负反馈原理改 善执行器的性能 手操机构——用于人工直接操作执行器 3.1.3.执行器的分类及特点 (1)按使用的能源形式分类：

气动执行器PneumaticActuator气动调节阀电动执行器ElectricalActuator电动调节阀液动执行器HydrodynamieActuator气动调节阀采用气动执行机构：电动调节阀采用电动执行机构：(2)按使用的调节机构分类：直通双座调节阀角蝶阀直直通单座调节阀行程式调节机构行凸轮挠曲调节阀笼式（套筒）调节阀程三通调节阀V型球阀式角型调节阀调O型球阀高压调节阀节隔膜调节阀机波纹管密封调节阀构超高压调节阀小流量调节阀同一类型的气动调节阀和低噪音调节阀电动调节阀，分别采用气动执行机构和电动执行机构(3)执行器的特点气动调节阀优点：结构简单、动作可靠稳定、输出力大、安装维修方便、价格便宜和防火防爆缺点：响应时间大，信号不适于远传采用电/气转换器或电/气阀门定位器，使传送信号为电信号，现场操作为气动信号。电动调节阀优点：动作较快、能源获取方便、特别适于远距离的信号传送缺点：输出力较小、价格贵一般只适用于防爆要求不高的场合3.1.4.执行器的作用方式正作用：当输入信号增大时，执行器的开度增大，即流过执行器的流量增大气动调节阀通常称为气开阀反作用：当输入信号增大时，流过执行器的流量减小气动调节阀通常称为气关阀

气动调节阀采用气动执行机构： 电动调节阀采用电动执行机构： (2)按使用的调节机构分类： (3)执行器的特点 气动调节阀 优点：结构简单、动作可靠稳定、输出力大、 安装维修方便、价格便宜和防火防爆 缺点：响应时间大，信号不适于远传 采用电/气转换器或电/气阀门定位器，使传送信号为电信号，现场操作为气动信号。 电动调节阀 优点：动作较快、能源获取方便、 特别适于远距离的信号传送 缺点：输出力较小、价格贵 一般只适用于防爆要求不高的场合 3.1.4. 执行器的作用方式 正作用: 当输入信号增大时，执行器的开度增大，即流过执行器的流量增大 气动调节阀通常称为气开阀 反作用: 当输入信号增大时，流过执行器的流量减小 气动调节阀通常称为气关阀

3.2.执行机构执行机构的作用：根据输入控制信号的大小，产生相应的输出力F和位移（直线位移1或角位移の输出力F用于克服调节机构中流动流体对阀芯产生的作用力或作用力矩，以及摩擦力等其他各种阻力；位移（1或）用于带动调节机构阀芯动作执行机构作用方式正作用：输入信号增加，执行机构推杆向下运动反作用输入信号增加，执行机构推杆向上运动3.2.1.气动执行机构气动执行机构接受气动调节器或阀门定位器输出的气压信号，并将其转换成相应的输出力F和直线位移I，以推动调节机构动作。气动执行机构接受气动调节器或阀门定位器输出的气压信号，并将其转换成相应的输出力F和直线位移I，以推动调节机构动作。薄膜式与活塞式执行机构又可分为有弹簧和无弹簧两种（1）气动薄膜式执行机构停号压力入口结构1-上膜盖：2-波纹膜片3-下膜盖：4-支架5-推杆；6-压缩弹簧7-弹簧座；8-调节件9-连接阀杆螺母10-行程标尺工作原理：？气动薄膜式执行机构的特性a)静态特性气动薄膜式执行机构的力平衡方程式为非线性偏差小于土5%，回差小于3~5%b）动态特性（2）气动活塞式执行机构长行程执行机构特点：行程长输出力矩大

3.2. 执行机构 执行机构的作用: ——根据输入控制信号的大小，产生相应的输出力 F 和位移(直线位移 l 或角位移θ) 输出力 F 用于克服调节机构中流动流体对阀芯产生的作用力或作用力矩，以及摩擦力等其 他各种阻力； 位移 (l 或θ)用于带动调节机构阀芯动作 执行机构作用方式 正作用: 输入信号增加，执行机构推杆向下运动 反作用: 输入信号增加，执行机构推杆向上运动 3.2.1. 气动执行机构 气动执行机构接受气动调节器或阀门定位器输出的气压信号，并将其转换成相应的输出 力 F 和直线位移 l，以推动调节机构动作。 气动执行机构接受气动调节器或阀门定 位器输出的气压信号，并将其转换成相应的输出力 F 和直线位移 l，以推动调节机构动 作。 薄膜式与活塞式执行机构又可分为有弹簧和无弹簧两种 ( 1) 气动薄膜式执行机构 工作原理：？ 气动薄膜式执行机构的特性 a) 静态特性 气动薄膜式执行机构的力平衡方程式为 非线性偏差小于±5％， 回差小于 3～5％ b) 动态特性 （2）气动活塞式执行机构 长行程执行机构特点:行程长 输出力矩大

P1活塞气缸P23.2.2.电动执行机构接受0~10mADC或4~20mADC的输入信号，并将其转换成相应的输出力F和直线位移1或输出力矩M和角位移0构成原理输入伺服电动机减速器伺服放大器信号输出位置反馈信号位置发送器(1）伺服电机作用：将伺服放大器输出的电功率转换成机械转矩伺服电机实际上是一个二相电容异步电机，由一个用冲槽硅钢片叠成的定子和鼠笼转子组成，定子上均匀分布着两个匝数、线径相同而相隔90°电角度的定子绕组W1和W2。(2）伺服放大器Wi可控硅交I流开关I放大If器W2可控硅交人人A流开关Ⅱ220V伺服放大器

3.2.2. 电动执行机构 接受 0~10mADC 或 4~20mADC 的输入信号，并将其转换成相应的输出力 F 和直线位移 l 或输出力矩 M 和角位移θ 构成原理 (1) 伺服电机 作用: 将伺服放大器输出的电功率转换成机械转矩 伺服电机实际上是一个二相电容异步电 机，由一个用冲槽硅钢片叠成的定子和鼠笼转子组成，定子上均匀分布着两个匝数、线径相 同而相隔 90°电角度的定子绕组 W1 和 W2。 (2) 伺服放大器

作用：将输入信号和反馈信号进行比较，得到差值信号，并根据的极性和大小，控制可控硅交流开关I、Ⅱ的导通或截止。可控硅交流开关I、I用来接通伺服电机的交流电源，分别控制伺服电机的正、反转或停止不转（3）位置发送器作用：将电动执行机构输出轴的位移线性地转换成反馈信号，反馈到伺服放大器的输入端。位置发送器包括：位移检测元件和转换电路位移检测元件用于将电动执行机构输出轴的位移转换成mV或电阻等信号，常用的位移检测元件有差动变压器、塑料薄膜电位器和位移传感器等：转换电路用于将位移检测元件输出信号转换成伺服放大器所要求的输入信号，如0-10mA或4-20mA直流电流信号。(4）减速器作用：将伺服电机高转速、小力矩的输出功率转换成执行机构输出轴的低转速、大力矩的输出功率，以推动调节机构。直行程式的电动执行机构中，减速器还起到将伺服电机转子的旋转运动转变为执行机构输出轴的直线运动的作用。减速器一般由机械齿轮或齿轮与皮带轮构成。电动执行机构的特性伺服放大器是一个具有继电特性的非线性环节，为不灵敏区A1(8)I云8TI,-I无输出；22Is减速器伺服电机伺服放大器△I-I输出~215V2t位置反馈减速器和位置发送器为比例环节同服电机接通电源：伺服电机工作在恒速状态，故为一个积分环节，因此，电动执行机构的动态特性主要取决于伺服电机的特性，即具有积分特性伺服电机停止转动时：11或0=为比例特性KsK

作用: 将输入信号和反馈信号进行比较，得到差值信号，并根据的极性和大小，控制可控硅交 流开关Ⅰ、Ⅱ的导通或截止。可控硅交流开关Ⅰ、Ⅱ用来接通伺服电机的交流电源，分别控 制伺服电机的正、反转或停止不转 (3) 位置发送器 作用:将电动执行机构输出轴的位移线性地转换成反馈信号，反馈到伺服放大器的输入 端。 位置发送器包括：位移检测元件和转换电路 位移检测元件用于将电动执行机构输出轴的位移转换成 mV 或电阻等信号，常用的位 移检测元件有差动变压器、塑料薄膜电位器和位移传感器等； 转换电路用于将位移检测元件输出信号转换成伺服放大器所要求的输入信号，如 0-10mA 或 4-20mA 直流电流信号。 (4) 减速器 作用：将伺服电机高转速、小力矩的输出功率转换成执行机构输出轴的低转速、大 力矩的输出功率，以推动调节机构。 直行程式的电动执行机构中，减速器还起 到将伺服电机转子的旋转运动转变为执行机构输出轴的直线运动的作用。 减速器一般由机械齿轮或齿轮与皮带轮构成。 电动执行机构的特性 伺服放大器是一个具有继电特性的非线性环节， 为不灵敏区 减速器和位置发送器为比例环节 伺服电机接通电源：伺服电机工作在恒速状态，故为一个积分环节，因此，电动执行机 构的动态特性主要取决于伺服电机的特性，即具有积分特性 伺服电机停止转动时：

3.3.调节机构调节机构是执行器的调节部分，在执行机构的输出力和输出位移作用下，调节机构阀芯的运动，改变了阀芯与阀座之间的流通截面积，即改变了调节阀的阻力系数，使被控介质流体的流量发生相应变化。3.3.1.调节机构的结构和特点主要构成：阀体、阀座、阀心、和阀杆或转轴1执行机构2一阀杆3一阀芯4一阀座5一阀体6转轴7一阀板常用调节阀结构示意图及特点常用调节阀结构示意图及特点(a)(b)(c)直通单座调节阀直通双座调节阀特点：泄漏量小特点：泄漏量大允许压差大允许压差小5-#3.(d)(e)(f)三通阀角形调节阀特点：流路简单特点：有三个接管口阻力小

3.3. 调节机构 调节机构是执行器的调节部分，在执行机构的输出力和输出位移作用下，调节机构阀芯 的运动，改变了阀芯与阀座之间的流通截面积，即改变了调节阀的阻力系数，使被控介质流 体的流量发生相应变化。 3.3.1. 调节机构的结构和特点 主要构成：阀体、阀座、阀心、和阀杆或转轴 1—执行机构 2—阀杆 3—阀芯 4—阀座 5—阀体 6—转轴 7—阀板 常用调节阀结构示意图及特点 直通单座调节阀 直通双座调节阀 特点:泄漏量小 特点:泄漏量大 允许压差大 允许压差小 角形调节阀 三通阀 特点:流路简单 特点:有三个接管口 阻力小

片13(g)(h)(i)蝶阀特点：成本低泄漏较大流通能力大套筒阀特点：稳定性好拆装维修方便偏心旋转阀特点流路阻力小3.3.2.调节机构的工作原理流体经调节阀时的能量损失H为P-PH=pg单位质量流体经调节阅时的能量损失与流体的动能成正比W2H=82g流体在调节阀的平均流速W为W-A2APA2(P-P22)AQV11Dp调节阀实际应用的流量方程式cm?X2△PA-g/cm3 (10-5N s2 / cm)0p100kPa(10N/cm2)Q= m3/hAPAP203600A5.09元4Q=(m3/ h)10%V10-5EVPTEVPK=5.094则AP设O=KVEpK为调节阀的流量系数3.3.3.调节阀的流量系数K-反映调节阀口径大小

蝶阀 特点:成本低 泄漏较大 流通能力大 套筒阀 特点:稳定性好 拆装维修方便 偏心旋转阀 特点 流路阻力小 3.3.2. 调节机构的工作原理 流体经调节阀时的能量损失 H 为 单位质量流体经调节阀时的能量损失与流体的动能成正比 流体在调节阀的平均流速 W 为 调节阀实际应用的流量方程式 K 为调节阀的流量系数 3.3.3. 调节阀的流量系数 K ——反映调节阀口径大小

4K=5.09VE因故元K=4.0DV2DN?A=4VE规定条件下的流量系数K以表示APKQ=1pk的定义：在调节阀前后压差为100KPa，流体密度为1g/cm3（即5～40℃的水）的条件下，调节阀全开时，每小时通过阀门的流体量（m3）流量系数的计算由AP取△P的单位为kPaQ=K.Vp可得：100VpK=适用于一般液体AP1.流体的种类和性质将影响K的大小，因此对不同的流体必须考虑其对流量系数的影响2.流体的流动状态也将影响K的大小，因此要考虑阻塞流与非阻塞流的情况流量系数计算公式汇总表见p171表5-13.3.4.调节阀的可调比-反映调节阀的调节能力的大小定义：调节阀所能控制的最大流量和最小流量之比0maxRmin调节阀前后压差的变化，会引起可调比变化，将可调比分为理想可调比和实际可调比。(1)理想可调比（4P一定)APKmaxpKmaxOmnsR=OuinAPKinKminP由结构设计决定50R-30，(2)实际可调比Rr(4P变化)①串联管道时的可调比

规定条件下的流量系数 K 以 表示 k 的定义 : 在调节阀前后压差为 100KPa，流体密度为 1g/cm3 （即 5～40℃的水）的条件下， 调节阀全开时，每小时通过阀门的流体量（m3） 流量系数的计算 1.流体的种类和性质将影响 K 的大小，因此对不同的流体必须考虑其对流量系数的影响 2.流体的流动状态也将影响 K 的大小，因此要考虑阻塞流与非阻塞流的情况 流量系数计算公式汇总表见 p171 表 5-1 3.3.4. 调节阀的可调比 ——反映调节阀的调节能力的大小 定义:调节阀所能控制的最大流量和最小流量之比 调节阀前后压差的变化，会引起可调比变化，将可调比分为理想可调比和实际可调比。 (1) 理想可调比 (ΔP 一定) (2)实际可调比 Rr (ΔP 变化) ①串联管道时的可调比

APrmKmxCmrAPAPuinPminR.RRAPanOminAPmaeAKainp0NPmin设S-P1APs则Rr = RJS②并联管道时的可调比OmaDmaxR.QQ0Qmm+Q,min设QimayApYOmr30则OrexsR25R.:mr +(12)-OmarR-(R-1)20广R&15R>>1Cmr1R,=一Q21- %00.853.3.5.调节阀的流量特性介质流过调节阀的相对流量与相对位移（即阀的相对开度）之间的关系0fc.0maxAPAAP5.09:VEV0P调节阀前后压差的变化，会引起流量变化。流量特性分为理想流量特性和实际流量特性①理想流量特性（4P一定）调节阀的固有特性，由阀芯的形状所决定

②并联管道时的可调比 3.3.5. 调节阀的流量特性 介质流过调节阀的相对流量与相对位移（即阀的相对开度）之间的关系 调节阀前后压差的变化，会引起流量变化。流量特性分为理想流量特性和实际流量特性 ① 理想流量特性 (ΔP 一定) 调节阀的固有特性，由阀芯的形状所决定

14理想流量特性主要有直线特性、等百分比（对数）特性、抛物线特性及快开特性等四种（1）直线流量特性调节阀的相对流量与相对位移成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数QdO(%)8/0dLQ111.111+(R-D-6+1-OmxRLRRLI/L(%)特点：a.放大系数是常数b.Q流量相对变化值(2）等百分比流量特性（对数流量特性）单位相对位移变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系QQO(% )0/0kOmnrd(LL/L(%)特点：a.Q放大系数b.流量相对变化值是常数(3）抛物线流量特性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

理想流量特性主要有直线特性、等百分比（对数）特性、抛物线特性及快开特性等四种 (1) 直线流量特性 调节阀的相对流量与相对位移成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数 特点：a.放大系数是常数 b. Q 流量相对变化值 (2) 等百分比流量特性（对数流量特性） 单位相对位移变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系 特点：a. Q 放大系数 b. 流量相对变化值是常数 (3) 抛物线流量特性 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