第 6 章执行器

第6章执行器 • 概述 • 执行机构 • 调节机构 • 调节阀的流量系数和流量特性 • 阀门定位器 • 执行器的选择计算和安装

1.概述 对执行器的初步认识气动薄膜直通单座阀气动薄膜直通双座阀气动蝶阀气动球阀气动切断阀气动薄膜角形阀电动直通单座阀电动隔膜阀电动三通阀电磁阀手动截止阀

执行器通常专指阀门 执行器在自控系统中的作用执行器是指：阀门－调节阀(连续的)、开关阀(过程控制范畴) 电机－连续的、开关的(属于流体机械的范畴，起执行器的作用) 执行器在自控系统中的作用：接收调节器（计算机）输出的控制信号，使调节阀的开度产生相应变化，从而达到调节操作变量流量的目的。执行器是控制系统必不可少的环节。执行器工作，使用条件恶劣，它也是控制系统最薄弱的环节原因：执行器与介质（操作变量）直接接触 (强)腐蚀性、(高)粘度、(易)结晶、高温、深冷、高压、高差压

执行器的构成 PO 1 气动执行机构 2 3 6 4 调节机构 5 图6-2 气动薄膜调节阀的外形和内部结构 1－薄膜 2－平衡弹簧 3－阀杆 4－阀芯 5－阀体 6－阀座

执行器由执行机构和控制（调节）机构两个部分构成执行器由执行机构和控制（调节）机构两个部分构成 PO F → l 流通截面积执行机构调节机构 IO M→θ 操纵变量的流量辅助装置：阀门定位器和手动操作机构执行机构——根据控制信号产生推力(薄膜、活塞、马达…)。它是执行器的推动装置，它按控制信号的大小产生相应的推力，推动控制机构动作，所以它是将信号的大小转换为阀杆位移的装置控制机构——根据推力产生位移或转角，改变开度。它是执行器的控制部分，它直接与被控介质接触，控制流体的流量。所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置手操机构——手轮机构的作用是当控制系统因停电、停气、控制器无输出或执行机构失灵时，利用它可以直接操纵控制阀，以维持生产的正常进行。

分类－－按使用的能源形式： 电动执行器液动执行器气动执行器气动阀电动阀在过程控制领域应用很少按阀门的输出：连续式(0～100％) 开关式(ON/OFF) 调节阀**

气动调节阀 气动调节阀采用气动执行机构优点：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气信号电信号电动调节阀电动调节阀采用电动执行机构优点：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，且一般只适用于防爆要求不高的场合

分类－－按使用的调节机构： 直通双座调节阀直通单座调节阀笼式（套筒）调节阀角型调节阀三通调节阀高压调节阀隔膜调节阀波纹管密封调节阀超高压调节阀小流量调节阀低噪音调节阀直行程式调节机构角行程式调节机构蝶阀凸轮挠曲调节阀 V型球阀 O型球阀同一类型的气动/电动调节阀，分别采用气动执行机构和电动执行机构

执行器的作用方式 H 从安全生产的角度来确定正反作用正作用：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如果，介质是由强腐蚀性的，再生产过程中不允许溢出，调节阀的作用形式？如果后面的环节不允许没有物料，调节阀的作用形式？

2. 执行机构 根据控制信号的大小，产生相应的输出力F和位移M(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气动执行机构电动执行机构

2.1. 气动执行机构 气动执行机构主要分为两大类：薄膜式与活塞式薄膜式与活塞式执行机构又可分为：有弹簧和无弹簧两种

气动薄膜式执行机构基本结构和工作原理 气源 PO 气源PO 气动执行机构的动态特性为一阶滞后环节。其时间常数的大小与薄膜气室大小及引压导管长短粗细有关，一般为数秒到数十秒之间。

气动活塞式执行机构基本结构和工作原理 P1 P2 基本部件：活塞和气缸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。两位式是根据输入执行活塞两侧的操作压力的大小，活塞从高压侧推向低压侧，使推杆从一个位置移到另一极端位置比例式是在两位式基础上加有阀门定位器后，使推杆位移与信号压力成比例关系。

2.2. 电动执行机构 供参考构成原理输入信号伺服放大器＋ ε 伺服电机减速器输出－位置发生器 RETURN

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。

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——直通单座调节阀常用调节阀结构示意图及特点——直通单座调节阀直通单座调节阀：阀体内只有一个阀芯和一个阀座。结构简单、泄漏量小（甚至可以完全切断）允许压差小（双导向结构的允许压差较单导向结构大）。双导向结构它适用于要求泄漏量小，工作压差较小的干净介质的场合。在应用中应特别注意其允许压差，防止阀门关不死。单导向结构

常用调节阀结构示意图及特点——直通双座调节阀常用调节阀结构示意图及特点——直通双座调节阀直通双座调节阀：阀体内有两个阀芯和阀座。因为流体对上、下两阀芯上的作用力可以相互抵消，因此双座阀具有允许压差大上、下两阀芯不易同时关闭，因此泄漏量较大的特点。它适用于阀两端压差较大，泄漏量要求不高的干净介质场合，不适用于高粘度和含纤维的场合。均为双导向结构

常用调节阀结构示意图及特点——角形调节阀 角形调节阀：阀体为直角形流路简单、阻力小，适用于高压差、高粘度、含有悬浮物和颗粒状物质的调节。角形阀一般使用于底进侧出，此时调节阀稳定性好，在高压差场合下，为了延长阀芯使用寿命，也可采用侧进底出。但侧进底出在小开度时易发生振荡。角形阀还适用于工艺管道直角形配管的场合。

常用调节阀结构示意图及特点——三通调节阀 三通调节阀：阀体有三个接管口，适用于三个方向流体的管路控制系统，大多用于热交换器的温度调节、配比调节和旁路调节。在使用中应注意流体温差不宜过大，通常小于是150℃，否则会使三通阀产生较大应力而引起变形，造成连接处泄漏或损坏。三通阀有三通合流阀和三通分流阀两种类型。三通合流阀为介质由两个输入口流进混合后由一出口流出；三通分流阀为介质由一入口流进，分为两个出口流出。合流三通调节阀分流三通调节阀

常用调节阀结构示意图及特点——蝶阀 蝶阀：蝶阀是通过挡板以转轴为中心旋转来控制流体的流量。结构紧凑、体积小、成本低，流通能力大特别适用于低压差、大口径、大流量的气体形或带有悬浮物流体的场合泄漏较大蝶阀通常工作转角应小于70℃，此时流量特性与等百分比特性相似多用于开关阀蝶阀

常用调节阀结构示意图及特点——套筒阀 套筒阀：套筒阀的结构比较特殊，阀体与一般的直通单座阀相似，但阀内有一个圆柱形套筒，又称笼子，利用套筒导向，阀芯可在套筒中上下移动。套筒上开有一定形状的窗口（节流孔），套筒移动时，就改变了节流孔的面积，从而实现流量调节。套筒阀分为单密封和双密封两种结构，前者类似于直通单座阀，适用于单座阀的场合；后者类似于直通双座阀，适用于双座阀的场合。套筒阀具有稳定性好、拆装维修方便等优点，因而得到广泛应用，但其价格比较贵。套筒阀

常用调节阀结构示意图及特点——偏心旋转阀 偏心旋转阀：转轴带动阀芯偏心旋转体积小，重量轻，使用可靠，维修方便，通用性强，流体阻力小等优点，适用于粘度较大的场合，在石灰、泥浆等流体中，具有较好的使用性能。偏心旋转阀

常用调节阀结构示意图及特点——“O”形球阀常用调节阀结构示意图及特点——“O”形球阀 “O”形球阀：阀芯为一球体阀芯上开有一个直径和管道直径相等的通孔，转轴带动球体旋转，起调节和切断作用。该阀结构简单，维修方便，密封可靠，流通能力大流量特性为快开特性，一般用于位式控制。 “O”形球阀

常用调节阀结构示意图及特点——“V”形球阀常用调节阀结构示意图及特点——“V”形球阀 “V”形球阀：阀芯也为一球体但球体上开孔为V形口，随着球体的旋转，流通截面积不断发生变化，但流通截面的形状始终保持为三角形。该阀结构简单，维修方便，关闭性能好，流通能力大，可调比大流量特性近似为等百分比特性，适用于纤维、纸浆及含颗粒的介质。 “V”形球阀

4. 流量系数和流量特性 孔板流量计的公式？？调节阀的流量方程依据的原理：伯努利方程（能量守恒）

4.1. 调节阀的流量系数 流量系数是反映调节阀口径大小的一个重要参数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KV的定义: 把上述参数代入流量方程，即可算出实际工况的流经阀门的流量事实上，这里提出流量系数的概念，用意不在流量的计算上，真正目的是根据工艺要求如何来选择一台合适的调节阀。

流量系数的计算 根据工艺要求，即流量Q、前后差压△P、介质密度ρ，可以用下式来计算调节阀的流量系数，并以此来作为阀门口径选择的依据之一：注意：上式中各参数的单位上式只适用于一般的流体（如水或者类似流体）流体的种类和性质将影响KV的大小，因此对不同的流体必须考虑其对流量系数的影响流体的流动状态也将影响K的大小

4.2. 调节阀的可调比 可调比R反映调节阀的调节能力的大小定义:调节阀所能调节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R (ΔP 一定) R=30 或 50 理想可调比由结构设计决定，通常

(2)实际可调比 Rr (ΔP 变化) ①串联管道时的可调比设

②并联管道时的可调比 供参考设 R ＞＞1

4.3. 调节阀的流量特性 调节阀流量特性：介质流过调节阀的相对流量与相对位移（即阀的相对开度）之间的关系实际流量实际位移最大位移最大流量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。 1-快开特性 2-直线特性 3-抛物线特性 4-等百分比（对数）特性

(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为了弥补直线特性在小开度时调节性能差的缺点，在抛物线特性基础上派生出一种修正抛物线特性，它在相对位移30%及相对流量变20%这段区间内为抛物线关系，而在此以上的范围是线性关系。

(4) 快开流量特性 在开度较小时就有较大的流量，随着开度的增大，流量很快就达到最大；此后再增加开度，流量变化很小有效位移一般为阀座直径的1/4 适用于迅速启闭的位式控制或程序控制系统上述4种流量特性中：直线和等百分比最常用。

② 工作流量特性 (ΔP 变化) (1)串联管道时 * 可调比减小 * 流量特性发生畸变直线特性→快开特性等百分比特性→直线特性

(2)并联管道时的工作流量特性 供参考可调比将大大下降通常一般X 值不能低于0.8，即旁路流量只能为总流量的百分数之十几。

5. 执行器的选择计算 执行器的选用是否得当，将直接影响控制系统的控制质量、安全性和可靠性执行器的选择，主要是从以下三方面考虑： 1.调节阀的结构形式； 2.调节阀的流量特性； 3.调节阀的口径。

5.1. 执行器结构形式的选择 执行机构的选择

(1)执行机构的选择 可以根据实际使用要求，综合考虑确定选择执行机构时，还必须考虑执行机构的输出力（力矩）应大于它所受到的负荷力（力矩）负荷力（力矩）包括流体对阀芯产生的作用力（不平衡力）或作用力矩（不平衡力矩）阀杆的摩擦力、重量以及压缩弹簧的预紧力对于气动薄膜执行机构:工作压差小于最大允许压差但当所用调节阀的口径较大或压差较高时，执行机构要求有更大的输出力，此时可考虑用活塞式执行机构，也可选用薄膜执行机构再配上阀门定位器。

确定整个调节阀的作用方式 气开式调节阀:有信号压力输入时阀打开无信号压力时阀全关气关式调节阀:有信号压力时阀关闭无信号压力时阀全开气开气关的选择考虑原则是：信号压力中断时，应保证设备和操作人员的发全，如阀门处于打开位置时危害性小，则应选用气关式；反之，则用气开式。

(2) 调节机构的选择 主要依据是：（1）流体性质如流体种类、粘度、腐蚀性、是否含悬浮颗粒（2）工艺条件如温度、压力、流量、压差、泄漏量（3）过程控制要求控制系统精度、可调比、噪音根据以上各点进行综合考虑，并参照各种调节机构的特点及其适用场合，同时兼顾经济性，来选择满足工艺要求的调节机构。

5.2. 执行器流量特性的选择 实际上是指如何选择直线特性和等百分比特性经验准则: （1）考虑系统的控制品质适当地选择调节阀的特性，以阀的放大系数的变化来补偿控制对象放大系数的变化，使控制系统总的放大系数保持不变或近似不变

（2）考虑工艺管道情况 调节阀在串联管道时的工作流量特性与S值的大小有关，即与工艺配管情况有关。因此，在选择其特性时，还必须考虑工艺配管情况。具体做法: 1.根据系统的特点选择所需要的工作流量特性 P182 表5-5 2.考虑工艺配管情况确定相应的理想流量特性

（3）考虑负荷变化情况 直线特性调节阀在小开度时流量相对变化值大，控制过于灵敏，易引起振荡，且阀芯、阀座也易受到破坏，因此在S值小、负荷变化大的场合，不宜采用。等百分比特性调节阀的放大系数随调节阀行程增加而增大，流量相对变化值是恒定不变的，因此它对负荷变化有较强的适应性。结论：常用的调节阀流量特性为“线性”和“等百分比” 在设计过程中，当流量特性难以确定时，优先选用“等百分比”特性，它的适应性更强。

5.3.调节阀的口径选择 就是根据工艺参数计算出K，然后根据K选取一个Kv值差不多的调节阀。 ——依据流量系数首先必须要合理确定调节阀流量和压差的数据。通常把代入计算公式中的流量和压差分别称为计算流量和计算压差。而在根据计算所得到的流量系数选择调节阀口径之后，还应对所选调节阀开度和可调节比进行验算，以保证所选调节阀的口径能满足控制要求。

选择调节阀口径的步骤 （1）确定计算流量最大计算流量是指通过调节阀的最大流量，其值应根据工艺设备的生产能力、对象负荷的变化、操作条件变化以及系统的控制质量等因素综合考虑，合理确定。避免两种倾向：过多考虑余量只考虑眼前生产

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