Process Control & Instrumentation Technology
主要内容
执行器：
电动执行器
气动执行器
调节阀及其流量特性
阀门定位器
变频器应用
Process Control & Instrumentation Technology
执行器
作用：控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。
执行器组成：
执行机构（驱动）
调节机构（阀芯）
接受调节器输出的控制信号，转换成直线位移或角位移，来改变调节阀的流通截面积。
Process Control & Instrumentation Technology
执行器
安装在生产现场，直接与介质接触；
通常在高温、高压、高粘度、强腐蚀、易结晶、易燃易爆、剧毒等场合下工作；
直接影响过程控制系统的控制质量。
Process Control & Instrumentation Technology
执行器分类
分为三大类：
以压缩空气为能源的气动执行器（即气动调节阀），气动执行器的输入信号为 20～
100kPa；
以电为能源的电动执行器（即电动调节阀），
电动执行器的输入信号为 4～ 20mA DC；
以高压液体为能源的液动执行器（即液动调节阀）。
Process Control & Instrumentation Technology
电动执行器
执行机构包括：永磁低速同步电动机、位置发送器和减速器等。
Process Control & Instrumentation Technology
气动执行器
执行机构由膜片、推杆和平衡弹簧等部分组成 ；
接受调节器或电 -气阀门定位器输出的气压信号，经膜片转换成推力，使推杆（阀杆）产生位移，同时带动阀心动作；
气动执行器的执行机构可看成一阶惯性环节（而电动执行器可看成比例环节）。
Process Control & Instrumentation Technology
调节阀
局部阻力可变的节流元件；
通过改变阀芯的行程可以改变调节阀的阻力系数，达到控制流量的目的。
Process Control & Instrumentation Technology
调节阀的主要结构形式
Process Control & Instrumentation Technology
调节阀的流量特性
指介质流过阀门的相对流量与相对开度之间的关系
qv/qvmax—— 相对流量，即调节阀某一开度流量与全开流量之比；
l/L—— 相对开度，即调节阀某一开度行程与全行程之比。
Llfq q
v
v
m a x
Process Control & Instrumentation Technology
理想流量特性
调节阀前后压差不变时，得到的流量特性；
流量特性完全取决于阀芯的形状；
理想流量特性有：
直线
对数
抛物线
快开
Process Control & Instrumentation Technology
直线流量特性
调节阀的相对流量与阀心的相对开度成直线关系，即调节阀相对开度变化所引起的相对流量变化是常数。
R为调节阀的可调范围,R=qvmax/qvmin
L
l
RRq
q
v
v?
111
m a x
Process Control & Instrumentation Technology
直线流量特性特点
阀心相对开度变化所引起的流量变化是相等的
流量相对变化量（流量变化量与原有流量之比）
是不同的：
在小开度时，流量相对变化量大；
在大开度时，其流量相对变化最小。
直线流量特性调节阀在小开度时，控制作用强，
易引起振荡；在大开度时，控制作用弱，控制缓慢。
Process Control & Instrumentation Technology
对数（等百分比）流量特性
其数学表达式
行程变化相同的百分数，流量在原来基础上变化的相对百分数是相等的，即具有等百分比流量特性。
对数（等百分比）流量特性特点：
调节阀在小开度时，控制缓和平稳
调节阀在大开度时，控制及时有效。
1
m a x
L
l
v
v R
q
q
Process Control & Instrumentation Technology
抛物线流量特性
相对流量与阀杆的相对开度成抛物线关系，
即相对流量与相对开度成平方关系。
它介于直线与对数流量特性之间，通常可用对数流量性来代替。
Process Control & Instrumentation Technology
快开流量特性
在小开度时流量就比较大，随着开度的增大流量很快就达到最大
主要适用于位式控制。
Process Control & Instrumentation Technology
工作流量特性
实际应用时，调节阀两端的压差是变化的，
此时调节阀的相对流量与相对开度之间的关系称为工作流量特性。
为衡量调节阀实际工作流量特性相对于理想流量特性的变化程度，用阻力比系数 S
来表示：
p
pS v
m i n
Process Control & Instrumentation Technology
调节阀 S值
串联管道，流量特性发生两个变化
一是调节阀全开时流量减小，即调节阀可调范围变小；
另一个是流量特性曲线向上拱，理想直线特性变成快开特性。 S值越小，畸变越严重。
并联工作时，根据现场使用经验，旁路流量只能为总流量的百分之十几,S值不能低于 0.8。
Process Control & Instrumentation Technology
调节阀的空化及其避免
闪蒸：
流体流经节流件（阀芯）时，在节流件后某处静压下降到最低，当静压力下降到甚至低于该液体所在工况下的饱和蒸汽压时，部分液体就会汽化成气体，
形成汽液混合的两相流体。
空化：
闪蒸发生后，随着流体的流动，其静压力又要上升。
当静压力回升到该液体所在工况下的饱和蒸汽压以上时，闪蒸形成的气泡会破裂重新转化为液体，这种气泡形成和破裂的过程称为空化。
Process Control & Instrumentation Technology
避免空化和汽蚀的方法
主要从压差的选择、材料、结构上考虑。
最根本的方法是使调节阀前后压差不大于最大允许压差：
可采用多级阀芯的高压调节阀；
用两个以上的调节阀相串联。
Process Control & Instrumentation Technology
选择调节阀的气开、气关形式
所谓气开式，即当信号压力增加时，阀门开大；气关式则相反，即信号压力增加时，
阀门关小。
考虑事故状态时人身、工艺设备的安全；
考虑在事故状态下减少经济损失，保证产品质量。
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阀门定位器
气动执行器的主要附件。
利用负反馈原理来改善调节阀的定位精度和灵敏度。
实现准确定位 ；
改善调节阀的动态特性 ；
改变调节阀的流量特性；
实现分程控制 。
Process Control & Instrumentation Technology
变频器原理
将频率、电压固定的交流电变换成频率、
电压连续可调的三相交流电源。
变频时应保持每极磁通 Ф m为额定值不变。
由于,故要求 V/f不变。
转矩提升,低压时,人为地把电压 V抬高一些，以便近似地补偿定子压降。
Mr NfkE 1111 44.4
Process Control & Instrumentation Technology
变频器主回路示意图
L
C
R
S
T
U
v
w
主电路示意图
R
T
P1 P( +)
N( -)
Process Control & Instrumentation Technology
主电路
整流器
将电网的交流电变为直流电。
滤波器
将整流器输出的脉动直流变成平稳的直流电。
逆变器
将直流电变成交流电供给负载。
Process Control & Instrumentation Technology
输入点
模拟量输入点
频率的给定；
输入 PID反馈信号等。
开关量输入点
给出正转／反转命令；
设定多种命令信号等。
Process Control & Instrumentation Technology
输出点
模拟量输出点
输出模拟监视信号；
脉冲输出
输出脉冲监视信号；
开关量输出点
输出各种开关量监视信号；
输出总报警信号等。
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变频器应用
变频器与笼型电动机的结合是交流电动机调速系统的最佳选择。特点：
显著的节能效果；
较高的控制精度及较宽的调速范围；
便于使用和维护；
易于实现自动控制及远程控制等性能 。
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变频在泵流量控制中的应用
风机、水泵的特点：负载转矩与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。
以前的电机以定速运转，用挡板阀门调节风量、水量。
改用根据所需要的风量、水量调节转速就可获得大量节电效果。
应用表明,一般 节约动力达 40%以上。
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流量、扬程、轴功率 与转速关系
流量：
扬程：
轴功率：
00 N
N
Q
Q?
2
00
N
N
H
H
3
00
N
N
P
P
主要内容
执行器：
电动执行器
气动执行器
调节阀及其流量特性
阀门定位器
变频器应用
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执行器
作用：控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。
执行器组成：
执行机构（驱动）
调节机构（阀芯）
接受调节器输出的控制信号，转换成直线位移或角位移，来改变调节阀的流通截面积。
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执行器
安装在生产现场，直接与介质接触；
通常在高温、高压、高粘度、强腐蚀、易结晶、易燃易爆、剧毒等场合下工作；
直接影响过程控制系统的控制质量。
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执行器分类
分为三大类：
以压缩空气为能源的气动执行器（即气动调节阀），气动执行器的输入信号为 20～
100kPa；
以电为能源的电动执行器（即电动调节阀），
电动执行器的输入信号为 4～ 20mA DC；
以高压液体为能源的液动执行器（即液动调节阀）。
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电动执行器
执行机构包括：永磁低速同步电动机、位置发送器和减速器等。
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气动执行器
执行机构由膜片、推杆和平衡弹簧等部分组成 ；
接受调节器或电 -气阀门定位器输出的气压信号，经膜片转换成推力，使推杆（阀杆）产生位移，同时带动阀心动作；
气动执行器的执行机构可看成一阶惯性环节（而电动执行器可看成比例环节）。
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调节阀
局部阻力可变的节流元件；
通过改变阀芯的行程可以改变调节阀的阻力系数，达到控制流量的目的。
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调节阀的主要结构形式
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调节阀的流量特性
指介质流过阀门的相对流量与相对开度之间的关系
qv/qvmax—— 相对流量，即调节阀某一开度流量与全开流量之比；
l/L—— 相对开度，即调节阀某一开度行程与全行程之比。
Llfq q
v
v
m a x
Process Control & Instrumentation Technology
理想流量特性
调节阀前后压差不变时，得到的流量特性；
流量特性完全取决于阀芯的形状；
理想流量特性有：
直线
对数
抛物线
快开
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直线流量特性
调节阀的相对流量与阀心的相对开度成直线关系，即调节阀相对开度变化所引起的相对流量变化是常数。
R为调节阀的可调范围,R=qvmax/qvmin
L
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RRq
q
v
v?
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m a x
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直线流量特性特点
阀心相对开度变化所引起的流量变化是相等的
流量相对变化量（流量变化量与原有流量之比）
是不同的：
在小开度时，流量相对变化量大；
在大开度时，其流量相对变化最小。
直线流量特性调节阀在小开度时，控制作用强，
易引起振荡；在大开度时，控制作用弱，控制缓慢。
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对数（等百分比）流量特性
其数学表达式
行程变化相同的百分数，流量在原来基础上变化的相对百分数是相等的，即具有等百分比流量特性。
对数（等百分比）流量特性特点：
调节阀在小开度时，控制缓和平稳
调节阀在大开度时，控制及时有效。
1
m a x
L
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Process Control & Instrumentation Technology
抛物线流量特性
相对流量与阀杆的相对开度成抛物线关系，
即相对流量与相对开度成平方关系。
它介于直线与对数流量特性之间，通常可用对数流量性来代替。
Process Control & Instrumentation Technology
快开流量特性
在小开度时流量就比较大，随着开度的增大流量很快就达到最大
主要适用于位式控制。
Process Control & Instrumentation Technology
工作流量特性
实际应用时，调节阀两端的压差是变化的，
此时调节阀的相对流量与相对开度之间的关系称为工作流量特性。
为衡量调节阀实际工作流量特性相对于理想流量特性的变化程度，用阻力比系数 S
来表示：
p
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Process Control & Instrumentation Technology
调节阀 S值
串联管道，流量特性发生两个变化
一是调节阀全开时流量减小，即调节阀可调范围变小；
另一个是流量特性曲线向上拱，理想直线特性变成快开特性。 S值越小，畸变越严重。
并联工作时，根据现场使用经验，旁路流量只能为总流量的百分之十几,S值不能低于 0.8。
Process Control & Instrumentation Technology
调节阀的空化及其避免
闪蒸：
流体流经节流件（阀芯）时，在节流件后某处静压下降到最低，当静压力下降到甚至低于该液体所在工况下的饱和蒸汽压时，部分液体就会汽化成气体，
形成汽液混合的两相流体。
空化：
闪蒸发生后，随着流体的流动，其静压力又要上升。
当静压力回升到该液体所在工况下的饱和蒸汽压以上时，闪蒸形成的气泡会破裂重新转化为液体，这种气泡形成和破裂的过程称为空化。
Process Control & Instrumentation Technology
避免空化和汽蚀的方法
主要从压差的选择、材料、结构上考虑。
最根本的方法是使调节阀前后压差不大于最大允许压差：
可采用多级阀芯的高压调节阀；
用两个以上的调节阀相串联。
Process Control & Instrumentation Technology
选择调节阀的气开、气关形式
所谓气开式，即当信号压力增加时，阀门开大；气关式则相反，即信号压力增加时，
阀门关小。
考虑事故状态时人身、工艺设备的安全；
考虑在事故状态下减少经济损失，保证产品质量。
Process Control & Instrumentation Technology
阀门定位器
气动执行器的主要附件。
利用负反馈原理来改善调节阀的定位精度和灵敏度。
实现准确定位 ；
改善调节阀的动态特性 ；
改变调节阀的流量特性；
实现分程控制 。
Process Control & Instrumentation Technology
变频器原理
将频率、电压固定的交流电变换成频率、
电压连续可调的三相交流电源。
变频时应保持每极磁通 Ф m为额定值不变。
由于,故要求 V/f不变。
转矩提升,低压时,人为地把电压 V抬高一些，以便近似地补偿定子压降。
Mr NfkE 1111 44.4
Process Control & Instrumentation Technology
变频器主回路示意图
L
C
R
S
T
U
v
w
主电路示意图
R
T
P1 P( +)
N( -)
Process Control & Instrumentation Technology
主电路
整流器
将电网的交流电变为直流电。
滤波器
将整流器输出的脉动直流变成平稳的直流电。
逆变器
将直流电变成交流电供给负载。
Process Control & Instrumentation Technology
输入点
模拟量输入点
频率的给定；
输入 PID反馈信号等。
开关量输入点
给出正转／反转命令；
设定多种命令信号等。
Process Control & Instrumentation Technology
输出点
模拟量输出点
输出模拟监视信号；
脉冲输出
输出脉冲监视信号；
开关量输出点
输出各种开关量监视信号；
输出总报警信号等。
Process Control & Instrumentation Technology
变频器应用
变频器与笼型电动机的结合是交流电动机调速系统的最佳选择。特点：
显著的节能效果；
较高的控制精度及较宽的调速范围；
便于使用和维护；
易于实现自动控制及远程控制等性能 。
Process Control & Instrumentation Technology
变频在泵流量控制中的应用
风机、水泵的特点：负载转矩与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。
以前的电机以定速运转，用挡板阀门调节风量、水量。
改用根据所需要的风量、水量调节转速就可获得大量节电效果。
应用表明,一般 节约动力达 40%以上。
Process Control & Instrumentation Technology
流量、扬程、轴功率 与转速关系
流量：
扬程：
轴功率：
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