过程控制李国勇著第3章执行器

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1．阻塞流对流量系数C的影响
所谓阻塞流是指，当阀前压力p1保持恒定而逐步 降低阀后压力p2时，流经调节阀的流量会增加到一个 最大极限值Qmax，此时若再继续降低p2流量也不再增 加，此极限流量称为阻塞流。
图3-7 p1恒定时的Q与 的关系 23
3.3 调节阀结构特性和流量特性

调节阀总是安装在工艺管道上的，其信号联系 如图3-11所示。
3.2.2 流量系数的定义
国际上流量系数通常用符号C表示。 有以下两种定义。 (1) 我国，流量系数C的定义为：温度为5～10℃的 水，在给定行程下，阀两端压差为100kPa，密度为 1g/cm3时，每小时流经调节阀水量的立方米数，以符 号Kv表示。采用的单位制称为公制。 (2) 有些国家使用英制单位，此时流量系数C的定 义为：温度为60℉的水，在给定行程下，阀两端压差 为1Psi（磅/平方英寸），密度为1g/cm3时，每分钟 流经调节阀水量的加仑数，以符号Cv表示。
利用反馈原理提高阀的灵敏度，实现阀杆的准确定位。
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3.1.1 气动执行机构
气动执行机构有薄膜式和活塞式两种。
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气动执行机构有正作 用和反作用两种型式。 信号压力增加时， 推杆向下移动的叫正作 用。 反之，信号压力增 大时，推杆向上移动的 为反作用。
(a) 正作用 (b) 反作用 图3-2 气动薄膜执行机构的正反作用
执行机构
气动调节阀由执行机 阀门定位器 构和阀体组成。
为改善调节阀的性能， 在其执行机构上装有阀 门定位器。
阀体
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阀门定位器工作原理
1）执行机构：气压pc→ 推杆位移l 2）调节阀：阀杆位移l →阀开度→流量Q 3） 不同压力pc对应不 同位移l，对应不用阀 开度
公称直径Dg
阀座直径dg
4）阀门定位器：提高 阀芯定位精度
(a) 正装阀 (b) 反装阀 图3-5 调节阀的正反装形式
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(4) 阀的气开、气关作用方式 气动调节阀分为气开、气关两种作用方式。所 谓气开式，即随着信号压力增加，阀慢慢打开，也就 是说“有气”时阀开；气关式则相反，信号压力增大 阀反而关小。 根据执行机构正、反作用型式以及阀芯的正装、 反装匹配不同，实现气动调节阀气开、气关作用方式 可有四种不同的组合。
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(2) 阀芯的作用方向 根据流体通过调节阀时对阀芯作用方向分为流开 阀和流闭阀，如图3-4所示。流开阀稳定性好，有利 于调节。一般情况，多采用流开阀。
(a) 流开阀 (b) 流闭阀
(c) 流闭阀 (d) 流开阀 图3-4 不同流向的调节阀
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(3) 阀芯的正装和反装形式 阀芯有正装和反装两种形式。阀芯下移，阀芯与 阀座间的流通截面积减小的称为正装阀；相反，阀芯 下移使它与阀座间流通截面积增大者为反装阀。

对上式积分可得
f kl c

式中， k、c 均为常数。
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若已知边界条件为：L＝0时，F＝F0； L＝L100时，F＝Fl00。 把边界条件代入上式可得

c
1 R
F0 / F100
k 1 c
1 R )l 1 R
则
f
1 R
[1 ( R 1)l ] (1
100% 19%
f
③ 当 l 80% 时 f l 80% 0.8067 相对节流面积的相对变化量为
f
l 90%
f
l 80%
l 80%

0.0967 0.8067
100% 12%
33
f
由此可见，对于同样大的阀芯位移，小开度时的 相对节流面积的相对变化量大，这时灵敏度过高，控 制作用过强，容易产生振荡，对控制不利；大开度时 的相对节流面积的相对变化小，这时灵敏度又太小， 控制缓慢，削弱了控制作用。 因此这种结构特性的缺点是它在小开度时调节 灵敏度过高，而在大开度时调节又不够灵敏。 当线性结构特性阀工作在小开度或大开度情况 下，控制性能都较差，不宜在负荷变化大场合使用。
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调节阀的动态特性

调节阀的动态特性
Gv ( s ) q( s) U ( s) Kv Tv s 1

其中Tv为调节阀的时间常数，一般很小，可 以忽略。但在如流量控制这样的快速过程中， Tv有时不能忽略。
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3.3.1 调节阀的结构特性
调节阀结构特性是指 阀芯与阀座间相对节流面 积与阀门相对开度之间的关系，通常表示为 (3-15) f=F/F100 为相对节流面积；l L / L100为相对开
Q 0.1C p

0.1C100 f
p

(3-25)

调节阀全开时，f＝1，Q＝Q100，上式变为
Q100 0.1C100 p

(3-26)


当Δ p＝常数时，由式(3-25)除以式(3-26)得 q f (3-27) 式(3-27)表明，若调节阀流量系数与节流面积成线 性关系，调节阀的结构特性就是理想流量特性。
表3-1 调节阀流量系数C 100
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例如：一台额定流量系数为32的调节阀，表示阀 全开且其两端的压差为100kPa时，每1小时最多能通 过32m3的水量。
由于采用的单位制有公制和英制之分，国际上通 用两种不同的流量系数Kv和Cv。通过单位制变换它 们与C有如下关系：
Kv≈C ； Cv=1.167C
f
l 20%
f
l 10%
l 10%

0.2267 0.13 0.13
100%
0.0967 0.13
100% 74%
f
② 当 l 50% 时 f l 50% 0.5167 相对节流面积的相对变化量为
f
l 60%
f
l 50%
l 50%

0.0967 0.5167
R为可调比
R F100 / F0
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线性调节阀的相对节流面积与相对开度为线性关 系。所以不论阀杆原来在什么位置，只要阀芯位移 变化量相同，则节流面积变化量也总是相同的。
但是相对开度不同，比如：
当 R=30； f0=1/30
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① 当 l 10% 时 f l 10% (1 1 / 30) 10% 1 / 30 0.13 相对节流面积的相对变化量为
(a) 气关阀 (b) 气开阀 (c) 气开阀 (d)气关阀 图3-6 调节阀的气开气关形式
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3.3.3 阀门定位器
阀门定位器常见的应用场合如下： (1) 提高系统控制精度。 克服阀杆摩擦力；参数缓慢变化提高响应速度。 (2) 系统需要改变调节阀的流量特性。 (3) 组成分程控制系统。
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3.2 调节阀的流量系数
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3.1.2 阀
阀（或称阀体）是一个局部阻力可变的节流元件。 对普通阀而言，包括阀芯、阀座和阀杆等。
(1) 阀的结构形式 阀按结构形式分为：普通单座阀、普通双座阀、 角形阀、蝶阀、三通阀和隔膜阀等，如图3-3所示。
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(a) 直通单座阀
(b) 直通双座阀
(c) 角形阀
(d) 蝶阀 (e) 三通阀 (f) 隔膜阀 图3-3 常用调节阀的结构形式
它接受控制器输出的控制信号；通过执行机构转换 成直线位移或角位移，来改变阀体中阀芯与阀座间的 流通截面积以控制流入或流出被控过程的流体介质的 流量。
2

分
类：

根据执行器的动力不同，可分为气动阀、电动阀 和液动阀。 气动阀：把标准气压信号（0.02~0.1MPa）转化成 角位移或直线位移（0%~100%）。 电动阀：通过电机把标准电信号4~20mA转化成角 位移或直线位移（0%~100%）。
f (l )
度。
调节阀结构特性取决于阀芯的形状，不同的阀 芯曲面对应不同的结构特性。如图3-12所示，阀芯 形状有快开、直线、抛物线和等百分比等四种，其 对应的结构特性如图3-13所示。
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调节阀结构特性

结构特性取决于阀芯的形状，不同阀芯曲面对应不 同的结构特性。
快开阀
直线阀
抛物线阀
对数特性阀
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1．理想流量特性

在调节阀前后压差固定(Δp＝常数)情况 下得到的流量特性称为理想流量特性。 假设调节阀流量系数与阀节流面积成线 性关系，即 C C100 f (3-24)


式中 C、C100分别为调节阀流量系数和 额定流量系数。
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Q 0.1C ( p1 p2 ) /

由式(3-4)可知，通过调节阀的流量为
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2．等百分比(对数)结构特性

R为可调比
等百分比(对数)结构特性是指，在任意开度下，单位行 程变化所引起的节流面积变化都与各该节流面积本身成 正比关系，用相对量表示时即有
df dl kf

对上式积分并代入前述的边界条件，可得
f R
( l 1)

可见， f 与 l 之间成对数关系。如图3-13中曲线2，因 此这种特性又称为对数特性。这种特性的调节阀，小开 度时节流面积变化平缓；大开度时节流面积变化加快， 可保证在各种开度下的调节灵敏度都 一样。
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根据流量系数C的定义，p1 p2 100kPa, 1 在给定开度（行程）下，阀两端压差为 0.1MPa，水密度为1g/cm3时，能够流经调节阀 的流量，以m3/h表示。
p1 p2
Q
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阀全开时的流量系数称为额定流量系数， 以C100表示。C100是表示阀流通能力的参数。 它作为阀的基本参数由制造厂家提供给用户。
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非标准环境下的流量系数C校正
C 10Q / ( p1 p2 ) / ； Q 0.1C ( p1 p2 ) /
p1
p2
Q
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3.2.3 流量系数设计计算
流量系数C的计算是选定调节阀口径的最主要的 理论依据。 近十多年来，国外对调节பைடு நூலகம்流量系数进行了大 量研究，并取得重大进展。 国外几家主要调节阀制造厂相继推出各自计算 流量系数的新公式。
q f (l )

q 式中， Q / Q100 为相对流量，即调节阀某一开度流 量与全开流量之比。l L / L100 为相对开度 值得注意的是，调节阀一旦制成以后，它的结 构特性就确定不变了。但流过调节阀的流量不仅决 定于阀的开度，而且也决定于阀前后的压差和它所 在的整个管路系统的工作情况。
第3章 执行器
目 录
3. l 气动调节阀的结构 3.2 调节阀的流量系数 3.3 调节阀结构特性和流量特性 3.4 气动调节阀的选型
本章小结
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实际过程对象的控制变量对应介质一般是流体，工 艺参数的调节控制一般可以通过流体调节实现。 执行器：一般是气动阀、电动阀或液动阀，总称调 节阀。 调节阀由执行机构和阀体两部分组成，
u(t)：控制器输出 ( 4~20 mA 或 0~10 mA DC)；
pc ：调节阀气动控制信号（0.02 ~0. 1MPa）；
l：阀杆相对位置； f ：相对流通面积；
q ：受调节阀影响的管路相对流量。
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调节阀的静态特性

调节阀的静态特性
Kv＝ dq／du 其中u是调节器输出的控制信号，q是被调介 质流过阀门的相对流量。其符号由调节阀的 作用方式决定，气开式调节阀Kv为“+”，气 关式调节阀Kv为“-”。
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电动阀： 动作迅速、其信号 便于远传、并便于与 计算机配合使用，但 是不适合与易燃易爆 等生产场合。
2
4
电动阀：
电动执行器的框图：
阀体：有直行程和 角行程、单座和 双座
2
5
气动阀
气动阀的特点：结构简单、动作可靠、 性能稳定、维修方便、价格便宜、适 用于防火防爆场合。
2
6
3.1 气动调节阀结构
不同形状阀芯的结构特性
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(3)快开 (1)直线 (4)抛物线 (2)等百分比 图3-12 阀芯曲面形状
图3-13 调节阀的结构特性（R=30） 1-直线； 2-等百分比；3-快开；4-抛物线
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1．线性结构特性

线性结构特性是指调节阀的节流面积与阀 的开度成直线关系，用相对量表示即有
df dl k
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3．快开结构特性

这种结构特性调节阀的特点是结构特别简单， 阀芯的最大有效行程为dg／4(dg为阀座直径)。 其特性如图3-13中曲线3所示。特性方程为
f 1 (1 1 R )(1 l )
2

从调节灵敏度看，这种特性比直线结构还要差， 一般当做开关阀用，很少用作调节阀。
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4．抛物线结构特性

抛物线结构特性是指阀的节流面积与开 度成抛物线关系。其特性方程为
f 1 R
1
[1 ( R 2 1)l ]
2

它的特性很接近等百分比特性，如图313曲线4所示。
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f (l )
3.3.2 调节阀的流量特性

调节阀的流量特性是指，流体流过阀门的相对流量 与阀门相对开度之间的关系，可用相对量表示为