常规PID整定资料.docx

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常规PID整定资料

资料：

执行器

执行器在自动控制系统中的作用是接受来自控制器的信号，由执行机构将其转换成相应的角位移或直线位移，去操纵调节机构（控制阀），从而达到控制流量的目的。

第一节：

多种多样的执行器

执行器又称控制阀，图4-1和图4-2为不同类型的电动控制阀。

除了电动执行器，较为常用的还有气动执行器如图4-3。

这是按照执行器所使用的能源来进行分类的。

图4-1电动单座控制阀：

电动执行机构接受4～20mA/4～12mA/12~20mA/0~5V/1~5V等控制信号，改变阀门的开度，同时将阀门开度的隔离信号反馈给控制系统，实现对压力、温度、流量、液位等参数的调节。

图4-2新型电动三通球阀：

此系列产品是由精小型电动执行器与三通不锈钢球阀组合而成，是一种旋转类切断调节自控阀门，具有关闭严密，结构紧凑，重量轻，维修方便等优点。

可实现介质流向切换，也可使三个通道相互连通，同时也可关闭任一通道，是另外两个通道连通，灵活控制管道中的介质的合流或分流系统。

图4-3：

气动执行器由执行机构和调节机构组成。

执行机构是执行器的推动装置，它根据输入控制信号的大小，产生相应的输出力和位移，推动调节机构动作。

调节机构简称为阀，是执行器的调节部分，在执行机构的作用下，调节机构的阀芯产生位移，即执行器的开度发生变化，从而直接调节被控介质的流量。

如图4-4气动执行器的结构所示，执行器由执行机构和调节机构组成。

执行机构是执行器的推动装置，它根据输入控制信号的大小，产生相应的输出力和位移，推动调节机构动作。

调节机构简称为阀，是执行器的调节部分，在执行机构的作用下，调节机构的阀芯产生位移，即执行器的开度发生变化，从而直接调节被控介质的流量。

在电动执行器中执行机构和调节机构基本是可分的两个部件，在气动执行器中两者是不可分的，是统一的整体。

图4-4

图4-4补充图例

第二节：

调节机构

控制阀的产品种类很多，结构多种多样，而且还在不断地更新和变化。

一般来说，阀是通用的，既可以和气动执行机构匹配，也可以和电动执行机构或其他执行机构（如：

液动执行机构）匹配。

阀由阀体上阀盖组件、下阀盖和阀内组件组成。

上阀盖组件包括上阀盖和填料函。

阀内件是指与流体接触并可拆卸的，起到改变节流面积和节流件导向等作用的零件的总称，例如阀芯、阀座、阀杆、套筒、导向套等。

一、调节机构的阀体类型

根据结构和用途分类，阀的基本形式有直通单座阀（见图4-5）、直通双座阀（见图4-6）、蝶阀（见图4-7）、三通阀（见图4-8）等；

图4-5直通单座控制阀：

阀体内有一个阀芯和阀座，由阀杆带动阀芯上、下移动来改变流过阀的流量。

图4-5直通双座控制阀：

阀体内有2个阀芯、阀座。

流体从左侧流入，从右侧流出。

图4-7蝶阀：

又称翻板阀，阀板在阀体内旋转角度不同，则导致阀的流通面积不同，从而调节流量。

图4-8：

阀体上有三个通道与管道相连；

第三节：

执行机构的介绍

一、气动执行机构

气动执行器采用气动执行机构。

气动执行器具有结构简单、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等优点，在工业生产中被广泛应用，特别是在石油、化工等生产过程。

气动执行机构接受电/气转换器（或电/气阀门定位器）输出的气压信号，并将其转换成相应的推杆直线位移，以推动调节机构动作。

气动执行机构有薄膜式、活塞式和长行程式三种类型。

执行机构有正作用和反作用两种作用方式。

输入信号增加，执行机构推杆向下运动，称为正作用；输入信号增加，执行机构推杆向上运动，称为反作用。

二、电动执行机构

电动执行器采用电动执行机构。

电动执行器具有动作较快、适于远距离的信号传送、能源获取方便等优点；其缺点是价格较贵，一般只适用于防爆要求不高的场合。

但由于其使用方便，特别是智能式电动执行机构的面世，使得电动执行器在工业生产中得到越来越广泛的应用。

电动执行机构接受4～20mADC的输入信号，并将其转换成相应的输出力和直线位移或输出力矩和角位移，以推动调节机构动作。

电动执行机构主要分为两大类：

直行程和角形程。

角形程式执行机构又可分为单转式和多转式。

单转式输出的角位移一般小于360度，通常简称角行程式执行机构；多转式的角位移超过360度，可达数圈，所以称为多转式电动执行机构，它和闸门等多转式调节机构配套使用。

三、阀门定位器

阀门定位器与气动控制阀配套使用，是气动控制阀的主要附件。

阀门定位器功能如下图所示，它接受控制器的输出信号，然后成比例地输出信号至执行机构，使阀杆产生位移，其位移量通过机械装置反馈到阀门定位器，当位移反馈信号与输入的控制信号相平衡时，阀杆停止动作，控制阀的开度与控制信号相对应。

阀门定位器与气动执行机构构成的是一个负反馈系统，所以阀门定位器可以提高执行机构的线性度，实现准确定位，并可以改变执行机构的特性，从而可以改变整个执行器的特性。

阀门定位器可以采用更高的气源压力，可增大执行机构的输出力，克服阀杆的摩擦力，消除不平衡力的影响和加快阀杆移动的速度。

阀门定位器与执行机构安装在一起，可减少控制信号传输滞后。

阀门定位器按结构形式可分为气动阀门定位器、电/气阀门定位器和智能阀门定位器。

气动阀门定位器直接接受气动信号。

电/气阀门定位器接受4～20mA的直流电流信号，用以控制气动薄膜式或气动活塞式控制阀。

它能够起到电/气转换器和气动阀门定位器两种作用。

下面以电气阀门定位器为例介绍阀门定位器的结构及原理。

如图4-13所示，电气阀门定位器是按力矩平衡原理工作的。

当输入电流I0通入永久磁钢1中线圈时，线圈受永久磁钢作用，对主杠杆2产生一个向左的力，使主杠杆绕支点15逆时针偏转，固定在主杠杆上的挡板靠近喷嘴13，使放大器14背压升高，经放大后输出气压也随之升高。

此输出作用在气动执行机构8的薄膜气室，使阀杆向下运动。

阀杆的位移通过反馈杆9绕支点4偏转，反馈凸轮5也跟着逆时针偏转，通过滚轮10使副杠杆6绕支点7顺时针偏转，从而使反馈弹簧11拉伸，反馈弹簧产生反馈力矩使主杠杆顺时针偏转，当反馈力矩与电磁力矩相平衡时，阀门定位器就达到平衡状态。

此时，阀杆就稳定在某一位置，从而实现了阀杆位移与输入信号电流成正比关系。

第四节：

控制阀的作用方式与流量特性

一、控制阀的作用方式

执行机构有正作用和反作用之分。

当信号压力增加时推杆向下动作的执行机构成为正作用执行机构；反之，当信号压力增加时推杆向上动作的执行机构称为反作用执行机构。

阀有正装和反装两种类型，当阀芯向下移动时，阀芯与阀座之间的流通面积减小，称为正装，反之为反装。

把执行机构的正、反作用和阀的正、反作用组合起来，可以实现4种组合方式，从而得到控制阀的气开和气关两种形式。

如图4-14所示，图中a，b的执行机构都采用正作用方式，通过阀芯的正反装实现气开和气关。

c，d为反作用执行机构，同样与阀芯正反装组合实现气开和气关。

图4-14气动控制阀组合方式图

二、流量特性

控制阀的流量特性是指介质流过控制阀的相对流量与相对位移（即阀的相对开度）之间的关系。

即

Q/Qmax=f（l/L）

式中：

Q/Qmax-----相对流量，控制阀在某一开度流量Q与全开度流量Qmax之比；

l/L---------相对位移，控制阀某一开度阀芯位移l与全开度阀芯位移L之比。

由于控制阀开度变化的同时，阀前后的压差也会发生变化，而压差变化又将引起流量的变化。

为了便于分析，将流量特性分为理想流量特性和实际流量特性。

理想流量特性又称固有流量特性，是指控制阀前后压差一定时的流量特性。

理想流量特性主要有直线、等百分比（对数）、抛物线及快开四种，如图4-15a，b所示。

1，直线流量特性

直线流量特性控制阀的放大倍数虽是常数，但其流量相对变化值是不同的。

小开度时，流量相对变化值大，而开度大时，流量相对变化值小。

因此，直线阀在小开度时，灵敏度高，调节作用强，易产生振荡；在大开度时，灵敏度低，调节作用弱，调节缓慢。

2，等百分比流量特性（对数流量特性）

等百分比流量特性曲线的斜率随着流量增大而增大，即它的放大系数随流量增大而增大。

但流量相对变化值是相等的，即流量变化的百分比是相等的。

因此，具有等百分比特性的控制阀，在小开度时，放大系数小，调节缓和平稳；在大开度时，放大系数大，调节灵敏、有效。

3，抛物线流量特性

相对流量与相对位移之间为抛物线关系，它介于直线和对数特性曲线之间。

4，快开流量特性

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，流量很快达到最大，此后再增大开度，流量变化很小，所以称为快开特性。

在实际生产中，控制阀前后的压差总是变化的，这时的流量特性称为工作流量特性。

因为控制阀总是与工艺设备、管道等串联或并联使用，控制阀前后压差因阻力损失变化而变化，致使理想流量特性畸变成工作流量特性。

第五节控制阀的选择和安装

执行器是自动控制系统的终端控制元件之一，对系统的工作好坏影响很大。

执行器的选择一般应考虑以下三个方面；

a．执行器的结构形式；

b．控制阀的流量特性；

c．控制阀的口径；

执行结构的选择；

对于气动执行机构来说，薄膜执行机构的输出力通常都能满足控制阀的要求，所有大多数情况下选用它。

但当所选用的控制阀口径较大或压差较高时，要求执行机构有较大的输出力，此时可考虑选用活塞式执行机构，当然也可选用薄膜执行机构再配上阀门定位器。

在选用气动执行器时，还必须考虑气动执行器的作用方式。

从控制系统角度出发，气开阀为正作用，气关阀为反作用。

所谓气开阀，在有信号压力输入时阀打开，无信号时阀全关；而气关阀，在有信号压力输入时阀关闭，无信号时阀全开。

气开、气关阀的选择应从工艺生产的安全要求出发，考虑原则是：

信号中断时，应保证设备和操作人员的安全。

由于执行机构有正反两种作用方式，调节机构也有正装和反装两种方式，因此实现气动执行器的气开和气关时有四种组合方式，如图4-14所示。

2，调节机构的选择

生产过程中，被控介质的特性各不相同，有高压的，高粘度的，强腐蚀的；流体的流动状态也不同，有的流量小，有的流量大；有的是分流，有的是合流。

因此，必须根据流体性质，工艺条件和控制要求，并参照各种阀门结构的特点进行综合考虑，同时兼顾经济性来确定合适的调节机构。

思考题

1，控制阀由那几部分构成？

各部分的作用是什么？

2，叙述直通单座控制阀的特点及应用场合。

3，三通控制阀有那两种结构？

各用于哪种场合？

4，有人认为控制阀的气开和气关就是正反作用，这样理解对吗？

为什么？