执行器知识大全

执行器知识大全第一节引言执行器是控制系统中非常重要的一个环节，因为它处在最终执行控制的位置，有人形象地称它为控制系统的“手脚”。

执行器选择得好坏，对系统是否能够很好地起控制作用关系甚大。

目前，工业上最常用的是气动执行器，即气动薄膜调节阀，因此，我们主要介绍气动调节阀。

在自动控制系统中，执行器是依据控制器送出的操纵信号，对生产过程(被控对象)施加影响、有目的地改变控制变量的装置。

它就相当于人工控制系统中执行大脑命令的手的作用。

执行器与变送器等仪表不同，它直接与生产过程相接触，并且对生产过程施加影响。

换句话说，执行器要工作在高温、高压、腐蚀、振动等恶劣的现场环境中，同时要有足够的功率以影响生产过程。

鉴于上述特点，我们有必要了解执行器的结构原理及性能指标，以便对其恰当地选择和使用，保证控制系统安全、正常、高效地远行。

对应于不同的控制参数，执行器可以是风门、和调节阀等。

所谓调节阀，就是改变流体流量的执行器。

由于绝大部分控制系统的控制参数都选为某种介质的流量，所以调节阀是最常见的一种执行器。

从结构功能上看，执行器由执行机构和调节机构两部分组成，见图10—1。

执行机构按控制器送来的操纵信号产生相应的直线行程或转角行程；调节机构依靠这个行程来改变管道的阻力，实现对流量的控制。

下面分别讲述执行机构和调节机构的结构原理，最后讲述整体性能及选择。

第二节执行机构按所使用的能源不同，执行机构可以分为气动、液动、电动和自力式等不同种类。

气动执行机构以仪表风(140 kPa或250kPa、更高压力)为动力，其特点是结构简单、安全防爆、成本低，在自动化规模大（值得提供仪表风系统)的场合很适用。

液动执行机构以液压为动力，特点是功率大、到位准确，但需提供液压系统，结构复杂、维护要求高，只用在某些特殊场合，如炼油厂催化裂化装置中对粉末状催化剂的流量控制。

电动执行机构靠伺服电机带动，出于它接收的是电信号，所以易与电动控制器或集散控制系统配合使用，功率大，但在爆炸危险场所必须采用相应的防爆型号。

自力式执行机构是利用被调介质自身的能量来动作的。

例如，靠介质压力带动的调节阀，当介质压力越高或超低时其执行机构就会动作。

此外还有靠介质温度、流量和液位驱动的自力式执行机构，它们只能用在简单控制场合。

这里只介绍气动和电动执行机构。

1、气动薄膜执行机构气动薄膜执行机构的结构如图10-2所示。

由控制器来的20～100kPa)3操纵信号(对电动操纵信号，要经电/气转换器进行转换)作用在由上膜盖与波纹膜片构成的气室中，在波纹膜片上产生向下的推力，克服压缩弹簧的弹力使推杆产生向下的行程。

靠连接螺母，推杆的行程可以传递给调节机构。

在图10-2中，操纵信号从上端引入，当信号压力增大时，推杆向下移动，这种结构的执行机构称为正作用。

如果将操纵信号从下端a孔引入，则压力增大时，推杆向上移动，这种结构称为反作用，当然这种情况还要考虑薄膜下面气室的密封问题等。

为定量分析信号压力与行程之间的关系，分三种情况讨论。

1）、无负载状态下的行程／压力关系无负载状态是指控杆不与调节机构相连，也不考虑摩擦力的情况。

在这种情况下，薄膜只受信号压力和弹簧弹力的作用。

2）、带负载状态下的行程／压力关系执行机构总是要带动调节机构一起动作的。

由于被调介质静压、压差和阀杆摩擦力的影响，控制机构的阀杆要对执行机构的推杆产生一个强烈的反作用，力，如图10-3所示。

这就要求执行机构能够产生足够大的推力，以克服反作用力，使阀杆到达应有的行程。

这个推力称为输出力，也是执行机构的重要指标。

在被调介质的压力很高的情况下，反作用力F1往往是很大的，而且是随行程变化而变化的，它对行程造成严重的影响。

可以采用两种方法使推杆准确到位。

一种方法是采用面积更大的薄膜，或采用刚度小的弹簧。

在反作用力F1大，但基本不随行程变化，可视为定值的情况下，这种方法适用。

这也是直接增大输出力的方法。

另一种方法是给执行机构加装阀门定位器。

3）、阀门定位器及其作用给执行机构装配阀门定位器，是克服阀杆反作用力，实现推杆准确到位的有效方法，被广泛采用，见图10-4。

在介绍阀门定位器之前，先引入喷嘴—挡板机构和功率放大器。

喷嘴—挡板机构是气动仪表中的基本元件之一，表示。

其结构如图10-5所示。

喷嘴后的空间称为背压室，室内压力称为喷嘴背压P背，此压力即为喷嘴—挡板机构的输出压力。

压缩空气(约0.14MPa)作为气源，经恒气阻进入背压室后，再由喷嘴—挡板间的间隙徘出(一般入大气)。

这股气流经过恒气阻时，由于孔径很小(一般为0.15～0.3mm)，将对压缩空气的流动造成很大的阻力，只有很少流量的气流通过恒节流孔进入背历室。

而背压室中的压力是随喷嘴—挡板间的相对位移而变化的。

当挡板靠近喷嘴时，阻力增大，背压室内的气体不易排出，则P背上升；反之，挡板离开喷嘴时，阻力减小，由于喷嘴内径(一般为0.8～1.2mm)比恒节流孔径大得多，所以压缩空气很容易地跑到大气中，则P背下降。

因此喷嘴—挡板间的距离h不同，就有不同的P背，从而完成了将挡板的微小位移转换成气压信导的任务。

喷嘴—挡板间的距离h与背压室内的压力P背间的关系如图10-6所示。

喷嘴—当板机构的背压必须经过功率(定义为正比于压力和流量之积的量)放大、才能送至其他机构。

这个放大装置，就是功率放大器。

表示。

气动阀门定位器接受气动调节器的输出信号，然后产生和调节器输出信号成比例的气压信号，用以控制薄膜片或活塞式气动调节阀。

下面讲讲与气动薄膜调节阀配套使用的力矩平衡式阀门定位器原理。

配薄膜执行机构的气动阀门定位器的原理如图所示：它是按力矩平衡原理工作的。

当进入波纹管1的信号压力增加时，波纹管1使之杠杆2绕支点15偏转，孔板13靠近喷嘴14，喷嘴背压升高，此背压经放大器16放大后的压力PA输入到气动执行膜室8，并带动反馈杆9绕支点4偏转，反馈凸轮与跟着作逆时针方向转动，通过涡轮10使副杠杆6绕支点7顺时针偏转，从而使反馈弹簧拉伸，弹簧11对封存杠杆2的拉力达到力矩平衡时，阀门定位器达到平衡状态。

此时，一定的信号压力就对应于一定的阀杆位移，即对于一定的阀门开度。

弹簧12是调零弹簧，调整其顶紧力可以改变挡板的初始位置，弹簧3是迁移弹簧，使定位器在接受不同范围的输入信号时，仍能产生相同范围的输出信号。

加装阀门定位器，不仅能改善行程／压力关系，而且膜头压力来自就近的功率放大器，充放气流量大，加快了推杆的动作速度。

改变凸轮形状，还可改变行程／压力关系，具有很大的灵活性。

执行机构装配阀门定位器后的行程／压力关系，不受调节机构的反作用力的影响。

事实上，这构成了—个闭环控制系统，控制器来的压力信号是这个控制系统的给定值，推杆行程是被控参数，反作用力是干扰。

加到膜头上去的压力直接来自功率放大器，可以达到气源压力，所以会具备很大的输出力，足以克服反作用力，使推杆准确到位。

除了行程／压力关系。

一般还会用额定行程、行程误差和输出力(力矩)来衡量执行机构的性能。

装配阀门定位器后，多项性能指标会得到改善。

气动多弹簧薄膜执行机构是一种新型产品，见图10-8所示。

其薄膜采用较深的盆形结构，有效面积变化小；压缩弹簧采用多弹簧组合的形式，以减小高度；精确的设计和加工省去了压缩弹簧的凋节件，可免去预紧量调校。

这种产品体积小，重量较轻，装校简单。

2、气动活塞执行机构活塞执行机构加固10-9所示。

当通入活塞上、下气室的压力P1、P2入不相等时，活塞就会在压差作用下移动，带动推杆产生行程。

这种执行机构的行程／压力关系是两位式的。

要得到线性关系须配装相应的阀门定位器。

与薄膜执行机构相比较，活塞执行机构的额定行程长(可达400mm)，输出力大。

适合与大口径、高压差调节机构配用。

3、电动执行机构电动执行机构接收由控制器来的4～20 mA操纵信号，通过控制电动机的正、反转产生推杆的直行程或角行程。

因为操纵信号功率小，不可能驱动电机转动，所以要配备功率放大器，构成一个以行程为被控参数的自动控制系统。

这种执行机构实际是一整套系统，包括信号比较、功率放大、单相低速同步电动机、减速传动机构相位置反馈电路等几部分组成。

一般前两部分集中在—块仪表中，称为伺服放大器，一般装在室内；后三部分集中在一起，一般被简称为执行机构(与执行机构系统不同)，安装在现场。

系统构成如图10-10所示。

1）、伺服放大器伺服放大器采用220V交流电源，将控制器送来的和位置反馈电路送来的两个4～20mA信号相比较，将偏差放大后触发正或反转可控硅电路，输出足够功率的电流以驱动电机转动。

2）、执行机构执行机构中的低速(如60 r／min)同步电动机按照伺服放大器输出的驱动电流产生相应的正、反转。

传动机构把电机转子的转动转换成推杆的直行程或角行程，同时减速以增大力矩。

传动机构还带有制动轮和制动盘，以便在断电或无驱动电流时保持原行程。

位置反馈电路利用差动变压器把推杆的实际行程转化成4～20 mA电流，送入到伺服放大器中作此较用，以保证行程与控制器送来的操纵信号成对应的关系。

这种关系由位置反馈电路的性质决定，一般是线性关系。

随着大功率电子器件的小型化，也可以将伺服放大器与执行机构一体化，使得系统更紧凑。

第三节调节机构一种典型的调节机构如图10-13所示。

通过法兰将它安装在工艺管道上，流体从A进入，经过流道及阀芯阀座间隙，从B流出。

阀芯通过阀杆与执行机构的推杆相连，当推杆上下移动时阀芯也上下移动，改变间隙的流通阻力，从而控制流体流量。

上阀盖的作用非常重要，它不仅对阀杆导向，而且起密封作用。

上阀盖内的密封填料被压板压紧后阻止了流道中流体沿阀杆的泄漏。

图中所示的是普遍型上阀盖，适于常温流体。

对于高温、深冷流体，可采用散热型上阀盖，以防填料因温度过高过低而失效，对于挥发性有毒流体，可采用波纹管密封型上阀盖以彻底避免外漏。

1、调节机构的种类按阀芯动作的方式不同，可将调节机构分成直行程和角行程两大类。

阀杆带动阀芯沿直线运动的调节机构属于直行程类。

图10-13所示的就是一种直行程调节机构，称为直通单座阀。

所谓直通是指入、出口在同一直线上，与此相对应的是角通和三通调节机构。

所谓单座是指只有一组阀芯和阀座，特点是阀芯阀座间的泄漏量(阀芯压紧阀座后仍能流过的流量)很小，但不平衡力(流体对阀芯产生的轴向力，即对执行机构的反作用力)较大。

其他几种常见的直行程类调节机构如图10-14所示。

直通双座阀(图中(a))有两套阀芯阀座，流体从两个环形间隙中流过。

流体对上、下两个阀芯所产生的轴向力可以部分抵消，所以不平衡力较小；单两套阀座不易同时关严，所以泄漏量较大。

三通调节阀(图巾(b))有两条流道。

流体从一端进从另两端出的的又称为分流三通阀；从两端进从另一端出的又称为合流三通阀。

三通调节阀多用于换热器及旁路的冷热流控制。