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：