执行器的原理
- 发布时间：2008/9/8 10:12:51
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执行器的原理
一、概述
在过程控制系统中，执行器接受调节器的指令信号，经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，改变被控对象进、出的能量或物料，以实现过程的自动控制。
执行器常常工作在高温、高压、深冷、强腐蚀、高粘度、易结晶、闪蒸、汽蚀、高压差等状态下，使用条件恶劣，因此，它是整个控制系统的薄弱环节。如果执行器选择或使用不当，往往会给生产过程自动化带来困难。在许多场合下，会导致控制系统的控制质量下降、调节失灵，甚至因介质的易燃、易爆、有毒而造成严重的事故。为此，对于执行器的正确选用和安装、维修等各个环节，必须给予足够的注意。
（一）执行器的分类及特点
执行器按其所使用的能源形式可分为气动、电动和液动三大类。
（1）电动执行器
电动执行器是以电能为动力的，它的特点是获取能源方便，动作快，信号传递速度快，且可远距离传输信号，便于和数字装置配合使用等。所以电动执行器处于发展和上升时期，是一种有发展前途的装置。其缺点是结构复杂，价格贵和推动力小，同时，一般来说电动执行器不适合防火防爆的场合。但如果采用防爆结构，也可以达到防火防爆的要求。
（2）气动执行器
气动执行器是以压缩空气为动力的，具有结构简单、动作可靠稳定、输出力大、维护方便和防火防爆等优点。所以广泛应用于石油、化工、冶金、电力等部门，特别适用于具有爆炸危险的石油、化工生产过程。其缺点是滞后大，不适宜远传（150m以内），不能与数字装置连接。
目前，国内外所选用的执行器中，液动的很少。因此，本书只介绍电动和气动执行器。
（二）执行器的组合方式
目前执行器都有相应的辅助装置，如电/气转换器、阀门定位器等，根据实际需要可组成多种形式的电/气混合系统。图8-1给出了各种组合方式。
（1）气动调节器-阀门定位器-气动执行器
这是一种zui为常用的气动控制系统组合方式。通过阀门定位器的辅助作用，可使气动执行器准确定位，同时可在一定程度上放大调节信号的压力，增大执行器的输出力（力矩），增强执行器的工作平稳性。因此，一般适用于准确定位、差压较大的场合。
（2）气动调节器-气/电转换器-电动执行器
该组合方式通过气/电转换器将气动调节器的气压信号成比例地转换成标准的电信号，从而推动电动执行器工作，实现了气动信号的远传及与数字装置的连接。
（3）电动调节器-电/气阀门定位器-气动执行器
这是目前应用较多的一种组合方式，通过电/气阀门定位器可实现传输信号为电信号，现场操作为气动执行器。因此具备电动和气动执行器的优点。电/气阀门定位器实际上是电/气转换器和气动阀门定位器的结合。
（三）执行器的基本结构
执行器由执行机构和调节阀（调节机构）两个部分组成，图8-2为气动执行器的外形图。执行机构是执行器的推动装置，它根据控制信号的大小，产生相应的推力，推动调节阀动作。调节阀是执行器的调节部分，在执行机构推力的作用下，调节阀产生一定的位移或转角，直接调节流体的流量。
为了保证执行器能够正常工作，提高调节质量和可靠性，执行器还必须配备一定的辅助装置。常用的辅助装置有阀门定位器和手轮机构。阀门定位器利用反馈原理改善执行器性能，使执行器能按调节器的控制信号，实现准确定位。手轮机构用于直接操作调节阀，以便在停电、停气、调节器无输出或执行机构损坏而失灵的情况下，生产仍能正常工作。
二、执行机构
执行机构的作用是根据输入控制信号的大小，产生相应的输出力f（输出力矩m）和位移（直线位移 或角位移θ），输出力f（输出力矩m）用于克服调节机构中流动流体对阀芯产生的作用力（作用力矩），以及阀杆的摩擦力、阀杆阀芯重量以及压缩弹簧的预紧力等其他各种阻力；位移（ 或θ）用于带动调节机构阀芯动作。
执行机构有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。
（一）电动执行机构
电动执行机构接受电动调节器输出的0～10ma，dc或4～20ma，dc信号，并将其转换成相应的输出轴角位移或直线位移，去操纵调节阀，以实现自动调节。
电动执行机构主要分为两大类：直行程与角行程式。前者用于操纵直行程调节机构，后者用于操纵转角式调节机构，两者都是以二相异步伺服电机为动力的位置伺服机构。角行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3600，通常简称为角行程式执行机构；多转式输出的角位移超过3600，可达数圈，故称为多转式电动执行机构，它和闸阀等多转式调节阀配套使用。
1、基本结构和工作原理
电动执行机构由伺服放大器和执行单元两大部分，其结构原理方框图如图8-3所示。
图8-3 电动执行机构组成框图
为满足组成复杂调节系统的需要，伺服放大器有三个输入信号通道和一个位置反馈通道。因此，它可以同时输入三个信号和一个位置反馈信号。简单调节系统，只用其中一个输入通道和位置反馈通道。
图8-4
伺服放大器将输入信号ii和反馈信号if相比较，得到差值信号δi（δi=∑ii－if）。当差值信号δi＞0时，δi经伺服放大器功率放大后，驱动伺服电机正转，再经机械减速器减速后，使输出转角θ增大。输出轴转角位置经位置发送器转换成相应的反馈电流if ，反馈到伺服放大器的输入端使δi减小，直至δi=0时，伺服电机才停止转动，输出轴就稳定在与输入信号相对应的位置上。反之，当δi＜0时，伺服电机反转，输出轴转角θ减少，if也相应减小，直至使δi=0时，伺服电机才停止转动，输出轴稳定在另一新的位置上。
图8-4给出了电动执行机构的静态特性图。图中显示，输出轴转角θ和输入信号ii之间成一一对应的比例关系，其静态传递系数k为9o /ma。
2、伺服放大器
伺服放大器主要由前置磁放大器、触发器和可控硅交流开关等构成。它与电机配合工作的伺服驱动电路如图8-5所示。前置放大器是一个增益很高的放大器，根据输入信号与反馈信号相减后偏差的正负，在a、b两点产生两位式的输出电压，控制两个可控硅触发电路中一个工作，一个截止。当前置放大器输出电压的极性为a（+）、b（－）时，触发电路2截止，可控硅scr2接在二极管桥式整流器的直流端，它的导通使桥式整流器的c、d两端近于短接，故220v的交流电压直接接到伺服电机的绕组ⅰ，同时经分相电容cf加到绕组ⅱ上，这样，绕组ⅱ中的电流相位比绕组ⅰ超前90o，形成旋转磁场，使电机朝一个方向转动。如果前置放大器的输出电压极性和上述相反，即a（－）、b（+）时，触发电路1截止，可控硅scr1不通，而触发电路2控制scr2*导通，使另一桥式整流器的两端e、f近于短接，电源电压直接加于电机绕组ⅱ，并经分相电容cf供电给绕组ⅰ。这样，绕组ⅰ中的电流相位比绕组ⅱ超前90o，电机朝相反的方向转动。由于前置放大器的增益很高，只要偏差信号大于不灵敏区，触发电路便可使可控硅导通，电动机以全速转动，这里可控硅起的是无触点开关的作用。当scr1和scr2都不导通，伺服电机停止转动。
3、执行单元
执行单元由伺服电机、机械减速和位置发送器三部分组成。执行单元接受伺服放大器或电动操作器的输出信号，控制伺服电机的正、反转，经机械减速器减速后变成输出力矩推动调节机构动作。与此同时，位置发送器将调节机构的角位移转换成相对应的0～10ma，dc信号，作为阀位批示，并反馈到前置放大器的输入端作为位置反馈信号以平衡输入信号。
1、伺服电机
伺服电机实际上是一个二相电容异步电机，它将伺服放大器输出的电功率转换成机械转矩，作为执行器的动力部件。
伺服电机由一个用冲槽硅钢片叠成的定子和鼠笼式转子组成。定子上均布着两个匝数、线径相同而相隔90o电角度的定子绕组ⅰ和ⅱ。由于分相电容cf的作用，ⅰ和ⅱ的电流相位总是相差90o，其合成向量产生定子旋转磁场，定子旋转磁场又在转子内产生感应电流并构成转子磁场，两个磁场相互作用，使转子旋转。
如前所述，转子旋转方向取决于ⅰ和ⅱ中的电流相位差，即取决于分相电容cf串接在哪一个定子绕组中。
2、减速器
由于伺服电机大多是高转速小力矩的，必须经过近千倍的减速，才能推动调节机构。常用的减速器有行星齿轮和蜗轮蜗杆两种，其中行星齿轮减速器由于体积小、传动效率高、承载能力大、单级速比可达100倍以上，获得广泛的应用。
3、位置发送器
位置发送器的作用是将电动执行机构输出轴的位移转变为0～10ma，dc反馈信号的装置。其主要部分是差动变压器。
差动变压器的铁芯与凸轮斜面是靠弹簧相接触的，因此当输出轴转动时带动凸轮使铁芯左右移动。凸轮斜面将保证铁芯位置与输出轴之转角成线性关系。输出轴旋转90o时，铁芯在线圈中相应地移动8mm。
（二）气动执行机构
气动执行机构接受气动控制器或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，以推动调节阀动作。
气动执行机构主要有两种类型：薄膜式与活塞式。薄膜式执行机构简单、动作可靠、维修方便、价格低廉，是zui常用的一种执行机构；活塞式执行机构允许操作压力可达500kpa，因此输出推力大，但价格较高。
气动执行机构又可分为有弹簧和无弹簧两种，有弹簧的气动执行机构较之无弹簧的气动执行机构输出推力小、价格低。
气动执行机构有正作用和反作用两种形式。当信号压力增加时推杆向下动作的叫正作用式执行机构；信号压力增加时推杆向上动作的叫反作用式执行机构。
由于气动执行机构具有结构简单、可靠、本质安全防爆、维修方便等突出的优点，由其组成的气动控制阀一直是执行器的主流产品。即使自70年代以来电动控制仪表大量替代气动控制仪表，气动控制阀依然借助电/气转换技术被广泛使用，并得到不断发展和提高。
1、气动薄膜式执行机构
正作用式气动薄膜执行机构如图8-8所示。它主要由膜片、压缩弹簧、推杆、膜盖、支架等组成。膜片为较深的盆形，采用丁脂橡胶作为涂层以增强涤纶织物的强度并保证密封性，工作温度一般为－40～85℃；压缩弹簧现采用多根组合形式，其数量为4根、6根或8根，这种组合形式可有效降低调节阀的高度。
当信号压力通入由上膜盖1和波纹膜片2组成的薄膜气室时，在膜片上产生一个推力，使推杆4向下移动并压缩弹簧6，当弹簧的反作用力与信号压力在膜片上产生的推力相平衡 时，推杆稳定在一个新的位置，推杆的位移即为执行机构的输出。
气动薄膜执行机构的行程规格有10、16、25、40、60、100mm等。薄膜有效面积有200、280、400、630、1000、1600cm2等六种规格。有效面积越大，执行机构的位移和推力也越大。
2、气动活塞式执行机构
气动活塞式执行机构如图8-9所示，其基本部分为气缸，气缸内活塞随气缸两侧压差而移动。两侧可以分别输入一个固定信号和一个变动信号，或两侧都输入变动信号。它的输出特性有比例式及两位式两种。两位式是根据输入执行机构活塞两侧的操作压力的大小，活塞从高压侧推向低压侧，使推杆从一个位置移到另一位置。比例式是在两位式基础上加有阀门定位器后，使推杆位移与信号压力成比例关系。
此外，还有一种长行程执行机构，其结构原理与活塞式执行机构基本相同，它具有行程长、输出力矩大的特点，输出转角位移为90o，直线位移为40～200mm，适用于输出角位移和力矩的场合。图8-8 正作用气动薄膜执行机构结构原理图 图8－9气动活塞式执行机构
1—上膜盖；2—膜片；3—下膜盖；4—推杆；5—支架；
6—压缩弹簧；7—弹簧座；8—调节杆；
9—连接阀杆螺母；10—行程标尺
（三）阀门定位器
阀门定位器是气动执行器的—种辅助仪表，它与气动执行器配套使用。
在图示8-8的气动调节阀中，阀杆的位移是由薄膜上的气压推力与弹簧反作用力平衡来确定的。实际上，为了防止阀杆引出处的泄漏，填料总要压得很紧。尽管填料选用密封性好而摩擦系数小的聚四氟乙烯材料，填料对阀杆的摩擦力仍是不小的。特别是在压力较高的阀上，由于填料压得很紧，摩擦力可能相当大。此外，被调节流体对阀心的作用力，在阀的尺寸大或阀前后压差高、流体粘性大及含有固体悬浮物时也可能相当大。所有这些附加力都会影响执行机构与输入信号之间的定位关系。使执行机构产生回环特性，严重时造成调节系统振荡。因此，在执行机构工作条件差及要求调节质量高的场合，都在调节阀上加装阀门定位器。
阀门定位器接受调节器的输出信号后，去控制气动执行器；当气动执行器动作时，阀杆的位移又通过机械装置负反馈到阀门定位器，因此定位器和执行器组成了一个闭环回路，图8-10所示是阀门定位器的功能示意图。图中显示，来自调节器输出的信号p0经定位器比例放大后输出pa，用以控制气动执行机构动作，位置反馈信号外送回至定位器，由此构成一个使阀杆位移与输入压力成比例关系的负反馈系统。
图8-10 阀门定位器功能示意图
阀门定位器能够增加执行机构的输出功率，减少调节信号的传递滞后，加快阀杆的移动速度，能提高信号与阀位间的线性度，克服阀杆的摩擦力和消除不平衡力的影响，从而保证调节阀的正确定位。