執行器的原理
閱讀：3757發布時間：2008-9-8
執行器的原理
一、概述
在過程控制系統中，執行器接受調節器的指令信號，經執行機構將其轉換成相應的角位移或直線位移，去操縱調節機構，改變被控對象進、出的能量或物料，以實現過程的自動控制。
執行器常常工作在高溫、高壓、深冷、強腐蝕、高粘度、易結晶、閃蒸、汽蝕、高壓差等狀態下，使用條件惡劣，因此，它是整個控制系統的薄弱環節。如果執行器選擇或使用不當，往往會給生產過程自動化帶來困難。在許多場合下，會導致控制系統的控制質量下降、調節失靈，甚至因介質的、易爆、有毒而造成嚴重的事故。為此，對于執行器的正確選用和安裝、維修等各個環節，必須給予足夠的注意。
（一）執行器的分類及特點
執行器按其所使用的能源形式可分為氣動、電動和液動三大類。
（1）電動執行器
電動執行器是以電能為動力的，它的特點是獲取能源方便，動作快，信號傳遞速度快，且可遠距離傳輸信號，便于和數字裝置配合使用等。所以電動執行器處于發展和上升時期，是一種有發展前途的裝置。其缺點是結構復雜，價格貴和推動力小，同時，一般來說電動執行器不適合防火防爆的場合。但如果采用防爆結構，也可以達到防火防爆的要求。
（2）氣動執行器
氣動執行器是以壓縮空氣為動力的，具有結構簡單、動作可靠穩定、輸出力大、維護方便和防火防爆等優點。所以廣泛應用于石油、化工、冶金、電力等部門，特別適用于具有爆炸危險的石油、化工生產過程。其缺點是滯后大，不適宜遠傳（150m以內），不能與數字裝置連接。
目前，國內外所選用的執行器中，液動的很少。因此，本書只介紹電動和氣動執行器。
（二）執行器的組合方式
目前執行器都有相應的輔助裝置，如電/氣轉換器、閥門定位器等，根據實際需要可組成多種形式的電/氣混合系統。圖8-1給出了各種組合方式。
（1）氣動調節器-閥門定位器-氣動執行器
這是一種zui為常用的氣動控制系統組合方式。通過閥門定位器的輔助作用，可使氣動執行器準確定位，同時可在一定程度上放大調節信號的壓力，增大執行器的輸出力（力矩），增強執行器的工作平穩性。因此，一般適用于準確定位、差壓較大的場合。
（2）氣動調節器-氣/電轉換器-電動執行器
該組合方式通過氣/電轉換器將氣動調節器的氣壓信號成比例地轉換成標準的電信號，從而推動電動執行器工作，實現了氣動信號的遠傳及與數字裝置的連接。
（3）電動調節器-電/氣閥門定位器-氣動執行器
這是目前應用較多的一種組合方式，通過電/氣閥門定位器可實現傳輸信號為電信號，現場操作為氣動執行器。因此具備電動和氣動執行器的優點。電/氣閥門定位器實際上是電/氣轉換器和氣動閥門定位器的結合。
（三）執行器的基本結構
執行器由執行機構和調節閥（調節機構）兩個部分組成，圖8-2為氣動執行器的外形圖。執行機構是執行器的推動裝置，它根據控制信號的大小，產生相應的推力，推動調節閥動作。調節閥是執行器的調節部分，在執行機構推力的作用下，調節閥產生一定的位移或轉角，直接調節流體的流量。
為了保證執行器能夠正常工作，提高調節質量和可靠性，執行器還必須配備一定的輔助裝置。常用的輔助裝置有閥門定位器和手輪機構。閥門定位器利用反饋原理改善執行器性能，使執行器能按調節器的控制信號，實現準確定位。手輪機構用于直接操作調節閥，以便在停電、停氣、調節器無輸出或執行機構損壞而失靈的情況下，生產仍能正常工作。
二、執行機構
執行機構的作用是根據輸入控制信號的大小，產生相應的輸出力f（輸出力矩m）和位移（直線位移 或角位移θ），輸出力f（輸出力矩m）用于克服調節機構中流動流體對閥芯產生的作用力（作用力矩），以及閥桿的摩擦力、閥桿閥芯重量以及壓縮彈簧的預緊力等其他各種阻力；位移（ 或θ）用于帶動調節機構閥芯動作。
執行機構有作用和反作用兩種作用方式：輸入信號增加，執行機構推桿向下運動，稱為正作用；輸入信號增加，執行機構推桿向上運動，稱為反作用。
（一）電動執行機構
電動執行機構接受電動調節器輸出的0～10ma，dc或4～20ma，dc信號，并將其轉換成相應的輸出軸角位移或直線位移，去操縱調節閥，以實現自動調節。
電動執行機構主要分為兩大類：直行程與角行程式。前者用于操縱直行程調節機構，后者用于操縱轉角式調節機構，兩者都是以二相異步伺服電機為動力的位置伺服機構。角行程式執行機構又可分為單轉式和多轉式。單轉式輸出的角位移一般小于3600，通常簡稱為角行程式執行機構；多轉式輸出的角位移超過3600，可達數圈，故稱為多轉式電動執行機構，它和閘閥等多轉式調節閥配套使用。
1、基本結構和工作原理
電動執行機構由伺服放大器和執行單元兩大部分，其結構原理方框圖如圖8-3所示。
圖8-3 電動執行機構組成框圖
為滿足組成復雜調節系統的需要，伺服放大器有三個輸入信號通道和一個位置反饋通道。因此，它可以同時輸入三個信號和一個位置反饋信號。簡單調節系統，只用其中一個輸入通道和位置反饋通道。
圖8-4
伺服放大器將輸入信號ii和反饋信號if相比較，得到差值信號δi（δi=∑ii－if）。當差值信號δi＞0時，δi經伺服放大器功率放大后，驅動伺服電機正轉，再經機械減速器減速后，使輸出轉角θ增大。輸出軸轉角位置經位置發送器轉換成相應的反饋電流if ，反饋到伺服放大器的輸入端使δi減小，直至δi=0時，伺服電機才停止轉動，輸出軸就穩定在與輸入信號相對應的位置上。反之，當δi＜0時，伺服電機反轉，輸出軸轉角θ減少，if也相應減小，直至使δi=0時，伺服電機才停止轉動，輸出軸穩定在另一新的位置上。
圖8-4給出了電動執行機構的靜態特性圖。圖中顯示，輸出軸轉角θ和輸入信號ii之間成一一對應的比例關系，其靜態傳遞系數k為9o /ma。
2、伺服放大器
伺服放大器主要由前置磁放大器、觸發器和可控硅交流開關等構成。它與電機配合工作的伺服驅動電路如圖8-5所示。前置放大器是一個增益很高的放大器，根據輸入信號與反饋信號相減后偏差的正負，在a、b兩點產生兩位式的輸出電壓，控制兩個可控硅觸發電路中一個工作，一個截止。當前置放大器輸出電壓的極性為a（+）、b（－）時，觸發電路2截止，可控硅scr2接在二極管橋式整流器的直流端，它的導通使橋式整流器的c、d兩端近于短接，故220v的交流電壓直接接到伺服電機的繞組ⅰ，同時經分相電容cf加到繞組ⅱ上，這樣，繞組ⅱ中的電流相位比繞組ⅰ超前90o，形成旋轉磁場，使電機朝一個方向轉動。如果前置放大器的輸出電壓極性和上述相反，即a（－）、b（+）時，觸發電路1截止，可控硅scr1不通，而觸發電路2控制scr2*導通，使另一橋式整流器的兩端e、f近于短接，電源電壓直接加于電機繞組ⅱ，并經分相電容cf供電給繞組ⅰ。這樣，繞組ⅰ中的電流相位比繞組ⅱ超前90o，電機朝相反的方向轉動。由于前置放大器的增益很高，只要偏差信號大于不靈敏區，觸發電路便可使可控硅導通，電動機以全速轉動，這里可控硅起的是無觸點開關的作用。當scr1和scr2都不導通，伺服電機停止轉動。
3、執行單元
執行單元由伺服電機、機械減速和位置發送器三部分組成。執行單元接受伺服放大器或電動操作器的輸出信號，控制伺服電機的正、反轉，經機械減速器減速后變成輸出力矩推動調節機構動作。與此同時，位置發送器將調節機構的角位移轉換成相對應的0～10ma，dc信號，作為閥位批示，并反饋到前置放大器的輸入端作為位置反饋信號以平衡輸入信號。
1、伺服電機
伺服電機實際上是一個二相電容異步電機，它將伺服放大器輸出的電功率轉換成機械轉矩，作為執行器的動力部件。
伺服電機由一個用沖槽硅鋼片疊成的定子和鼠籠式轉子組成。定子上均布著兩個匝數、線徑相同而相隔90o電角度的定子繞組ⅰ和ⅱ。由于分相電容cf的作用，ⅰ和ⅱ的電流相位總是相差90o，其合成向量產生定子旋轉磁場，定子旋轉磁場又在轉子內產生感應電流并構成轉子磁場，兩個磁場相互作用，使轉子旋轉。
如前所述，轉子旋轉方向取決于ⅰ和ⅱ中的電流相位差，即取決于分相電容cf串接在哪一個定子繞組中。
2、減速器
由于伺服電機大多是高轉速小力矩的，必須經過近千倍的減速，才能推動調節機構。常用的減速器有行星齒輪和蝸輪蝸桿兩種，其中行星齒輪減速器由于體積小、傳動效率高、承載能力大、單級速比可達100倍以上，獲得廣泛的應用。
3、位置發送器
位置發送器的作用是將電動執行機構輸出軸的位移轉變為0～10ma，dc反饋信號的裝置。其主要部分是差動變壓器。
差動變壓器的鐵芯與凸輪斜面是靠彈簧相接觸的，因此當輸出軸轉動時帶動凸輪使鐵芯左右移動。凸輪斜面將保證鐵芯位置與輸出軸之轉角成線性關系。輸出軸旋轉90o時，鐵芯在線圈中相應地移動8mm。
（二）氣動執行機構
氣動執行機構接受氣動控制器或閥門定位器輸出的氣壓信號，并將其轉換成相應的推桿直線位移，以推動調節閥動作。
氣動執行機構主要有兩種類型：薄膜式與活塞式。薄膜式執行機構簡單、動作可靠、維修方便、價格低廉，是zui常用的一種執行機構；活塞式執行機構允許操作壓力可達500kpa，因此輸出推力大，但價格較高。
氣動執行機構又可分為有彈簧和無彈簧兩種，有彈簧的氣動執行機構較之無彈簧的氣動執行機構輸出推力小、價格低。
氣動執行機構有正作用和反作用兩種形式。當信號壓力增加時推桿向下動作的叫正作用式執行機構；信號壓力增加時推桿向上動作的叫反作用式執行機構。
由于氣動執行機構具有結構簡單、可靠、本質安全防爆、維修方便等突出的優點，由其組成的氣動控制閥一直是執行器的主流產品。即使自70年代以來電動控制儀表大量替代氣動控制儀表，氣動控制閥依然借助電/氣轉換技術被廣泛使用，并得到不斷發展和提高。
1、氣動薄膜式執行機構
正作用式氣動薄膜執行機構如圖8-8所示。它主要由膜片、壓縮彈簧、推桿、膜蓋、支架等組成。膜片為較深的盆形，采用丁脂橡膠作為涂層以增強滌綸織物的強度并保證密封性，工作溫度一般為－40～85℃；壓縮彈簧現采用多根組合形式，其數量為4根、6根或8根，這種組合形式可有效降低調節閥的高度。
當信號壓力通入由上膜蓋1和波紋膜片2組成的薄膜氣室時，在膜片上產生一個推力，使推桿4向下移動并壓縮彈簧6，當彈簧的反作用力與信號壓力在膜片上產生的推力相平衡 時，推桿穩定在一個新的位置，推桿的位移即為執行機構的輸出。
氣動薄膜執行機構的行程規格有10、16、25、40、60、100mm等。薄膜有效面積有200、280、400、630、1000、1600cm2等六種規格。有效面積越大，執行機構的位移和推力也越大。
2、氣動活塞式執行機構
氣動活塞式執行機構如圖8-9所示，其基本部分為氣缸，氣缸內活塞隨氣缸兩側壓差而移動。兩側可以分別輸入一個固定信號和一個變動信號，或兩側都輸入變動信號。它的輸出特性有比例式及兩位式兩種。兩位式是根據輸入執行機構活塞兩側的操作壓力的大小，活塞從高壓側推向低壓側，使推桿從一個位置移到另一位置。比例式是在兩位式基礎上加有閥門定位器后，使推桿位移與信號壓力成比例關系。
此外，還有一種長行程執行機構，其結構原理與活塞式執行機構基本相同，它具有行程長、輸出力矩大的特點，輸出轉角位移為90o，直線位移為40～200mm，適用于輸出角位移和力矩的場合。圖8-8 正作用氣動薄膜執行機構結構原理圖 圖8－9氣動活塞式執行機構
1—上膜蓋；2—膜片；3—下膜蓋；4—推桿；5—支架；
6—壓縮彈簧；7—彈簧座；8—調節桿；
9—連接閥桿螺母；10—行程標尺
（三）閥門定位器
閥門定位器是氣動執行器的—種輔助儀表，它與氣動執行器配套使用。
在圖示8-8的氣動調節閥中，閥桿的位移是由薄膜上的氣壓推力與彈簧反作用力平衡來確定的。實際上，為了防止閥桿引出處的泄漏，填料總要壓得很緊。盡管填料選用密封性好而摩擦系數小的聚四氟乙烯材料，填料對閥桿的摩擦力仍是不小的。特別是在壓力較高的閥上，由于填料壓得很緊，摩擦力可能相當大。此外，被調節流體對閥心的作用力，在閥的尺寸大或閥前后壓差高、流體粘性大及含有固體懸浮物時也可能相當大。所有這些附加力都會影響執行機構與輸入信號之間的定位關系。使執行機構產生回環特性，嚴重時造成調節系統振蕩。因此，在執行機構工作條件差及要求調節質量高的場合，都在調節閥上加裝閥門定位器。
閥門定位器接受調節器的輸出信號后，去控制氣動執行器；當氣動執行器動作時，閥桿的位移又通過機械裝置負反饋到閥門定位器，因此定位器和執行器組成了一個閉環回路，圖8-10所示是閥門定位器的功能示意圖。圖中顯示，來自調節器輸出的信號p0經定位器比例放大后輸出pa，用以控制氣動執行機構動作，位置反饋信號外送回至定位器，由此構成一個使閥桿位移與輸入壓力成比例關系的負反饋系統。
圖8-10 閥門定位器功能示意圖
閥門定位器能夠增加執行機構的輸出功率，減少調節信號的傳遞滯后，加快閥桿的移動速度，能提高信號與閥位間的線性度，克服閥桿的摩擦力和消除不平衡力的影響，從而保證調節閥的正確定位。
