*三章  執(zhí)行器

一、概述    二、執(zhí)行機構(gòu)

教學(xué)目標(biāo)

1. 熟悉執(zhí)行器的分類及特點、執(zhí)行器的組合方式、執(zhí)行器的基本結(jié)構(gòu)

2. 理解電動執(zhí)行機構(gòu)、氣動執(zhí)行機構(gòu)

3. 了解閥門定位器

教學(xué)重點、難點：

重點：執(zhí)行器的分類及特點、基本結(jié)構(gòu)

難點：氣動執(zhí)行機構(gòu)

習(xí)題 

教學(xué)內(nèi)容

一、概述

在過程控制系統(tǒng)中，執(zhí)行器接受調(diào)節(jié)器的指令信號，經(jīng)執(zhí)行機構(gòu)將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直線位移，去操縱調(diào)節(jié)機構(gòu)，改變被控對象進、出的能量或物料，以實現(xiàn)過程的自動控制。

執(zhí)行器常常工作在高溫、高壓、深冷、強腐蝕、高粘度、易結(jié)晶、閃蒸、汽蝕、高壓差等狀態(tài)下，使用條件惡劣，因此，它是整個控制系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。如果執(zhí)行器選擇或使用不當(dāng)，往往會給生產(chǎn)過程自動化帶來困難。在許多場合下，會導(dǎo)致控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量下降、調(diào)節(jié)失靈，甚至因介質(zhì)的易燃、易爆、有毒而造成嚴(yán)重的事故。為此，對于執(zhí)行器的正確選用和安裝、維修等各個環(huán)節(jié)，必須給予足夠的注意。

（一）執(zhí)行器的分類及特點

執(zhí)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(zhí)行器

電動執(zhí)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(shù)字裝置配合使用等。所以電動執(zhí)行器處于發(fā)展和上升時期，是一種有發(fā)展前途的裝置。其缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格貴和推動力小，同時，一般來說電動執(zhí)行器不適合防火防爆的場合。但如果采用防爆結(jié)構(gòu)，也可以達到防火防爆的要求。

（2）氣動執(zhí)行器

氣動執(zhí)行器是以壓縮空氣為動力的，具有結(jié)構(gòu)簡單、動作可靠穩(wěn)定、輸出力大、維護方便和防火防爆等優(yōu)點。所以廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力等部門，特別適用于具有危險的石油、化工生產(chǎn)過程。其缺點是滯后大，不適宜遠傳（150m以內(nèi)），不能與數(shù)字裝置連接。

目前，國內(nèi)外所選用的執(zhí)行器中，液動的很少。因此，本書只介紹電動和氣動執(zhí)行器。

（二）執(zhí)行器的組合方式

目前執(zhí)行器都有相應(yīng)的輔助裝置，如電/氣轉(zhuǎn)換器、閥門定位器等，根據(jù)實際需要可組成多種形式的電/氣混合系統(tǒng)。圖8-1給出了各種組合方式。

（1）氣動調(diào)節(jié)器-閥門定位器-氣動執(zhí)行器

這是一種為常用的氣動控制系統(tǒng)組合方式。通過閥門定位器的輔助作用，可使氣動執(zhí)行器定位，同時可在一定程度上放大調(diào)節(jié)信號的壓力，增大執(zhí)行器的輸出力（力矩），增強執(zhí)行器的工作平穩(wěn)性。因此，一般適用于定位、差壓較大的場合。

（2）氣動調(diào)節(jié)器-氣/電轉(zhuǎn)換器-電動執(zhí)行器

該組合方式通過氣/電轉(zhuǎn)換器將氣動調(diào)節(jié)器的氣壓信號成比例地轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號，從而推動電動執(zhí)行器工作，實現(xiàn)了氣動信號的遠傳及與數(shù)字裝置的連接。

（3）電動調(diào)節(jié)器-電/氣閥門定位器-氣動執(zhí)行器

這是目前應(yīng)用較多的一種組合方式，通過電/氣閥門定位器可實現(xiàn)傳輸信號為電信號，現(xiàn)場操作為氣動執(zhí)行器。因此具備電動和氣動執(zhí)行器的優(yōu)點。電/氣閥門定位器實際上是電/氣轉(zhuǎn)換器和氣動閥門定位器的結(jié)合。

（三）執(zhí)行器的基本結(jié)構(gòu)

執(zhí)行器由執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)閥（調(diào)節(jié)機構(gòu)）兩個部分組成，圖8-2為氣動執(zhí)行器的外形圖。執(zhí)行機構(gòu)是執(zhí)行器的推動裝置，它根據(jù)控制信號的大小，產(chǎn)生相應(yīng)的推力，推動調(diào)節(jié)閥動作。調(diào)節(jié)閥是執(zhí)行器的調(diào)節(jié)部分，在執(zhí)行機構(gòu)推力的作用下，調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生一定的位移或轉(zhuǎn)角，直接調(diào)節(jié)流體的流量。

為了保證執(zhí)行器能夠正常工作，提高調(diào)節(jié)質(zhì)量和可靠性，執(zhí)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(gòu)。閥門定位器利用反饋原理改善執(zhí)行器性能，使執(zhí)行器能按調(diào)節(jié)器的控制信號，實現(xiàn)定位。手輪機構(gòu)用于直接操作調(diào)節(jié)閥，以便在停電、停氣、調(diào)節(jié)器無輸出或執(zhí)行機構(gòu)損壞而失靈的情況下，生產(chǎn)仍能正常工作。

二、執(zhí)行機構(gòu)

執(zhí)行機構(gòu)的作用是根據(jù)輸入控制信號的大小，產(chǎn)生相應(yīng)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(diào)節(jié)機構(gòu)中流動流體對閥芯產(chǎn)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(yù)緊力等其他各種阻力；位移（ 或θ）用于帶動調(diào)節(jié)機構(gòu)閥芯動作。

    執(zhí)行機構(gòu)有作用和反作用兩種作用方式：輸入信號增加，執(zhí)行機構(gòu)推桿向下運動，稱為正作用；輸入信號增加，執(zhí)行機構(gòu)推桿向上運動，稱為反作用。

（一）電動執(zhí)行機構(gòu)

電動執(zhí)行機構(gòu)接受電動調(diào)節(jié)器輸出的0～10mA，DC或4～20mA，DC信號，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸出軸角位移或直線位移，去操縱調(diào)節(jié)閥，以實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。

電動執(zhí)行機構(gòu)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(diào)節(jié)機構(gòu)，后者用于操縱轉(zhuǎn)角式調(diào)節(jié)機構(gòu)，兩者都是以二相異步伺服電機為動力的位置伺服機構(gòu)。角行程式執(zhí)行機構(gòu)又可分為單轉(zhuǎn)式和多轉(zhuǎn)式。單轉(zhuǎn)式輸出的角位移一般小于360⁰，通常簡稱為角行程式執(zhí)行機構(gòu)；多轉(zhuǎn)式輸出的角位移超過360⁰，可達數(shù)圈，故稱為多轉(zhuǎn)式電動執(zhí)行機構(gòu)，它和閘閥等多轉(zhuǎn)式調(diào)節(jié)閥配套使用。

1、基本結(jié)構(gòu)和工作原理

電動執(zhí)行機構(gòu)由伺服放大器和執(zhí)行單元兩大部分，其結(jié)構(gòu)原理方框圖如圖8-3所示。

                   圖8-3  電動執(zhí)行機構(gòu)組成框圖

為滿足組成復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)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(diào)節(jié)系統(tǒng)，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I_i和反饋信號I_f相比較，得到差值信號ΔI（ΔI=∑I_i－I_f）。當(dāng)差值信號ΔI＞0時，ΔI經(jīng)伺服放大器功率放大后，驅(qū)動伺服電機正轉(zhuǎn)，再經(jīng)機械減速器減速后，使輸出轉(zhuǎn)角θ增大。輸出軸轉(zhuǎn)角位置經(jīng)位置發(fā)送器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的反饋電流I_f ，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(zhuǎn)動，輸出軸就穩(wěn)定在與輸入信號相對應(yīng)的位置上。反之，當(dāng)ΔI＜0時，伺服電機反轉(zhuǎn)，輸出軸轉(zhuǎn)角θ減少，I_f也相應(yīng)減小，直至使ΔI=0時，伺服電機才停止轉(zhuǎn)動，輸出軸穩(wěn)定在另一新的位置上。

圖8-4給出了電動執(zhí)行機構(gòu)的靜態(tài)特性圖。圖中顯示，輸出軸轉(zhuǎn)角θ和輸入信號I_i之間成一一對應(yīng)的比例關(guān)系，其靜態(tài)傳遞系數(shù)K為9^o /mA。

2、伺服放大器

伺服放大器主要由前置磁放大器、觸發(fā)器和可控硅交流開關(guān)等構(gòu)成。它與電機配合工作的伺服驅(qū)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(jù)輸入信號與反饋信號相減后偏差的正負，在a、b兩點產(chǎn)生兩位式的輸出電壓，控制兩個可控硅觸發(fā)電路中一個工作，一個截止。當(dāng)前置放大器輸出電壓的極性為a（+）、b（－）時，觸發(fā)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(dǎo)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(jīng)分相電容C_F加到繞組Ⅱ上，這樣，繞組Ⅱ中的電流相位比繞組Ⅰ超前90^o，形成旋轉(zhuǎn)磁場，使電機朝一個方向轉(zhuǎn)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(fā)電路1截止，可控硅SCR₁不通，而觸發(fā)電路2控制SCR₂完全導(dǎo)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(jīng)分相電容C_F供電給繞組Ⅰ。這樣，繞組Ⅰ中的電流相位比繞組Ⅱ超前90^o，電機朝相反的方向轉(zhuǎn)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(qū)，觸發(fā)電路便可使可控硅導(dǎo)通，電動機以全速轉(zhuǎn)動，這里可控硅起的是無觸點開關(guān)的作用。當(dāng)SCR₁和SCR₂都不導(dǎo)通，伺服電機停止轉(zhuǎn)動。

3、執(zhí)行單元

執(zhí)行單元由伺服電機、機械減速和位置發(fā)送器三部分組成。執(zhí)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(zhuǎn)，經(jīng)機械減速器減速后變成輸出力矩推動調(diào)節(jié)機構(gòu)動作。與此同時，位置發(fā)送器將調(diào)節(jié)機構(gòu)的角位移轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)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(zhuǎn)換成機械轉(zhuǎn)矩，作為執(zhí)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(zhuǎn)子組成。定子上均布著兩個匝數(shù)、線徑相同而相隔90^o電角度的定子繞組Ⅰ和Ⅱ。由于分相電容C_F的作用，Ⅰ和Ⅱ的電流相位總是相差90^o，其合成向量產(chǎn)生定子旋轉(zhuǎn)磁場，定子旋轉(zhuǎn)磁場又在轉(zhuǎn)子內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流并構(gòu)成轉(zhuǎn)子磁場，兩個磁場相互作用，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

如前所述，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向取決于Ⅰ和Ⅱ中的電流相位差，即取決于分相電容C_F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(zhuǎn)速小力矩的，必須經(jīng)過近千倍的減速，才能推動調(diào)節(jié)機構(gòu)。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(yīng)用。

3、位置發(fā)送器

位置發(fā)送器的作用是將電動執(zhí)行機構(gòu)輸出軸的位移轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>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(dāng)輸出軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角成線性關(guān)系。輸出軸旋轉(zhuǎn)90^o時，鐵芯在線圈中相應(yīng)地移動8mm。

（二）氣動執(zhí)行機構(gòu)

氣動執(zhí)行機構(gòu)接受氣動控制器或閥門定位器輸出的氣壓信號，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的推桿直線位移，以推動調(diào)節(jié)閥動作。

氣動執(zhí)行機構(gòu)主要有兩種類型：薄膜式與活塞式。薄膜式執(zhí)行機構(gòu)簡單、動作可靠、維修方便、價格低廉，是常用的一種執(zhí)行機構(gòu)；活塞式執(zhí)行機構(gòu)允許操作壓力可達500kPa，因此輸出推力大，但價格較高。

氣動執(zhí)行機構(gòu)又可分為有彈簧和無彈簧兩種，有彈簧的氣動執(zhí)行機構(gòu)較之無彈簧的氣動執(zhí)行機構(gòu)輸出推力小、價格低。

氣動執(zhí)行機構(gòu)有正作用和反作用兩種形式。當(dāng)信號壓力增加時推桿向下動作的叫正作用式執(zhí)行機構(gòu)；信號壓力增加時推桿向上動作的叫反作用式執(zhí)行機構(gòu)。

由于氣動執(zhí)行機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠、本質(zhì)**防爆、維修方便等突出的優(yōu)點，由其組成的氣動控制閥一直是執(zhí)行器的主流產(chǎn)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(zhuǎn)換技術(shù)被廣泛使用，并得到不斷發(fā)展和提高。

1、氣動薄膜式執(zhí)行機構(gòu)

正作用式氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)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(xiàn)采用多根組合形式，其數(shù)量為4根、6根或8根，這種組合形式可有效降低調(diào)節(jié)閥的高度。

當(dāng)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(chǎn)生一個推力，使推桿4向下移動并壓縮彈簧6，當(dāng)彈簧的反作用力與信號壓力在膜片上產(chǎn)生的推力相平衡 時，推桿穩(wěn)定在一個新的位置，推桿的位移即為執(zhí)行機構(gòu)的輸出。

氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)的行程規(guī)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(guī)格。有效面積越大，執(zhí)行機構(gòu)的位移和推力也越大。

2、氣動活塞式執(zhí)行機構(gòu)

氣動活塞式執(zhí)行機構(gòu)如圖8-9所示，其基本部分為氣缸，氣缸內(nèi)活塞隨氣缸兩側(cè)壓差而移動。兩側(cè)可以分別輸入一個固定信號和一個變動信號，或兩側(cè)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(jù)輸入執(zhí)行機構(gòu)活塞兩側(cè)的操作壓力的大小，活塞從高壓側(cè)推向低壓側(cè)，使推桿從一個極端位置移到另一極端位置。比例式是在兩位式基礎(chǔ)上加有閥門定位器后，使推桿位移與信號壓力成比例關(guān)系。

此外，還有一種長行程執(zhí)行機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)原理與活塞式執(zhí)行機構(gòu)基本相同，它具有行程長、輸出力矩大的特點，輸出轉(zhuǎn)角位移為90^o，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(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)原理圖  圖8－9氣動活塞式執(zhí)行機構(gòu)

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(diào)節(jié)桿；

9—連接閥桿螺母；10—行程標(biāo)尺

（三）閥門定位器

閥門定位器是氣動執(zhí)行器的—種輔助儀表，它與氣動執(zhí)行器配套使用。

在圖示8-8的氣動調(diào)節(jié)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(shù)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(dāng)大。此外，被調(diào)節(jié)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(dāng)大。所有這些附加力都會影響執(zhí)行機構(gòu)與輸入信號之間的定位關(guān)系。使執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生回環(huán)特性，嚴(yán)重時造成調(diào)節(jié)系統(tǒng)振蕩。因此，在執(zhí)行機構(gòu)工作條件差及要求調(diào)節(jié)質(zhì)量高的場合，都在調(diào)節(jié)閥上加裝閥門定位器。

閥門定位器接受調(diào)節(jié)器的輸出信號后，去控制氣動執(zhí)行器；當(dāng)氣動執(zhí)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(zhí)行器組成了一個閉環(huán)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(diào)節(jié)器輸出的信號p₀經(jīng)定位器比例放大后輸出p_a，用以控制氣動執(zhí)行機構(gòu)動作，位置反饋信號外送回至定位器，由此構(gòu)成一個使閥桿位移與輸入壓力成比例關(guān)系的負反饋系統(tǒng)。

圖8-10  閥門定位器功能示意圖

閥門定位器能夠增加執(zhí)行機構(gòu)的輸出功率，減少調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)閥的正確定位。

教學(xué)方法

輔助手段