自动化控制核心之执行器技术详解

执行器在现代生产过程自动化中起着十分重要的作用。人们常把它称为实现生产过程控制的手足，因为它在自动化控制系统中接受调节器的控制信号，自动的改变调节变量，达到对被调参数（如温度、压力、流量、液位等）进行调节的目的，使生产过程按预定要求正常进行。

执行器

执行器由执行机构和调节机构两部分组成。执行机构是执行器的推动部分，按照控制器输送的信号大小产生推力或位移。调节机构是根据执行机构输出信号去改变能量或物料输送量的装置，常见的是调节阀。

执行器根据执行机构使用的能源不同可分为气动、电动和液动三大类。

执行器的结构：

伺服放大器：

前置磁放大器、触发器，可控硅主回路及电源等部分。

作用：综合输入信号和反馈信号，并将该结果信号加以放大，使之有足够大的功率来控制伺服电动机的转动。

原理：根据综合后结果信号的极性，放大器应输出相应极性的信号，以控制电动机的正、反运转。

执行机构

伺服电机：是执行机构的动力部分。

减速器：将高转速、低转矩变成低转速、高转矩。

位置发送器：根据差动变压器的工作原理，利用输出轴的位移来改变铁芯在差动线圈中的位置，以产生反馈信号和位置信号。

操作器：是用来完成手动自动之间的切换、远方操作和自动跟踪无扰动切换等任务。

调节机构

调节阀：是按照控制信号的方向和大小，通过改变阀芯行程来改变阀的阻力系数，达到调节流量的目的。从流体力学的观点看，调节阀是一个局部阻力可以变化的节流元件。

原理：

理想流体：不可压缩、没有粘滞性的流体

定常流动：空间中的每一点的流速不随时间而改变

伯努力方程：研究理想流体做定常运动时，流体中压强与流速的关系。

直通单座调节阀：当阀杆提升时，阀开度增大，流量增加；反之则开度减小，流量降低。

特点：关闭严密，性能可靠，结构简单，造价低廉，但阀杆的推力较大，因此对执行器工作力矩要求相对较高。

适合场所：关闭要求较严密及压差较小的场所，如普通的空调机组、风机盘管、热交换器等的控制。

直通双座阀：

阀体内有两个阀座及两个阀芯。阀杆做上下移动来改变阀芯与阀座的位置。

特点：开、关阀时对执行机构的力矩要求较低。关闭严密性不如单座阀。造价相对较高。

适合场所：适用于控制压差较大，但对关闭严密性要求相对较低的场所，比较典型的应用如空调冷冻水供回水管上的压差控制阀。

三通调节阀：

三通阀有三个出入口与管道相连，按作用方式分为三通混流阀和三通分流阀两种形式。

特点：基本上能保持总水量的恒定。因此它适合于定水量系统。一般要求三通阀的温度小于150℃。

适合场所：三通控制阀常用于热交换器的旁通调节，也可用于简单的配比调节。

蝶阀：

启闭件为盘形蝶板并能绕阀体内轴线旋转的一种阀门。

特点：体积小、重量轻、安装方便，并且开、关阀的允许压差较大。其调节性能和关阀密闭性都较差。

适合场所：用于压差较大、对调节性能要求不高的场所。

执行器的分类

根据执行器使用的控制介质不同，可以分为：气动、电动和液动执行器三种。按输出位移的形式，执行器有转角型和直线型两种。按动作规律，执行器可分为开关型、积分型和比例型三类。按输入控制型号，执行器分为可以输入空气压力信号、直流电流信号、电接点通断信号、脉冲信号等几类。

气动执行器及应用

气动执行机构是以压缩空气为动力，实现对阀门的控制，具有结构简单、动作可靠、性能稳定、维修方便、防火防爆，并且易于制成较大推力的执行机构、价格便宜、检修维护简单，对环境的适应性好等优点。缺点是实现控制必须敷设专用的气源管道，对于双作用的气动执行器，断气源后不能回到预设位置；单作用的气动执行器，断气源后可以依靠弹簧回到预设位置。气动执行机构按照控制气压转换成位移的方式不同，可分为薄膜式、活塞式和齿轮齿条式。

气动薄膜执行机构

气动薄膜执行机构是最常用的执行机构，气动薄膜执行机构的结构简单，动作可靠，维护方便，成本低廉，得到广泛应用。它分为气开式和气关式两种执行方式。

气开式执行机构在输入信号增加时，在薄膜膜片下方产生一个推力，克服弹簧的作用力后而将阀门打开。如图：

气关式执行机构在输入信号增加时，在薄膜膜片上产生一个推力，克服弹簧的作用力后而将阀门关闭。如图：

活塞式气动执行器

气动活塞式执行机构，以控制气作为动力，推动活塞在汽缸里运动，输出轴产生转角位移或直行程位移，活塞式执行机构可在活塞上施加较大的控制气压，所以可做成比薄膜执行机构更大推力或更大力矩的执行机构，而且，其相对的体积还可以做得较小。如图：

齿轮齿条式气动执行器

齿轮齿条式(双活塞齿条式)气动执行器，具有结构紧凑，外观优美，反应迅捷，运行稳定，使用寿命长等特点。所有配件都采用最先进的防腐蚀处理技术，能适应各种恶劣工况。其高低温以及各种特殊行程的执行器在各种应用领域都有良好的表现。

工作原理图如下：

当压缩空气从A管咀进入气动执行器时，气体推动双活塞向两端(缸盖端)直线运动，活塞上的齿条带动旋转轴上的齿轮逆时针方向转动90 度，阀门即被打开。此时气动执行阀两端的气体随B 管咀排出。反之，当压缩空气从B官咀进入气动执行器的两端时，气体推动双塞向中间直线运动，活塞上的齿条带动旋转轴上的齿轮顺时针方向转动90度，阀门即被关闭,此时气动执行器中间的气体随A管咀排出。

电动执行器及应用

电动执行器在工业控制系统中是电动单元组合仪表中一个很重要的执行单元。电动执行器一般由控制电路和执行机构两个在电路上完全独立的部分组成，可接收来自DCS 系统的控制信号，将其线性地转换成机械转角或直线位移，用来操作风门、挡板、阀门等调节机构，以实现控制。优点是能源取用方便，信号传输速度快，传输距离远，便于集中控制，灵敏度和精度较高，与电动调节仪表配合方便，安装接线简单。缺点是结构复杂，平均故障率高于气动执行机构，适用于防爆要求不高，气源缺乏的场所。按照输出的轴运动方式分为直行程和角行程两种。

角行程电动执行器转角<360 度角行程电动执行器输出轴为角位移，用转动力矩来表示执行机构作功能力的大小，输出轴的转动小于一周，即小于360 度，通常为90度实现阀门的启闭过程控制。

直行程电动执行器输出轴作直线运动，以其推力来表示执行机构作功能力的大小。

内部结构图如下：

应用范围：电动执行机构是以电动机作为动力的执行机构，在电厂热力设备自动控制中得到广泛的用。

液动执行器及应用

液动执行器是以液压油为动力完成执行动作的一种执行器。液动执行器的实际应用在三种执行器（电动、气动、液动）中最低，只有一些大型工作场合,才会使用到液动执行器。

液动执行器的优点：

液动执行器的输出推动力要高于气动执行器和电动执行器，且液动执行器的输出力矩可以根据要求进行精确的调整。液动执行器的传动更为平稳可靠，有缓冲无撞击现象，适用于对传动要求较高的工作环境。液动执行器的调节精度高、响应速度快，能实现高精确度控制。液动执行器是使用液压油驱动，液体本身有不可压缩的特性，因此液压执行器能轻易获得较好的抗偏离能力。由于使用液压方式驱动，在操作过程中不会出现电动设备常见的打火现象，因此防爆性能要高于电动执行器。

液动执行器的缺点：

液动执行器的工作需要外部的液压系统支持，运行液压执行器要配备液压和输油管路，这造成液压执行器相对电动执行器和气动执行器来说，一次性投资更大，安装工程量也更多，因此只有在较大的工作场合，DEH 系统，才使用液动执行器。

应用范围：油动机。如图：

使高压油进入油动机活塞下腔室，油动机活塞克服弹簧的压力向上移动，经杠杆或连杆使阀门开启，或者当下腔室的高压油排出时，借助弹簧力使活塞下移，关闭阀门。

 电动执行器的发展趋势

电力电子技术、计算机技术及通讯技术的快速发展必将推动电动执行器更加快速的发展，机电一体化将取代分体式结构；智能通讯取代模拟信号；控制精度将越来越高，使用环境越来越广；功能更强大，可靠性更高，以适应不断发展的自动控制的要求。

1、总线化、网络化

国外，以工业局域网技术为基础的工厂自动化工程技术在最近十年来得到了长足的发展，作为自动控制中自动化仪表之一的电动执行器为适应这一发展趋势，也应具有标准的串行通信接口（如RS-232或RS-422接口等）和专用的局域网接口，以增强其与其它控制设备间的互联能力，只需要一根电缆或光缆，就可以将数台、甚至数十台电动执行器与上位计算机连接成为整个数控系统。现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。现场总线企业网作为今后控制系统的发展方向，以其所具有的开放性，网络化等优点，使它与Interent的结合成为可能，现场总线技术应用于电动执行器成为必然趋势。现场总线技术的应用，取代了传统的4～20mA模拟信号，实现了电动执行器的远程监控，状态、故障、参数信息传送，完成远程参数化工作，提高了它的可靠性，降低了系统及工程成本。目前有影响的现场总线主要有PROFIBUS，FF，HART，CAN等。其实，国外目前的智能电动执行器一般都带有现场总线接口，我国也开发了一些带现场总线接口的智能执行器。

2、数字化、智能化

智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势，价格低廉的单片机和新型高速微处理器将全面代替以模拟电子器件为主的电动执行器的控制单元，从而实现完全数字化的控制系统。全数字化的实现，将原有的硬件控制变成了软件控制，从而可以在电动执行器中应用现代控制理论的先进算法（如：最优控制、人工智能、模糊控制、神经元网络等）来提高控制性能。传统的电动执行器一般被看作是线性系统，由放大环节和积分环节组。但实际上，绝大多数执行器参数在运行期间会显著地发生改变，应用参数调度和模型辨识自适应控制将大大提高电动执行器的控制性能。相对气动、液动执行器来说，接线简单、功能强大、使用可靠的智能电动执行器将不断扩大应用范围。

3、小型化、机电一体化

电力电子的高度集成化，单片机的使用以及一些功能强大模块的使用，使电动执行器的体积越来越小，向小型化，轻便化发展。目前，智能电动执行器一般将整个控制回路装在一台现场仪表里，将伺服电机，现场仪表控制器安装为一体。电动执行器一体化，使得执行器的安装与调试工作都得到了简化；将整个控制回路装在一台现场仪表里，又减少了因信号传输中的泄露和干扰等因素对系统的影响，提高了系统的可靠性。

国际上，电动执行器正朝着小型化、一体化、数字化、智能化、总线化和网络化方向快速发展，国产电动执行器在产品的品种、控制精度、工艺水平、可靠性、智能化和网络化方面还有较大差距，具有自主知识产权的高性能电动执行器十分匮乏。但我们一定会与世界的差距越来越小。

审核编辑：黄飞