執(zhí)行器在現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化中起著十分重要的作用

執(zhí)行器在現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化中起著十分重要的作用。人們常把它稱(chēng)為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程控制的手足，因?yàn)樗谧詣?dòng)化控制系統(tǒng)中接受調(diào)節(jié)器的控制信號(hào)，自動(dòng)的改變調(diào)節(jié)變量，達(dá)到對(duì)被調(diào)參數(shù)（如溫度、壓力、流量、液位等）進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的，使生產(chǎn)過(guò)程按預(yù)定要求正常進(jìn)行。

執(zhí)行器

執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是執(zhí)行器的推動(dòng)部分，按照控制器輸送的信號(hào)大小產(chǎn)生推力或位移。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出信號(hào)去改變能量或物料輸送量的裝置，常見(jiàn)的是調(diào)節(jié)閥。

執(zhí)行器根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用的能源不同可分為氣動(dòng)、電動(dòng)和液動(dòng)三大類(lèi)。

執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)：

伺服放大器：

前置磁放大器、觸發(fā)器，可控硅主回路及電源等部分。

作用：綜合輸入信號(hào)和反饋信號(hào)，并將該結(jié)果信號(hào)加以放大，使之有足夠大的功率來(lái)控制伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

原理：根據(jù)綜合后結(jié)果信號(hào)的極性，放大器應(yīng)輸出相應(yīng)極性的信號(hào)，以控制電動(dòng)機(jī)的正、反運(yùn)轉(zhuǎn)。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)

伺服電機(jī)：是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力部分。

減速器：將高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩變成低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩。

位置發(fā)送器：根據(jù)差動(dòng)變壓器的工作原理，利用輸出軸的位移來(lái)改變鐵芯在差動(dòng)線(xiàn)圈中的位置，以產(chǎn)生反饋信號(hào)和位置信號(hào)。

操作器：是用來(lái)完成手動(dòng)自動(dòng)之間的切換、遠(yuǎn)方操作和自動(dòng)跟蹤無(wú)擾動(dòng)切換等任務(wù)。

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

調(diào)節(jié)閥：是按照控制信號(hào)的方向和大小，通過(guò)改變閥芯行程來(lái)改變閥的阻力系數(shù)，達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。從流體力學(xué)的觀(guān)點(diǎn)看，調(diào)節(jié)閥是一個(gè)局部阻力可以變化的節(jié)流元件。

原理：

理想流體：不可壓縮、沒(méi)有粘滯性的流體

定常流動(dòng)：空間中的每一點(diǎn)的流速不隨時(shí)間而改變

伯努力方程：研究理想流體做定常運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體中壓強(qiáng)與流速的關(guān)系。

直通單座調(diào)節(jié)閥：當(dāng)閥桿提升時(shí)，閥開(kāi)度增大，流量增加；反之則開(kāi)度減小，流量降低。

特點(diǎn)：關(guān)閉嚴(yán)密，性能可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，但閥桿的推力較大，因此對(duì)執(zhí)行器工作力矩要求相對(duì)較高。

適合場(chǎng)所：關(guān)閉要求較嚴(yán)密及壓差較小的場(chǎng)所，如普通的空調(diào)機(jī)組、風(fēng)機(jī)盤(pán)管、熱交換器等的控制。

直通雙座閥：

閥體內(nèi)有兩個(gè)閥座及兩個(gè)閥芯。閥桿做上下移動(dòng)來(lái)改變閥芯與閥座的位置。

特點(diǎn)：開(kāi)、關(guān)閥時(shí)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的力矩要求較低。關(guān)閉嚴(yán)密性不如單座閥。造價(jià)相對(duì)較高。

適合場(chǎng)所：適用于控制壓差較大，但對(duì)關(guān)閉嚴(yán)密性要求相對(duì)較低的場(chǎng)所，比較典型的應(yīng)用如空調(diào)冷凍水供回水管上的壓差控制閥。

三通調(diào)節(jié)閥：

三通閥有三個(gè)出入口與管道相連，按作用方式分為三通混流閥和三通分流閥兩種形式。

特點(diǎn)：基本上能保持總水量的恒定。因此它適合于定水量系統(tǒng)。一般要求三通閥的溫度小于150℃。

適合場(chǎng)所：三通控制閥常用于熱交換器的旁通調(diào)節(jié)，也可用于簡(jiǎn)單的配比調(diào)節(jié)。

蝶閥：

啟閉件為盤(pán)形蝶板并能繞閥體內(nèi)軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)的一種閥門(mén)。

特點(diǎn)：體積小、重量輕、安裝方便，并且開(kāi)、關(guān)閥的允許壓差較大。其調(diào)節(jié)性能和關(guān)閥密閉性都較差。

適合場(chǎng)所：用于壓差較大、對(duì)調(diào)節(jié)性能要求不高的場(chǎng)所。

執(zhí)行器的分類(lèi)

根據(jù)執(zhí)行器使用的控制介質(zhì)不同，可以分為：氣動(dòng)、電動(dòng)和液動(dòng)執(zhí)行器三種。按輸出位移的形式，執(zhí)行器有轉(zhuǎn)角型和直線(xiàn)型兩種。按動(dòng)作規(guī)律，執(zhí)行器可分為開(kāi)關(guān)型、積分型和比例型三類(lèi)。按輸入控制型號(hào)，執(zhí)行器分為可以輸入空氣壓力信號(hào)、直流電流信號(hào)、電接點(diǎn)通斷信號(hào)、脈沖信號(hào)等幾類(lèi)。

氣動(dòng)執(zhí)行器及應(yīng)用

氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是以壓縮空氣為動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門(mén)的控制，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠、性能穩(wěn)定、維修方便、防火防爆，并且易于制成較大推力的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、價(jià)格便宜、檢修維護(hù)簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)控制必須敷設(shè)專(zhuān)用的氣源管道，對(duì)于雙作用的氣動(dòng)執(zhí)行器，斷氣源后不能回到預(yù)設(shè)位置；單作用的氣動(dòng)執(zhí)行器，斷氣源后可以依靠彈簧回到預(yù)設(shè)位置。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照控制氣壓轉(zhuǎn)換成位移的方式不同，可分為薄膜式、活塞式和齒輪齒條式。

氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)

氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)是最常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作可靠，維護(hù)方便，成本低廉，得到廣泛應(yīng)用。它分為氣開(kāi)式和氣關(guān)式兩種執(zhí)行方式。

氣開(kāi)式執(zhí)行機(jī)構(gòu)在輸入信號(hào)增加時(shí)，在薄膜膜片下方產(chǎn)生一個(gè)推力，克服彈簧的作用力后而將閥門(mén)打開(kāi)。如圖：

氣關(guān)式執(zhí)行機(jī)構(gòu)在輸入信號(hào)增加時(shí)，在薄膜膜片上產(chǎn)生一個(gè)推力，克服彈簧的作用力后而將閥門(mén)關(guān)閉。如圖：

氣動(dòng)薄膜閥的實(shí)物圖

活塞式氣動(dòng)執(zhí)行器

氣動(dòng)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以控制氣作為動(dòng)力，推動(dòng)活塞在汽缸里運(yùn)動(dòng)，輸出軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)角位移或直行程位移，活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)可在活塞上施加較大的控制氣壓，所以可做成比薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)更大推力或更大力矩的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而且，其相對(duì)的體積還可以做得較小。如圖：

齒輪齒條式氣動(dòng)執(zhí)行器

齒輪齒條式(雙活塞齒條式)氣動(dòng)執(zhí)行器，具有結(jié)構(gòu)緊湊，外觀(guān)優(yōu)美，反應(yīng)迅捷，運(yùn)行穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。所有配件都采用最先進(jìn)的防腐蝕處理技術(shù)，能適應(yīng)各種惡劣工況。其高低溫以及各種特殊行程的執(zhí)行器在各種應(yīng)用領(lǐng)域都有良好的表現(xiàn)。

工作原理圖如下：

當(dāng)壓縮空氣從A管咀進(jìn)入氣動(dòng)執(zhí)行器時(shí)，氣體推動(dòng)雙活塞向兩端(缸蓋端)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，活塞上的齒條帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸上的齒輪逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)90 度，閥門(mén)即被打開(kāi)。此時(shí)氣動(dòng)執(zhí)行閥兩端的氣體隨B 管咀排出。反之，當(dāng)壓縮空氣從B官咀進(jìn)入氣動(dòng)執(zhí)行器的兩端時(shí)，氣體推動(dòng)雙塞向中間直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，活塞上的齒條帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸上的齒輪順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)90度，閥門(mén)即被關(guān)閉,此時(shí)氣動(dòng)執(zhí)行器中間的氣體隨A管咀排出。

電動(dòng)執(zhí)行器及應(yīng)用

電動(dòng)執(zhí)行器在工業(yè)控制系統(tǒng)中是電動(dòng)單元組合儀表中一個(gè)很重要的執(zhí)行單元。電動(dòng)執(zhí)行器一般由控制電路和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩個(gè)在電路上完全獨(dú)立的部分組成，可接收來(lái)自DCS 系統(tǒng)的控制信號(hào)，將其線(xiàn)性地轉(zhuǎn)換成機(jī)械轉(zhuǎn)角或直線(xiàn)位移，用來(lái)操作風(fēng)門(mén)、擋板、閥門(mén)等調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)控制。優(yōu)點(diǎn)是能源取用方便，信號(hào)傳輸速度快，傳輸距離遠(yuǎn)，便于集中控制，靈敏度和精度較高，與電動(dòng)調(diào)節(jié)儀表配合方便，安裝接線(xiàn)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，平均故障率高于氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，適用于防爆要求不高，氣源缺乏的場(chǎng)所。按照輸出的軸運(yùn)動(dòng)方式分為直行程和角行程兩種。

角行程電動(dòng)執(zhí)行器轉(zhuǎn)角<360 度角行程電動(dòng)執(zhí)行器輸出軸為角位移，用轉(zhuǎn)動(dòng)力矩來(lái)表示執(zhí)行機(jī)構(gòu)作功能力的大小，輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)小于一周，即小于360 度，通常為90度實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的啟閉過(guò)程控制。

如圖：

直行程電動(dòng)執(zhí)行器輸出軸作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，以其推力來(lái)表示執(zhí)行機(jī)構(gòu)作功能力的大小。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如下：

應(yīng)用范圍：電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是以電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在電廠(chǎng)熱力設(shè)備自動(dòng)控制中得到廣泛的用。

如圖：

液動(dòng)執(zhí)行器及應(yīng)用

液動(dòng)執(zhí)行器是以液壓油為動(dòng)力完成執(zhí)行動(dòng)作的一種執(zhí)行器。液動(dòng)執(zhí)行器的實(shí)際應(yīng)用在三種執(zhí)行器（電動(dòng)、氣動(dòng)、液動(dòng)）中最低，只有一些大型工作場(chǎng)合,才會(huì)使用到液動(dòng)執(zhí)行器。

液動(dòng)執(zhí)行器的優(yōu)點(diǎn)：

液動(dòng)執(zhí)行器的輸出推動(dòng)力要高于氣動(dòng)執(zhí)行器和電動(dòng)執(zhí)行器，且液動(dòng)執(zhí)行器的輸出力矩可以根據(jù)要求進(jìn)行精確的調(diào)整。液動(dòng)執(zhí)行器的傳動(dòng)更為平穩(wěn)可靠，有緩沖無(wú)撞擊現(xiàn)象，適用于對(duì)傳動(dòng)要求較高的工作環(huán)境。液動(dòng)執(zhí)行器的調(diào)節(jié)精度高、響應(yīng)速度快，能實(shí)現(xiàn)高精確度控制。液動(dòng)執(zhí)行器是使用液壓油驅(qū)動(dòng)，液體本身有不可壓縮的特性，因此液壓執(zhí)行器能輕易獲得較好的抗偏離能力。由于使用液壓方式驅(qū)動(dòng)，在操作過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)設(shè)備常見(jiàn)的打火現(xiàn)象，因此防爆性能要高于電動(dòng)執(zhí)行器。

液動(dòng)執(zhí)行器的缺點(diǎn)：

液動(dòng)執(zhí)行器的工作需要外部的液壓系統(tǒng)支持，運(yùn)行液壓執(zhí)行器要配備液壓和輸油管路，這造成液壓執(zhí)行器相對(duì)電動(dòng)執(zhí)行器和氣動(dòng)執(zhí)行器來(lái)說(shuō)，一次性投資更大，安裝工程量也更多，因此只有在較大的工作場(chǎng)合，DEH 系統(tǒng)，才使用液動(dòng)執(zhí)行器。

應(yīng)用范圍：油動(dòng)機(jī)。如圖：

使高壓油進(jìn)入油動(dòng)機(jī)活塞下腔室，油動(dòng)機(jī)活塞克服彈簧的壓力向上移動(dòng)，經(jīng)杠桿或連桿使閥門(mén)開(kāi)啟，或者當(dāng)下腔室的高壓油排出時(shí)，借助彈簧力使活塞下移，關(guān)閉閥門(mén)。

電動(dòng)執(zhí)行器的發(fā)展趨勢(shì)

電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及通訊技術(shù)的快速發(fā)展必將推動(dòng)電動(dòng)執(zhí)行器更加快速的發(fā)展，機(jī)電一體化將取代分體式結(jié)構(gòu)；智能通訊取代模擬信號(hào)；控制精度將越來(lái)越高，使用環(huán)境越來(lái)越廣；功能更強(qiáng)大，可靠性更高，以適應(yīng)不斷發(fā)展的自動(dòng)控制的要求。

1、總線(xiàn)化、網(wǎng)絡(luò)化

國(guó)外，以工業(yè)局域網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的工廠(chǎng)自動(dòng)化工程技術(shù)在最近十年來(lái)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，作為自動(dòng)控制中自動(dòng)化儀表之一的電動(dòng)執(zhí)行器為適應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì)，也應(yīng)具有標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口（如RS-232或RS-422接口等）和專(zhuān)用的局域網(wǎng)接口，以增強(qiáng)其與其它控制設(shè)備間的互聯(lián)能力，只需要一根電纜或光纜，就可以將數(shù)臺(tái)、甚至數(shù)十臺(tái)電動(dòng)執(zhí)行器與上位計(jì)算機(jī)連接成為整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是安裝在生產(chǎn)過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線(xiàn)?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)企業(yè)網(wǎng)作為今后控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，以其所具有的開(kāi)放性，網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點(diǎn)，使它與Interent的結(jié)合成為可能，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)執(zhí)行器成為必然趨勢(shì)?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的應(yīng)用，取代了傳統(tǒng)的4～20mA模擬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)執(zhí)行器的遠(yuǎn)程監(jiān)控，狀態(tài)、故障、參數(shù)信息傳送，完成遠(yuǎn)程參數(shù)化工作，提高了它的可靠性，降低了系統(tǒng)及工程成本。目前有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)主要有PROFIBUS，F(xiàn)F，HART，CAN等。其實(shí)，國(guó)外目前的智能電動(dòng)執(zhí)行器一般都帶有現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)接口，我國(guó)也開(kāi)發(fā)了一些帶現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)接口的智能執(zhí)行器。

2、數(shù)字化、智能化

智能化是當(dāng)前一切工業(yè)控制設(shè)備的流行趨勢(shì)，價(jià)格低廉的單片機(jī)和新型高速微處理器將全面代替以模擬電子器件為主的電動(dòng)執(zhí)行器的控制單元，從而實(shí)現(xiàn)完全數(shù)字化的控制系統(tǒng)。全數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)，將原有的硬件控制變成了軟件控制，從而可以在電動(dòng)執(zhí)行器中應(yīng)用現(xiàn)代控制理論的先進(jìn)算法（如：最優(yōu)控制、人工智能、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等）來(lái)提高控制性能。傳統(tǒng)的電動(dòng)執(zhí)行器一般被看作是線(xiàn)性系統(tǒng)，由放大環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)組。但實(shí)際上，絕大多數(shù)執(zhí)行器參數(shù)在運(yùn)行期間會(huì)顯著地發(fā)生改變，應(yīng)用參數(shù)調(diào)度和模型辨識(shí)自適應(yīng)控制將大大提高電動(dòng)執(zhí)行器的控制性能。相對(duì)氣動(dòng)、液動(dòng)執(zhí)行器來(lái)說(shuō)，接線(xiàn)簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、使用可靠的智能電動(dòng)執(zhí)行器將不斷擴(kuò)大應(yīng)用范圍。

3、小型化、機(jī)電一體化

電力電子的高度集成化，單片機(jī)的使用以及一些功能強(qiáng)大模塊的使用，使電動(dòng)執(zhí)行器的體積越來(lái)越小，向小型化，輕便化發(fā)展。目前，智能電動(dòng)執(zhí)行器一般將整個(gè)控制回路裝在一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)儀表里，將伺服電機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)儀表控制器安裝為一體。電動(dòng)執(zhí)行器一體化，使得執(zhí)行器的安裝與調(diào)試工作都得到了簡(jiǎn)化；將整個(gè)控制回路裝在一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)儀表里，又減少了因信號(hào)傳輸中的泄露和干擾等因素對(duì)系統(tǒng)的影響，提高了系統(tǒng)的可靠性。

國(guó)際上，電動(dòng)執(zhí)行器正朝著小型化、一體化、數(shù)字化、智能化、總線(xiàn)化和網(wǎng)絡(luò)化方向快速發(fā)展，國(guó)產(chǎn)電動(dòng)執(zhí)行器在產(chǎn)品的品種、控制精度、工藝水平、可靠性、智能化和網(wǎng)絡(luò)化方面還有較大差距，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能電動(dòng)執(zhí)行器十分匱乏。但我們一定會(huì)與世界的差距越來(lái)越小。