解析自動化控制的執(zhí)行器技術

執(zhí)行器在現代生產過程自動化中起著十分重要的作用。人們常把它稱為實現生產過程控制的手足，因為它在自動化控制系統(tǒng)中接受調節(jié)器的控制信號，自動的改變調節(jié)變量，達到對被調參數（如溫度、壓力、流量、液位等）進行調節(jié)的目的，使生產過程按預定要求正常進行。

執(zhí)行器

執(zhí)行器由執(zhí)行機構和調節(jié)機構兩部分組成。執(zhí)行機構是執(zhí)行器的推動部分，按照控制器輸送的信號大小產生推力或位移。調節(jié)機構是根據執(zhí)行機構輸出信號去改變能量或物料輸送量的裝置，常見的是調節(jié)閥。

執(zhí)行器根據執(zhí)行機構使用的能源不同可分為氣動、電動和液動三大類。

執(zhí)行器的結構：

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：綜合輸入信號和反饋信號，并將該結果信號加以放大，使之有足夠大的功率來控制伺服電動機的轉動。

原理：根據綜合后結果信號的極性，放大器應輸出相應極性的信號，以控制電動機的正、反運轉。

執(zhí)行機構

伺服電機：是執(zhí)行機構的動力部分。

減速器：將高轉速、低轉矩變成低轉速、高轉矩。

位置發(fā)送器：根據差動變壓器的工作原理，利用輸出軸的位移來改變鐵芯在差動線圈中的位置，以產生反饋信號和位置信號。

操作器：是用來完成手動自動之間的切換、遠方操作和自動跟蹤無擾動切換等任務。

調節(jié)機構

調節(jié)閥：是按照控制信號的方向和大小，通過改變閥芯行程來改變閥的阻力系數，達到調節(jié)流量的目的。從流體力學的觀點看，調節(jié)閥是一個局部阻力可以變化的節(jié)流元件。

原理：

理想流體：不可壓縮、沒有粘滯性的流體

定常流動：空間中的每一點的流速不隨時間而改變

伯努力方程：研究理想流體做定常運動時，流體中壓強與流速的關系。

直通單座調節(jié)閥：當閥桿提升時，閥開度增大，流量增加；反之則開度減小，流量降低。

特點：關閉嚴密，性能可靠，結構簡單，造價低廉，但閥桿的推力較大，因此對執(zhí)行器工作力矩要求相對較高。

適合場所：關閉要求較嚴密及壓差較小的場所，如普通的空調機組、風機盤管、熱交換器等的控制。

直通雙座閥：

閥體內有兩個閥座及兩個閥芯。閥桿做上下移動來改變閥芯與閥座的位置。

特點：開、關閥時對執(zhí)行機構的力矩要求較低。關閉嚴密性不如單座閥。造價相對較高。

適合場所：適用于控制壓差較大，但對關閉嚴密性要求相對較低的場所，比較典型的應用如空調冷凍水供回水管上的壓差控制閥。

三通調節(jié)閥：

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

特點：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℃。

適合場所：三通控制閥常用于熱交換器的旁通調節(jié)，也可用于簡單的配比調節(jié)。

蝶閥：

啟閉件為盤形蝶板并能繞閥體內軸線旋轉的一種閥門。

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

適合場所：用于壓差較大、對調節(jié)性能要求不高的場所。

執(zhí)行器的分類

根據執(zhí)行器使用的控制介質不同，可以分為：氣動、電動和液動執(zhí)行器三種。按輸出位移的形式，執(zhí)行器有轉角型和直線型兩種。按動作規(guī)律，執(zhí)行器可分為開關型、積分型和比例型三類。按輸入控制型號，執(zhí)行器分為可以輸入空氣壓力信號、直流電流信號、電接點通斷信號、脈沖信號等幾類。

氣動執(zhí)行器及應用

氣動執(zhí)行機構是以壓縮空氣為動力，實現對閥門的控制，具有結構簡單、動作可靠、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)行機構、價格便宜、檢修維護簡單，對環(huán)境的適應性好等優(yōu)點。缺點是實現控制必須敷設專用的氣源管道，對于雙作用的氣動執(zhí)行器，斷氣源后不能回到預設位置；單作用的氣動執(zhí)行器，斷氣源后可以依靠彈簧回到預設位置。氣動執(zhí)行機構按照控制氣壓轉換成位移的方式不同，可分為薄膜式、活塞式和齒輪齒條式。

氣動薄膜執(zhí)行機構

氣動薄膜執(zhí)行機構是最常用的執(zhí)行機構，氣動薄膜執(zhí)行機構的結構簡單，動作可靠，維護方便，成本低廉，得到廣泛應用。它分為氣開式和氣關式兩種執(zhí)行方式。

氣開式執(zhí)行機構在輸入信號增加時，在薄膜膜片下方產生一個推力，克服彈簧的作用力后而將閥門打開。如圖：

氣關式執(zhí)行機構在輸入信號增加時，在薄膜膜片上產生一個推力，克服彈簧的作用力后而將閥門關閉。如圖：

氣動薄膜閥的實物圖

活塞式氣動執(zhí)行器

氣動活塞式執(zhí)行機構，以控制氣作為動力，推動活塞在汽缸里運動，輸出軸產生轉角位移或直行程位移，活塞式執(zhí)行機構可在活塞上施加較大的控制氣壓，所以可做成比薄膜執(zhí)行機構更大推力或更大力矩的執(zhí)行機構，而且，其相對的體積還可以做得較小。如圖：

齒輪齒條式氣動執(zhí)行器

齒輪齒條式（雙活塞齒條式）氣動執(zhí)行器，具有結構緊湊，外觀優(yōu)美，反應迅捷，運行穩(wěn)定，使用壽命長等特點。所有配件都采用最先進的防腐蝕處理技術，能適應各種惡劣工況。其高低溫以及各種特殊行程的執(zhí)行器在各種應用領域都有良好的表現。

工作原理圖如下：

當壓縮空氣從A管咀進入氣動執(zhí)行器時，氣體推動雙活塞向兩端（缸蓋端）直線運動，活塞上的齒條帶動旋轉軸上的齒輪逆時針方向轉動90 度，閥門即被打開。此時氣動執(zhí)行閥兩端的氣體隨B 管咀排出。

反之，當壓縮空氣從B官咀進入氣動執(zhí)行器的兩端時，氣體推動雙塞向中間直線運動，活塞上的齒條帶動旋轉軸上的齒輪順時針方向轉動90度，閥門即被關閉，此時氣動執(zhí)行器中間的氣體隨A管咀排出。

電動執(zhí)行器及應用

電動執(zhí)行器在工業(yè)控制系統(tǒng)中是電動單元組合儀表中一個很重要的執(zhí)行單元。電動執(zhí)行器一般由控制電路和執(zhí)行機構兩個在電路上完全獨立的部分組成，可接收來自DCS 系統(tǒng)的控制信號，將其線性地轉換成機械轉角或直線位移，用來操作風門、擋板、閥門等調節(jié)機構，以實現控制。

優(yōu)點是能源取用方便，信號傳輸速度快，傳輸距離遠，便于集中控制，靈敏度和精度較高，與電動調節(jié)儀表配合方便，安裝接線簡單。缺點是結構復雜，平均故障率高于氣動執(zhí)行機構，適用于防爆要求不高，氣源缺乏的場所。按照輸出的軸運動方式分為直行程和角行程兩種。

角行程電動執(zhí)行器轉角《360 度角行程電動執(zhí)行器輸出軸為角位移，用轉動力矩來表示執(zhí)行機構作功能力的大小，輸出軸的轉動小于一周，即小于360 度，通常為90度實現閥門的啟閉過程控制。

如圖：

直行程電動執(zhí)行器輸出軸作直線運動，以其推力來表示執(zhí)行機構作功能力的大小。

內部結構圖如下：

應用范圍：電動執(zhí)行機構是以電動機作為動力的執(zhí)行機構，在電廠熱力設備自動控制中得到廣泛的用。

如圖：

液動執(zhí)行器及應用

液動執(zhí)行器是以液壓油為動力完成執(zhí)行動作的一種執(zhí)行器。液動執(zhí)行器的實際應用在三種執(zhí)行器（電動、氣動、液動）中最低，只有一些大型工作場合，才會使用到液動執(zhí)行器。

液動執(zhí)行器的優(yōu)點：

液動執(zhí)行器的輸出推動力要高于氣動執(zhí)行器和電動執(zhí)行器，且液動執(zhí)行器的輸出力矩可以根據要求進行精確的調整。液動執(zhí)行器的傳動更為平穩(wěn)可靠，有緩沖無撞擊現象，適用于對傳動要求較高的工作環(huán)境。液動執(zhí)行器的調節(jié)精度高、響應速度快，能實現高精確度控制。

液動執(zhí)行器是使用液壓油驅動，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動，在操作過程中不會出現電動設備常見的打火現象，因此防爆性能要高于電動執(zhí)行器。

液動執(zhí)行器的缺點：

液動執(zhí)行器的工作需要外部的液壓系統(tǒng)支持，運行液壓執(zhí)行器要配備液壓和輸油管路，這造成液壓執(zhí)行器相對電動執(zhí)行器和氣動執(zhí)行器來說，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合，DEH 系統(tǒng)，才使用液動執(zhí)行器。

應用范圍：油動機。如圖：

使高壓油進入油動機活塞下腔室，油動機活塞克服彈簧的壓力向上移動，經杠桿或連桿使閥門開啟，或者當下腔室的高壓油排出時，借助彈簧力使活塞下移，關閉閥門。

電動執(zhí)行器的發(fā)展趨勢

電力電子技術、計算機技術及通訊技術的快速發(fā)展必將推動電動執(zhí)行器更加快速的發(fā)展，機電一體化將取代分體式結構；智能通訊取代模擬信號；控制精度將越來越高，使用環(huán)境越來越廣；功能更強大，可靠性更高，以適應不斷發(fā)展的自動控制的要求。

1、總線化、網絡化

國外，以工業(yè)局域網技術為基礎的工廠自動化工程技術在最近十年來得到了長足的發(fā)展，作為自動控制中自動化儀表之一的電動執(zhí)行器為適應這一發(fā)展趨勢，也應具有標準的串行通信接口（如RS-232或RS-422接口等）和專用的局域網接口，以增強其與其它控制設備間的互聯(lián)能力，只需要一根電纜或光纜，就可以將數臺、甚至數十臺電動執(zhí)行器與上位計算機連接成為整個數控系統(tǒng)。

現場總線是安裝在生產過程區(qū)域的現場設備/儀表與控制室內的自動控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數字式、多點通信的數據總線?，F場總線企業(yè)網作為今后控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，以其所具有的開放性，網絡化等優(yōu)點，使它與Interent的結合成為可能，現場總線技術應用于電動執(zhí)行器成為必然趨勢。

現場總線技術的應用，取代了傳統(tǒng)的4～20mA模擬信號，實現了電動執(zhí)行器的遠程監(jiān)控，狀態(tài)、故障、參數信息傳送，完成遠程參數化工作，提高了它的可靠性，降低了系統(tǒng)及工程成本。目前有影響的現場總線主要有PROFIBUS，FF，HART，CAN等。其實，國外目前的智能電動執(zhí)行器一般都帶有現場總線接口，我國也開發(fā)了一些帶現場總線接口的智能執(zhí)行器。

2、數字化、智能化

智能化是當前一切工業(yè)控制設備的流行趨勢，價格低廉的單片機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執(zhí)行器的控制單元，從而實現完全數字化的控制系統(tǒng)。全數字化的實現，將原有的硬件控制變成了軟件控制，從而可以在電動執(zhí)行器中應用現代控制理論的先進算法（如：最優(yōu)控制、人工智能、模糊控制、神經元網絡等）來提高控制性能。

傳統(tǒng)的電動執(zhí)行器一般被看作是線性系統(tǒng)，由放大環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)組。但實際上，絕大多數執(zhí)行器參數在運行期間會顯著地發(fā)生改變，應用參數調度和模型辨識自適應控制將大大提高電動執(zhí)行器的控制性能。相對氣動、液動執(zhí)行器來說，接線簡單、功能強大、使用可靠的智能電動執(zhí)行器將不斷擴大應用范圍。

3、小型化、機電一體化

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

國際上，電動執(zhí)行器正朝著小型化、一體化、數字化、智能化、總線化和網絡化方向快速發(fā)展，國產電動執(zhí)行器在產品的品種、控制精度、工藝水平、可靠性、智能化和網絡化方面還有較大差距，具有自主知識產權的高性能電動執(zhí)行器十分匱乏。但我們一定會與世界的差距越來越小。

編輯：jq