解析自動化控制的執(zhí)行器技術(shù)

執(zhí)行器在現(xiàn)代生產(chǎn)過程自動化中起著十分重要的作用。人們常把它稱為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程控制的手足，因?yàn)樗谧詣踊?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/8966/" target="_blank">控制系統(tǒng)中接受調(diào)節(jié)器的控制信號，自動的改變調(diào)節(jié)變量，達(dá)到對被調(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)行器的推動部分，按照控制器輸送的信號大小產(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)輸出信號去改變能量或物料輸送量的裝置，常見的是調(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、電動和液動三大類。

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

原理：根據(jù)綜合后結(jié)果信號的極性，放大器應(yīng)輸出相應(yīng)極性的信號，以控制電動機(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(chǎn)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(yuǎn)方操作和自動跟蹤無擾動切換等任務(wù)。

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

調(diào)節(jié)閥：是按照控制信號的方向和大小，通過改變閥芯行程來改變閥的阻力系數(shù)，達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。從流體力學(xué)的觀點(diǎn)看，調(diào)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(diǎn)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(yùn)動時，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，閥開度增大，流量增加；反之則開度減小，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(guān)閉要求較嚴(yán)密及壓差較小的場所，如普通的空調(diào)機(jī)組、風(fēng)機(jī)盤管、熱交換器等的控制。

直通雙座閥：

閥體內(nèi)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(diǎn)：開、關(guān)閥時對執(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。造價相對較高。

適合場所：適用于控制壓差較大，但對關(guān)閉嚴(yán)密性要求相對較低的場所，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)，也可用于簡單的配比調(diào)節(jié)。

蝶閥：

啟閉件為盤形蝶板并能繞閥體內(nèi)軸線旋轉(zhuǎn)的一種閥門。

特點(diǎn)：體積小、重量輕、安裝方便，并且開、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。

適合場所：用于壓差較大、對調(diào)節(jié)性能要求不高的場所。

執(zhí)行器的分類

根據(jù)執(zhí)行器使用的控制介質(zhì)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(zhuǎn)角型和直線型兩種。按動作規(guī)律，執(zhí)行器可分為開關(guān)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(diǎn)通斷信號、脈沖信號等幾類。

氣動執(zhí)行器及應(yīng)用

氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)是以壓縮空氣為動力，實(shí)現(xiàn)對閥門的控制，具有結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)、價格便宜、檢修維護(hù)簡單，對環(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(yù)設(shè)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(yù)設(shè)位置。氣動執(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。

氣動薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)

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

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

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

氣動薄膜閥的實(shí)物圖

活塞式氣動執(zhí)行器

氣動活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以控制氣作為動力，推動活塞在汽缸里運(yùn)動，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(jié)構(gòu)緊湊，外觀優(yōu)美，反應(yīng)迅捷，運(yùn)行穩(wěn)定，使用壽命長等特點(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)入氣動執(zhí)行器時，氣體推動雙活塞向兩端（缸蓋端）直線運(yùn)動，活塞上的齒條帶動旋轉(zhuǎn)軸上的齒輪逆時針方向轉(zhuǎn)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(dāng)壓縮空氣從B官咀進(jìn)入氣動執(zhí)行器的兩端時，氣體推動雙塞向中間直線運(yùn)動，活塞上的齒條帶動旋轉(zhuǎn)軸上的齒輪順時針方向轉(zhuǎn)動90度，閥門即被關(guān)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(yīng)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(jī)構(gòu)兩個在電路上完全獨(dú)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(zhuǎn)換成機(jī)械轉(zhuǎn)角或直線位移，用來操作風(fēng)門、擋板、閥門等調(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，與電動調(diào)節(jié)儀表配合方便，安裝接線簡單。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，平均故障率高于氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，適用于防爆要求不高，氣源缺乏的場所。按照輸出的軸運(yùn)動方式分為直行程和角行程兩種。

角行程電動執(zhí)行器轉(zhuǎn)角《360 度角行程電動執(zhí)行器輸出軸為角位移，用轉(zhuǎn)動力矩來表示執(zhí)行機(jī)構(gòu)作功能力的大小，輸出軸的轉(zhuǎn)動小于一周，即小于360 度，通常為90度實(shí)現(xiàn)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(yùn)動，以其推力來表示執(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：電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)是以電動機(jī)作為動力的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在電廠熱力設(shè)備自動控制中得到廣泛的用。

如圖：

液動執(zhí)行器及應(yīng)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(shí)際應(yīng)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(diǎn)：

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(jù)要求進(jìn)行精確的調(diào)整。液動執(zhí)行器的傳動更為平穩(wěn)可靠，有緩沖無撞擊現(xiàn)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(diào)節(jié)精度高、響應(yīng)速度快，能實(shí)現(xiàn)高精確度控制。

液動執(zhí)行器是使用液壓油驅(qū)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(qū)動，在操作過程中不會出現(xiàn)電動設(shè)備常見的打火現(xiàn)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(diǎn)：

液動執(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(yīng)用范圍：油動機(jī)。如圖：

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

電動執(zhí)行器的發(fā)展趨勢

電力電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)及通訊技術(shù)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(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；控制精度將越來越高，使用環(huán)境越來越廣；功能更強(qiáng)大，可靠性更高，以適應(yīng)不斷發(fā)展的自動控制的要求。

1、總線化、網(wǎng)絡(luò)化

國外，以工業(yè)局域網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的工廠自動化工程技術(shù)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(yīng)這一發(fā)展趨勢，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、甚至數(shù)十臺電動執(zhí)行器與上位計算機(jī)連接成為整個數(shù)控系統(tǒng)。

現(xiàn)場總線是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)的自動控制裝置/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。現(xiàn)場總線企業(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)場總線技術(shù)應(yīng)用于電動執(zhí)行器成為必然趨勢。

現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用，取代了傳統(tǒng)的4～20mA模擬信號，實(shí)現(xiàn)了電動執(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)場總線主要有PROFIBUS，F(xiàn)F，HART，CAN等。其實(shí)，國外目前的智能電動執(zhí)行器一般都帶有現(xiàn)場總線接口，我國也開發(fā)了一些帶現(xiàn)場總線接口的智能執(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，價格低廉的單片機(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(shí)際上，絕大多數(shù)執(zhí)行器參數(shù)在運(yùn)行期間會顯著地發(fā)生改變，應(yīng)用參數(shù)調(diào)度和模型辨識自適應(yīng)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(qiáng)大、使用可靠的智能電動執(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(xiàn)場儀表里，將伺服電機(jī)，現(xiàn)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(diào)試工作都得到了簡化；將整個控制回路裝在一臺現(xiàn)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(shù)字化、智能化、總線化和網(wǎng)絡(luò)化方向快速發(fā)展，國產(chǎn)電動執(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，具有自主知識產(chǎn)權(quán)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