执行器在自动控制系统中的应用

　　本文简单介绍了执行器（执行机构）在自动控制系统中的应用原理。

　　执行器在自动控制系统中又被称为终端执行元件，它是正向通路中直接改变操作变量的仪表，由执行机构响应调节器来的信号或人工控制信号，并将信号转换成位移，以驱动调节机构如阀门。

　　常见的执行机构有电动和气动两大类，调节机构一般为阀门（调节阀，截止阀，闸阀，蝶阀等）和风门挡板等。

执行机构与调节机构的连接主要有两种方式：

1）直接连接：即常说的直连式（见本站《电动执行器的选型方法与技巧》一文），执行器输出轴与调节机构如阀门的阀杆直接连接。

2）间接连接：执行器输出轴与调节机构如阀门的阀杆没有直接连接，而是通过其它连接机构(如球铰、连杆)相连， 通常所说的底座曲柄式就是种间接连接形式。

１、 气动执行机构

　　气动调节阀由气动执行机构和调节阀两部分组成，气动执行机构以无油压缩空气为动力，接受气信号（20kPa～100kPa）并转换成位移，驱动调节阀以调节流体流量，在气动执行机构中，气动阀门定位器尤其显得重要，它能够准确地按调节信号实现正确的定位，准确地实现工艺流程的需求，同时对气源质量提出了很高的要求，气源质量应无明显的油蒸汽、油和其他的液体，无明显的腐蚀性气体，蒸汽和熔剂，气源中所含固体微粒数量应小于0.1g/m且微粒直径应小于60μm，含油量应小于10mg/m。

国产调节阀存在的缺陷：

a．定位器一般仍延用机械杠杆调节作用。这种定位器调节精度比较差，准确度不够，抗震性能差，反抗凸轮尤其是对输入/输出特性曲线（快开，等百分比曲线）无法实现。对于调节阀门实现输入/输出特性曲线用图2可阐明。以上对于输入4mA～20mA信号，阀门动作有3条曲线。第一条曲线为快开特性曲线。第二条曲线为线形特性曲线。第三条曲线为等百分比特性曲线。而进口的C—V阀门，它本身带有这三种曲线的凸轮，可根据实际调节功能，更换凸轮便可达到目的，而对于ABB公司生产的定位器（微电脑定位器）可对定位器编程设定，更为方便地实现上述三种阀门特性曲线并且精度高，反应快速灵敏，笔者在张家口发电总厂Ⅱ期扩建工程中，针对凝汽器补水门、连排疏水门、定子冷却水温度调节阀等多个国产阀门调试中，发现阀门反应迟缓，调整不准确，精度差，在运行中相当不可靠，直接影响了生产运行。

b．阀门实现三断保护性能差。气动执行机构具有三断自锁保护装置，即在断电源，断气源和断电信号时，执行机构输出轴能锁定在原来的位置上，国产的一些气动执行机构有些根本无此装置，有的即便有，但不能够实现三断保护。笔者认为，在目前自控技术的发展及工艺生产流程的自动化水平不断提高的情况下，保证调节元件的稳定性也就保证了生产的安全性。

c．机械性能差也是目前国产气动调节阀的一大弊病。目前国产气动调节阀的机械部件不时出现机械卡涩；阀门关闭不严，时常出现漏流现象；弹簧弹力不够，时常出现阀门反应迟缓，出力不够等。

２、 电动执行机构（电动执行器）

　　电动执行机构（电动执行器）以电源作为动力源。目前我国工业自控系统多采用以下单元组合仪表来实现执行器定位控制，图例如图1所示。

 

图1 组合仪表

　　上图中包括伺服放大器（SD)和执行机构(WF+J)两个独立部件(目前大部分执行机构都将伺服放大器移入执行器内部，称之为伺服一体化)，带伺服放大器的称比例式电动执行机构（电动执行器）（也可称为调节型电动执行器），不带伺服放大器的称积分式电动执行机构（电动执行器），执行器由伺服电机、减速器及位置发送器（伺服一体化执行器含伺服放大器）等部件组成。在实践运用中，特别要理解的一点是，比例式电动执行机构（电动执行器），伺服放大器比较输入信号和阀位反馈信号的差值，根据差值大小来驱动执行器电机来减小差值，进而控制执行器输出位移。因此，伺服放大器的性能好坏是一个关键。

　　电动执行器的位置发送器负责采样阀位，并转换为标准电信号（常见为4~20mA），这一信号可以用指示当前阀位开度，同时交由伺服放大与输入信号作比较来控制执行器开度。新式电动执行器大多将位置发送器和伺服放大器融为一体并转入执行器本体。位置采样通过位移传感器实现，电动执行器（电动执行机构）上常用的位移传感器有导电塑料电位、差动线圈、旋转编码器、磁环或光栅。导电塑料电位器较碳膜电位器线性好、寿命长；差动线圈成本低，但线性度与内部线圈绕法有很大关系；旋转编码器在安装好后一般不用再由用户重新调节零位了，设定执行器行程时比较自由方便；磁环无需调节零位，设定行程更为自由，但缺点是需要备用电池，以保证断电后能记忆脉冲记数（即记阀位）。2 气动调节阀