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1、第四章 执行器,执行器由执行机构和调节机构(控制阀)两部分组成。在过程控制系统中，它接受调节器输出的控制信号，并转换成直线位移或角位移，来改变控制阀的流通截面积，以控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。 根据使用动力源的不同，执行器可分为三大类：以压缩空气为动力源的气动执行器(即气动控制阀)；以电为动力源的电动执行器(即电动控制阀)；以高压液体为动力源的液动执行器(即液动控制阀)。在过程控制中，气动执行器应用最多，其次是电动执行器。气动执行器的输入为20-100KPa气压信号；电动执行器的输入信号为4-20mA （DC）(DDZ-III型)。 上述三种执行器除执行机
2、构不同外，所用的调节机构(控制阀)都相同。所以以下介绍的气动控制阀的特性及其选用方法均适用于其他类型。,第一节 电动执行器,一、概述 电动执行单元接受来自调节单元、Q型固定式操作器或计算机控制输出的直流电流信号,并将其转换成相应的角位移或直行程位移,操纵调节机构,以实现自动调节。 电动执行单元还可以通过电动操作器实现调节系统的自动与手动操作的相互切换。当操作器的切换开关切向“手动”位置时，由正、反操作按钮直接控制电动执行单元的伺服交流电机电源，以实现执行器输出轴的正转和反转，即可进行手动操作。 执行器有角行程和直行程两种，这两种都是以两相交流电机为动力的位置伺服机构，两者电气原理完全相同，只是
3、减速器装置不一样。 角行程电动执行器由伺服放大器和执行器两大部分组成，见图4-1所示。它把420mA的直流电流信号线性地转换成输出轴090的机械转角去驱动调节机构。,图4-1 电动执行器方框图,伺服放大器将输入信号Ii和位置反馈信号If相比较，得到偏差信号，此偏差信号经功率放大后，驱使二相伺服电动机转动，再经减速器减速，带动输出轴改变转角.,输出轴不同转角位置经位置发送器转换成相应的反馈电流，反馈到伺服放大器的输入端。当反馈信号和输入信号相等时，两相伺服电动机停止转动，输出轴就稳定在与输入信号相对应的位置上。输出轴转角和输入信号Ii的关系为：,式中 K比例系数； Ii输入电流； 输出轴转角。,
4、由式可知，输出轴转角和输入信号成正比，所以电动执行机构可看成为比例环节，其输入和输出关系见图4-2所示。,电动执行器外观图如图4-3所示，其中图4-3a为电子式伺服大器，图4-3b为D型电动操作器，图4-3c为电动执行机构。伺服放大器与电动操作器放置于控制室内，电动执行机构安装固定在管道阀门处，其输出轴的转动部分用机械连杆与安装在管道上的阀体相连接来调节阀芯的来回运动。伺服放大器接受420mA控制指令信号和执行机构的阀芯位置反馈信号，输出AC 220V驱动执行机构伺服电动机正转、反转或停止，实现连续调节阀位的开度。D型电动操作器具有反馈信号大小。电动操作器面板上有“手动”与“自动”开关，当扳到
5、“自动”状态的位置，阀位处于闭环自动控制状态，此种状态位置时，阀位位置可通过手动的方式调节操作器面板上的上、下键来进行。电动操作器“自动”与“手动”阀位控制状态具有双向无扰动切换功能。,图4-3 电动执行器外观图,二、电动执行单元组成及工作原理 1、电动执行单元的组成 电动执行单元由伺服放大器和执行器两大部分组成。伺服放大器主要由前置放大器、触发器和可控硅交流开关等构成，执行器由两相伺服电机、减速器、阀体和位置发送器组成，电动执行单元电器方框图见图4-4所示。伺服放大器的作用是将信号综合、比较和放大，以控制伺服电动机的正、反运转。,图4-4 电动执行单元电器方框图,2前置放大器与触发器 为满足
6、复杂的调节系统的要求，伺服放大器有三个输入信号通道和一个位置反馈通道。因此，它可以同时输入三个信号和一个位置反馈信号。对于简单调节系统，只用其中一个输入通道和位置反馈通道。 前置放大器接受位置输入信号和位置反馈信号并进行比较，比较后的信号通过磁隔离后进行放大，向触发器输入电压信号的电压极性能反映输入电流与反馈电流之差的极性，同时电压信号的极性决定触发电路的工作状态。 触发电路见图4-5所示。触发器的作用是把前置磁放大器的直流输出电压变成脉冲输出，使控制电路中的可控硅导通，以接通伺服电机的电源。为了使伺服电机能实现正、反运转，这里设置了两组触发器。当前置磁放大器的直流输出电压为某种极性时，其中的
7、一组触发器工作，与之相应的伺服电机控制电路中的可控硅导通，电机按某一方向旋转；反之，当前置磁放大器的直流输出电压改变极性时，将使另外一组触发器工作，于是，与该组触发器相应的可控硅导通，电机朝相反的方向旋转。,图4-5 触发电路,触发器用单结晶体管组成的振荡器，由上、下对称的两 部分组成。图中R17、C5、VT3、脉冲变压器T1组成上部张 驰振荡器，该振荡周期由下式决定：,式中 单结晶体管的分压比 前置磁放大器输出的电压信号加在A、B两端，触发器的输出脉冲由上变压器T1、和下变压器T2的二次绕组送至可控硅。 当磁放大器的输出为零时，由于偏流电阻R15、R16的作用，使VT1、VT2均处于饱和导通
8、状态，电容C5、C6被其短路，单结晶体管VT3、VT4截止，因此无脉冲输出。 当前置放大器来的电压信号为A端负，B端正时，VT2仍处于饱和导通状态，而VT1由导通转为截止，电流从电源正极经R17向C5充电，当C5两端电压上升到单结晶体管的峰点电压时，VT3导通，于是C5向脉冲变压器T1的一次绕组线圈放电，待C5两端电压降低到谷点电压时VT3截止，电容C5又开始被充电。,上述过程反复进行，在变压器T1的二次绕组便可输出连续的脉冲信号。反之，若前置放大器输出信号为A端正，B端负时，T2变压器二次绕组便可输出连续的脉冲信号。 为保证触发脉冲能使可控硅导通，对触发脉冲的频率有一定要求。频率太高，脉冲宽
9、度过窄，难以保证可控硅在这样短暂的时间内导通；频率太低，即脉冲控制角增大，会使电源电压过零时，可控硅开启时刻延后，即可控硅关断时间加长，降低了电机的转速。触发脉冲的频率由式(4-1)中的R17C5乘积决定。 3晶闸管交流开关与两相伺服电机执行器 两相伺服电机是由一个用冲槽硅钢片叠成的定子和鼠笼转子组成。定子上均匀分布着两个相隔90电角度的定子绕组(匝数和线径相同)，由于分相电容CD的作用，这两个绕组中的电流相位总是相差90，其合成向量产生定子旋转磁场，定子旋转磁场在转子内产生感应电流并构成转子磁场，两个磁场相互作用，从而使转子旋转。转子旋转的方向取决于分相电容CD串接在哪一个定子绕组中。,图4
10、-6 可控硅交流开关与两相伺服电机执行器,晶闸管交流开关用来接通伺服电机的交流电源，它由一只晶闸管及四个二极管组成。由两组完全相同的开关电路，分别控制电机的正、反转。其具体电路见图4-6。,触发器的两只脉冲输出变压器T1、T2的二次绕组绕组分别接到两只可控硅VT1和VT2的控制极和阴极之间。晶闸管连接在二极管桥式整流器的直流端，其阳极和阴极之间承受的是全波整流电压。 当T1有正脉冲输出时，可控硅SCR1被触发导通。电源电压在正半周时(极性见图左+、右所示)，此时电流的流向为,相反，电源电压在负半周时极性见图(+)、()所示； 电流的流向为,由此可见，只要有正脉冲输入使SCR1导通时，不论电源电
11、压极性如何，二相伺服电机定子绕组W2中的电流都经过电容CD，因此W2相位都比绕组W1中的电流超前90，驱使电极按一定的方向旋转。同理，当晶闸管SCR2导通时，W1中的电流相位比W2中电流超前90，故驱使电机向相反方向旋转。 图中，VD13，R21；VD14、R22为防止反向脉冲电压加到晶闸管的控制极，保护晶闸管。C7、R23和C8、R24是过压保护元件。因为可控硅管的负载是电感线圈，它在电路开闭瞬间，会产生过电压，并联电容以后因电容两端电压不能突变，故起一定缓冲作用。但在电容放电时，会产生相当大的放电电流，所以必须再串联电阻R23、R24以限制放电电流和放电时间，达到保护可控硅的目的。FU、L
12、1、L2均为过流保护元件。,执行器由伺服电机，减速器和位置发送器三部分组成。它接受晶闸管交流开关或电动操作器的信号，使两相伺服电机按正、反方向运转。通过减速器减速后，变成输出力矩去带动阀门。与此同时，位置发送器又根据阀门的位置，发出相应数值的直流电流信号反馈到前置磁放大器的输入端，与来自调节器的输出电流相平衡。,第二节 气动执行机构,一、控制阀概述 图4-7所示，气动执行机构由膜片、推杆和平衡弹簧等部分组成，是执行器的推动装置，推动调节机构动作。它接受气动调节器或电-气阀门定位器输出的气压信号，经膜片转换成推力，克服弹簧力后，使推杆产生位移，同时可带动阀芯动作。,图4-7 气动执行器 1、上盖
13、； 2、膜片；3、平衡弹簧；4阀杆；5阀体；6阀座；7阀芯,气动执行机构有正作用和反作用两种形式。当输入气压信号增加时推杆向下移动的叫正作用式执行机构；当输入气压信号增加时推杆向上移动的叫反作用式执行机构。在工业生产中口径较大的控制阀通常采用正作用的执行机构。 气动执行机构有薄膜式和活塞式等。在工程上气动薄膜式应用最广。当调节器或电-气阀门定位器输出的气压信号p输入薄膜室后，信号压力在有效面积为A的薄膜上产生推力，使推杆部件移动并压缩弹簧，直至弹簧的反作用力与信号压力在薄膜上产生的推力平衡为止。气动薄膜执行机构在不计膜片的弹性刚度及摩擦力的情况下，气动薄膜执行机构在平衡状态时信号压力与阀杆位移
14、的力平衡关系可得,式中：p通入气压室的信号压力； A膜片的有效面积； K弹簧的弹性系数； L执行机构推杆位移。 可见，执行机构推杆位移L和输入气压信号成比例。信号压力越大，推力越大，推杆的位移即弹簧压缩量也就越大。推杆的位移范围就是执行机构的行程。推杆从零走到全行程，阀门就从全开（或全关）到全关（或全开）。 控制阀直接与介质接触，其结构、材料和性能将直接影响过程控制系统的安全性、可靠性和系统的控制质量。根据流体力学的观点，控制阀是一个局部阻力可变的节流元件。通过改变阀芯的行程而改变控制阀的阻力系数，以达到控制流量的目的。,根据不同的使用要求，控制阀有直通双座控制阀、直通单座控制阀、蝶阀、三通阀
15、、高压阀、角形阀、隔膜阀等多种结构形式，见图4-7。这些阀可与气动执行机构配合构成气动执行器，也可与电动执行机构配合构成电动执行器。,图4-7 控制阀结构示意图,另外，气动控制阀还需配备一定的辅助装置。常用的有阀门定位器和手轮机构。阀门定位器利用反馈原理来改善控制阀的性能，使控制阀能按控制器的控制信号实现准确的定位。手轮机构在控制系统因停电、停气、控制器无输出或执行机构损坏而失灵时，可手动用来直接操作阀的开闭，以保证生产的正常进行。 二、控制阀的选择 控制阀是组成过程控制系统的一个重要环节，其特性的好坏对控制质量的影响很大。在生产过程中，被控介质的特性千差万别，流体的流动状态也各不相同。控制阀
16、的选择，主要是流量特性、流通能力以及气开、气关形式和结构的选择。选择时要根据流体性质、工艺条件和控制要求，参考各种控制阀的特点，选择合适的结构形式。具体应注意以下几个问题。,调节阀的流量特性,1.调节阀的流量特性,调节阀的阀芯位移与流量之间的关系，对控制系统的调节品质有很大影响。 流量特性的定义： 被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系称为调节阀的流量特性。,Q/Qmax 相对流量 l/L 相对开度,调节阀的流量特性,相对流量Q/Qmax 是控制阀某一开度流量Q与全开时流量Qmax之比； 相对开度l/L 是控制阀某一开度行程l与全开行程L之比。,调节阀的流量特性不仅与阀门的结构和开度有关，还与阀前后的压差有关，必须分开讨论。,调节阀的流量特性,为了便于分析，先将阀前后压差固定，然后再引伸到实际工作情况，于是有固有流量特性与工作流量特性之分。 1、固有（理想）流量特性 在将控制阀前后压差固定时得到的流量特性称为固有流量特性。它取决于阀芯的形状。,（1）直线
