自动控制理论 第三章 控制系统的时域分析 3.7 控制系统的数值分析

5.4 执行器

执行器是控制系统中极其重要的装置。执行器的作用是接受控制器的输出信号，直接调节生产过程中相关介质的输送量，从而使温度、压力、流量等过程参数得到控制。在控制系统的设计中，执行器选择不当，会直接影响到系统的控制品质。

执行器由执行机构和调节机构两部分组成。执行机构是执行器的推动部分，按控制信号产生相应的力或力矩。调节机构最常见的就是控制阀。又称调节阀。

按所使用的能源，执行器可分为气动、电动、液动3种类型。气动执行器是以压缩空气为动力源，通常气动压力信号的范围为0.02-0.1MPa。气动执行机构有薄膜式和活塞式两种。气动执行器结构简单、紧凑、价格较低，工作可靠，维护方便，在过程控制中应用最广泛，特别适合于防火防爆的场合。其缺点是必须要配置压缩空气供应系统。电动执行器采用工频电源，信号传输速度快，传输距离长、动作灵敏、精度高，安全性好，其缺点是体积较大、结构复杂、成本较高、维护麻烦。液动执行器的特点是推力大，一般要配置压力油系统，适用于特殊场合。过程控制中最常用的执行器是气动执行器和电动执行器。

5.4.1  执行器的执行结构电动执行器的执行结构，把来自控制器的mA的直流控制信号，转换成相应的位移或转角，去驱动执行器的调节结构（控制阀）。图5.27是电动执行器执行机构的工作原理方框图。

图5.27 电动执行机构的工作原理

图中的执行机构是角行程电动执行机构，由伺服放大器、伺服电动机、减速器、位置发送器、操作器等组成。伺服放大器接受来自控制器的控制信号，与执行机构的位置反馈信号相比较，其差值经放大后供伺服电动机。当输入信号为零时，放大器无输出，电机不转动。当有不为零的控制信号输入时，输入信号与位置反馈信号产生的偏差使放大器输出相应的功率，驱动伺服电机正转或反转，减速器的输出轴也相应转动，这时，输出轴的转角又经位置发送器转换成电流信号送到伺服放大器的输入端。当位置反馈信号与控制器信号相等时，伺服电机停止转动。这时，输出轴就停止在控制信号要求的位置上。一旦电动执行机构断电，输出轴就停止在断电的位置上，不会使生产中断。这也是电动执行机构的优点之一。电动执行机构还可以通过操作器接受来自控制室的远方信号，实现远方手动控制。当操作器的切换开关切换到手动位置时，可直接控制伺服电机，进行手动遥控操作。执行机构还配有手轮，在必要时由人工操作。角行程执行机构输出的角位移是 。直线行程的电动执行机构输出的是直线位移，其工作原理与角行程电动执行机构完全相同，仅仅是减速器的结构不同。

电动执行器机构与其调节机构（控制阀）连接的方式较多，可以分开安装，用机械装置把两者连起来，也可以安装固定在一起。有些产品在出厂时就是执行机构与控制阀连为一体的电动执行器。

图5.28 气动调解阀1-上盖；2-膜片；3-平衡弹簧；4-阀杆5-阀体；6-阀座；7-阀芯。

气动执行机构往往和调节机构形成一个整体。图5.28是气动调节阀的结构示意图。气动调节阀的执行机构由膜片、推杆和弹簧组成。代表控制信号的压力p由气动调节阀的顶部引入，作用在膜片上产生向下的推动力，固定在膜片上的推杆向下移动，压缩弹簧。当推杆的推力与弹簧的作用力相等时，推杆停止移动，阀芯停留在需要的位置上。图5.28所示的气动调节阀在气源中断时，阀门是全开的。控制信号从MPa逐渐变化时，阀门从全开到全关。有控制信号时阀关小，无控制信号时阀关，有控制信号时阀开，称为气开式气动调节阀。控制系统设计时，选择气开式还是气关式主要从工艺要求，设备和操作人员的安全来考虑。在气源中断，控制信号中断，气动膜片破裂等情况下，调节阀所处的位置应是安全的。例如石化工业中的加热炉，当气源中断时，应切断燃料，避免燃烧不受控制，引起事故。这时，应选用气开型气动调节阀。无输入信号时，阀门是关闭的。