控制仪表及计算机控制装置执行器理论知识

5.执行器(Actuator)——接受来自调节器的控制信号，通过其本身开度的变化，从而达到调节流量的目的。

执行器使用条件恶劣，是调节系统的薄弱环节

5.1.概述

(7.Finalcontrol)1.作用：15.1.2.执行器的构成执行器由执行机构和调节机构两个部分构成

辅助装置：阀门定位器——利用负反馈原理改善执行器的性能手操机构——用于人工直接操作执行器

25.1.3.执行器的分类及特点

(1)按使用的能源形式分类：气动执行器气动调节阀电动执行器液动执行器ElectricalActuatorPneumaticActuatorHydrodynamicActuator电动调节阀3

气动调节阀采用气动执行机构：输出直线位移l

直行程式调节机构

长行程式输出角位移θ

角行程式调节机构

薄膜式活塞式4电动调节阀采用电动执行机构：输出直线位移l

直行程式调节机构

输出角位移θ

角行程式调节机构

直行程式角行程式5(2)按使用的调节机构分类：

直通双座调节阀直通单座调节阀笼式（套筒）调节阀三通调节阀角型调节阀高压调节阀隔膜调节阀波纹管密封调节阀超高压调节阀小流量调节阀低噪音调节阀直行程式调节机构

角

行程式调节机构

同一类型的气动调节阀和电动调节阀，分别采用气动执行机构和电动执行机构蝶阀凸轮挠曲调节阀V型球阀O型球阀6(3)执行器的特点

优点：结构简单、动作可靠稳定、输出力大、安装维修方便、价格便宜和防火防爆气动调节阀优点：动作较快、能源获取方便、特别适于远距离的信号传送电动调节阀采用电/气转换器或电/气阀门定位器，使传送信号为电信号，现场操作为气动信号。缺点：响应时间大，信号不适于远传缺点：输出力较小、价格贵一般只适用于防爆要求不高的场合75.1.4.执行器的作用方式

当输入信号增大时，流过执行器的流量减小

当输入信号增大时，执行器的开度增大，即流过执行器的流量增大

气动调节阀通常称为气开阀气动调节阀通常称为气关阀正作用:

反作用:85.2.执行机构

执行机构的作用:——根据输入控制信号的大小，产生相应的输出力F和位移(直线位移l或角位移θ)输出力F

用于克服调节机构中流动流体对阀芯产生的作用力或作用力矩，以及摩擦力等其他各种阻力；位移(l或θ)用于带动调节机构阀芯动作9执行机构作用方式

正作用:输入信号增加，执行机构推杆向下运动

反作用:输入信号增加，执行机构推杆向上运动

105.2.1.气动执行机构

气动执行机构接受气动调节器或阀门定位器输出的气压信号，并将其转换成相应的输出力F和直线位移l，以推动调节机构动作。气动执行机构主要分为两大类：薄膜式与活塞式薄膜式与活塞式执行机构又可分为有弹簧和无弹簧两种

11结构1-上膜盖；2-波纹膜片3-下膜盖；4-支架5-推杆；6-压缩弹簧7-弹簧座；8-调节件9-连接阀杆螺母10-行程标尺

(1)气动薄膜式执行机构

12工作原理

当信号压力通入由上膜盖1和膜片2组成的气室时，在膜片上产生一个向下的推力，使推杆5向下移动压缩弹簧6，当弹簧的反作用力与信号压力在膜片上产生的推力相平衡时，推杆稳定在一个对应的位置，推杆的位移l即为执行机构的输出，也称行程。13气动薄膜式执行机构的特性

气动薄膜式执行机构的力平衡方程式为

a)静态特性

非线性偏差小于±5％，回差小于3～5％

14b)动态特性

15（2）气动活塞式执行机构

长行程执行机构特点:行程长输出力矩大165.2.2.电动执行机构

构成原理

接受0~10mADC或4~20mADC的输入信号，并将其转换成相应的输出力F和直线位移l或输出力矩M和角位移θ

17(1)伺服电机

伺服电机实际上是一个二相电容异步电机，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匝数、线径相同而相隔90°电角度的定子绕组W1和W2。

作用:将伺服放大器输出的电功率转换成机械转矩18(2)伺服放大器

作用:将输入信号和反馈信号进行比较，得到差值信号，并根据的极性和大小，控制可控硅交流开关Ⅰ、Ⅱ的导通或截止。可控硅交流开关Ⅰ、Ⅱ用来接通伺服电机的交流电源，分别控制伺服电机的正、反转或停止不转

19(3)位置发送器

位移检测元件用于将电动执行机构输出轴的位移转换成mV或电阻等信号，常用的位移检测元件有差动变压器、塑料薄膜电位器和位移传感器等；

作用:将电动执行机构输出轴的位移线性地转换成反馈信号，反馈到伺服放大器的输入端。位置发送器包括：位移检测元件和转换电路转换电路用于将位移检测元件输出信号转换成伺服放大器所要求的输入信号，如0-10mA或4-20mA直流电流信号。20(4)减速器

作用：将伺服电机高转速、小力矩的输出功率转换成执行机构输出轴的低转速、大力矩的输出功率，以推动调节机构。直行程式的电动执行机构中，减速器还起到将伺服电机转子的旋转运动转变为执行机构输出轴的直线运动的作用。

减速器一般由机械齿轮或齿轮与皮带轮构成。21电动执行机构的特性

伺服放大器是一个具有继电特性的非线性环节，为不灵敏区

无输出；

输出～215V

伺服电机接通电源：伺服电机工作在恒速状态，故为一个积分环节，因此，电动执行机构的动态特性主要取决于伺服电机的特性，即具有积分特性

伺服电机停止转动时：

或

为比例特性

减速器和位置发送器为比例环节225.3.调节机构

调节机构是执行器的调节部分，在执行机构的输出力和输出位移作用下，调节机构阀芯的运动，改变了阀芯与阀座之间的流通截面积，即改变了调节阀的阻力系数，使被控介质流体的流量发生相应变化。235.3.1.调节机构的结构和特点

1—执行机构2—阀杆3—阀芯4—阀座5—阀体6—转轴7—阀板

主要构成：阀体、阀座、阀心、和阀杆或转轴24常用调节阀结构示意图及特点

直通单座调节阀特点:泄漏量小允许压差小

特点:泄漏量大

允许压差大

直通双座调节阀25常用调节阀结构示意图及特点

角形调节阀特点:流路简单阻力小

特点:有三个接管口

三通阀26常用调节阀结构示意图及特点

蝶阀特点:成本低泄漏较大流通能力大

特点:流路阻力小

特点:稳定性好拆装维修方便

套筒阀偏心旋转阀

275.3.2.调节机构的工作原理

流体经调节阀时的能量损失H为

单位质量流体经调节阀时的能量损失与流体的动能成正比

流体在调节阀的平均流速W为

28调节阀实际应用的流量方程式

A——cm2

——g/cm3(10-5Ns2/cm4)

——100kPa(10N/cm2)Q

——m3/h设

则

(m3/h)K为调节阀的流量系数

295.3.3.调节阀的流量系数K

——反映调节阀口径大小的定义:在调节阀前后压差为100KPa，流体密度为1g/cm3（即5～40℃的水）的条件下，调节阀全开时，每小时通过阀门的流体量（m3）

因

故规定条件下的流量系数K以表示

30流量系数的计算

取的单位为kPa1.流体的种类和性质将影响K的大小，因此对不同的流体必须考虑其对流量系数的影响

2.流体的流动状态也将影响K的大小，因此要考虑阻塞流与非阻塞流的情况由可得：适用于一般液体流量系数计算公式汇总表见p171表5-1

315.3.4.调节阀的可调比

——反映调节阀的调节能力的大小

定义:调节阀所能控制的最大流量和最小流量之比

调节阀前后压差的变化，会引起可调比变化，将可调比分为理想可调比和实际可调比。

32(1)理想可调比(ΔP一定)由结构设计决定

R=30;5033(2)实际可调比Rr(ΔP变化)①串联管道时的可调比

设

则

34②并联管道时的可调比R＞＞1设

则

355.3.5.调节阀的流量特性

介质流过调节阀的相对流量与相对位移（即阀的相对开度）之间的关系

调节阀前后压差的变化，会引起流量变化。流量特性分为理想流量特性和实际流量特性

36①理想流量特性

(ΔP一定)调节阀的固有特性，由阀芯的形状所决定。理想流量特性主要有直线特性、等百分比（对数）特性、抛物线特性及快开特性等四种

37(1)直线流量特性调节阀的相对流量与相对位移成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数

特点：a.放大系数是常数

b.Q流量相对变化值

38(2)等百分比流量特性（对数流量特性）

单位相对位移变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系

特点：a.Q放大系数b.流量相对变化值是常数

39(3)抛物线流量特性

单位相对位移的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量值的平方值的平方根成正比关系40(4)快开流量特性

在开度较小时就有较大的流量，随着开度的增大，流量很快就达到最大；此后再增加开度，流量变化很小

有效位移一般为阀座直径的1/4

适用于迅速启闭的位式控制或程序控制系统

41②工作流量特性(ΔP变化)(1)串联管道时*可调比减小

*流量特性发生畸变

直线特性→快开特性等百分比特性→直线特性

42(2)并联管道时的工作流量特性

可调比将大大下降

通常一般X值不能低于0.8，即旁路流量只能为总流量的百分数之十几。

435.4.执行器的选择计算

执行器的选用是否得当，将直接影响控制系统的控制质量、安全性和可靠性

执行器的选择，主要是从以下三方面考虑：1.执行器的结构形式；2.调节阀的流量特性；3.调节阀的口径。

445.4.1.执行器结构形式的选择

1)执行机构的选择

比较项目气动薄膜执行机构电动执行机构可靠性

驱动能源价格输出力刚度防爆性能环境温度范围高（简单、可靠）需另设气源装置低小小好（-40～+80℃）较低简单、方便高大大差（-10～+55℃）45选择执行机构时，还必须考虑执行机构的输出力（力矩）应大于它所受到的负荷力（力矩）

执行机构的选择

负荷力（力矩）包括流体对阀芯产生的作用力（不平衡力）或作用力矩（不平衡力矩）阀杆的摩擦力、重量以及压缩弹簧的预紧力

对于气动薄膜执行机构:工作压差小于最大允许压差

46确定整个气动调节阀的作用方式

气开式调节阀:有信号压力输入时阀打开无信号压力时阀全关气关式调节阀:有信号压力时阀关闭无信号压力时阀全开气开气关的选择考虑原则是：信号压力中断时，应保证设备和操作人员的发全，如阀门处于打开位置时危害性小，则应选用气关式；反之，则用气开式。

47确定气动调节阀作用方式实例

48(2)调节机构的选择

主要依据是：（1）

流体性质如流体种类、粘度、腐蚀性、是否含悬浮颗粒（2）

工艺条件如温度、压力、流量、压差、泄漏量（3）

过程控制要求控制系统精度、可调比、噪音根据以上各点进行综合考虑，并参照各种调节机构的特点及其适用场合，同时兼顾经济性，来选择满足工艺要求的调节机构。495.4.2.执行器流量特性的选择

实际上是指如何选择直线特性和等百分比特性

经验准则:（1）考虑系统的控制品质

适当地选择调节阀的特性，以阀的放大系数的变化来补偿控制对象放大系数的变化，使控制系统总的放大系数保持不变或近似不变50（2）考虑工艺管道情况

调节阀在串联管道时的工作流量特性与S值的大小有关，即与工艺配管情况有关。因此，在选择其特性时，还必须考虑工艺配管情况。具体做法是先根据系统的特点选择所需要的工作流量特性，再考虑工艺配管情况确定相应的理想流量特性。51（3）考虑负荷变化情况直线特性调节阀在小开度时流量相对变化值大，控制过于灵敏，易引起振荡，且阀芯、阀座也易受到破坏，因此在S值小、负荷变化大的场合，不宜采用。等百分比特性调节阀的放大系数随调节阀行程增加而增大，流量相对变化值是恒定不变的，因此它对负荷变化有较强的适应性。

52根据控制系统的特点进行选择：

表5-5调节阀工作流量特性的选择表

535.4.3.调节阀的口径选择

首先必须要合理确定调节阀流量和压差的数据。通常把代入计算公式中的流量和压差分别称为计算流量和计算压差。——依据流量系数54

最大计算