自动控制理论_5.4 执行器

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。

    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。

气动信号有它的优点，如防火防爆等，电信号也有它的优点，如可远距离传输等。在控制系统的组成上，控制器等采用电信号，执行器采用气动信号，这样的设计是很多的。特别是计算机控制为核心的先进控制系统，只能对电信号进行处理。所以，与执行器、变送器相配合，还有气——电或电——气转换器。它们的作用是将气动信号转换成相应的电信号或相反。

比较电动执行机构和气动调节阀的原理就会发现，电动执行机构是一个反馈控制系统。它的位置反馈保证了电动执行器的定位精度。而气动调节阀则没有内部的反馈回路，由于被控介质压力、温度等的变化，由于阀杆的摩擦力的变化等因素，很难保证阀门的开度与控制信号完全一致。所以，气动调节阀还有一种辅助装置，称为阀门定位器。阀门定位器与气动调节阀的连接示意图如图5.29所示。

从控制器来的控制信号进入阀门定位器，阀门定位器接收阀杆的反馈信号与控制信号进行比较，再有阀门定位器输出一个与控制信号成比例的气动信号到气动调节阀。由此可见，气动阀门定位器和气动调节阀配合组成了一个反馈系统，它可以克服影响阀门开度的各种扰动，提高气动调节阀的定位精度和灵敏度。对于一些响应较慢的控制过程，阀门定位器还可以提高调节阀的响应速度。阀门定位器还可以用来改变调节阀的特性及组成特殊的控制系统。

5.4.2  调节阀
在过程控制中，执行器的调节机构就是调节阀，也称为控制阀。
调节阀通过改变阀芯的行程，即改变阀芯与阀座之间通流面积的大小，从而改变阀的局部阻力来调节流量。调节阀的结构种类很多，图5.30是常见的几种结构形式。

直通单座阀只有一个阀座和一个阀芯，结构简单，全关时泄漏量小，适用于阀两端压差不大，管径较小的场合。
直通双座阀有两个阀芯和两个阀座，通流能力较大，允许阀两端的压差达，应用比较普遍。
蝶阀，又名挡板阀，结构简单，流阻极小，但泄漏量大，适用于大流量，低压差的场合。
隔膜阀依靠隔膜上下移动改变通流面积。由于隔膜把流动介质与外界隔离，适用于强腐蚀性介质的调节。
三通阀有一种介质分两路的分流形式和二种介质合成一路的合流形式，作用与直流阀类似。
角形阀可以改变流向，阻力较小，不易堵塞。
1.调节阀的流量特性
调节阀的流量特性是指流过阀门的流量与阀门开度之间的函数关系。一般用相对流量和阀门的相对开度表示。

              (5.34)

式中为相对流量，即调节阀在某一开度l下的流量与全开时流量之比。为相对开度，即调节阀某一开度l与全开时开度L之比，这里l和L都是指阀芯的行程。
   在调节阀前后压差保持不变条件下得到的流量特性称为调节阀的理想流量特性。调节阀的理想流量特性有快开、直线、等百分比和抛物线4种。典型的理想流量特性曲线如图5.31所示。

直线流量特性相对流量与相对开度的关系为：

                     (5.35)

式中,为相对流量，R称为调节阀的可调范围或可调比，它是调节阀所能控制的最大流量与最小流量之比。一般是全开流量的。国产调节阀的理想可调范围R=30.具有直线流量特性的调节阀当阀门开度变化时，相对流量的变化与之成线性关系。

例2  假定某调节阀的直线流量特性为

                      

设阀门全开时的流量为，求阀门开度从10%变化到20%和从80%变化到90%时，阀门流量的变化。
解  阀门相对开度为10%的流量

 

阀门相对开度为20%的流量，

 

由此可得

 

流量的相对变化值为

 

同样可以计算出阀门相对开度从80%变化到90%时的流量从变化到。

 

流量的相对变化值为

 

从这个例子看出，在流量小时，同样的阀门相对开度变化时，流量变化的相对值比流量大时大得多。这说明在调节阀小开度时调节作用较强，在大开度时调节作用较弱。从控制的要求来看，系统处于小负荷时，希望调节阀流量不要变化太大，控制作用不要太强，而在负荷较大时，希望流量变化要大一些，控制作用要强一些，以便于克服干扰的影响。直线流量特性不能满足这个要求。
   等百分比流量特性相对流量与调节阀相对开度的关系为

              （5.36）

等百分比流量特性又称对数流量特性。它是一条对数曲线，曲线斜率随相对开度增大而增大。在同样开度变化下，流量变化小，负荷大，流量变化也大，因而控制特性好，有利于控制系统工作。
   快开流量特性的调节阀在开度较小时就有较大流量，而且流量很快就能达到最大，适用于快速开关的场合。其流量特性可表示为

               (5.37)

抛物线流量特性的调节阀，介于直线流量特性与等百分比流量特性之间。其流量特性可表示为

                (5.38)

调节阀的流量特性取决于阀芯的形状。图5.32是与4种流量特性相对应的阀芯的形状。

调节阀在实际应用中，阀门的流量与阀门开度之间的关系称为调节阀的工作流量特性。由于调节阀在实际工作中两端的压差不可能不变，管路系统的总阻力也会影响到阀的流量特性。所以调节阀的工作流量与理想流量特性是有差别的。在实际工作条件下，理想流量特性将会发生畸变。
    调节阀流量特性的选择，一般是从保证控制系统控制质量来考虑的。为了保持控制系统的控制品质不变，希望控制系统总的放大系数能保持不变。在控制系统中，变送器、控制器的放大系数是不变得。被控对象的放大系数会随负荷变化。所以，我们往往通过选择调节阀的流量特性来补偿被控对象的放大系数的变化，其选择的原则是使被控对象的放大系数和调节阀的放大系数的乘积为常数。即

 常数                 （5.39）

    图5.33是式(5.39)的示意图。对于放大系数随负荷增大而变小的被控对象，就应选择放大系数随流量增加而变大的流量特性，例如等百分比流量特性。