1、过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东第九讲第九讲 气动、电动执行器气动、电动执行器一、概述一、概述执行器是自动控制系统中的重要组成部分，它执行器是自动控制系统中的重要组成部分，它将控制器送来的控制信号转换成执行动作，从而操将控制器送来的控制信号转换成执行动作，从而操纵进入设备的能量，将被控变量维持在所要求的数纵进入设备的能量，将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内。值上或一定的范围内。执行器有自动调节阀门、自动电压调节器、自执行器有自动调节阀门、自动电压调节器、自动电流调节器、控制电机等。其中自动调节阀门是动电流调节器、控制电机等。其中自动调节阀门是最常见的执行
2、器，种类繁多。最常见的执行器，种类繁多。过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东1、执行器发展概况、执行器发展概况 20世纪世纪50年代开始使用气动执行器和液动执年代开始使用气动执行器和液动执行器，防爆性能好，应用广，但对气源要求较高。行器，防爆性能好，应用广，但对气源要求较高。 50年代末出现电动执行器，信号传输速度快。年代末出现电动执行器，信号传输速度快。 80年代出现代电脑的智能电动执行器，用于年代出现代电脑的智能电动执行器，用于DCS。 90年代出现智能执行器，用于现场总线控制。年代出现智能执行器，用于现场总线控制。2、执行器的构成、执行器的构成执行器由执行机构和
3、调节机构组成。执行器由执行机构和调节机构组成。过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东按动力分类：气动、电动和液动执行机构按动力分类：气动、电动和液动执行机构按动作极性分类：正作用执行器和反作用执行器按动作极性分类：正作用执行器和反作用执行器按动作特性分类：比例式执行器和积分式执行器按动作特性分类：比例式执行器和积分式执行器按动作形成分类：角行程执行器和直行程执行器按动作形成分类：角行程执行器和直行程执行器2、执行器的分类与构成、执行器的分类与构成过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东执行器按照工作所用能源形式可分为：执行器按照工作所用能源形式可分
4、为：q电动电动执行器执行器：电源配备方便，信号传输快、：电源配备方便，信号传输快、损失小，可远距离传输；但推力较小。损失小，可远距离传输；但推力较小。q气动气动执行器执行器：结构简单，可靠，维护方便，：结构简单，可靠，维护方便，防火防爆；但气源配备不方便。防火防爆；但气源配备不方便。q液动液动执行器执行器：用液压传递动力，推力最大；：用液压传递动力，推力最大；但安装、维护麻烦，使用不多。但安装、维护麻烦，使用不多。 工业中使用最多的是气动工业中使用最多的是气动执行器执行器和电动和电动执行器执行器。 过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东图图b中采用电气转换器，精度不高。
5、中采用电气转换器，精度不高。采用电气阀门定位器，可以提高调节阀的位置精度，应用广泛。采用电气阀门定位器，可以提高调节阀的位置精度，应用广泛。过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东二、二、 气动执行器（气动调节阀）气动执行器（气动调节阀）气动气动执行器是由气压信号控制的阀门。执行器是由气压信号控制的阀门。气动薄膜室气动薄膜室推杆推杆阀门阀门阀位指示标牌阀位指示标牌阀杆阀杆过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东1、气动执行器的结构与、气动执行器的结构与分类分类气动气动执行器执行器由执行机构和由执行机构和调节机构（控制机构）两部分调节机构（控制机构）两
6、部分组成。组成。q执行机构是推动装置，它执行机构是推动装置，它是将信号压力的大小转换为阀是将信号压力的大小转换为阀杆位移的装置。杆位移的装置。q控制机构是阀门，它将阀控制机构是阀门，它将阀杆的位移转换为流通面积的大杆的位移转换为流通面积的大小。小。过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东 2.执行执行机构机构 执行机构按调节器输出的控制信号，驱动调执行机构按调节器输出的控制信号，驱动调节机构动作。气动执行机构的输出方式有角行程节机构动作。气动执行机构的输出方式有角行程输出和直行程输出两种。输出和直行程输出两种。 过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德
7、东直行程输出的气动执行机构有两类。直行程输出的气动执行机构有两类。气动活塞式执行机构气动活塞式执行机构薄膜式执行机构薄膜式执行机构P正作用执行机构正作用执行机构反作用执行机构反作用执行机构过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东1).薄膜式薄膜式 p膜片膜片变变形形带动推杆带动推杆移动移动阀芯产阀芯产生位移生位移改变改变阀门开度。阀门开度。（输出力较小，（输出力较小，精度较高）精度较高）过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东气动执行机构接收的信号标准：气动执行机构接收的信号标准：0.02MPa0.1MPa2).活塞式活塞式活塞在汽缸中移动输出推力。
8、活塞在汽缸中移动输出推力。（输出力较大）（输出力较大）过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东执行机构的输出（推杆位移）也称为执行机构的输出（推杆位移）也称为行程行程。薄膜式执行机构的行程规格：薄膜式执行机构的行程规格：10mm，16mm，25mm，60mm，100mm。活塞式执行机构有比例式和两位式。活塞式执行机构有比例式和两位式。长行程执行机构：行程长行程执行机构：行程40200mm，转角，转角90气动薄膜执行机构：气动薄膜执行机构：输出位移输出位移LAp/K，A为波纹膜片有效面积，为波纹膜片有效面积，K为弹簧刚度。为弹簧刚度。过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第
9、第4章章 唐德东唐德东3调节机构调节机构 调节机构就是阀门，是一个局部阻力可以改变调节机构就是阀门，是一个局部阻力可以改变的节流元件。由阀体，阀座，阀芯，阀杆，上下阀的节流元件。由阀体，阀座，阀芯，阀杆，上下阀盖组成。根据不同的使用要求，阀门的结构型式很盖组成。根据不同的使用要求，阀门的结构型式很多。多。 阀芯形式：阀芯形式： 直行程阀芯和角行程阀芯直行程阀芯和角行程阀芯过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东（1） 直通单座阀直通单座阀q流体对阀芯的不平流体对阀芯的不平衡作用力大。一般用在小衡作用力大。一般用在小口径、低压差的场合。口径、低压差的场合。q结构简单、泄漏量
10、小。结构简单、泄漏量小。过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东正装阀正装阀阀芯下移时，阀芯与阀阀芯下移时，阀芯与阀座间的流通截面积增大座间的流通截面积增大阀门中的柱式阀芯可以正装，也可以反装。阀门中的柱式阀芯可以正装，也可以反装。 反装阀反装阀阀芯下移时，阀芯与阀阀芯下移时，阀芯与阀座间的流通截面积减小座间的流通截面积减小过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东（2 2） 直通双座阀直通双座阀 阀体内有两个阀芯和阀座。阀体内有两个阀芯和阀座。q流体流过时，作用在上、下两个阀芯上的推流体流过时，作用在上、下两个阀芯上的推力方向相反且大小相近，可以互相
11、抵消，所以不平力方向相反且大小相近，可以互相抵消，所以不平衡力小。衡力小。q但是，由于加工的但是，由于加工的限制，上下两个阀芯阀限制，上下两个阀芯阀座不易保证同时密闭，座不易保证同时密闭，因此泄漏量较大。因此泄漏量较大。过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东（3）角形控制阀角形控制阀两个接管呈直角形，一般为底进侧出，两个接管呈直角形，一般为底进侧出，这种阀的这种阀的流路简单、对流体的阻力较小。流路简单、对流体的阻力较小。q适用于现场管道适用于现场管道要求直角连接，介质要求直角连接，介质为高粘度、高压差和为高粘度、高压差和含有少量悬浮物和固含有少量悬浮物和固体颗粒状的场合
12、。体颗粒状的场合。 过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东（4 4） 三通控制阀三通控制阀 有三个出入口与工艺管道连接。流通方式有合有三个出入口与工艺管道连接。流通方式有合流型（两种介质混合成一路）和分流型（一种介质流型（两种介质混合成一路）和分流型（一种介质分成两路）两种。适用于配比控制与旁路控制。分成两路）两种。适用于配比控制与旁路控制。过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东（5）隔膜控制阀隔膜控制阀 采用耐腐蚀材料作采用耐腐蚀材料作隔膜，将阀芯与流体隔隔膜，将阀芯与流体隔开。开。q结构简单、流阻小、流通能力比同口径的其他结构简单、流阻小、流
13、通能力比同口径的其他种类的阀要大。由于介质用隔膜与外界隔离，故无填种类的阀要大。由于介质用隔膜与外界隔离，故无填料，介质也不会泄漏。料，介质也不会泄漏。q耐腐蚀能力强，适用于强酸、强碱、强腐蚀性耐腐蚀能力强，适用于强酸、强碱、强腐蚀性介质的控制，也能用于高粘度及悬浮颗粒状介质的控介质的控制，也能用于高粘度及悬浮颗粒状介质的控制。制。 过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东q适用于大口径、适用于大口径、大流量、低压差的场大流量、低压差的场合，也可以用于含少合，也可以用于含少量纤维或悬浮颗粒状量纤维或悬浮颗粒状介质的控制。介质的控制。（6）蝶阀蝶阀又名翻板阀。又名翻板阀。结
14、构简单、重量轻、流阻极小，但泄漏量大。结构简单、重量轻、流阻极小，但泄漏量大。过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东（7） 球阀球阀阀芯与阀体都呈球形体，阀芯内开孔。转动阀阀芯与阀体都呈球形体，阀芯内开孔。转动阀芯使之与阀体处于不同的相对位置时，就有不同的芯使之与阀体处于不同的相对位置时，就有不同的流通面积。流通面积。q流量变化较快，可起控制和切断的作用，常用流量变化较快，可起控制和切断的作用，常用于双位式控制。于双位式控制。过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东（8）笼式阀笼式阀阀内有一个圆柱形套筒（笼子）。套筒壁上有阀内有一个圆柱形套筒（笼子
15、）。套筒壁上有一个或几个不同形状的孔（窗口），利用套筒导向，一个或几个不同形状的孔（窗口），利用套筒导向，阀芯在套筒内上下移动，改变阀的节流孔面积。阀芯在套筒内上下移动，改变阀的节流孔面积。q可调比大，不平衡可调比大，不平衡力小，更换开孔不同的力小，更换开孔不同的套筒，就可得到不同的套筒，就可得到不同的流量特性。但不适于高流量特性。但不适于高粘度或带有悬浮物的介粘度或带有悬浮物的介质流量控制。质流量控制。过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东（9）凸轮挠曲阀凸轮挠曲阀又名偏心旋转阀。其阀芯呈扇形球面状，与挠又名偏心旋转阀。其阀芯呈扇形球面状，与挠曲臂及轴套一起铸成，固定
16、在转动轴上。曲臂及轴套一起铸成，固定在转动轴上。q阀芯球面与阀座密封圈紧密接触，密封性好。阀芯球面与阀座密封圈紧密接触，密封性好。适用于高粘度或带有悬浮物的介质流量控制。适用于高粘度或带有悬浮物的介质流量控制。 调节阀除了结构类调节阀除了结构类型的不同外，其它的主型的不同外，其它的主要技术参数是流量特性要技术参数是流量特性和口径。和口径。过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东 如果采用电如果采用电/气转换器和气动执行机构配合，气转换器和气动执行机构配合，是开环系统，调节精度不高。是开环系统，调节精度不高。 如果采用阀门定位器与气动执行机构配合，如果采用阀门定位器与气动执
17、行机构配合，执行机构的输出位移通过凸轮杠杆反馈到阀门执行机构的输出位移通过凸轮杠杆反馈到阀门定位器，利用负反馈，提高气动调节阀的位置定位器，利用负反馈，提高气动调节阀的位置精度精度。三、电三、电/气转换器气转换器/阀门定位器阀门定位器过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东将将420mA的电的电流信号流信号转换成转换成20100KPa的标准气压的标准气压信号。信号。1 1、 电电/ /气转换器气转换器电电/气转换器作用：气转换器作用：过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东 I 吸力吸力Fi 杠杆偏转杠杆偏转 挡板与喷嘴间隙挡板与喷嘴间隙 背压背压
18、放大器输入放大器输入 输出压力输出压力P 杠杆杠杆的反馈力的反馈力Ff 杠杆平衡杠杆平衡 PI工作原理工作原理负反馈负反馈磁铁磁铁调零调零FiFf背压背压过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东电气转换器工作原理电气转换器工作原理：输入信号：输入信号：420mADC；输出信号：输出信号：0.020.1MPa（0.040.2MPa）过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东把把420mA的信号转换为的信号转换为0.020.1MPa的标准信号，的标准信号，以实现电动仪表与气动仪表的连用，构成混合控以实现电动仪表与气动仪表的连用，构成混合控制系统，充分发挥电
19、、气仪表的优点。制系统，充分发挥电、气仪表的优点。输入信号：输入信号：420mADC；输出信号：输出信号：0.020.1MPa（0.040.2MPa）基本误差：基本误差：0.5变差：变差：0.5灵敏度：灵敏度：0.05防爆等级：安全隔爆型：防爆等级：安全隔爆型：AB3e，安全火花型：，安全火花型：HIII电电/气转换器气转换器过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东1.气阻气阻 R=P/q2.气容气容固定气容固定气容C=V/KT弹性气容弹性气容3.弹性元件弹性元件4.喷嘴挡板机构：位移喷嘴挡板机构：位移压力压力过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东
20、5.功率放大器功率放大器过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东2 2、 阀门定位器阀门定位器气动调节阀中，阀杆气动调节阀中，阀杆的位移是由薄膜上气压推的位移是由薄膜上气压推力与弹簧反作用力平衡确力与弹簧反作用力平衡确定的。定的。为了防止阀杆处的泄为了防止阀杆处的泄漏要压紧填料，使阀杆摩漏要压紧填料，使阀杆摩擦力增大，且个体差异较擦力增大，且个体差异较大，这会影响输入信号大，这会影响输入信号P P的的执行精度。执行精度。过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东 解决措施解决措施 在调节阀上加装在调节阀上加装阀门定位器，引入阀杆阀门定位器，引入阀杆位移
21、负反馈。使阀杆能位移负反馈。使阀杆能按输入信号精确地确定按输入信号精确地确定自己的开度。自己的开度。过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东2、气动阀门定位器原理、气动阀门定位器原理Pi进入波纹管进入波纹管主杠杆产生逆时针转矩主杠杆产生逆时针转矩挡板靠近喷嘴挡板靠近喷嘴喷嘴背压喷嘴背压增加增加放大放大产生产生P1推动执行机构薄膜室推动执行机构薄膜室执行机构输出阀杆位执行机构输出阀杆位移移反馈杆绕支点逆时针反馈杆绕支点逆时针旋转旋转带动凸轮逆时带动凸轮逆时针旋转针旋转副杠杆顺时副杠杆顺时针旋转针旋转通过反馈弹通过反馈弹簧簧对主杠杆产生顺对主杠杆产生顺时针方向转矩时针方向转矩
22、与与Pi产生逆时针力矩平衡。产生逆时针力矩平衡。过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东 3 3、电、电/ /气阀门定位器气阀门定位器 实际应用中，常把电实际应用中，常把电/气转换器和阀门定位器结气转换器和阀门定位器结合成一体，组成电合成一体，组成电/气阀门定位器。气阀门定位器。 I杠杆上端右移杠杆上端右移挡板挡板靠近喷嘴靠近喷嘴 P压力压力阀杆下移阀杆下移反馈凸轮反馈凸轮右转右转 反馈弹簧右拉反馈弹簧右拉杠杆平衡杠杆平衡过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东3、电气阀门定位器、电气阀门定位器过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东
23、唐德东4、智能型电气阀门定位器、智能型电气阀门定位器过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东 气动调节阀气动调节阀气动调节蝶阀气动调节蝶阀过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东四、四、 电动执行器电动执行器电动执行器接受来自控制器的电电动执行器接受来自控制器的电流信号，阀门开度连续可调。流信号，阀门开度连续可调。电磁阀也电磁阀也接受来自控制器的电流接受来自控制器的电流信号，但阀门开度是位式调节。信号，但阀门开度是位式调节。过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东如直
24、动式电磁阀：如直动式电磁阀： 线圈通电时，产生电线圈通电时，产生电磁力，吸引阀芯柱上移，磁力，吸引阀芯柱上移，阀门打开。阀门打开。 线圈断电后，电磁力线圈断电后，电磁力消失，阀芯落下。在弹簧消失，阀芯落下。在弹簧压力下阀门紧闭。压力下阀门紧闭。 电磁阀是位式阀，只电磁阀是位式阀，只有全开和全关两个位置。有全开和全关两个位置。过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东电动调节阀也由执行机构电动调节阀也由执行机构和阀门两部分组成。和阀门两部分组成。q执行机构是调节阀的推动执行机构是调节阀的推动装置，它将输入信号转换成相装置，它将输入信号转换成相应的动力，带动控制机构动作。应的动
25、力，带动控制机构动作。q阀门是调节阀的控制机构，阀门是调节阀的控制机构，它与气动调节阀的阀门是通用它与气动调节阀的阀门是通用的。的。执行机构执行机构控制机构控制机构过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东电动执行机构用控制电机作动力装置。电动执行机构用控制电机作动力装置。输出形输出形式有：式有：角行程角行程：电机转动经减速器后输出。：电机转动经减速器后输出。直行程：电机转动经减速器减速并转换为直线直行程：电机转动经减速器减速并转换为直线位移输出。位移输出。多转式：转角输出，功率比较大，主要用来控多转式：转角输出，功率比较大，主要用来控制闸阀、截止阀等多转式阀门。制闸阀、截
26、止阀等多转式阀门。 这几种执行机构在电气原理上基本相同，这几种执行机构在电气原理上基本相同，只是减速器不一样。只是减速器不一样。过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东电动执行机构电动执行机构 过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东输入信号与位置反馈信号输入信号与位置反馈信号进行比较，将差值放大。进行比较，将差值放大。驱动驱动电机电机经减速输出，经减速输出，带动阀门带动阀门直到位置发送器检测到的直到位置发送器检测到的位置信号与输入信号相等位置信号与输入信号相等时，放大器输出为零。时，放大器输出为零。电动执行机构电动执行机构原理方框图原理方框图 过程
27、控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东两相电机伺服驱动电路两相电机伺服驱动电路 线圈线圈、 CF例例 a（+）b（-）时时 触发电路触发电路1工作工作 SCR1导通导通c、d间短接间短接线圈线圈 电机正转电机正转220V通路通路 90 相移相移过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东四、四、 智能式调节阀智能式调节阀 随着电子技术的迅速发展，微处理器也被引入到随着电子技术的迅速发展，微处理器也被引入到调节阀中，出现了智能式调节阀。主要功能如下：调节阀中，出现了智能式调节阀。主要功能如下：1控制及执行功能控制及执行功能2补偿及校正功能补偿及校正功能3通信功能通信功能4诊断功能诊断功能5保护功能保护功能 智能电动执行机构智能电动执行机构过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东过程控制系统与装置过程控制系统与装置 第第4章章 唐德东唐德东作业：执行器在控制系统中处于什么地位？作业：执行器在控制系统中处于什么地位？其性能对控制系统的运行有什么影响？其性能对控制系统的运行有什么影响？小结小结结构结构工作原理工作原理电动调节阀电动调节阀 电电/气阀门定位器气阀门定位器电电/气转换器气转换器气动调节阀气动调节阀
