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1、第九讲气动电动执行器第1页，共50页，编辑于2022年，星期三第九讲第九讲 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，它将控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，从而操纵进入设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值上或一定的备的能量，将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内。范围内。执行器有自动调节阀门、自动电压调节器、自动电流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最常见的执行调节器、控制电机等。其中自动调节阀门是
2、最常见的执行器，种类繁多。器，种类繁多。第2页，共50页，编辑于2022年，星期三1、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行器，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。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调节机构组成。执行器由执行
3、机构和调节机构组成。第3页，共50页，编辑于2022年，星期三按动力分类：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第4页，共50页，编辑于2022年，星期三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为：q电电动动执执行行器器：电电源源配配备备方方便便，信信号号传传
4、输输快快、损损失失小小，可远距离传输；但推力较小。可远距离传输；但推力较小。q气气动动执执行行器器：结结构构简简单单，可可靠靠，维维护护方方便便，防防火火防爆；但气源配备不方便。防爆；但气源配备不方便。q液液动动执执行行器器：用用液液压压传传递递动动力力，推推力力最最大大；但但安安装、维护麻烦，使用不多。装、维护麻烦，使用不多。工业中使用最多的是气动执行器和电动执行器。工业中使用最多的是气动执行器和电动执行器。第5页，共50页，编辑于2022年，星期三图图b中采用电气转换器，精度不高。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
5、高调节阀的位置精度，应用广泛。第6页，共50页，编辑于2022年，星期三二、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第7页，共50页，编辑于2022年，星期三1、气动执行器的结构与分类、气动执行器的结构与分类气气动动执执行行器器由由执执行行机机构构和和调调节机构（控制机构）两部分组成。节机构（控制机构）两部分组成。q执执行行机机构构是是推推动动装装置置，它它是是将将信信号号压压力力的的大大小小转转换换为为阀阀杆位移的装置。杆位移的装置。q控控制制机
6、机构构是是阀阀门门，它它将将阀阀杆杆的位移转换为流通面积的大小。的位移转换为流通面积的大小。第8页，共50页，编辑于2022年，星期三 2.执行执行机构机构 执执行行机机构构按按调调节节器器输输出出的的控控制制信信号号，驱驱动动调调节节机机构构动动作作。气气动动执执行行机机构构的的输输出出方方式式有有角角行行程程输输出出和和直直行行程程输输出出两种。两种。第9页，共50页，编辑于2022年，星期三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第10页，共5
7、0页，编辑于2022年，星期三1).薄膜式薄膜式 p膜片膜片变形变形带动推杆移带动推杆移动动阀芯产生阀芯产生位移位移改变阀改变阀门开度。（输门开度。（输出力较小，精出力较小，精度较高）度较高）第11页，共50页，编辑于2022年，星期三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。（输出活塞在汽缸中移动输出推力。（输出力较大）力较大）第12页，共50页，编辑于2022年，星期三执行机构的输出（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，16
8、mm，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。第13页，共50页，编辑于2022年，星期三3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的节流调节机构就是阀门，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，上下阀盖组成。根据元件。由阀体，阀座，阀芯，阀杆，上下阀盖组成。根据不同的使用要求，阀门的结构型式很多。不同
9、的使用要求，阀门的结构型式很多。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第14页，共50页，编辑于2022年，星期三（1）直通单座阀直通单座阀q流流体体对对阀阀芯芯的的不不平平衡衡作作用用力力大大。一一般般用用在在小小口口径、低压差的场合。径、低压差的场合。q结构简单、泄漏量小。结构简单、泄漏量小。第15页，共50页，编辑于2022年，星期三正装阀正装阀阀芯下移时，阀芯与阀座间阀芯下移时，阀芯与阀座间的流通截面积增大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，阀芯与阀座间阀芯下移时，阀芯与阀座间的流
10、通截面积减小的流通截面积减小第16页，共50页，编辑于2022年，星期三（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流流体体流流过过时时，作作用用在在上上、下下两两个个阀阀芯芯上上的的推推力力方方向向相相反且大小相近，可以互相抵消，所以不平衡力小。反且大小相近，可以互相抵消，所以不平衡力小。q但是，由于加工的限但是，由于加工的限制，上下两个阀芯阀座不制，上下两个阀芯阀座不易保证同时密闭，因此泄易保证同时密闭，因此泄漏量较大。漏量较大。第17页，共50页，编辑于2022年，星期三（3）角形控制阀角形控制阀两两个个接接管管呈呈直直角角形形，一一般般为为底底进进
11、侧侧出出，这这种种阀阀的的流流路简单、对流体的阻力较小。路简单、对流体的阻力较小。q适用于现场管道要适用于现场管道要求直角连接，介质为高求直角连接，介质为高粘度、高压差和含有少粘度、高压差和含有少量悬浮物和固体颗粒状量悬浮物和固体颗粒状的场合。的场合。第18页，共50页，编辑于2022年，星期三（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。流通方式有合流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（一种介质分成型（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。两路）两种。适用于配比控制与旁路控制。第19页，共50页，
12、编辑于2022年，星期三（5）隔膜控制阀隔膜控制阀 采用耐腐蚀材料作隔采用耐腐蚀材料作隔膜，将阀芯与流体隔开。膜，将阀芯与流体隔开。q结结构构简简单单、流流阻阻小小、流流通通能能力力比比同同口口径径的的其其他他种种类类的的阀阀要要大大。由由于于介介质质用用隔隔膜膜与与外外界界隔隔离离，故故无无填填料料，介介质质也也不不会泄漏。会泄漏。q耐耐腐腐蚀蚀能能力力强强，适适用用于于强强酸酸、强强碱碱、强强腐腐蚀蚀性性介介质的控制，也能用于高粘度及悬浮颗粒状介质的控制。质的控制，也能用于高粘度及悬浮颗粒状介质的控制。第20页，共50页，编辑于2022年，星期三q适适用用于于大大口口径径、大大流流量量、低
13、低压压差差的的场场合合，也也可可以以用用于于含含少少量量纤纤维维或或悬悬浮浮颗颗粒粒状状介质的控制。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。第21页，共50页，编辑于2022年，星期三（7）球阀球阀阀阀芯芯与与阀阀体体都都呈呈球球形形体体，阀阀芯芯内内开开孔孔。转转动动阀阀芯芯使使之与阀体处于不同的相对位置时，就有不同的流通面积。之与阀体处于不同的相对位置时，就有不同的流通面积。q流流量量变变化化较较快快，可可起起控控制制和和切切断断的的作作用用，常常用用于于双双位式控制。位式控制。第22页，共50页，编
14、辑于2022年，星期三（8）笼式阀笼式阀阀阀内内有有一一个个圆圆柱柱形形套套筒筒（笼笼子子）。套套筒筒壁壁上上有有一一个个或或几几个个不不同同形形状状的的孔孔（窗窗口口），利利用用套套筒筒导导向向，阀阀芯芯在在套套筒筒内内上上下移动，改变阀的节流孔面积。下移动，改变阀的节流孔面积。q可可调调比比大大，不不平平衡衡力力小小，更更换换开开孔孔不不同同的的套套筒筒，就就可可得得到到不不同同的的流流量量特特性性。但但不不适适于于高高粘粘度度或或带带有有悬悬浮浮物物的的介介质质流流量量控控制。制。第23页，共50页，编辑于2022年，星期三（9）凸轮挠曲阀凸轮挠曲阀又又名名偏偏心心旋旋转转阀阀。其其阀阀
15、芯芯呈呈扇扇形形球球面面状状，与与挠挠曲曲臂臂及及轴套一起铸成，固定在转动轴上。轴套一起铸成，固定在转动轴上。q阀阀芯芯球球面面与与阀阀座座密密封封圈圈紧紧密密接接触触，密密封封性性好好。适适用用于高粘度或带有悬浮物的介质流量控制。于高粘度或带有悬浮物的介质流量控制。调调节节阀阀除除了了结结构构类类型型的的不不同同外外，其其它它的的主主要要技技术术参参数数是是流流量量特特性性和口径。和口径。第24页，共50页，编辑于2022年，星期三如果采用电如果采用电/气转换器和气动执行机构配合，是开气转换器和气动执行机构配合，是开环系统，调节精度不高。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
16、配合，执如果采用阀门定位器与气动执行机构配合，执行机构的输出位移通过凸轮杠杆反馈到阀门定位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精度器，利用负反馈，提高气动调节阀的位置精度。三、电三、电/气转换器气转换器/阀门定位器阀门定位器第25页，共50页，编辑于2022年，星期三将将420mA的的电电流流 信信 号号转转 换换 成成20100KPa的标准气压信号。的标准气压信号。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：第26页，共50页，编辑于2022年，星期三 I 吸吸力力Fi 杠杠杆杆偏偏转转 挡挡板板与与喷喷嘴嘴间间隙隙 背背压压 放
17、放大大器器输输入入 输输出出压压力力P 杠杠杆杆的的反反馈馈力力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背压背压第27页，共50页，编辑于2022年，星期三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）第28页，共50页，编辑于2022年，星期三把把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，构成混合控制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、气仪表的优点。系统，充分发挥电、气
18、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/气转换器气转换器第29页，共50页，编辑于2022年，星期三1.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：位移压力压力第30页，共50页，编辑于2022年，星期三5.功率放大器功率放大器第31页，共50页，编辑于2022年，星期三2 2
19、、阀门定位器阀门定位器气气动动调调节节阀阀中中，阀阀杆杆的的位位移移是是由由薄薄膜膜上上气气压压推推力力与与弹弹簧簧反作用力平衡确定的。反作用力平衡确定的。为为了了防防止止阀阀杆杆处处的的泄泄漏漏要要压压紧紧填填料料，使使阀阀杆杆摩摩擦擦力力增增大大，且且个个体体差差异异较较大大，这这会会影影响响输输入入信信号号P P的的执执行行精精度。度。第32页，共50页，编辑于2022年，星期三 解决措施解决措施 在在调调节节阀阀上上加加装装阀阀门门定定位位器器，引引入入阀阀杆杆位位移移负负反反馈馈。使使阀阀杆杆能能按按输输入入信信号号精精确确地地确确定定自自己己的的开开度。度。第33页，共50页，编辑
20、于2022年，星期三2、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增加喷嘴背压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移执行机构输出阀杆位移反馈杆绕支点逆时针旋反馈杆绕支点逆时针旋转转带动凸轮逆时针旋带动凸轮逆时针旋转转副杠杆顺时针旋转副杠杆顺时针旋转通过反馈弹簧通过反馈弹簧对主对主杠杆产生顺时针方向转杠杆产生顺时针方向转矩矩与与Pi产生逆时针力产生逆时针力矩平衡。矩平衡。第34页，共50页，编辑于2022年，星期三 3 3、电、电/气阀门定位器气阀门定位器 实际应
21、用中，常把电实际应用中，常把电/气转换器和阀门定位器结合气转换器和阀门定位器结合成一体，组成电成一体，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第35页，共50页，编辑于2022年，星期三3、电气阀门定位器、电气阀门定位器第36页，共50页，编辑于2022年，星期三4、智能型电气阀门定位器、智能型电气阀门定位器第37页，共50页，编辑于2022年，星期三气气动薄膜薄膜单座座(套筒套筒)调节阀气气动薄膜薄膜双双座座调节阀第38页，共50页，编辑于2022年，星
22、期三气动调节阀气动调节阀气动调节蝶阀气动调节蝶阀第39页，共50页，编辑于2022年，星期三四、四、电动执行器电动执行器电电动动执执行行器器接接受受来来自自控控制制器器的的电电流流信号，阀门开度连续可调。信号，阀门开度连续可调。电电磁磁阀阀也也接接受受来来自自控控制制器器的的电电流流信信号，但阀门开度是位式调节。号，但阀门开度是位式调节。第40页，共50页，编辑于2022年，星期三如直动式电磁阀：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
23、下阀门紧闭。压力下阀门紧闭。电磁阀是位式阀，只有电磁阀是位式阀，只有全开和全关两个位置。全开和全关两个位置。第41页，共50页，编辑于2022年，星期三电电动动调调节节阀阀也也由由执执行行机机构构和和阀阀门两部分组成。门两部分组成。q执执行行机机构构是是调调节节阀阀的的推推动动装装置置，它它将将输输入入信信号号转转换换成成相相应应的的动动力力，带带动控制机构动作。动控制机构动作。q阀阀门门是是调调节节阀阀的的控控制制机机构构，它它与气动调节阀的阀门是通用的。与气动调节阀的阀门是通用的。执执行行机机构构控控制制机机构构第42页，共50页，编辑于2022年，星期三电动执行机构用控制电机作动力装置。
24、电动执行机构用控制电机作动力装置。输出形式输出形式有：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位移直行程：电机转动经减速器减速并转换为直线位移输出。输出。多转式：转角输出，功率比较大，主要用来控制多转式：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。闸阀、截止阀等多转式阀门。这几种执行机构在电气原理上基本相同，只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。是减速器不一样。第43页，共50页，编辑于2022年，星期三电动执行机构电动执行机构 第44页，共50页，编辑于2022年，星期三输输入入信信号号与与
25、位位置置反反馈馈信信号号进进行行比较，将差值放大。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直到到位位置置发发送送器器检检测测到到的的位位置置信信号号与与输输入入信信号号相相等等时，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 第45页，共50页，编辑于2022年，星期三两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 相移相移第46页，共50页，编辑于2022年，星期三四、四、智能
26、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调节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：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第47页，共50页，编辑于2022年，星期三电动电动V形球阀形球阀电动电动O形球阀形球阀电动三通球阀电动三通球阀电动蝶阀电动蝶阀电动高温蝶阀电动高温蝶阀智能电动蝶阀智能电动蝶阀第48页，共50页，编辑于2022年，星期三电动小型调节阀电动小型调节阀电动直角调节阀电动直角调节阀电动双座调节阀电动双座调节阀电动浆液阀电动浆液阀电动刀型闸阀电动刀型闸阀电动闸阀电动闸阀第49页，共50页，编辑于2022年，星期三作业：执行器在控制系统中处于什么地位？其性作业：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？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 第50页，共50页，编辑于2022年，星期三