三段式气动执行器
气动执行器的工作原理
气动执行器是用气压力驱动启闭或调节阀门的执行装置，又被称气动执行机构或气动装置，不过一般通俗的称之为气动头。气动执行器的执行机构和调节机构是统一的整体，其执行机构有薄膜式、活塞式、拨叉式和齿轮齿条式。气动执行器可以接受连续的气信号，输出直线位移，有的配上摇臂后，可输出角位移。移动速度大，但负载增加时速度会变慢。可靠性高，但气源中断后阀门不能保持（加保位阀后可以保持）不便实现分段控制和程序控制，具有防爆功能。
当压缩空气从A管咀进入气动执行器时，气体推动双活塞向两端(缸盖端)直线运动，活塞上的齿条带动旋转轴上的齿轮逆时针方向转动90度， 阀门即被打开。此时气动执行阀两端的气体随B管咀排出。反之，当压缩空气从B官咀进入气动执行器的两端时，气体推动双塞向中间直线运动，活塞上的齿条带动旋转轴上的齿轮顺时针方向转动90度，阀门即被关闭。此时气动执行器中间的气体随A管咀排出。以上为标准型的传动原理。根据用户需求，气动执行器可装置成与标准型相反的传动原理，即选准轴顺时针方向转动为开启阀门，逆时针方向转动为关闭阀门。单作用（弹簧复位型）气动执行器A管咀为进气口，B管咀为排气孔（B管咀应安装消声器）。A管咀进气为开启阀门，断气时靠弹簧力关闭阀门。
气动执行机构的分类及介绍
常见的执行机构有薄膜式和活塞式两大类。其中薄膜式执行机构最为常用，它可以用作一般控制阀的推动装置，组成气动薄膜式执行器。气动薄膜式执行机构的信号压力p作用于膜片，使其变形，带动膜片上的推杆移动，使阀芯产生位移，从而改变阀的开度。它结构简单，价格便宜，维修方便，广泛应用。气动活塞执行机构使活塞在气缸中移动产生推力，显然，活塞式的输出力度远大于薄膜式。因此，薄膜式适用于出力较小、精度较高的场合；活塞式适用于输出力较大的场合，如大口径、高压降控制或蝶阀的推动装置。除薄膜式和活塞式之外，还有一种长行程执行机构，它的行程长，转矩大，适用于输出角位移和大力矩的场合。气动执行机构接收的信号标准0.02至0.1MPa。
气动薄膜执行机构有正作用和反作用两种形式。当来自控制器或阀门定位器的信号压力增大时，阀杆向下的动作的叫正作用执行机构；当信号压力增大时，阀杆向上动作的叫反作用执行机构。正作用执行机构的信号压力是通入波纹膜片上方的薄膜气室；反作用执行机构的信号压力是通入波纹膜片下方的薄膜气室。通过更换个别零件，两者就能互相改装。
气动活塞执行机构的主要部件为气缸、活塞、推杆。气缸内活塞随气缸内两侧压差的变化而移动。根据特性分为比例式和两位式两种。两位式根据根据输入活塞两侧操作压力的大小，活塞从高压侧被推向低压侧。比例式是在两位式基础上加以阀门定位器，使推杆位移和信号压力成比例关系。
控制机构的基本组成
控制机构即控制阀，实际上是一个局部阻力可以改变的节流元件。阀杆上部和执行机构相连，下部与阀芯相连。由于阀芯在阀体内移动，改变了阀芯与阀座之间的流通面积，即改变了阀的阻力系数，被控介质的流量也就相应改变，从而达到控制工艺参数的目的。控制阀由阀体、阀座、阀芯、阀杆、上下阀盖等组成。控制阀直接与被控介质接触，为适应各种使用要求，阀芯、阀体的结构、材料各不相同。
控制阀的阀芯有直行程阀芯和角行程阀芯两种。常见的直行程阀芯有：平板型阀芯，具有快开特性，可作两位控制；柱塞式阀芯，可上下倒装，以实现正反调节作用；窗口型阀芯，有合流型和分流型，适做三通阀；多级阀芯，将几个阀芯串联，起逐级降压作用。角行程阀芯通过阀芯的旋转运动改变其与阀座间的流通截面，常见的角行程阀芯有:偏心旋转阀芯、蝶形阀芯、球形阀芯。
控制阀的结构形式
1、直通单座控制阀：这种阀的阀体内只有一个阀芯与阀座。其特点是结构简单、泄露量小，易于保证关闭，甚至完全切断。但是在压差大的时候，流体对阀芯上下作用的推力不平衡，这种不平衡力会影响到阀芯的移动。这种阀一般用于小口径、低压差的场合。
2、直通双座控制阀：阀体内有两个阀芯和发座，这是最常用的一种类型。由于流体流过的时候，作用在上下两个阀芯上的推力方向相反而大小近于相等，可以相互抵消，所以不平衡力小。但是由于加工的限制，上下两个阀芯阀座不易保证同时密封，因此泄露量大。根据阀芯和阀座的相对位置，这种阀可分为正作用式与反作用式两种形式。当阀体直立、阀杆下移时，阀芯与阀座间的流通面积减少的称为正作用式。如果阀芯倒装，则当阀杆下移时阀芯与阀座间的流通面积增大，称为反作用式。
3、隔膜控制阀：它采用耐腐蚀衬里的阀体和隔膜。隔膜阀结构简单，流阻小，流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，故无填料，介质也不会泄露。这种阀耐腐蚀性极强，适用于强酸、强碱等腐蚀性介质的控制，也能用于高粘度及悬浮颗粒状介质的控制。
4、三通控制阀：共有三个出入口与工艺管道连接。其流通方式有合流和分流型两种。这种阀可以用来代替两个直通阀，适用于配比控制和旁路控制。
5、角形控制阀：角形阀的两个角形成直角形，一般为底进侧出。这种阀的流路简单、阻力较小，适用于现场管道要求直角连接，介质为高粘度、高压差和含有少量悬浮物和固体颗粒的场合。
6、套筒式控制阀：又名笼式阀，它的阀体与一般的直通单座阀相似。笼式阀内有一个圆形柱套筒。套筒壁上有几个不同形状的孔，利用套筒导向，阀芯在套筒内上下移动，由于这种移动改变了笼子的节流孔面积，就形成了各种特性并实现流量控制。笼式阀的可调比大、震动小、平衡力小、结构简单、套筒互换性好，更换不同的套筒即可得到不同的流量特性，阀内部件所受的气蚀小、噪声小，是一种性能优良的阀，特别适用于要求低噪声及压差较大的场合，但不适用于高温、高粘度及含有颗粒物的液体。
7、蝶阀：又名翻板阀。蝶阀具有结构简单、重量轻、价格便宜、流阻极小的特点，但泄露量大，适用于大口径、大流量、低压差的场合，也可以用于含少量纤维或悬浮颗粒状介质的控制。
8、球阀：球阀的阀芯和阀体都呈球形状，转动阀芯使其与阀体处于不同的相对位置时就具有不同的流量截面积，以达到流量控制的目的。
9、凸轮挠曲阀：又名偏心旋转阀。它的阀芯呈扇形球面状，与挠曲臂及轴套一起铸成，固定在转动轴上。凸轮挠曲阀的挠曲臂在压力作用下会产生挠曲变形，使阀芯球面与阀座密封圈紧密接触，密封性好。同时它的重量轻，体积小，安装方便，适用于高粘度或带有悬浮物的介质流量控制。
控制阀的理想流量特性和工作流量特性
由于控制阀开度变化时，阀前后的压差也会变，从而流量也会变。为分析方便，称阀前后的压差不随阀的开度变化的流量特性为理想流量特性；阀前后的压差随阀的开度变化的流量特性为工作流量特性。
直线流量特性。虽为线性，但小开度时，流量相对变化值大、灵敏度高、控制作用强、易产生振荡；大开度时，流量相对变化值小、灵敏度低、控制作用弱、控制缓慢。
等百分比流量特性。放大倍数随流量增大而增大，所以开度较小时控制缓和平稳；大开度时，控制灵敏有效。
抛物线流量特性。在抛物线流量特性中，有一种修正抛物线流量特性，这是为了弥补直线特性在小开度时调节性能差的特点，在抛物线特性基础上衍生出来的。它在位移30%及相对流量20%以下为抛物线特性，在以上范围为直线特性。
快开流量特性。快开特性的阀芯是平板型的。它的有效位移一般是阀座的1/4。位移再大时，阀的流通面积就不再增大，失去了控制作用。快开阀适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。
其实大部分的控制阀，其特性都不过零（即都有泄露），为此，常接入截止阀。在实际生产中，控制阀前后压差总是变化的，控制阀一般与工艺设备并用，也与管道串联或并联。压差因阻力损失而变化，致使理想流量特性畸变为工作流量特性。综合串并联管道的情况，可得出以下结论：串、并联管道都会使阀的理性流量特性发生畸变，串联管道的影响尤其严重；串并联管道都会使控制阀的可调范围降低，并联管道尤其严重；串联管道使系统总流量减少，并联管道使系统总流量增加；串并联管道会使控制阀的放大系数减少，即输入信号变化引起的流量变化值减少。
电气转换器的工作原理
将电动仪表的标准直流信号（0～10毫安或4～20毫安）转换成气动仪表的标准气压信号 (2×104～10a5帕)的转换器。电气转换器的工作原理与气电转换器相仿，也是根据力平衡原理工作的。来自电动仪表（变送器或调节器）的标准电信号通过恒定磁场（永久磁场）的力线圈,产生一电磁场，与永久磁场相互作用的合力使杠杆绕支点摆动，改变喷嘴与档板之间的间隙。于是气动放大器背压发生变化，输出放大的气压信号，同时输出压力反馈至波纹管产生反馈力矩，使杠杆重新达到平衡。因此，输出压力的大小与被转换的电流成比例。
电气转换器常用于电动单元组合仪表自动调节系统。气动执行器结构简单，性能稳定，动作可靠，维护方便，对现场条件要求低，并具有防火、防爆等优点，因而一般电动仪表调节系统都采用气动执行器。这就需要在电动调节器和气动执行器之间接入电气转换器。在气动执行器中，有一种电气阀门定位器。它安装在气动调节阀上,除能调节阀门外，还兼具电气转换器的作用。图2表示转换器在电气复合调节系统中的作用。还有一种利用步进马达将电信号转换成位移，再转换成气压信号的电气转换器。它能把电的数字信号直接转换成气的模拟信号，使电子计算机能直接控制气动阀门，构成计算机控制系统。
电气阀门定位器的工作原理
电气阀门定位器是调节阀的主要附件，通常与气动调节阀配套使用，它接受调节器的输出信号，然后以它的输出信号去控制气动调节阀，当调节阀动作后，阀杆的位移又通过机械装置反馈到阀门定位器，阀位状况通过电信号传给上位系统。
电气阀门定位器是控制阀的主要附件.它将阀杆位移信号作为输入的反馈测量信号,以控制器输出信号作为设定信号，进行比较，当两者有偏差时，改变其到执行机构的输出信号，使执行机构动作，建立了阀杆位移倍与控制器输出信号之间的一一对应关系。因此，阀门定位器组成以阀杆位移为测量信号，以控制器输出为设定信号的反馈控制系统。该控制系统的操纵变量是阀门定位器去执行机构的输出信号。
电气阀门定位器的作用
（1）用于对调节质量要求高的重要调节系统，以提高调节阀的定位精确及可靠性。
（2）用于阀门两端压差大（ △p>1MPa）的场合。通过提高气源压力增大执行机构的输出力，以克服液体对阀芯产生的不平衡力，减小行程误差。
（3）当被调介质为高温、高压、低温、有毒、易燃、易爆时，为了防止对外泄漏，往往将填料压得很紧，因此阀杆与填料间的摩擦力较大，此时用定位器可克服时滞。
（4）被调介质为粘性流体或含有固体悬浮物时，用定位器可以克服介质对阀杆移动的阻力。
（5）用于大口径（Dg>100mm）的调节阀，以增大执行机构的输出推力。
（6）当调节器与执行器距离在60m以上时，用定位器可克服控制信号的传递滞后，改善阀门的动作反应速度。
（7）用来改善调节阀的流量特性。
（8）一个调节器控制两个执行器实行分程控制时，可用两个定位器，分别接受低输入信号和高输入信号，则一个执行器低程动作，另一个高程动作，即构成了分程调节。
电气阀门定位器的分类
阀门定位器按输入信号分为气动阀门定位器、电气阀门定位器和智能阀门定位器。气动阀门定位器的输入信号是标准气信号，例如，20~100kPa气信号，其输出信号也是标准的气信号。电气阀门定位器的输入信号是标准电流或电压信号，例如，4~20mA电流信号或1~5V电压信号等，在电气阀门定位器内部将电信号转换为电磁力，然后输出气信号到拨动控制阀。智能电气阀门定位器它将控制室输出的电流信号转换成驱动调节阀的气信号，根据调节阀工作时阀杆摩擦力，抵消介质压力波动而产生的不平衡力，使阀门开度对应于控制室输出的电流信号。并且可以进行智能组态设置相应的参数，达到改善控制阀性能的目的。
按动作的方向可分为单向阀门定位器和双向阀门定位器。单向阀门定位器用于活塞式执行机构时，阀门定位器只有一个方向起作用，双向阀门定位器作用在活塞式执行机构气缸的两侧，在两个方向起作用。
按阀门定位器输出和输入信号的增益符号分为正作用阀门定位器和反作用阀门定位器。正作用阀门定位器的输入信号增加时，输出信号也增加，因此，增益为正。反作用阀门定位器的输入信号增加时，输出信号减小，因此，增益为负。
按阀门定位器输入信号是模拟信号或数字信号，可分为普通阀门定位器和现场总线电气阀门定位器。普通阀门定位器的输入信号是模拟气压或电流、电压信号，现场总线电气阀门定位器的输入信号是现场总线的数字信号。
按阀门定位器是否带CPU可分为普通电气阀门定位器和智能电气阀门定位器。普通电气阀门定位器没有CPU，因此，不具有智能，不能处理有关的智能运算。智能电气阀门定位器带CPU，可处理有关智能运算，例如，可进行前向通道的非线性补偿等，现场总线电气阀门定位器还可带PID等功能模块，实现相应的运算。 按反馈信号的检测方法也可进行分类。
气动执行器的优缺点
优点
1、接受连续的气信号，输出直线位移（加电/气转换装置后，也可以接受连续的电信号），有的配上摇臂后，可输出角位移。
2、有正、反作用功能。
3、移动速度大，但负载增加时速度会变慢。
4、输出力与操作压力有关。
5、可靠性高，但气源中断后阀门不能保持（加保位阀后可以保持）。
6、不便实现分段控制和程序控制。
7、检修维护简单，对环境的适应性好。
8、输出功率较大。
9、具有防爆功能。
缺点：控制精度较低，双作用的气动执行器，断气源后不能回到预设位置。单作用的气动执行器，断气源后可以依靠弹簧回到预设位置
气动执行器与电动执行器的比较
从技术性能方面讲，气动执行器的优势主要包括以下4个方面：
（1）负载大，可以适应高力矩输出的应用。
（2）动作迅速、反应快。
（3）工作环境适应性好，特别在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射和振动等恶劣工作环境中，比液压、电子、电气控制更优越。
（4）行程受阻或阀杆被扎住时电机容易受损。
而电动执行器的优势主要包括：
（1）结构紧凑，体积小巧。比起气动执行器，电动执行器结构相对简单，一个基本的电子系统包括执行器，三位置DPDT开关、熔断器和一些电线，易于装配。
（2）电动执行器的驱动源很灵活，一般车载电源即可满足需要，而气动执行器需要气源和压缩驱动装置。
（3）电动执行器没有“漏气”的危险，可靠性高，而空气的可压缩性使得气动执行器的稳定性稍差。
（4）不需要对各种气动管线进行安装和维护。
（5）可以无需动力即保持负载，而气动执行器需要持续不断的压力供给。
（6）由于不需要额外的压力装置，电动执行器更加安静。通常，如果气动执行器在大负载的情况下，要加装消音器。
（7）在气动装置中的通常需要把电信号转化为气信号，然后再转化为电信号，传递速度较慢，不宜用于元件级数过多的复杂回路。
（8）电动执行器在控制的精度方面更胜一筹。
实际上，气动系统和电动系统并不互相排斥。气动执行器可以简单的实现快速直线循环运动，结构简单，维护便捷，同时可以在各种恶劣工作环境中使用，如有防爆要求、多粉尘或潮湿的工况。但在作用力快速增大且需要精确定位的情况下，带伺服马达的电驱动器具有优势。对于要求精确、同步运转、可调节和规定的定位编程的应用场合，电驱动器是最好的选择，带闭环定位控制器的伺服或步进马达所组成的电驱动系统能够补充气动系统的不足之处。
现代控制中各种系统越来越复杂、越来越精细，并不是某种驱动控制技术就可满足系统的多种控制功能。电动执行器主要用于需要精密控制的应用场合，自动化设备中柔性化要求在不断提升，同一设备往往要求适应不同尺寸工件的加工需要，执行器需要进行多点定位控制，而且要对执行器的运行速度及力矩进行精确控制或同步跟踪，这些利用传统气动控制是无法实现的，而电动执行器就能非常轻松的实现此类控制。由此可见气动执行器比较适用于简单的运动控制，而电执行器则多用于精密运动控制的场合。
