工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般由檢測器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器和調(diào)節(jié)對(duì)象組成，其中執(zhí)行器是不可或缺的重要組成部分。作為工業(yè)過程控制系統(tǒng)中的終端產(chǎn)品，它在自動(dòng)控制系統(tǒng)中發(fā)揮著不可替代的作用。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和自動(dòng)化程度的提高，執(zhí)行器的應(yīng)用范圍越來越廣泛，已從原石油、化工、冶金、電站等領(lǐng)域發(fā)展到食品、制藥、能源、供水、環(huán)保等自動(dòng)控制領(lǐng)域。國家對(duì)執(zhí)行器的需求不僅巨大，而且品種、規(guī)格越來越高，對(duì)執(zhí)行器性能、應(yīng)用范圍提出了更高的要求[1、2]，隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)、通信技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展，國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)長期跟進(jìn)研究，逐步形成多功能、智能、遠(yuǎn)程控制、故障自診斷等技術(shù)。
   我國執(zhí)行器發(fā)展現(xiàn)狀
   自20世紀(jì)50年代末以來，中國模仿了前蘇聯(lián)和西德的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥。經(jīng)過20世紀(jì)60年代中期的行業(yè)調(diào)整，中國逐漸形成了自己的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥系列產(chǎn)品；20世紀(jì)70年代初，它逐漸發(fā)展起來DDZ-II、DDZ-III電動(dòng)執(zhí)行器[3]；自20世紀(jì)80年代以來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，沒有觸點(diǎn)DKJ型角行程和DKZ直行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)入市場，也是中國最早、唯一生產(chǎn)的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)[4]；20世紀(jì)90年代初，儀器儀表行業(yè)組織DDZ-S儀器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的聯(lián)合開發(fā)初步實(shí)現(xiàn)了控制儀器和過程控制的數(shù)字技術(shù)。由于我國工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，水平相對(duì)較低，工業(yè)生產(chǎn)過程中自動(dòng)化程度較低，對(duì)控制儀器的要求一般不高，客觀上導(dǎo)致部分廠家不投資這個(gè)方向，加上國家建國后一段時(shí)間沒有意識(shí)到發(fā)展執(zhí)行機(jī)構(gòu)的意義。由于這些原因，我國執(zhí)行機(jī)構(gòu)的發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他控制儀器。自改革開放以來，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的發(fā)展速度加快了很多，但技術(shù)的進(jìn)步是一個(gè)客觀的過程，只有相關(guān)的技術(shù)都取得進(jìn)步才能促使執(zhí)行器更快的發(fā)展，近些年來一些廠家為了片面追求效益，只引進(jìn)國外產(chǎn)品組裝，相對(duì)的技術(shù)消化和技術(shù)人才的梯隊(duì)培養(yǎng)沒有跟上，致使國內(nèi)的相關(guān)技術(shù)相比國外先進(jìn)技術(shù)落后十幾年的時(shí)間。
   目前，中國有數(shù)十家執(zhí)行器制造商，但在控制精度、智能水平和安全性能方面處于較低水平。其中，天津儀表7廠、上海儀表11廠、重慶四川儀表10廠、四廠、大連第三儀表廠、揚(yáng)州電力修理廠、鞍山熱工儀表廠等相對(duì)較大的廠家，其中天津儀表7廠、重慶四川儀表10廠是電動(dòng)執(zhí)行器的專業(yè)廠家，可提供多種規(guī)格的電動(dòng)執(zhí)行器，但與國外相比，品種規(guī)格相對(duì)單一，沒有形成系列。此外，防爆、核產(chǎn)品和特殊環(huán)境產(chǎn)品基本上都需要從國外進(jìn)口。
   與普通電動(dòng)執(zhí)行器相比，具有變頻功能的智能執(zhí)行器與國外差距較大。在中國，重慶四川儀器十廠的技術(shù)代表了該行業(yè)的先進(jìn)水平。工廠開發(fā)的具有變頻控制技術(shù)的智能電動(dòng)執(zhí)行器可以實(shí)現(xiàn)雙向扭矩、獨(dú)立速度和廣泛調(diào)整，特別是在S實(shí)現(xiàn)力平衡的動(dòng)態(tài)定位技術(shù)可以顯著提高交流電機(jī)的定位精度和響應(yīng)速度。
   2 國外執(zhí)行器發(fā)展現(xiàn)狀
   與國內(nèi)執(zhí)行器行業(yè)技術(shù)落后相比，國外相關(guān)行業(yè)在數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、機(jī)電一體化等方面處于領(lǐng)先水平。在應(yīng)用領(lǐng)域的廣度、技術(shù)儲(chǔ)備的深度、產(chǎn)品的規(guī)格和型號(hào)等方面。
   目前，德國是國外的智能變頻執(zhí)行器SIPOS、法國BERNARD、英國ROTORK、美國VALTEK型智能執(zhí)行器生產(chǎn)廠商基本代表了該領(lǐng)域的世界先進(jìn)水平。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)特點(diǎn)[5，6]：
   2.1 智能控制。
   智能變頻控制技術(shù)是智能電動(dòng)執(zhí)行器變頻技術(shù)的核心。VALTEK公司的Starpac智能閥門電動(dòng)裝置能響應(yīng)外部4~20mA然后由模擬信號(hào)RS-485通信口發(fā)來的數(shù)字信號(hào)按自身程序設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行PID控制[7]。
   2.2 自我保護(hù)功能。
   完善的自我診斷和自我保護(hù)功能可以減少技術(shù)人員的工作量，提高產(chǎn)品的使用壽命。SIPOS5FLASH以一系列智能執(zhí)行器為例，將變頻裝置與控制器獨(dú)特結(jié)合，在電機(jī)行程進(jìn)入終端時(shí)可以采用相對(duì)較低的速度。這樣，由于電機(jī)和齒輪的動(dòng)能降低，沖擊降低，避免了過扭矩和慣性對(duì)閥門的碰撞。
   2.3 豐富的在線顯示功能和通信功能。
   幾乎每個(gè)先進(jìn)的智能產(chǎn)品都采用了LCD同時(shí)還添加了一些產(chǎn)品LED發(fā)光指示。通信功能可以方便操作人員和研發(fā)人員控制機(jī)器，如SIPOS5FLASH該系列可以方便地選擇本地和遠(yuǎn)程操作RS232C設(shè)置和調(diào)試串口和現(xiàn)場總線。
   2.4 智能自我診斷功能完善。
   智能執(zhí)行器通過智能判斷產(chǎn)品故障LCD現(xiàn)實(shí)或通過LED發(fā)光報(bào)警，維修人員非常方便，減輕了工作量。
   2.5 變頻調(diào)速技術(shù)。
   采用變頻調(diào)速技術(shù)，在定位精度和穩(wěn)定性、柔性調(diào)節(jié)控制、寬范圍調(diào)節(jié)、輸出扭矩和速度、減少備件類型和數(shù)量等方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。
   2.6 模塊化設(shè)計(jì)和綜合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
   采用綜合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，大大簡化了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、操作和維護(hù)。模塊化設(shè)計(jì)可以更方便設(shè)備的調(diào)試和拆卸，為用戶提供最大的便利，節(jié)省更換所有設(shè)備的額外成本。
   3 智能電動(dòng)執(zhí)行器的組成及基本工作原理
   傳統(tǒng)電動(dòng)執(zhí)行器功能相對(duì)簡單，伺服放大器和執(zhí)行器可以完成基本功能設(shè)計(jì)，但智能電動(dòng)執(zhí)行器完成人機(jī)交互、智能控制、通信等相對(duì)復(fù)雜的功能，需要在傳統(tǒng)電動(dòng)執(zhí)行器的基礎(chǔ)上添加一些新模塊來支持這些功能。智能電動(dòng)執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1

   從圖1可以看出，智能執(zhí)行器的基本功能模塊主要由主控制單元、接口模塊、電源模塊、功率驅(qū)動(dòng)模塊、伺服驅(qū)動(dòng)控制模塊和檢測反饋模塊組成。智能電動(dòng)執(zhí)行器的主控制單元接受CAN總線傳輸?shù)纳衔粰C(jī)命令，結(jié)合檢測傳感器反饋的信號(hào)，主控CPU計(jì)算所需的速度控制信號(hào)，然后將信號(hào)傳輸?shù)剿欧?qū)動(dòng)控制模塊，功率驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，使控制對(duì)象（閥門）的開度在理想時(shí)間內(nèi)達(dá)到合理位置。智能電動(dòng)執(zhí)行器利用現(xiàn)場總線通信技術(shù)將伺服放大器與功率驅(qū)動(dòng)模塊緊密連接，實(shí)現(xiàn)雙向通信、在線校準(zhǔn)、自診斷、保護(hù)等功能，大大提高了控制精度和設(shè)備運(yùn)行安全[8、9]。
   4 智能執(zhí)行器的變頻控制策略
   交流電機(jī)變頻調(diào)速是在現(xiàn)代微電子技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新技術(shù)。其調(diào)速性能優(yōu)于傳統(tǒng)直流電機(jī)，具有調(diào)速平穩(wěn)、調(diào)速范圍寬、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。變頻技術(shù)在智能執(zhí)行器中的應(yīng)用進(jìn)一步提高了執(zhí)行器的性能和適用性[10，11]，包括定位精度和穩(wěn)定性、靈活調(diào)節(jié)控制、寬范圍調(diào)節(jié)、輸出扭矩和速度，減少了備件的類型和數(shù)量。
   由于PWM該技術(shù)可以抑制諧波，同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻變壓，廣泛應(yīng)用于交流傳動(dòng)領(lǐng)域。基于交流電機(jī)的智能電動(dòng)執(zhí)行器執(zhí)行機(jī)構(gòu)PWM控制技術(shù)在電機(jī)變頻調(diào)速中的優(yōu)異性能，因此采用了PWM變頻控制技術(shù)已成為智能執(zhí)行器的核心。
   基于相電壓控制SPWM法律應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟PWM控制技術(shù)。該控制技術(shù)要求電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低，能滿足一般傳動(dòng)的平穩(wěn)調(diào)速要求。但在低頻階段，動(dòng)態(tài)扭矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能差，系統(tǒng)性能低，穩(wěn)定性差。
   電壓空間矢量（SVPWM）控制模式是一次生成三相調(diào)制波形，通過切割多邊形接近圓來控制。在以后的實(shí)際使用過程中，引入了頻率補(bǔ)償技術(shù)，可以減弱速度控制的誤差。然而，該控制模式有許多控制電路鏈接，并且沒有引入扭矩調(diào)整，因此該控制模式的系統(tǒng)并沒有從根本上改進(jìn)[12]。
   針對(duì)上述控制方法的性能不足，提出了矢量控制變頻調(diào)速方法。該控制方法的主要思想是通過測量和控制異步電機(jī)的定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別控制勵(lì)磁電流和扭矩電流，同時(shí)控制兩個(gè)重量之間的振幅值和相位，即控制定子電流矢量，從而達(dá)到控制扭矩的目的。但在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈不易準(zhǔn)確觀察，電機(jī)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)特性影響較大，直流電機(jī)后矢量旋轉(zhuǎn)變化復(fù)雜，難以達(dá)到理論分析的理想結(jié)果[13]。
   1985年，德國魯爾大學(xué)DePenbrock教授提出了直接扭矩控制變頻技術(shù)。該方法的基本思想是在定子坐標(biāo)系下分析交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電機(jī)的磁鏈和扭矩，消除了交流電機(jī)在矢量變頻控制技術(shù)模式下作為直流電機(jī)種類的復(fù)雜矢量旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換計(jì)算，不需要簡化交流電機(jī)模型，在很大程度上解決了矢量變頻控制的不足[14]。
   5 發(fā)展趨勢
   任何技術(shù)的進(jìn)步都與其他相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步密切相關(guān)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的發(fā)展也與微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)的進(jìn)步密切相關(guān)。隨著這些相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)的發(fā)展趨勢是：智能變頻技術(shù)、模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)、高效變頻電機(jī)和傳動(dòng)技術(shù)、S9工作系統(tǒng)、動(dòng)力平衡定位技術(shù)、故障診斷與保護(hù)技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、抗電磁干擾技術(shù)、機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)、數(shù)字控制技術(shù)等[15、16]。
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