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如果把 PLC称为控制系统的“大脑”，那么传感器就是系统的“五官”，而执行器则是控制系统的“手足”。
国家标准对执行器的定义是：在控制信号的作用下，按照一定规律产生某种运动的器件或装置。
执行器广义定义是：凡是利用物性（物理、化学、生物）法则、定理、定律、效应等进行能力转换与信号转换，并且输出与输入严格一一对应，以便达到对对象的驱动、控制、操作和改变其状态为目的的装置与器件均可称为执行器。
在模拟量控制系统中，执行器由执行机构和调节机构两部分组成。调节机构通过执行元件直接改变生产过程的参数，使生产过程满足预定的要求。执行机构则接收来自控制器的控制信息把它转换为驱动调节机构的输出（如角位移或直线位移输出）。它也采用适当的执行元件，但要求与调节机构不同。执行器直接安装在生产现场，有时工作条件严苛，能否保持正常工作直接影响自动调节系统的安全性和可靠性。
执行器的分类有多种分类方式，可以按照能源种类、工作机理（作用原理）、使用要求，技术水平等进行分类。按能量种类可分为机、电、热、光、声、磁6种能量执行器；按工作原理可分为结构型（空间型）和物性型（材料型）两大类；按使用要求可分为位移、振动、力、压力、温度执行器等；按所用驱动能源可分为气动、电动和液压执行器三种；按动作规律，执行器可分为开关型、积分型和比例型三类；按输入控制信号可分为输入空气压力信号、直流电流信号、电接点通断信号、脉冲信号等几类。
下面给出了一种主要按能源形式综合分类的方法，见表2-4。
表2-4 执行器的分类
1.电磁阀
电磁阀又称为电动开关阀，是用于控制流体方向的自动化基础元件，通常用于液压、气压控制上对介质方向进行控制，从而实现控制油缸、汽缸的状态，如普通的电磁直通阀、电磁换向阀、电液换向阀。
电磁阀是通过电磁铁线圈通电时产生的推力驱动导向阀杆在阀体内做相对运动而进行流通、截止和换向控制的。电磁阀是位式阀，只有全开或全闭两种状态（有的可以在中间停但只能有个大概的调节，如 25%、50%、75%、100%），开关时动作时间短。它在油路、气路中的控制作用就像电路中的接触器一样。电磁阀分为常闭和常开两种，一般选用常闭型，通电打开，断电关闭，但在开启时间很长关闭时间很短的情况下要选用常开型了。
电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电，阀体就会被吸引到哪边。通过控制阀体的移动来挡住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置动作。这样通过控制电磁铁的动作就控制了机械运动。电磁阀一般断电可以复位。
如图2-11所示是三位四通道电磁液位换向阀工作原理图：三位换向阀的阀芯在阀体中有左、中、右三个位置，由两边的电磁线圈控制阀芯运动方向。它有四个流体通路口，即压力油口P、回油口O和通往执行元件的出口A、B。三个方块表示三个位置的工况。当阀芯在中间位置时，P、O、A、B四个口各不相通，为封闭状态，当阀芯受电磁力影响滑向左边位置时，图中箭头表示AP相通，BO相通，即压力油在油缸的A腔把活塞推向B腔。当阀芯受电磁力影响滑向右边位置时PB相通，AO相通，压力油在油缸B腔把活塞推向A腔，运动方向正好相反。因此，只要控制电磁线圈通断，就可以控制液压油的流向，从而控制相应装置的动作方向。
图2-11 三位四通道电磁液位换向阀工作原理图
电磁阀的控制信号可以由按钮开关、行程开关、各种中间继电器、传感继电器所发出的信号控制，也可由计算机、PLC等控制设备发出的信号进行控制，使用相当方便。
比较大型的开关阀是由电动机驱动的，比较耐电压冲击，常用于大流量和大压力工况中。这种电动开关阀的开度可以控制，状态有开、关、半开关等，可以控制管道中介质的流量而电磁阀做不到。
2.电动调节阀
调节阀用于调节介质的流量、压力和液位。根据调节部位信号，自动控制阀门的开度，从而实现介质流量、压力和液位的调节。调节阀分电动调节阀、气动调节阀和液动调节阀等。
电动调节阀由电动执行机构（一般是用电动机、比例电磁铁）和调节阀两部分组成。调节阀通常分为直通单座式调节阀和直通双座式调节阀两种，后者具有流通能力大和操作稳定的特点，所以通常特别适用于大流量、高压降和泄漏少的场合。
电动调节阀的动作原理是：电动机电源 220V AC或者 380V AC，控制信号 4～20mA，阀里面有控制器，控制器把电流信号转换为电动机的角行程、直行程和多转式。角行程是电动机经减速器减速后输出旋转角度。直行程是电动机经减速器减速后并通过机构转换为直线位移输出。多转式是转角输出，但功率比较大，主要用于控制闸阀、截止阀等多转式阀门。
20世纪60年代后期，又研制出电液比例控制阀。它是一种能随输入的电信号（4～20mA电流）连续地、按比例地对液压系统的压力、流量和方向进行自动控制的新型阀。它相当于在普通阀上装上一个直流比例电磁铁以取代原有的普通电磁铁，并使被调节的参数与输入电信号成比例。直流比例电磁铁将输入电信号按比例转换成力或位移，对液压阀进行控制，液压阀又将输入的机械信号转换成按比例的、连续的压力或流量输出。电液比例控制阀按作用不同，相应地分为电液比例压力控制阀、电液比例流量控制阀和电液比例方向控制阀等。
伺服阀是一种通过改变输入信号，连续、成比例地控制流量和压力的液压控制阀。根据输入信号的方式不同，可分为电液伺服阀和机液伺服阀。
电液伺服阀通常由电气-机械转换装置、液压放大器和反馈（平衡）机构 3部分组成。反馈和平衡机构使电液伺服阀输出的流量或压力获得与输入电信号成比例的特性。压力的稳定通常采用压力控制阀，如溢流阀等。电液伺服阀主要用于电液伺服自动控制系统。电液伺服阀既是电液转换元件，又是功率放大元件，它的作用是将小功率的电信号输入转换为大功率的液压能（压力和流量）输出，通过对执行元件的位移、速度、加速度及压力控制来实现机械设备的自动化控制。
由于电液比例控制阀和电液伺服控制阀都需要模拟量输入，不能直接用数字量控制，即不能直接用计算机或 PLC进行控制，为了方便数字量直接控制，出现了以步进电动机为驱动执行的数字阀。它是通过步进电动机接收数字量控制信号（脉冲个数）来带动阀芯移动而达到控制目的的。
1.电磁开关
电磁开关主要指继电器和接触器一类的控制元件。它们的工作原理是一样的：在线圈两端加上额定工作电压的70%以上时，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点吸合或断开。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力作用下返回原来的位置，使动触点与原来的静触点断开或吸合。这样吸合、释放，便达到了在电路中的导通、切断的目的。它们的主要区别是继电器控制容量小，而接触器控制容量大。因而，它们的应用范围不同，体积也不同。
继电器只应用在控制回路和保护回路中，在回路中实现用小电流、低电压来控制大电流、高电压设备的功能，在接点容量和数量不足时还能起到扩容的作用，但不能直接用于主电源回路中。而接触器主要用于频繁接通或断开交、直流主电路，主要控制对象是电动机和其他电力负载，如电热器、照明、电焊机、电容器组等。其控制容量大，可远距离操作，配合继电器可以实现定时操作、联锁控制、各种定量控制和失压及欠压保护等。继电器和接触器都广泛应用于自动控制电路中。
严格来说，电磁开关仅是一个开关控制元件，并不是执行器。在 PLC控制系统中，它们主要是作为 PLC的输出负载来完成上述功能的。可以说是作为输出转换电路来使用的。当然，继电器的触点和接触器的辅助触点，也可以作为PLC的逻辑输入信号。
继电器和接触器在使用时，主要注意以下几点。
1）额定工作电压
额定工作电压是指继电器、接触器正常工作时线圈所需要的电压。额定工作电压按供电方式分为直流电压、交流电压两种，电压等级有 6V、12V、24V、110V、220V、380V等多种。一般继电器供电电压多在220V以下，接触器多在交流 110V、220V或 380V下，使用时不能弄错。如果供电电压低于其额定工作电压，则继电器、接触器会因电磁力不够而不动作或发出嗡嗡噪声；如果供电电压大于额定工作电压，则其线圈会马上烧毁。
2）触点切换电压和电流
这是指继电器、接触器触点允许加载的电压和电流。它决定了继电器、接触器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器、接触器的触点。
一般情况下，触点所允许加载的电流大小和加载电压的方式（直流、交流）有关，与加载负载的性质（阻性、感性）也有关。接触器在断开负载（特别是感性负载）的瞬间，会产生很大的电弧，而电弧极易烧坏触点，所以加载电流20A以上的接触器均加有灭弧罩，快速拉断电弧保护触点。
3）额定操作频率
操作频率指继电器、接触器在单位时间内动作的次数。这是因为触点在动作时都具有一定的动作时间，如果操作频率过高达不到动作时间则会不动作。对接触器来说，吸引线圈所消耗的电流在吸合瞬间比额定电流大 5～7倍。操作频率过高则会使线圈严重发热，直接影响正常使用。
4）PLC负载容量
当继电器、接触器作为 PLC的输出端负载时，必须核算 PLC的输出带负载能力。PLC有3种输出类型：继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出。每种输出的带负载能力是不一样的。例如 FX 2N PLC继电器输出，带电阻性负载时是 2A/点，而带感性负载时则是 80V·A/点，如果带白炽灯仅100W；晶体管输出时是0.5A/点。如果所带继电器、接触器线圈电流超过其最大负载容量，则会烧坏PLC内部继电器触点或输出接口电路。
2.电动机与变频器
电动机是控制系统中最常用的执行器，有直流电动机和交流电动机两大类。
交流电动机由于具有结构简单、制造容易、价格便宜、坚固耐用、运行可靠、维修方便等一系列优点，在工农业生产中获得了极其广泛的应用。据统计，交流电动机的容量占到全部电网的一半左右。交流电动机的主要缺点是它的功率因数低、调速性能差、启动转矩小。
直流电动机虽不及交流电动机结构简单、制造容易、维护方便、运行可靠，但由于长期以来交流电动机的调速问题未能得到满意解决，在此之前，直流电动机具有交流电动机所不能比拟的良好启动特性和调速性能。虽然交流电动机的调速问题目前已经得到解决，但是在速度调节要求较高，正、反转和启、制动频繁或多单元同步协调运转的生产机械上，仍采用直流电动机拖动。在精密机械加工与冶金工业生产过程中，如高精度金属切削机床、轧钢机、造纸机、龙门刨床、电气机车等生产机械都是采用直流电动机来拖动的。这是因为直流电动机具有启动转矩大、调速范围广、调速精度高、能够实现无级平滑调速以及可以频繁启动等一系列优点。因此，对需要能够在大范围内实现无级平滑调速或需要大启动转矩的生产机械，常用直流电动机来拖动。
变频器的出现使交流调速技术得到迅猛异常的发展。变频器和交流电动机组成的交流调速系统已得到越来越多的应用，目前已有逐渐取代直流调速系统在电力拖动控制系统中应用的趋势。关于变频器的基本原理和应用，读者可参看相关书籍和资料，这里不再赘述。在PLC控制系统中，PLC对变频器的控制方式和应用可参看本书第6章中的相关内容。
随着控制系统的不断发展，在普通电动机基础上产生了许多具有特殊性能、执行特定任务的小功率电动机。它们在自动控制系统中分别起着检测（传感器）、放大、执行和解算元件的功能，主要用来对运动的物体位置或速度进行快速、精确的控制。这些电动机功率较小，一般为几百毫瓦到数百瓦，质量为几十克至数千克，称为控制电动机。
与普通电动机相比，控制电动机在结构上和原理上并没有本质的区别。普通电动机容量较大，主要在电力拖动系统中用来完成机电能量的转换，因此，强调的是启动、运行时各项拖动指标。而控制电动机主要是在自动控制系统中完成对机电信号的检测、放大、传递、执行或转换，主要是对它的可靠性、精确度和快速响应的要求很高。
控制电动机广泛地应用于国防、航天航空、先进的工业技术和现代化的装备中，如雷达的扫描跟踪、数控机床、医疗设备、工业机器人等设备中，控制电动机都是不可缺少的。
下面简要介绍一下在 PLC控制中经常作为执行元件使用的伺服电动机、步进电动机和直线电动机。
1.伺服电动机
伺服电动机是一种把输入的控制电压信号转变为转轴的角位移或角速度输出的电动机。其转轴的转向与转速随控制电压的方向和大小而改变，并带动控制对象运动。它具有服从信号的要求，故称为伺服电动机或执行电动机。
根据控制系统要求，伺服电动机必须具有以下特点：
（1）快速响应好。伺服电动机机电时间常数小、转动惯量小、灵敏度高，从而使伺服电动机转速能随控制电压迅速变化。
（2）线性的机械特性和调节特性好。伺服电动机转速随控制电压变化呈线性关系，以提高控制系统的动态精度。
（3）无自转现象。当控制信号到来时，伺服电动机转子能迅速转动；而当控制信号消失时，能立即停止。
（4）有较宽的调速范围。
伺服电动机按其使用的电源性质不同，可分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。
直流伺服电动机的结构和工作原理与他励直流电动机相同，只不过直流伺服电动机输出功率较小而已。直流伺服电动机有电枢调速和磁场调速两种方法，一般采用电枢调速的方法，即把控制电压信号加到电枢绕组上，通过改变控制电压的大小和极性来控制转子的转速和方向。也可采用改变励磁绕组的电流大小（磁场调速）来控制转子转速，但因为调速范围小、调速特性不好而很少采用。但若把调压与调磁两种方法互相配合，则既可以获得很宽的调速范围，又可充分利用电动机的容量。
直流伺服电动机采用电枢调速控制时，根据励磁绕组产生磁场的方式不同又可分为电磁式直流伺服电动机（其励磁绕组通过直流电流产生磁场）和永磁式直流伺服电动机（其采用永久磁铁代替磁绕组产生磁场）两种。直流伺服电动机具有良好的线性调节特性、较大的启动转矩及快速响应等优点，在自动控制系统中得到广泛应用。
交流伺服电动机与单相异步交流电动机类似，在定子上有两个绕组，空间上互差 90°电角度，一组为励磁绕组，另一组为控制绕组。目前交流伺服电动机最常用的控制方式是幅值-相位控制（或称为电容控制）。这种方法是保持励磁绕组的励磁电压的幅值和相位不变，改变控制绕组上控制电压的大小和相位，从而达到改变转速的目的。通入励磁绕组及控制绕组的电流在电动机内产生一个旋转磁场，旋转磁场的转向决定了电动机的转向，当任意一个绕组上所加的电压反相时，旋转磁场的方向就发生改变，电动机的方向也发生改变。交流伺服电动机具有运行稳定、可控性好、响应快速、灵敏度高等特点，同样在自动控制系统中得到广泛应用。
伺服电动机的一个重要应用是和伺服驱动器、反馈元件组成机电伺服系统。这个系统再加上上位机（微机、PLC、工控机、单片机等）就是伺服控制系统。伺服控制系统根据控制对象的不同有速度控制、位置控制、转矩控制等。特别是位置控制系统，可以实现远距离角度传递，在工业生产及军事上都获得了广泛的应用。
2.步进电动机
步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移和线位移的控制电动机。给步进电动机的定子绕组输入一个电脉冲信号，转子就转过一个角度（步距角）或前进一步。若连续输入脉冲信号，则转子就一步一步地转过一个一个角度，故称为步进电动机。只要了解步距角的大小和实际走的步数，根据其初始位置，便可知道步进电动机的最终位置，因此，广泛地用于定位系统中。因为步进电动机是受脉冲信号控制的，所以把这种控制系统称为数字量控制系统。步进电动机是数字量控制系统中的伺服元件，而伺服电动机则为模拟量控制系统的伺服元件。
步进电动机的运动方向与其内部绕组的通电顺序有关，转速则与输入脉冲信号的频率成正比。改变脉冲信号的频率就可以在很宽的范围内改变电动机转速，并能快速启动、制动和反转。若用同一频率的脉冲去控制几台步进电动机，可以做到同步运行。步进电动机的运行步距角和速度仅与脉冲信号频率有关，不受电压波动和负载变化的影响，也不受温度、气压、冲击和振动等环境条件影响。
步进电动机根据励磁方式的不同，可分为反应式、永磁式和永磁感应式3种。目前，应用最多的是反应式步进电动机，其详细工作原理可参考有关书籍和资料，这里不再赘述。
步进电动机的主要缺点是效率较低，并且需要配上适应的驱动电源。其带负载能力不强，既要注意负载转矩的大小，又要注意负载转动惯量的大小，只有二者选取在合适范围内，电动机才能获得满意效果。步进电动机在低速时易出现振动现象，一般不具有过载能力。当步进电动机启动频率过高时，易出现“丢步”现象；负载过大时易出现堵转现象。步进电动机在数字量控制系统中应用十分广泛。
但随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电动机也越来越多地应用于数字控制系统中。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。无论在控制精度、低频特性、过载能力，还是速度响应方面，数字式交流伺服系统都远优于步进电动机伺服系统。特别是交流伺服电动机后端部都安装有高精度旋转编码器，驱动器直接对编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，完全解决了步进电动机丢步和过冲现象，控制系统更为可靠。