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自動控制元件及線路,梅曉榕 2008 01,緒論,0.1 控制元件的作用和分類,從自動控制的發(fā)展歷史看，最初是控制機械轉速。 瓦特蒸汽機的轉速控制被公認為是最早的自動控制裝置。 現(xiàn)代發(fā)電廠對交流電壓頻率的控制，實質上就是對發(fā)電機轉速的控制。 在現(xiàn)代機械制造業(yè)中和武器裝備中，對機械位移的控制更多。很多高級裝置的控制，實質上是對位移的控制。,自動控制技術應用廣泛。 從被控制的變量看，有機械轉速，機械位移，溫度，壓力，流量，液位 ，重量。 從控制裝置所在環(huán)境看，空中的飛行器 ， 地面上的自動化裝置 ，大海中的現(xiàn)代化艦船，深海中的潛艇。 有現(xiàn)代化設備的地方，就有自動控制技術。,自動控制技術： 自動控制原理 自動控制元件及線路 常用的元件及線路 機械伺服系統(tǒng),導彈發(fā)射架控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)：采用控制技術的裝置，過程。 控制系統(tǒng)：控制對象與控制元件 形形色色的系統(tǒng)，五花八門的元件 按功能分類： 執(zhí)行元件，放大元件，測量元件，補償元件,四大元件,1執(zhí)行元件，功能是驅動控制對象，控制或改變被控量（輸出量）。（電機） 2測量元件，功能是將被測量檢測出來并轉換成另一種容易處理和使用的量（例如電壓）。（電位器） 測量元件一般稱為傳感器，過程控制中又稱為變送器。,3放大元件 功能是將微弱信號放大。 分為前置放大元件和功率放大元件兩種。 功率放大元件的輸出信號具有較大的功率，可以直接驅動執(zhí)行元件。 4補償元件（校正元件） 為了確保系統(tǒng)穩(wěn)定并使系統(tǒng)達到規(guī)定的精度指標和其他性能指標，控制系統(tǒng)的設計者增加的元件。 作用是改善系統(tǒng)的性能，使系統(tǒng)能正?？煽康毓ぷ鞑⑦_到規(guī)定的性能指標。,執(zhí)行元件：電動機 測量元件：電位器 輸出量：轉角,控制系統(tǒng)功能框圖,0.2 本課的主要內(nèi)容,執(zhí)行元件，測量元件，功率放大元件及有關線路。 控制電機：專為控制系統(tǒng)制造的電機?？勺鲌?zhí)行元件和測量元件。 執(zhí)行元件：電動機，液壓元件。 測量元件：控制電機，編碼器，阻容感傳感器，熱電式傳感器 。 功率放大元件：線性功率放大器，脈沖寬度調(diào)制型放大器 。,本課特點,涉及的知識廣： 電機，傳感器，功率電子技術。 實踐性強： 1.講述內(nèi)容是實際元件。要接觸實際元件，并做實驗。 2. 在實際中直接應用的可能性很大。,0.3 電磁學的基本概念與定律,0.3.1 磁場 表示磁場強弱的物理量是磁通，。 單位面積的磁通是磁密，B。 對某一截面S，設是dS法線與磁密B的夾角 穿過截面S的磁通為,可以認為磁密B與 磁場強度向量H 有關。 磁場強度向量H 與B 的關系是: B=H,從物理角度，磁場是由？產(chǎn)生的？ 磁場是由電流產(chǎn)生的。 磁場與電流的關系由？定律描述？ 安培環(huán)路定律（全電流定律）。 描述 H 與 I 的關系。,H 與I的關系是:,0.3.2 磁路定律 描述磁通與磁勢之間的關系。 公式中一些物理量是近似值， 近似關系。 主要是定性關系。,0.3.2 磁路定律 鐵心的磁路。,主磁路與主磁通， 漏磁路與漏磁通。,0.3.3 電磁感應定律 前面講磁場是由電流產(chǎn)生的。 電磁感應定律說明， 變化的磁場， 可以產(chǎn)生電勢， 以及電流。,0.3.3 電磁感應定律 線圈的總磁鏈 感應電勢,引起磁鏈變化的原因：(1)磁通由交流電流產(chǎn)生，空間中任一點的磁通隨時間變化； (2)空間中各點的磁通不變化，但線圈位置變化，磁鏈相應變化。 因此磁鏈可以看成是時間和位移的函數(shù)，即=(t,x)，所以有,變壓器電勢 旋轉（速度）電勢,導線切割磁力線產(chǎn)生電勢 電感不變的線圈,0.3.4 電磁力與電磁轉矩,電機、電磁鐵中力的產(chǎn)生有兩種說法： 1.磁場中的載流導線受力。 2.磁場內(nèi)產(chǎn)生的力。 1）磁極間的相互作用力： 同性相斥，異性相吸。 2）磁場內(nèi)的磁性物體受力： 磁力（力矩）使磁路磁阻最小。,0.3.4 電磁力與電磁轉矩,電機、電磁鐵中力的產(chǎn)生 最準確的解釋： 電磁力（力矩）是由 磁場產(chǎn)生的。,0.3.4 電磁力與電磁轉矩,1）磁場中的載流導體所受的 電磁力和力矩為 2）鐵心表面的磁力(向外) 3）磁極間的力 同性相斥，異性相吸，與距離平方成反比。,0.3.5 圓柱面磁場間的力矩,0.3.5 圓柱面磁場間的力矩,0.3.5 圓柱面磁場間的力矩,0.3.5 圓柱面磁場間的力矩,0.3.5 圓柱面磁場間的力矩,展開成傅里葉級數(shù)，基波為： 2極磁場 4極磁場 2p極磁場,0.4 運動控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件,對執(zhí)行元件的基本要求：足夠大的功率，力或力矩；快速響應。 常用的執(zhí)行元件是電動機、液壓元件。 力或力矩最大的是液壓元件。 使用最方便、應用最廣泛的是電動機， 一臺電機可作電動機用，也可作發(fā)電機用，這被稱為電機的可逆原理。 分類：直流，交流；大型，中小型，微型；驅動用，控制用。,值得注意的是， 電機和電力電子技術及控制技術有機地結合起來， 使傳統(tǒng)電機產(chǎn)品得以改造和更新， 形成新一代高新技術產(chǎn)品， 因此獲得高性能、高質量、高可靠性 和高附加值。,1.發(fā)現(xiàn)、理論與早期應用 （1820-1880） 1820年，奧斯特發(fā)現(xiàn)電流對磁針有力的作用，安培確定通有電流的線圈的作用與磁鐵相似，揭示了磁現(xiàn)象的本質。1826年歐姆發(fā)現(xiàn)了歐姆定律。1831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應定律。 這些重大發(fā)現(xiàn)，奠定了電力技術的理論基礎。,0.5 電力技術發(fā)展回顧,1.發(fā)現(xiàn)、理論與早期應用 （1820-1880） 第一臺商用電動機誕生于1880年左右。 從電磁學的重大發(fā)現(xiàn)，到電磁學理論，到電動機的實際應用，大約經(jīng)歷了半個世紀。 用10個學時，探討，理論到實際電機的發(fā)展過程。,0.5 電力技術發(fā)展回顧,2.交流電的應用 首先應用的電力是直流電和直流電動機。 1885年意大利物理學家發(fā)現(xiàn)并建立了旋轉磁場原理，1888年俄國工程師發(fā)明了三相發(fā)電機、三相變壓器和三相異步電動機。 由于三相交流電十分適合遠距離輸電， 且三相交流電動機結構簡單，堅固耐用， 很快，三相交流電動機迅速發(fā)展，不但取代了絕大部分直流電機，而且被廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)中。 一段故事。*,愛迪生，1847-1931，工業(yè)革命的年代。 直流電機發(fā)明并被廣泛應用年代。 愛迪生所在公司生產(chǎn)直流電動機。 當三相電被發(fā)明時，愛迪生進行了研究。 交流電對生物的生命危險大。 交流電不可能廣泛應用。 錯失良機。,3.微型電動機的應用 近30年以來，由于自動控制技術的廣泛應用，各種微型電機得到極其廣泛的應用。 包括汽車，計算機，音響和影像設備，家用電器等眾多產(chǎn)品都大量用電機。 直流電動機，單相異步電動機，直流無刷電動機等各種各樣的電機，在數(shù)量上，得到極大發(fā)展。,4.控制用電動機 1930-1980年，在精密的機械伺服系統(tǒng)中，直流電動機占據(jù)了壟斷地位。 1980年以后，在電力電子技術、計算機技術和控制技術的基礎上， 以變頻技術為代表的交流調(diào)速技術迅速發(fā)展和應用，在速度控制系統(tǒng)中，交流電動機開