自動控制元件及線路---緒論

1、自動控制元件及線路自動控制元件及線路 主講教師：李主講教師：李 正正 強(qiáng)強(qiáng) 單單 位：自動化工程系位：自動化工程系 聯(lián)系方式：聯(lián)系方式： 本課程的基本情況本課程的基本情況 o 專業(yè)課專業(yè)課 32學(xué)時學(xué)時 預(yù)備知識：電磁學(xué)及電路基礎(chǔ)預(yù)備知識：電磁學(xué)及電路基礎(chǔ) 教材及參考書教材及參考書 教教 材：材： 自動控制元件及線路自動控制元件及線路 梅曉榕梅曉榕 哈工大出版社哈工大出版社 參考書：參考書：自動控制元件自動控制元件 葛偉亮葛偉亮 北京理工大學(xué)出版社北京理工大學(xué)出版社 o 考核方式考核方式 總成績總成績=期末期末 60%+平時平時 10%+實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)30% 緒緒 論論 o控制元件的發(fā)展背景控制元件

2、的發(fā)展背景 從自動控制的發(fā)展歷史看，最初是控制機(jī)械轉(zhuǎn)速。從自動控制的發(fā)展歷史看，最初是控制機(jī)械轉(zhuǎn)速。 瓦特蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速控制被公認(rèn)為是最早的自動控制瓦特蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速控制被公認(rèn)為是最早的自動控制 裝置。裝置。 現(xiàn)代發(fā)電廠對交流電壓頻率的控制，實(shí)質(zhì)上就是對現(xiàn)代發(fā)電廠對交流電壓頻率的控制，實(shí)質(zhì)上就是對 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。 在現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中和武器裝備中，對機(jī)械位移的在現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中和武器裝備中，對機(jī)械位移的 控制更多。很多高級裝置的控制，實(shí)質(zhì)上是控制更多。很多高級裝置的控制，實(shí)質(zhì)上是對位移對位移 的控制。的控制。 自動控制技術(shù)應(yīng)用廣泛。自動控制技術(shù)應(yīng)用廣泛。 從被控制的變量看，有機(jī)

3、械轉(zhuǎn)速，機(jī)械位移，從被控制的變量看，有機(jī)械轉(zhuǎn)速，機(jī)械位移， 溫度，壓力，流量，液位溫度，壓力，流量，液位 ，重量。，重量。 從控制裝置所在環(huán)境看，空中的飛行器從控制裝置所在環(huán)境看，空中的飛行器 ，地面，地面 上的自動化裝置上的自動化裝置 ，大海中的現(xiàn)代化艦船，深海，大海中的現(xiàn)代化艦船，深海 中的潛艇。中的潛艇。 有現(xiàn)代化設(shè)備的地方，就有自動控制技術(shù)。有現(xiàn)代化設(shè)備的地方，就有自動控制技術(shù)。 自動控制技術(shù)：自動控制技術(shù)： 自動控制原理自動控制原理 自動控制元件及線路自動控制元件及線路 常用的元件及線路常用的元件及線路 機(jī)械伺服系統(tǒng)機(jī)械伺服系統(tǒng) 自動控制自動控制 技術(shù)技術(shù) 控控制制 原原理理 控制控

4、制 元件元件 導(dǎo)彈發(fā)射架控制系統(tǒng)導(dǎo)彈發(fā)射架控制系統(tǒng) 輸入輸入 信號信號 偏偏差差 信信號號 位位置置反反饋饋 簡單的速度控制系統(tǒng)原理圖簡單的速度控制系統(tǒng)原理圖 速度傳速度傳 感器感器 負(fù)載負(fù)載 火炮隨動系統(tǒng)方框結(jié)構(gòu)圖 自整角K執(zhí)行減速對象 測速電機(jī) 雷 達(dá) 1 - p u - p 0.1 控制元件的分類控制元件的分類 按功能和作用分類：按功能和作用分類： 執(zhí)行元件執(zhí)行元件 放大元件放大元件 測量元件測量元件 補(bǔ)償元件補(bǔ)償元件 四大元件四大元件 o 1執(zhí)行元件執(zhí)行元件 功能是驅(qū)動控制對象，控制或改變被控量功能是驅(qū)動控制對象，控制或改變被控量 （輸出量）。（輸出量）。（電機(jī)）（電機(jī)） o 2測量元

5、件測量元件 功能是將被測量檢測出來并轉(zhuǎn)換成另一種功能是將被測量檢測出來并轉(zhuǎn)換成另一種 容易處理和使用的量（例如電壓）。容易處理和使用的量（例如電壓）。（電位器）（電位器） 測量元件一般稱為傳感器，過程控制中又稱為測量元件一般稱為傳感器，過程控制中又稱為 變送器。變送器。 （各種傳感器、旋轉(zhuǎn)變壓器、軸角編碼裝置等）（各種傳感器、旋轉(zhuǎn)變壓器、軸角編碼裝置等） o 3放大元件放大元件 功能是將微弱信號放大，分為前置放大元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(qū)動執(zhí)行元件。信號具有較大的功率，

6、可以直接驅(qū)動執(zhí)行元件。 （功率放大器、脈寬調(diào)制型功率放大器）（功率放大器、脈寬調(diào)制型功率放大器） o 4補(bǔ)償元件（校正元件）補(bǔ)償元件（校正元件） 為了確保系統(tǒng)穩(wěn)定并使系統(tǒng)達(dá)到規(guī)定的精為了確保系統(tǒng)穩(wěn)定并使系統(tǒng)達(dá)到規(guī)定的精 度指標(biāo)和其他性能指標(biāo)，控制系統(tǒng)的設(shè)計者增度指標(biāo)和其他性能指標(biāo)，控制系統(tǒng)的設(shè)計者增 加的元件。作用是改善系統(tǒng)的性能，使系統(tǒng)能加的元件。作用是改善系統(tǒng)的性能，使系統(tǒng)能 正常可靠地工作并達(dá)到規(guī)定的性能指標(biāo)。正常可靠地工作并達(dá)到規(guī)定的性能指標(biāo)。 （測速（測速 發(fā)電機(jī)、校正網(wǎng)絡(luò)等）發(fā)電機(jī)、校正網(wǎng)絡(luò)等） o 執(zhí)行元件：電動機(jī)執(zhí)行元件：電動機(jī) o 測量元件：電位器測量元件：電位器 o 輸出量

7、：轉(zhuǎn)角輸出量：轉(zhuǎn)角 控制系統(tǒng)功能框圖控制系統(tǒng)功能框圖 0.2 本書的主要內(nèi)容本書的主要內(nèi)容 o 執(zhí)行元件，測量元件，功率放大元件及有關(guān)線執(zhí)行元件，測量元件，功率放大元件及有關(guān)線 路。路。 o 控制電機(jī)：專為控制系統(tǒng)制造的電機(jī)。可作執(zhí)控制電機(jī)：專為控制系統(tǒng)制造的電機(jī)。可作執(zhí) 行元件和測量元件。行元件和測量元件。 o 執(zhí)行元件：電動機(jī)，液壓元件。執(zhí)行元件：電動機(jī)，液壓元件。 o 測量元件：控制電機(jī)，編碼器，阻容感傳感器，測量元件：控制電機(jī)，編碼器，阻容感傳感器， 熱電式傳感器熱電式傳感器 。 o 功率放大元件：線性功率放大器，脈沖寬度調(diào)功率放大元件：線性功率放大器，脈沖寬度調(diào) 制型放大器制型放大器

8、 。 本課程特點(diǎn)本課程特點(diǎn)： o涉及的知識廣：涉及的知識廣： o電機(jī)，傳感器，功率電子技術(shù)。電機(jī)，傳感器，功率電子技術(shù)。 o實(shí)踐性強(qiáng)：實(shí)踐性強(qiáng)： 1.講述內(nèi)容是實(shí)際元件。要接觸實(shí)際元件，并講述內(nèi)容是實(shí)際元件。要接觸實(shí)際元件，并 做實(shí)驗(yàn)。做實(shí)驗(yàn)。 2. 在實(shí)際中直接應(yīng)用的可能性很大。在實(shí)際中直接應(yīng)用的可能性很大。 課程主要內(nèi)容 o 第一章第一章 直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī) o 第二章第二章 交流伺服電機(jī)交流伺服電機(jī) o 第三章第三章 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī) o 第四章第四章 直線電機(jī)直線電機(jī) o 第五章第五章 測速發(fā)電機(jī)測速發(fā)電機(jī) o 第六章第六章 旋轉(zhuǎn)變壓器和自整角機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器和自整角機(jī) o 第七章第

9、七章 軸角編碼裝置軸角編碼裝置 0.3 電磁學(xué)的基本概念與定律電磁學(xué)的基本概念與定律 o 0.3.1 磁場磁場 表示磁場強(qiáng)弱的物理量是磁通，表示磁場強(qiáng)弱的物理量是磁通， 單位面積的磁通是磁密，單位面積的磁通是磁密，B 對某一截面對某一截面S，設(shè)設(shè)是是d dS法線與法線與磁密磁密B的夾角的夾角 穿過截面穿過截面S的磁通的磁通為為 s =cos dB S m =cos B, 變變不不 o 可以認(rèn)為磁密可以認(rèn)為磁密B與與 磁場強(qiáng)度向量磁場強(qiáng)度向量H 有關(guān)。有關(guān)。 磁場強(qiáng)度向量磁場強(qiáng)度向量H 與與B 的關(guān)系是的關(guān)系是: B=H o從物理角度，磁場是由從物理角度，磁場是由？產(chǎn)生的？產(chǎn)生的？ o磁場是由磁

10、場是由電流電流產(chǎn)生的。產(chǎn)生的。 o磁場與電流的關(guān)系由磁場與電流的關(guān)系由？定律描述？定律描述？ o安培環(huán)路定律（全電流定律）。安培環(huán)路定律（全電流定律）。 o描述描述 H 與與 I 的關(guān)系。的關(guān)系。 H 與與I 的關(guān)系是的關(guān)系是: d l I Hl INI或：磁勢?；颍捍艅荨?1 n i i i H lNI i i H lii：第 段的磁壓降或第 段的磁勢。：第 段的磁壓降或第 段的磁勢。 o0.3.2 磁路定律磁路定律 o描述磁通與磁勢之間的關(guān)系。描述磁通與磁勢之間的關(guān)系。 o公式中一些物理量是近似值，公式中一些物理量是近似值， o近似關(guān)系。近似關(guān)系。 o主要是定性關(guān)系。主要是定性關(guān)系。 o0

11、.3.2 磁路定律磁路定律 鐵心的磁路。鐵心的磁路。串串聯(lián)聯(lián)磁磁路路并并聯(lián)聯(lián)磁磁路路 ：主磁路主磁路 指定的磁路指定的磁路 o 主磁路與主磁通，主磁路與主磁通， o 漏磁路與漏磁通。漏磁路與漏磁通。 mi： Ri第 段磁壓降。第 段磁壓降。 mmi 11 mmi 11 = = nn RR RR 或或 磁阻磁阻 m =FWI 磁勢磁勢 m m = F R m ：R 總磁壓降，總磁壓降， 磁路定律磁路定律 o0.3.3 電磁感應(yīng)定律電磁感應(yīng)定律 o前面講磁場是由電流產(chǎn)生的。前面講磁場是由電流產(chǎn)生的。 o電磁感應(yīng)定律說明電磁感應(yīng)定律說明 變化的磁場，可以產(chǎn)生電勢，以變化的磁場，可以產(chǎn)生電勢，以 及電

12、流。及電流。 o0.3.3 電磁感應(yīng)定律電磁感應(yīng)定律 線圈的總磁鏈線圈的總磁鏈 感應(yīng)電勢感應(yīng)電勢 ii =W d = - d e t d d e = -W t =W o 引起磁鏈變化的原因：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(diǎn)的磁通磁通由交流電流產(chǎn)生，空間中任一點(diǎn)的磁通 隨時間變化；隨時間變化； (2)空間中各點(diǎn)的磁通不變化，但線圈位置變化，空間中各點(diǎn)的磁通不變化，但線圈位置變化， 磁鏈相應(yīng)變化。磁鏈相應(yīng)變化。 o 因此磁鏈可以看成是時間和位移的函數(shù)，即因此磁鏈可以看成是時間和位移的函數(shù)，即 =(t,x)，所以有，所以有 d=d +d tx tx 變壓器電勢變壓器電勢

13、旋轉(zhuǎn)（速度）電勢旋轉(zhuǎn)（速度）電勢 TR dd = -= -=+ dd x eee ttxt d=d +d tx tx T = - t e R d = -= - d x eV xtx o 導(dǎo)線切割磁力線產(chǎn)生電勢導(dǎo)線切割磁力線產(chǎn)生電勢 o 電感不變的線圈電感不變的線圈 e = Blv d - d I e = L t 0.3.4 電磁力與電磁轉(zhuǎn)矩電磁力與電磁轉(zhuǎn)矩 o 電機(jī)、電磁鐵中力的產(chǎn)生有兩種說法：電機(jī)、電磁鐵中力的產(chǎn)生有兩種說法： o 1.磁場中的載流導(dǎo)線受力。磁場中的載流導(dǎo)線受力。 o 2.磁場內(nèi)產(chǎn)生的力。磁場內(nèi)產(chǎn)生的力。 o 1）磁極間的相互作用力：）磁極間的相互作用力： 同性相斥，異性相吸

14、。同性相斥，異性相吸。 o 2）磁場內(nèi)的磁性物體受力：磁場內(nèi)的磁性物體受力： 磁力（力矩）使磁路磁阻最小。磁力（力矩）使磁路磁阻最小。 0.3.4 電磁力與電磁轉(zhuǎn)矩電磁力與電磁轉(zhuǎn)矩 o 電機(jī)、電磁鐵中力的產(chǎn)生電機(jī)、電磁鐵中力的產(chǎn)生 最準(zhǔn)確的解釋：最準(zhǔn)確的解釋： 電磁力（力矩）是由磁場產(chǎn)生的。電磁力（力矩）是由磁場產(chǎn)生的。 0.3.4 電磁力與電磁轉(zhuǎn)矩電磁力與電磁轉(zhuǎn)矩 1）磁場中的載流導(dǎo)體所受的）磁場中的載流導(dǎo)體所受的 電磁力和力矩為電磁力和力矩為 2）鐵心表面的磁力）鐵心表面的磁力(向外向外) 3）磁極間的力）磁極間的力 同性相斥，異性相吸，與距離平方成反比。同性相斥，異性相吸，與距離平方成反

15、比。 e =FBlI e =TBlIr 2 em d1 = 2d R F 0.3.5 圓柱面磁場間的力矩圓柱面磁場間的力矩 0 0+ =1p o 90 0.3.5 圓柱面磁場間的力矩圓柱面磁場間的力矩 o 180 o 090 = 10 + p 0 + 0.3.5 圓柱面磁場間的力矩圓柱面磁場間的力矩 270360 0 oo 090180 =1 0 +0 p 0.3.5 圓柱面磁場間的力矩圓柱面磁場間的力矩 0 o 180 + 0 = 2 p o 90 0 oo 270 360 +00 0 0.3.5 圓柱面磁場間的力矩圓柱面磁場間的力矩 oooo 090180270360 =1 0 +00 =

16、2 0 +0000 p p o 180 周周期期 p o 360 /p o 360 o展開成傅里葉級數(shù)，基波為：展開成傅里葉級數(shù)，基波為： 2極磁場極磁場 4極磁場極磁場 2p極磁場極磁場 1 =sinTK 1 =sin2TK 1 =sinTKp 0.4 運(yùn)動控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件運(yùn)動控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件 o 對執(zhí)行元件的基本要求：足夠大的功率，力或?qū)?zhí)行元件的基本要求：足夠大的功率，力或 力矩；快速響應(yīng)。力矩；快速響應(yīng)。 o 常用的執(zhí)行元件是電動機(jī)、液壓元件。常用的執(zhí)行元件是電動機(jī)、液壓元件。 o 力或力矩最大的是液壓元件。力或力矩最大的是液壓元件。 o 使用最方便、應(yīng)用最廣泛的是電動機(jī)，使用最方

17、便、應(yīng)用最廣泛的是電動機(jī)， o 一臺電機(jī)可作電動機(jī)用，也可作發(fā)電機(jī)用，這一臺電機(jī)可作電動機(jī)用，也可作發(fā)電機(jī)用，這 被稱為電機(jī)的可逆原理。被稱為電機(jī)的可逆原理。 o 分類：直流，交流；大型，中小型，微型；驅(qū)分類：直流，交流；大型，中小型，微型；驅(qū) 動用，控制用。動用，控制用。 執(zhí)行元件執(zhí)行元件- 它是控制系統(tǒng)最基本的組成部分。它是控制系統(tǒng)最基本的組成部分。 系統(tǒng)對執(zhí)行元件的基本要求是：系統(tǒng)對執(zhí)行元件的基本要求是： （1）具有良好的靜特性；）具有良好的靜特性； （2）快速響應(yīng)的動態(tài)特性；）快速響應(yīng)的動態(tài)特性； 常見的執(zhí)行元件有：電動機(jī)、液壓馬達(dá)常見的執(zhí)行元件有：電動機(jī)、液壓馬達(dá) 或氣動馬達(dá)。其中應(yīng)

18、用最廣的是電動機(jī)?；驓鈩玉R達(dá)。其中應(yīng)用最廣的是電動機(jī)。 o值得注意的是，值得注意的是， 電機(jī)和電力電子技術(shù)及控制技術(shù)有機(jī)地電機(jī)和電力電子技術(shù)及控制技術(shù)有機(jī)地 結(jié)合起來，結(jié)合起來， 使傳統(tǒng)電機(jī)產(chǎn)品得以改造和更新，使傳統(tǒng)電機(jī)產(chǎn)品得以改造和更新， 形成新一代高新技術(shù)產(chǎn)品，形成新一代高新技術(shù)產(chǎn)品， 因此獲得高性能、高質(zhì)量、高可靠性因此獲得高性能、高質(zhì)量、高可靠性 和高附加值。和高附加值。 o 1.發(fā)現(xiàn)、理論與早期應(yīng)用發(fā)現(xiàn)、理論與早期應(yīng)用 （1820-1880） o 1820年，奧斯特發(fā)現(xiàn)電流對磁針有力的作年，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用，安培確定通有電流的線

19、圈的作用與磁鐵相 似，揭示了磁現(xiàn)象的本質(zhì)。似，揭示了磁現(xiàn)象的本質(zhì)。1826年歐姆發(fā)現(xiàn)了年歐姆發(fā)現(xiàn)了 歐姆定律。歐姆定律。1831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律。年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律。 o 這些重大發(fā)現(xiàn)，奠定了電力技術(shù)的理論基礎(chǔ)。這些重大發(fā)現(xiàn)，奠定了電力技術(shù)的理論基礎(chǔ)。 0.5 電力技術(shù)發(fā)展回顧電力技術(shù)發(fā)展回顧 o 1.發(fā)現(xiàn)、理論與早期應(yīng)用發(fā)現(xiàn)、理論與早期應(yīng)用 （1820-1880） o 第一臺商用電動機(jī)誕生于第一臺商用電動機(jī)誕生于1880年左右。年左右。 o 從電磁學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)，到電磁學(xué)理論，到電動從電磁學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)，到電磁學(xué)理論，到電動 機(jī)的實(shí)際應(yīng)用，大約經(jīng)歷了半個世紀(jì)。機(jī)的實(shí)際應(yīng)用，大約經(jīng)歷

20、了半個世紀(jì)。 0.5 電力技術(shù)發(fā)展回顧電力技術(shù)發(fā)展回顧 o 2.交流電的應(yīng)用交流電的應(yīng)用 o 首先應(yīng)用的電力是直流電和直流電動機(jī)。首先應(yīng)用的電力是直流電和直流電動機(jī)。 o 1885年意大利物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)并建立了旋轉(zhuǎn)磁年意大利物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)并建立了旋轉(zhuǎn)磁 場原理，場原理，1888年俄國工程師發(fā)明了三相發(fā)電年俄國工程師發(fā)明了三相發(fā)電 機(jī)、三相變壓器和三相異步電動機(jī)。機(jī)、三相變壓器和三相異步電動機(jī)。 o 由于三相交流電十分適合遠(yuǎn)距離輸電，由于三相交流電十分適合遠(yuǎn)距離輸電， 且三相交流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用，且三相交流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用， 很快，三相交流電動機(jī)迅速發(fā)展，不但取代很快，三相交流電動機(jī)

21、迅速發(fā)展，不但取代 了絕大部分直流電機(jī)，而且被廣泛用于工業(yè)了絕大部分直流電機(jī)，而且被廣泛用于工業(yè) 生產(chǎn)中。生產(chǎn)中。 o 一段故事。一段故事。* o 愛迪生，愛迪生，1847-1931，工業(yè)革命的年代。，工業(yè)革命的年代。 o 直流電機(jī)發(fā)明并被廣泛應(yīng)用年代。直流電機(jī)發(fā)明并被廣泛應(yīng)用年代。 o 愛迪生所在公司生產(chǎn)直流電動機(jī)。愛迪生所在公司生產(chǎn)直流電動機(jī)。 o 當(dāng)三相電被發(fā)明時，愛迪生進(jìn)行了研究。當(dāng)三相電被發(fā)明時，愛迪生進(jìn)行了研究。 o 交流電對生物的生命危險大。交流電對生物的生命危險大。 o 交流電不可能廣泛應(yīng)用。交流電不可能廣泛應(yīng)用。 o 錯失良機(jī)。錯失良機(jī)。 o 3.微型電動機(jī)的應(yīng)用微型電動機(jī)的應(yīng)用 o 近近30年以來，由于自動控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，年以來，由于自動控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用， 各種微型電機(jī)