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自動(dòng)控制元件及線路第一頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三緒論0.1
控制元件的作用和分類第二頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三從自動(dòng)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(dòng)控制裝置?,F(xiàn)代發(fā)電廠對(duì)交流電壓頻率的控制,實(shí)質(zhì)上就是對(duì)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(duì)機(jī)械位移的控制更多。很多高級(jí)裝置的控制,實(shí)質(zhì)上是對(duì)位移的控制。第三頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用廣泛。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,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(dòng)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(shè)備的地方,就有自動(dòng)控制技術(shù)。第四頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三自動(dòng)控制技術(shù):自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制元件及線路常用的元件及線路機(jī)械伺服系統(tǒng)
第五頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三導(dǎo)彈發(fā)射架控制系統(tǒng)第六頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三控制系統(tǒng):采用控制技術(shù)的裝置,過程。控制系統(tǒng):控制對(duì)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(cè)量元件,補(bǔ)償元件第七頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三四大元件1.執(zhí)行元件,功能是驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象,控制或改變被控量(輸出量)。(電機(jī))2.測(cè)量元件,功能是將被測(cè)量檢測(cè)出來并轉(zhuǎn)換成另一種容易處理和使用的量(例如電壓)。(電位器)測(cè)量元件一般稱為傳感器,過程控制中又稱為變送器。第八頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三3.放大元件功能是將微弱信號(hào)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(hào)具有較大的功率,可以直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件。4.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)定的精度指標(biāo)和其他性能指標(biāo),控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者增加的元件。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)。第九頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三執(zhí)行元件:電動(dòng)機(jī)測(cè)量元件:電位器輸出量:轉(zhuǎn)角第十頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三
控制系統(tǒng)功能框圖第十一頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三0.2
本課的主要內(nèi)容執(zhí)行元件,測(cè)量元件,功率放大元件及有關(guān)線路。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(cè)量元件。執(zhí)行元件:電動(dòng)機(jī),液壓元件。測(cè)量元件:控制電機(jī),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。第十二頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三本課特點(diǎn)涉及的知識(shí)廣:電機(jī),傳感器,功率電子技術(shù)。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,并做實(shí)驗(yàn)。
2.在實(shí)際中直接應(yīng)用的可能性很大。第十三頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三0.3
電磁學(xué)的基本概念與定律0.3.1磁場(chǎng)表示磁場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量是磁通,Φ。單位面積的磁通是磁密,B。對(duì)某一截面S,設(shè)θ是dS法線與磁密B的夾角穿過截面S的磁通Φ為第十四頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三可以認(rèn)為磁密B與磁場(chǎng)強(qiáng)度向量H
有關(guān)。磁場(chǎng)強(qiáng)度向量H
與B
的關(guān)系是:
B=μH第十五頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三從物理角度,磁場(chǎng)是由?產(chǎn)生的?磁場(chǎng)是由電流產(chǎn)生的。磁場(chǎng)與電流的關(guān)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(guān)系。第十六頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三
H
與I的關(guān)系是:第十七頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三0.3.2磁路定律描述磁通與磁勢(shì)之間的關(guān)系。公式中一些物理量是近似值,近似關(guān)系。主要是定性關(guān)系。第十八頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三0.3.2磁路定律鐵心的磁路。第十九頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三主磁路與主磁通,漏磁路與漏磁通。第二十頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三第二十一頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三0.3.3電磁感應(yīng)定律前面講磁場(chǎng)是由電流產(chǎn)生的。電磁感應(yīng)定律說明,變化的磁場(chǎng),可以產(chǎn)生電勢(shì),以及電流。
第二十二頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三0.3.3電磁感應(yīng)定律
線圈的總磁鏈
感應(yīng)電勢(shì)
第二十三頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三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)的磁通隨時(shí)間變化;
(2)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。因此磁鏈可以看成是時(shí)間和位移的函數(shù),即Ψ=Ψ(t,x),所以有第二十四頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三變壓器電勢(shì)旋轉(zhuǎn)(速度)電勢(shì)第二十五頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三導(dǎo)線切割磁力線產(chǎn)生電勢(shì)電感不變的線圈第二十六頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三0.3.4
電磁力與電磁轉(zhuǎn)矩電機(jī)、電磁鐵中力的產(chǎn)生有兩種說法:1.磁場(chǎng)中的載流導(dǎo)線受力。2.磁場(chǎng)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(chǎng)內(nèi)的磁性物體受力:磁力(力矩)使磁路磁阻最小。第二十七頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三0.3.4
電磁力與電磁轉(zhuǎn)矩電機(jī)、電磁鐵中力的產(chǎn)生最準(zhǔn)確的解釋:電磁力(力矩)是由磁場(chǎng)產(chǎn)生的。第二十八頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三0.3.4
電磁力與電磁轉(zhuǎn)矩1)磁場(chǎng)中的載流導(dǎo)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。第二十九頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三0.3.5
圓柱面磁場(chǎng)間的力矩第三十頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三0.3.5
圓柱面磁場(chǎng)間的力矩第三十一頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三0.3.5
圓柱面磁場(chǎng)間的力矩第三十二頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三0.3.5
圓柱面磁場(chǎng)間的力矩第三十三頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三0.3.5
圓柱面磁場(chǎng)間的力矩第三十四頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三展開成傅里葉級(jí)數(shù),基波為:
2極磁場(chǎng)
4極磁場(chǎng)
2p極磁場(chǎng)第三十五頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三0.4
運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件對(duì)執(zhí)行元件的基本要求:足夠大的功率,力或力矩;快速響應(yīng)。常用的執(zhí)行元件是電動(dòng)機(jī)、液壓元件。力或力矩最大的是液壓元件。使用最方便、應(yīng)用最廣泛的是電動(dòng)機(jī),一臺(tái)電機(jī)可作電動(dòng)機(jī)用,也可作發(fā)電機(jī)用,這被稱為電機(jī)的可逆原理。分類:直流,交流;大型,中小型,微型;驅(qū)動(dòng)用,控制用。第三十六頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三值得注意的是,電機(jī)和電力電子技術(shù)及控制技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來,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,因此獲得高性能、高質(zhì)量、高可靠性和高附加值。第三十七頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三1.發(fā)現(xiàn)、理論與早期應(yīng)用(1820-1880)
1820年,奧斯特發(fā)現(xiàn)電流對(duì)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(zhì)。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(yīng)定律。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)展回顧第三十八頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三1.發(fā)現(xiàn)、理論與早期應(yīng)用(1820-1880)第一臺(tái)商用電動(dòng)機(jī)誕生于1880年左右。從電磁學(xué)的重大發(fā)現(xiàn),到電磁學(xué)理論,到電動(dòng)機(jī)的實(shí)際應(yīng)用,大約經(jīng)歷了半個(gè)世紀(jì)。用10個(gè)學(xué)時(shí),探討,理論到實(shí)際電機(jī)的發(fā)展過程。0.5
電力技術(shù)發(fā)展回顧第三十九頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三2.交流電的應(yīng)用首先應(yīng)用的電力是直流電和直流電動(dòng)機(jī)。1885年意大利物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)并建立了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)原理,1888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(dòng)機(jī)。由于三相交流電十分適合遠(yuǎn)距離輸電,且三相交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,堅(jiān)固耐用,很快,三相交流電動(dòng)機(jī)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)生產(chǎn)中。一段故事。*第四十頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三愛迪生,1847-1931,工業(yè)革命的年代。直流電機(jī)發(fā)明并被廣泛應(yīng)用年代。愛迪生所在公司生產(chǎn)直流電動(dòng)機(jī)。當(dāng)三相電被發(fā)明時(shí),愛迪生進(jìn)行了研究。交流電對(duì)生物的生命危險(xiǎn)大。交流電不可能廣泛應(yīng)用。錯(cuò)失良機(jī)。第四十一頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三3.微型電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用近30年以來,由于自動(dòng)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用,各種微型電機(jī)得到極其廣泛的應(yīng)用。包括汽車,計(jì)算機(jī),音響和影像設(shè)備,家用電器等眾多產(chǎn)品都大量用電機(jī)。直流電動(dòng)機(jī),單相異步電動(dòng)機(jī),直流無刷電動(dòng)機(jī)等各種各樣的電機(jī),在數(shù)量上,得到極大發(fā)展。第四十二頁,共四十四頁,編輯于2023年,星期三4.控制用電動(dòng)機(jī)1930-1980年,在精密的機(jī)械伺服系統(tǒng)中,直流電動(dòng)機(jī)占據(jù)了壟斷地位。1980年以后,在電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的基礎(chǔ)上,以變頻技術(shù)為代表的交流調(diào)速技術(shù)迅速發(fā)展和應(yīng)用,在速度
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