自動(dòng)控制元件-0緒論課件

自動(dòng)控制元件課程簡介課程講解自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的自動(dòng)控制元件的基本原理、構(gòu)造、特性以及使用。課程重點(diǎn)：

1、執(zhí)行元件，常用的各種類型的電機(jī)；

2、測量元件，常用的各種傳感器。課程特點(diǎn)：

1、涉及知識(shí)領(lǐng)域廣泛；

2、工程性強(qiáng)。課程要求與目的掌握控制系統(tǒng)中的各種常見執(zhí)行器件、測量器件的工作原理與特點(diǎn)，并能夠正確選擇與使用。通過課程學(xué)習(xí)，使得學(xué)生具有在硬件上設(shè)計(jì)、維護(hù)控制系統(tǒng)的能力，為其以后在自動(dòng)化、機(jī)電一體化、機(jī)器人等領(lǐng)域的工作、科研打下基礎(chǔ)?？己朔绞剑浩綍r(shí)40%，期末考試60%參考書梅曉榕《自動(dòng)控制元件及線路》，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社葛偉亮《自動(dòng)控制元件》，北京理工大學(xué)出版社劉陵順《自動(dòng)控制元件》，北京航空航天大學(xué)出版社主講人宋宇

1997.9-2008.3哈工大本、碩、博；

2008.4-2010.5清華博士后；

2010.6-今北交大電信學(xué)院；

辦公地點(diǎn)：新機(jī)電樓北N307室；辦公電話：51683491Email：songyu@0.緒論高精度、高可靠性的自動(dòng)控制系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于家用電器、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航海、航空、航天以及國防軍事領(lǐng)域。家用電器洗衣機(jī)：控制水位、時(shí)間等微波爐：控制溫度、時(shí)間等；空調(diào)：控制溫度、風(fēng)向、風(fēng)速等。0.緒論工業(yè)制造系統(tǒng)

數(shù)控機(jī)床與數(shù)控加工中心、自動(dòng)化生產(chǎn)線、工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)…交通系統(tǒng)

高速列車、飛機(jī)、無人駕駛汽車、交通信號燈的控制…國防系統(tǒng)

航天器、無人機(jī)系統(tǒng)、導(dǎo)彈發(fā)射與制導(dǎo)系統(tǒng)…0.緒論自動(dòng)控制:在沒有人直接操作的情況下，通過控制器的控制作用，使得一個(gè)裝置或過程（被控對象）自動(dòng)的按照給定規(guī)律運(yùn)行，使被控量按照給定的規(guī)律變化；自動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成:被控對象和控制器。對自動(dòng)控制的要求：1、穩(wěn)，指控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；2、準(zhǔn)，指動(dòng)態(tài)過程的最終精度；3、快，指動(dòng)態(tài)過程的快速性。0.緒論自動(dòng)控制技術(shù)1、自動(dòng)控制原理：側(cè)重于理論，講解自動(dòng)控制的基本理論和分析設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的基本方法，是研究自動(dòng)控制技術(shù)共同規(guī)律的學(xué)科；2、自動(dòng)控制元件：側(cè)重于工程實(shí)際，講解構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)的職能元件的工作原理、特點(diǎn)和使用方法，實(shí)用性強(qiáng)，是研究從硬件上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)、維護(hù)控制系統(tǒng)的學(xué)科。0.1控制元件的作用與分類自動(dòng)控制元件：控制系統(tǒng)中完成測量、放大、轉(zhuǎn)換、執(zhí)行等功能的職能元件總稱。自動(dòng)控制元件分類：1、測量元件：功能是檢測被測量并轉(zhuǎn)換成另一種容易處理和使用的量；2、執(zhí)行元件：功能是驅(qū)動(dòng)控制對象動(dòng)作；3、放大元件：功能是將微弱信號放大；4、補(bǔ)償元件：功能是改善系統(tǒng)的控制品質(zhì)；0.1控制元件的作用與分類典型控制系統(tǒng)職能元件組成0.1控制元件的作用與分類舉例（1）導(dǎo)彈發(fā)射架控制系統(tǒng)

被控對象：導(dǎo)彈發(fā)射架被控量：轉(zhuǎn)角位置執(zhí)行元件：電機(jī)測量元件：精密電位計(jì)0.1控制元件的作用與分類舉例（2）：爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)給定電位器

～控制量

加熱爐控制器誤差e

溫度變送器

變換電壓uf電熱絲溫度

傳感器功率放大器溫度信號+-交流電源

給定電壓uru輸出量y（爐溫）+-受熱體0.1控制元件的作用與分類舉例（2）：爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)控制器加熱爐爐溫檢測ur擾動(dòng)y－eufu相加點(diǎn)(綜合點(diǎn))檢測噪聲被控對象：加熱爐被控量：溫度執(zhí)行元件：電熱絲測量元件：溫度傳感器0.1控制元件的作用與分類舉例（3）：汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)扭矩傳感器轉(zhuǎn)向齒輪單元無電刷式馬達(dá)減速機(jī)構(gòu)扭轉(zhuǎn)桿分相器單元2

(轉(zhuǎn)子部分)分相器單元1(轉(zhuǎn)子部分)0.1控制元件的作用與分類舉例（3）：汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)扭矩測量助力曲線電流控制器電機(jī)減速系統(tǒng)及轉(zhuǎn)向架電流傳感器駕駛員被控對象：轉(zhuǎn)向架被控量：轉(zhuǎn)向力矩執(zhí)行元件：電機(jī)測量元件：電流傳感器0.1控制元件的作用與分類舉例（4）：汽車電子油門系統(tǒng)0.1控制元件的作用與分類舉例（4）：汽車電子油門系統(tǒng)踏板角度測量電機(jī)控制器電機(jī)節(jié)氣門機(jī)構(gòu)電位計(jì)駕駛員被控對象：油門系統(tǒng)被控量：節(jié)氣門開度執(zhí)行元件：電機(jī)測量元件：電位計(jì)0.1控制元件的作用與分類舉例（5）：智能汽車車道線視覺導(dǎo)航系統(tǒng)0.1控制元件的作用與分類舉例（5）：智能汽車車道線導(dǎo)航系統(tǒng)視覺控制器電機(jī)圖像測量理想圖像位置被控對象：無人駕駛汽車被控量：航向姿態(tài)執(zhí)行元件：電機(jī)測量元件：視覺系統(tǒng)、編碼器電機(jī)控制器光電編碼器0.1控制元件的作用與分類自動(dòng)控制系統(tǒng)對控制元件的要求1、高可靠性：對于保證自動(dòng)控制系統(tǒng)正常工作極為重要；2、高精度：是指元件的實(shí)際特性與理想特性的差異，差異越小，精度越高；3、響應(yīng)快速性：元件的響應(yīng)速度，影響到整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度。0.2電磁學(xué)的基本概念與定律電磁元件1、根據(jù)采用的能源形式不同，可將執(zhí)行元件分為電磁、液壓和氣動(dòng)三大類。電磁元件在自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣；2、電磁元件是以磁場為中介，實(shí)現(xiàn)電能和機(jī)械能相互傳遞與轉(zhuǎn)換的自動(dòng)控制元件；3、代表性電磁元件：變壓器、繼電器、各種電機(jī)等。0.2電磁學(xué)的基本概念與定律磁場的產(chǎn)生1、由有永磁材料產(chǎn)生——小容量電磁元件2、由電流產(chǎn)生磁場的分類：根據(jù)電流性質(zhì)，分為直流磁場和交流磁場。0.2.1磁場的基本物理量磁感應(yīng)強(qiáng)度B1、定義：表示空間某點(diǎn)磁場強(qiáng)弱和方向的物理量，是一個(gè)空間矢量。通俗地說，磁感應(yīng)強(qiáng)度B是通過單位面積磁力線的條數(shù)，因而又可稱為磁密。

2、單位：磁感應(yīng)強(qiáng)度B的單位為特斯拉（T）0.2.1磁場的基本物理量磁力線：磁力線是人們描述磁場的一種手段，磁力線上任意一點(diǎn)的切線方向都與該點(diǎn)的磁場方向（即磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向）一致。CAB特點(diǎn)：1、磁力線為閉合曲線；2、磁力線的回轉(zhuǎn)方向與閉合磁力線包圍的電流方向滿足右手螺旋法則。0.2.1磁場的基本物理量右手螺旋法則0.2.1磁場的基本物理量磁通量Φ定義：通過磁場中給定截面A磁力線的條數(shù)。單位：韋伯（WB）對于均勻磁場0.2.1磁場的基本物理量磁導(dǎo)率μ定義：表示物體導(dǎo)磁能力大小的物理量。單位：亨/米(H/m)真空磁導(dǎo)率：根據(jù)磁導(dǎo)率，物質(zhì)可分為順磁、抗磁和鐵磁三類。順磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率略大于真空磁導(dǎo)率；抗磁略小于真空磁導(dǎo)率；鐵磁物質(zhì)磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于真空磁導(dǎo)率。一般認(rèn)為，除鐵磁材料外，其他材料的磁導(dǎo)率均為真空磁導(dǎo)率，如銅、鋁等。0.2.1磁場的基本物理量磁場強(qiáng)度H

定義：在任意介質(zhì)的磁場中，某一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與該點(diǎn)磁導(dǎo)率μ的比值。

H=B/μ

單位：安/米（A/m）0.2.2磁性材料特性鐵磁物質(zhì)：鐵、鈷、鎳及其合金磁性：能產(chǎn)生磁場，在磁場中受到力作用。鐵磁性物質(zhì)1）磁導(dǎo)率μ大，是真空磁導(dǎo)率的2000～6000倍。

2）μ不是恒量，隨磁場強(qiáng)度H變化。

3）存在一個(gè)臨界溫度——居里點(diǎn)，高于此溫度時(shí)，磁導(dǎo)率降到真空磁導(dǎo)率。0.2.2磁性材料特性磁性材料的磁飽和性0.2.2磁性材料特性磁滯特性

磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化總是落后于外磁場強(qiáng)度H的變化，這一特點(diǎn)稱為磁滯現(xiàn)象。Br——鐵磁材料的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，即剩磁；Hc——補(bǔ)償剩磁需施加的外磁場強(qiáng)度，即矯頑力；0.2.2磁性材料特性磁滯曲線：對鐵磁材料反復(fù)磁化若干個(gè)循環(huán)后，就可得到一個(gè)近似對稱于B-H圖原點(diǎn)的閉合曲線，稱為滯回曲線。基本磁化曲線：采用不同的H磁化，得到一組滯回曲線，各曲線的頂點(diǎn)連線稱為基本磁化曲線，用來表示鐵磁物質(zhì)的磁性能。

0.2.2磁性材料特性0.2.2磁性材料特性磁滯損耗：鐵磁材料在交變磁場作用下反復(fù)磁化時(shí)將要發(fā)熱（如交流電勵(lì)磁），引起損耗。1、磁滯回線的面積越大，磁滯損耗也越大；2、實(shí)驗(yàn)表明，磁滯損耗與磁通的交變頻率成正比，與磁密B的次方成正比。例如，常用的硅鋼片，當(dāng)時(shí)，

0.2.2磁性材料特性渦流：處于交變磁場內(nèi)的鐵芯會(huì)產(chǎn)生環(huán)繞磁力線，作旋渦狀分布的感應(yīng)電流。渦流損耗：鐵磁材料處于交變的外磁場中時(shí)，鐵心中還會(huì)產(chǎn)生渦流，渦流在鐵心中引起的熱損耗。鐵心采用片狀的并有絕緣薄膜的材料疊壓而成，就是為了減少渦流損耗，同時(shí)在鐵心中加入適量的硅，以提高電阻率。0.2.3磁路定律磁路：主要有鐵磁物質(zhì)組成，能使磁通集中通過的閉合回路。為獲得強(qiáng)磁場，常用鐵磁材料制造各種形狀的鐵心；由于其磁導(dǎo)率很高，磁通量基本被限制在鐵心范圍內(nèi)通過，形成閉合磁回路，稱為主磁路。漏磁通。0.2.3磁路定律磁通連續(xù)性定律：通過磁場中某一封閉曲面的總磁通量為零。0.2.3磁路定律磁路的基爾霍夫第一定律：匯集一點(diǎn)的多條磁路（或分支磁路）的磁通代數(shù)和等于零。0.2.3磁路定律安培環(huán)路定律（全電流定律）在磁場中，沿任一閉合路徑磁場強(qiáng)度向量H的線積分，等于該閉合回路包圍的各電流的代數(shù)和。方向：電流方向和閉合回路方向符合右手螺旋定則為正，否則為負(fù)。0.2.3磁路定律磁路的磁壓降：方向與磁場相一致；磁路的磁勢：方向與電流相一致；0.2.3磁路定律磁路的歐姆定律0.2.3磁路定律對于串聯(lián)磁路，磁路的總磁阻為各部分磁路磁阻之和；對于并聯(lián)磁路，磁路的總磁阻的倒數(shù)為各部分磁路磁阻的倒數(shù)之和；0.2.3磁路定律0.2.4電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)當(dāng)閉合導(dǎo)電回路所包圍的面積內(nèi)的磁通量發(fā)生變化時(shí)，這個(gè)閉合回路中就會(huì)產(chǎn)生電流，這種電流稱為感應(yīng)電流，為電磁感應(yīng)現(xiàn)象。楞次定律閉合導(dǎo)電回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電流，其方向總是企圖由他產(chǎn)生的磁場，能夠抵消或補(bǔ)償磁場的變化。0.2.4電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)定律（法拉第定律）閉合回路包圍面積內(nèi)的磁通量發(fā)生變化時(shí)，在回路上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢與磁通量對時(shí)間變化率的負(fù)值成正比：0.2.4電磁感應(yīng)磁通量變化有兩種情況:1、回路的位置、形狀大小不變，但回路所在的磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度B的強(qiáng)度發(fā)生改變。如磁通本身有交流電產(chǎn)生，空