自动控制元件及线路---绪论

1、自动控制元件及线路自动控制元件及线路 主讲教师：李主讲教师：李 正正 强强 单单 位：自动化工程系位：自动化工程系 联系方式：联系方式： 本课程的基本情况本课程的基本情况 o 专业课专业课 32学时学时 预备知识：电磁学及电路基础预备知识：电磁学及电路基础 教材及参考书教材及参考书 教教 材：材： 自动控制元件及线路自动控制元件及线路 梅晓榕梅晓榕 哈工大出版社哈工大出版社 参考书：参考书：自动控制元件自动控制元件 葛伟亮葛伟亮 北京理工大学出版社北京理工大学出版社 o 考核方式考核方式 总成绩总成绩=期末期末 60%+平时平时 10%+实验实验30% 绪绪 论论 o控制元件的发展背景控制元件

2、的发展背景 从自动控制的发展历史看，最初是控制机械转速。从自动控制的发展历史看，最初是控制机械转速。 瓦特蒸汽机的转速控制被公认为是最早的自动控制瓦特蒸汽机的转速控制被公认为是最早的自动控制 装置。装置。 现代发电厂对交流电压频率的控制，实质上就是对现代发电厂对交流电压频率的控制，实质上就是对 发电机转速的控制。发电机转速的控制。 在现代机械制造业中和武器装备中，对机械位移的在现代机械制造业中和武器装备中，对机械位移的 控制更多。很多高级装置的控制，实质上是控制更多。很多高级装置的控制，实质上是对位移对位移 的控制。的控制。 自动控制技术应用广泛。自动控制技术应用广泛。 从被控制的变量看，有机

3、械转速，机械位移，从被控制的变量看，有机械转速，机械位移， 温度，压力，流量，液位温度，压力，流量，液位 ，重量。，重量。 从控制装置所在环境看，空中的飞行器从控制装置所在环境看，空中的飞行器 ，地面，地面 上的自动化装置上的自动化装置 ，大海中的现代化舰船，深海，大海中的现代化舰船，深海 中的潜艇。中的潜艇。 有现代化设备的地方，就有自动控制技术。有现代化设备的地方，就有自动控制技术。 自动控制技术：自动控制技术： 自动控制原理自动控制原理 自动控制元件及线路自动控制元件及线路 常用的元件及线路常用的元件及线路 机械伺服系统机械伺服系统 自动控制自动控制 技术技术 控控制制 原原理理 控制控

4、制 元件元件 导弹发射架控制系统导弹发射架控制系统 输入输入 信号信号 偏偏差差 信信号号 位位置置反反馈馈 简单的速度控制系统原理图简单的速度控制系统原理图 速度传速度传 感器感器 负载负载 火炮随动系统方框结构图 自整角K执行减速对象 测速电机 雷 达 1 - p u - p 0.1 控制元件的分类控制元件的分类 按功能和作用分类：按功能和作用分类： 执行元件执行元件 放大元件放大元件 测量元件测量元件 补偿元件补偿元件 四大元件四大元件 o 1执行元件执行元件 功能是驱动控制对象，控制或改变被控量功能是驱动控制对象，控制或改变被控量 （输出量）。（输出量）。（电机）（电机） o 2测量元

5、件测量元件 功能是将被测量检测出来并转换成另一种功能是将被测量检测出来并转换成另一种 容易处理和使用的量（例如电压）。容易处理和使用的量（例如电压）。（电位器）（电位器） 测量元件一般称为传感器，过程控制中又称为测量元件一般称为传感器，过程控制中又称为 变送器。变送器。 （各种传感器、旋转变压器、轴角编码装置等）（各种传感器、旋转变压器、轴角编码装置等） o 3放大元件放大元件 功能是将微弱信号放大，分为前置放大元功能是将微弱信号放大，分为前置放大元 件和功率放大元件两种。功率放大元件的输出件和功率放大元件两种。功率放大元件的输出 信号具有较大的功率，可以直接驱动执行元件。信号具有较大的功率，

6、可以直接驱动执行元件。 （功率放大器、脉宽调制型功率放大器）（功率放大器、脉宽调制型功率放大器） o 4补偿元件（校正元件）补偿元件（校正元件） 为了确保系统稳定并使系统达到规定的精为了确保系统稳定并使系统达到规定的精 度指标和其他性能指标，控制系统的设计者增度指标和其他性能指标，控制系统的设计者增 加的元件。作用是改善系统的性能，使系统能加的元件。作用是改善系统的性能，使系统能 正常可靠地工作并达到规定的性能指标。正常可靠地工作并达到规定的性能指标。 （测速（测速 发电机、校正网络等）发电机、校正网络等） o 执行元件：电动机执行元件：电动机 o 测量元件：电位器测量元件：电位器 o 输出量

7、：转角输出量：转角 控制系统功能框图控制系统功能框图 0.2 本书的主要内容本书的主要内容 o 执行元件，测量元件，功率放大元件及有关线执行元件，测量元件，功率放大元件及有关线 路。路。 o 控制电机：专为控制系统制造的电机。可作执控制电机：专为控制系统制造的电机。可作执 行元件和测量元件。行元件和测量元件。 o 执行元件：电动机，液压元件。执行元件：电动机，液压元件。 o 测量元件：控制电机，编码器，阻容感传感器，测量元件：控制电机，编码器，阻容感传感器， 热电式传感器热电式传感器 。 o 功率放大元件：线性功率放大器，脉冲宽度调功率放大元件：线性功率放大器，脉冲宽度调 制型放大器制型放大器

8、 。 本课程特点本课程特点： o涉及的知识广：涉及的知识广： o电机，传感器，功率电子技术。电机，传感器，功率电子技术。 o实践性强：实践性强： 1.讲述内容是实际元件。要接触实际元件，并讲述内容是实际元件。要接触实际元件，并 做实验。做实验。 2. 在实际中直接应用的可能性很大。在实际中直接应用的可能性很大。 课程主要内容 o 第一章第一章 直流伺服电机直流伺服电机 o 第二章第二章 交流伺服电机交流伺服电机 o 第三章第三章 步进电机步进电机 o 第四章第四章 直线电机直线电机 o 第五章第五章 测速发电机测速发电机 o 第六章第六章 旋转变压器和自整角机旋转变压器和自整角机 o 第七章第

9、七章 轴角编码装置轴角编码装置 0.3 电磁学的基本概念与定律电磁学的基本概念与定律 o 0.3.1 磁场磁场 表示磁场强弱的物理量是磁通，表示磁场强弱的物理量是磁通， 单位面积的磁通是磁密，单位面积的磁通是磁密，B 对某一截面对某一截面S，设设是是d dS法线与法线与磁密磁密B的夹角的夹角 穿过截面穿过截面S的磁通的磁通为为 s =cos dB S m =cos B, 变变不不 o 可以认为磁密可以认为磁密B与与 磁场强度向量磁场强度向量H 有关。有关。 磁场强度向量磁场强度向量H 与与B 的关系是的关系是: B=H o从物理角度，磁场是由从物理角度，磁场是由？产生的？产生的？ o磁场是由磁

10、场是由电流电流产生的。产生的。 o磁场与电流的关系由磁场与电流的关系由？定律描述？定律描述？ o安培环路定律（全电流定律）。安培环路定律（全电流定律）。 o描述描述 H 与与 I 的关系。的关系。 H 与与I 的关系是的关系是: d l I Hl INI或：磁势。或：磁势。 1 n i i i H lNI i i H lii：第 段的磁压降或第 段的磁势。：第 段的磁压降或第 段的磁势。 o0.3.2 磁路定律磁路定律 o描述磁通与磁势之间的关系。描述磁通与磁势之间的关系。 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近似关系。近似关系。 o主要是定性关系。主要是定性关系。 o0

11、.3.2 磁路定律磁路定律 铁心的磁路。铁心的磁路。串串联联磁磁路路并并联联磁磁路路 ：主磁路主磁路 指定的磁路指定的磁路 o 主磁路与主磁通，主磁路与主磁通， o 漏磁路与漏磁通。漏磁路与漏磁通。 mi： Ri第 段磁压降。第 段磁压降。 mmi 11 mmi 11 = = nn RR RR 或或 磁阻磁阻 m =FWI 磁势磁势 m m = F R m ：R 总磁压降，总磁压降， 磁路定律磁路定律 o0.3.3 电磁感应定律电磁感应定律 o前面讲磁场是由电流产生的。前面讲磁场是由电流产生的。 o电磁感应定律说明电磁感应定律说明 变化的磁场，可以产生电势，以变化的磁场，可以产生电势，以 及电

12、流。及电流。 o0.3.3 电磁感应定律电磁感应定律 线圈的总磁链线圈的总磁链 感应电势感应电势 ii =W d = - d e t d d e = -W t =W o 引起磁链变化的原因：引起磁链变化的原因： (1)磁通由交流电流产生，空间中任一点的磁通磁通由交流电流产生，空间中任一点的磁通 随时间变化；随时间变化； (2)空间中各点的磁通不变化，但线圈位置变化，空间中各点的磁通不变化，但线圈位置变化， 磁链相应变化。磁链相应变化。 o 因此磁链可以看成是时间和位移的函数，即因此磁链可以看成是时间和位移的函数，即 =(t,x)，所以有，所以有 d=d +d tx tx 变压器电势变压器电势

13、旋转（速度）电势旋转（速度）电势 TR dd = -= -=+ dd x eee ttxt d=d +d tx tx T = - t e R d = -= - d x eV xtx o 导线切割磁力线产生电势导线切割磁力线产生电势 o 电感不变的线圈电感不变的线圈 e = Blv d - d I e = L t 0.3.4 电磁力与电磁转矩电磁力与电磁转矩 o 电机、电磁铁中力的产生有两种说法：电机、电磁铁中力的产生有两种说法： o 1.磁场中的载流导线受力。磁场中的载流导线受力。 o 2.磁场内产生的力。磁场内产生的力。 o 1）磁极间的相互作用力：）磁极间的相互作用力： 同性相斥，异性相吸

14、。同性相斥，异性相吸。 o 2）磁场内的磁性物体受力：磁场内的磁性物体受力： 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 电磁力与电磁转矩电磁力与电磁转矩 o 电机、电磁铁中力的产生电机、电磁铁中力的产生 最准确的解释：最准确的解释： 电磁力（力矩）是由磁场产生的。电磁力（力矩）是由磁场产生的。 0.3.4 电磁力与电磁转矩电磁力与电磁转矩 1）磁场中的载流导体所受的）磁场中的载流导体所受的 电磁力和力矩为电磁力和力矩为 2）铁心表面的磁力）铁心表面的磁力(向外向外) 3）磁极间的力）磁极间的力 同性相斥，异性相吸，与距离平方成反比。同性相斥，异性相吸，与距离平方成反

15、比。 e =FBlI e =TBlIr 2 em d1 = 2d R F 0.3.5 圆柱面磁场间的力矩圆柱面磁场间的力矩 0 0+=1p o 90 0.3.5 圆柱面磁场间的力矩圆柱面磁场间的力矩 o 180 o 090 = 10 + p 0 + 0.3.5 圆柱面磁场间的力矩圆柱面磁场间的力矩 270360 0 oo 090180 =1 0 +0 p 0.3.5 圆柱面磁场间的力矩圆柱面磁场间的力矩 0 o 180 + 0 = 2 p o 90 0 oo 270 360 +00 0 0.3.5 圆柱面磁场间的力矩圆柱面磁场间的力矩 oooo 090180270360 =1 0 +00 =2

16、 0 +0000 p p o 180 周周期期 p o 360 /p o 360 o展开成傅里叶级数，基波为：展开成傅里叶级数，基波为： 2极磁场极磁场 4极磁场极磁场 2p极磁场极磁场 1 =sinTK 1 =sin2TK 1 =sinTKp 0.4 运动控制系统的执行元件运动控制系统的执行元件 o 对执行元件的基本要求：足够大的功率，力或对执行元件的基本要求：足够大的功率，力或 力矩；快速响应。力矩；快速响应。 o 常用的执行元件是电动机、液压元件。常用的执行元件是电动机、液压元件。 o 力或力矩最大的是液压元件。力或力矩最大的是液压元件。 o 使用最方便、应用最广泛的是电动机，使用最方便

17、、应用最广泛的是电动机， o 一台电机可作电动机用，也可作发电机用，这一台电机可作电动机用，也可作发电机用，这 被称为电机的可逆原理。被称为电机的可逆原理。 o 分类：直流，交流；大型，中小型，微型；驱分类：直流，交流；大型，中小型，微型；驱 动用，控制用。动用，控制用。 执行元件执行元件- 它是控制系统最基本的组成部分。它是控制系统最基本的组成部分。 系统对执行元件的基本要求是：系统对执行元件的基本要求是： （1）具有良好的静特性；）具有良好的静特性； （2）快速响应的动态特性；）快速响应的动态特性； 常见的执行元件有：电动机、液压马达常见的执行元件有：电动机、液压马达 或气动马达。其中应用

18、最广的是电动机。或气动马达。其中应用最广的是电动机。 o值得注意的是，值得注意的是， 电机和电力电子技术及控制技术有机地电机和电力电子技术及控制技术有机地 结合起来，结合起来， 使传统电机产品得以改造和更新，使传统电机产品得以改造和更新， 形成新一代高新技术产品，形成新一代高新技术产品， 因此获得高性能、高质量、高可靠性因此获得高性能、高质量、高可靠性 和高附加值。和高附加值。 o 1.发现、理论与早期应用发现、理论与早期应用 （1820-1880） o 1820年，奥斯特发现电流对磁针有力的作年，奥斯特发现电流对磁针有力的作 用，安培确定通有电流的线圈的作用与磁铁相用，安培确定通有电流的线圈

19、的作用与磁铁相 似，揭示了磁现象的本质。似，揭示了磁现象的本质。1826年欧姆发现了年欧姆发现了 欧姆定律。欧姆定律。1831年法拉第发现电磁感应定律。年法拉第发现电磁感应定律。 o 这些重大发现，奠定了电力技术的理论基础。这些重大发现，奠定了电力技术的理论基础。 0.5 电力技术发展回顾电力技术发展回顾 o 1.发现、理论与早期应用发现、理论与早期应用 （1820-1880） o 第一台商用电动机诞生于第一台商用电动机诞生于1880年左右。年左右。 o 从电磁学的重大发现，到电磁学理论，到电动从电磁学的重大发现，到电磁学理论，到电动 机的实际应用，大约经历了半个世纪。机的实际应用，大约经历了

20、半个世纪。 0.5 电力技术发展回顾电力技术发展回顾 o 2.交流电的应用交流电的应用 o 首先应用的电力是直流电和直流电动机。首先应用的电力是直流电和直流电动机。 o 1885年意大利物理学家发现并建立了旋转磁年意大利物理学家发现并建立了旋转磁 场原理，场原理，1888年俄国工程师发明了三相发电年俄国工程师发明了三相发电 机、三相变压器和三相异步电动机。机、三相变压器和三相异步电动机。 o 由于三相交流电十分适合远距离输电，由于三相交流电十分适合远距离输电， 且三相交流电动机结构简单，坚固耐用，且三相交流电动机结构简单，坚固耐用， 很快，三相交流电动机迅速发展，不但取代很快，三相交流电动机迅

21、速发展，不但取代 了绝大部分直流电机，而且被广泛用于工业了绝大部分直流电机，而且被广泛用于工业 生产中。生产中。 o 一段故事。一段故事。* o 爱迪生，爱迪生，1847-1931，工业革命的年代。，工业革命的年代。 o 直流电机发明并被广泛应用年代。直流电机发明并被广泛应用年代。 o 爱迪生所在公司生产直流电动机。爱迪生所在公司生产直流电动机。 o 当三相电被发明时，爱迪生进行了研究。当三相电被发明时，爱迪生进行了研究。 o 交流电对生物的生命危险大。交流电对生物的生命危险大。 o 交流电不可能广泛应用。交流电不可能广泛应用。 o 错失良机。错失良机。 o 3.微型电动机的应用微型电动机的应用 o 近近30年以来，由于自动控制技术的广泛应用，年以来，由于自动控制技术的广泛应用， 各种微型电机