自动控制元件-0绪论课件

自动控制元件课程简介课程讲解自动控制系统中常用的自动控制元件的基本原理、构造、特性以及使用。课程重点：

1、执行元件，常用的各种类型的电机；

2、测量元件，常用的各种传感器。课程特点：

1、涉及知识领域广泛；

2、工程性强。课程要求与目的掌握控制系统中的各种常见执行器件、测量器件的工作原理与特点，并能够正确选择与使用。通过课程学习，使得学生具有在硬件上设计、维护控制系统的能力，为其以后在自动化、机电一体化、机器人等领域的工作、科研打下基础。考核方式：平时40%，期末考试60%参考书梅晓榕《自动控制元件及线路》，哈尔滨工业大学出版社葛伟亮《自动控制元件》，北京理工大学出版社刘陵顺《自动控制元件》，北京航空航天大学出版社主讲人宋宇

1997.9-2008.3哈工大本、硕、博；

2008.4-2010.5清华博士后；

2010.6-今北交大电信学院；

办公地点：新机电楼北N307室；办公电话：51683491Email：songyu@0.绪论高精度、高可靠性的自动控制系统已经广泛应用于家用电器、工业、农业、航海、航空、航天以及国防军事领域。家用电器洗衣机：控制水位、时间等微波炉：控制温度、时间等；空调：控制温度、风向、风速等。0.绪论工业制造系统

数控机床与数控加工中心、自动化生产线、工业机器人系统…交通系统

高速列车、飞机、无人驾驶汽车、交通信号灯的控制…国防系统

航天器、无人机系统、导弹发射与制导系统…0.绪论自动控制:在没有人直接操作的情况下，通过控制器的控制作用，使得一个装置或过程（被控对象）自动的按照给定规律运行，使被控量按照给定的规律变化；自动控制系统构成:被控对象和控制器。对自动控制的要求：1、稳，指控制系统的稳定性；2、准，指动态过程的最终精度；3、快，指动态过程的快速性。0.绪论自动控制技术1、自动控制原理：侧重于理论，讲解自动控制的基本理论和分析设计控制系统的基本方法，是研究自动控制技术共同规律的学科；2、自动控制元件：侧重于工程实际，讲解构成自动控制系统的职能元件的工作原理、特点和使用方法，实用性强，是研究从硬件上实现自动控制系统、维护控制系统的学科。0.1控制元件的作用与分类自动控制元件：控制系统中完成测量、放大、转换、执行等功能的职能元件总称。自动控制元件分类：1、测量元件：功能是检测被测量并转换成另一种容易处理和使用的量；2、执行元件：功能是驱动控制对象动作；3、放大元件：功能是将微弱信号放大；4、补偿元件：功能是改善系统的控制品质；0.1控制元件的作用与分类典型控制系统职能元件组成0.1控制元件的作用与分类举例（1）导弹发射架控制系统

被控对象：导弹发射架被控量：转角位置执行元件：电机测量元件：精密电位计0.1控制元件的作用与分类举例（2）：炉温自动控制系统给定电位器

～控制量

加热炉控制器误差e

温度变送器

变换电压uf电热丝温度

传感器功率放大器温度信号+-交流电源

给定电压uru输出量y（炉温）+-受热体0.1控制元件的作用与分类举例（2）：炉温自动控制系统控制器加热炉炉温检测ur扰动y－eufu相加点(综合点)检测噪声被控对象：加热炉被控量：温度执行元件：电热丝测量元件：温度传感器0.1控制元件的作用与分类举例（3）：汽车电动助力转向系统扭矩传感器转向齿轮单元无电刷式马达减速机构扭转杆分相器单元2

(转子部分)分相器单元1(转子部分)0.1控制元件的作用与分类举例（3）：汽车电动助力转向系统扭矩测量助力曲线电流控制器电机减速系统及转向架电流传感器驾驶员被控对象：转向架被控量：转向力矩执行元件：电机测量元件：电流传感器0.1控制元件的作用与分类举例（4）：汽车电子油门系统0.1控制元件的作用与分类举例（4）：汽车电子油门系统踏板角度测量电机控制器电机节气门机构电位计驾驶员被控对象：油门系统被控量：节气门开度执行元件：电机测量元件：电位计0.1控制元件的作用与分类举例（5）：智能汽车车道线视觉导航系统0.1控制元件的作用与分类举例（5）：智能汽车车道线导航系统视觉控制器电机图像测量理想图像位置被控对象：无人驾驶汽车被控量：航向姿态执行元件：电机测量元件：视觉系统、编码器电机控制器光电编码器0.1控制元件的作用与分类自动控制系统对控制元件的要求1、高可靠性：对于保证自动控制系统正常工作极为重要；2、高精度：是指元件的实际特性与理想特性的差异，差异越小，精度越高；3、响应快速性：元件的响应速度，影响到整个系统的响应速度。0.2电磁学的基本概念与定律电磁元件1、根据采用的能源形式不同，可将执行元件分为电磁、液压和气动三大类。电磁元件在自动控制系统中应用最广；2、电磁元件是以磁场为中介，实现电能和机械能相互传递与转换的自动控制元件；3、代表性电磁元件：变压器、继电器、各种电机等。0.2电磁学的基本概念与定律磁场的产生1、由有永磁材料产生——小容量电磁元件2、由电流产生磁场的分类：根据电流性质，分为直流磁场和交流磁场。0.2.1磁场的基本物理量磁感应强度B1、定义：表示空间某点磁场强弱和方向的物理量，是一个空间矢量。通俗地说，磁感应强度B是通过单位面积磁力线的条数，因而又可称为磁密。

2、单位：磁感应强度B的单位为特斯拉（T）0.2.1磁场的基本物理量磁力线：磁力线是人们描述磁场的一种手段，磁力线上任意一点的切线方向都与该点的磁场方向（即磁感应强度B的方向）一致。CAB特点：1、磁力线为闭合曲线；2、磁力线的回转方向与闭合磁力线包围的电流方向满足右手螺旋法则。0.2.1磁场的基本物理量右手螺旋法则0.2.1磁场的基本物理量磁通量Φ定义：通过磁场中给定截面A磁力线的条数。单位：韦伯（WB）对于均匀磁场0.2.1磁场的基本物理量磁导率μ定义：表示物体导磁能力大小的物理量。单位：亨/米(H/m)真空磁导率：根据磁导率，物质可分为顺磁、抗磁和铁磁三类。顺磁物质的磁导率略大于真空磁导率；抗磁略小于真空磁导率；铁磁物质磁导率远大于真空磁导率。一般认为，除铁磁材料外，其他材料的磁导率均为真空磁导率，如铜、铝等。0.2.1磁场的基本物理量磁场强度H

定义：在任意介质的磁场中，某一点的磁感应强度B与该点磁导率μ的比值。

H=B/μ

单位：安/米（A/m）0.2.2磁性材料特性铁磁物质：铁、钴、镍及其合金磁性：能产生磁场，在磁场中受到力作用。铁磁性物质1）磁导率μ大，是真空磁导率的2000～6000倍。

2）μ不是恒量，随磁场强度H变化。

3）存在一个临界温度——居里点，高于此温度时，磁导率降到真空磁导率。0.2.2磁性材料特性磁性材料的磁饱和性0.2.2磁性材料特性磁滞特性

磁感应强度B的变化总是落后于外磁场强度H的变化，这一特点称为磁滞现象。Br——铁磁材料的剩余磁感应强度，即剩磁；Hc——补偿剩磁需施加的外磁场强度，即矫顽力；0.2.2磁性材料特性磁滞曲线：对铁磁材料反复磁化若干个循环后，就可得到一个近似对称于B-H图原点的闭合曲线，称为滞回曲线。基本磁化曲线：采用不同的H磁化，得到一组滞回曲线，各曲线的顶点连线称为基本磁化曲线，用来表示铁磁物质的磁性能。

0.2.2磁性材料特性0.2.2磁性材料特性磁滞损耗：铁磁材料在交变磁场作用下反复磁化时将要发热（如交流电励磁），引起损耗。1、磁滞回线的面积越大，磁滞损耗也越大；2、实验表明，磁滞损耗与磁通的交变频率成正比，与磁密B的次方成正比。例如，常用的硅钢片，当时，

0.2.2磁性材料特性涡流：处于交变磁场内的铁芯会产生环绕磁力线，作旋涡状分布的感应电流。涡流损耗：铁磁材料处于交变的外磁场中时，铁心中还会产生涡流，涡流在铁心中引起的热损耗。铁心采用片状的并有绝缘薄膜的材料叠压而成，就是为了减少涡流损耗，同时在铁心中加入适量的硅，以提高电阻率。0.2.3磁路定律磁路：主要有铁磁物质组成，能使磁通集中通过的闭合回路。为获得强磁场，常用铁磁材料制造各种形状的铁心；由于其磁导率很高，磁通量基本被限制在铁心范围内通过，形成闭合磁回路，称为主磁路。漏磁通。0.2.3磁路定律磁通连续性定律：通过磁场中某一封闭曲面的总磁通量为零。0.2.3磁路定律磁路的基尔霍夫第一定律：汇集一点的多条磁路（或分支磁路）的磁通代数和等于零。0.2.3磁路定律安培环路定律（全电流定律）在磁场中，沿任一闭合路径磁场强度向量H的线积分，等于该闭合回路包围的各电流的代数和。方向：电流方向和闭合回路方向符合右手螺旋定则为正，否则为负。0.2.3磁路定律磁路的磁压降：方向与磁场相一致；磁路的磁势：方向与电流相一致；0.2.3磁路定律磁路的欧姆定律0.2.3磁路定律对于串联磁路，磁路的总磁阻为各部分磁路磁阻之和；对于并联磁路，磁路的总磁阻的倒数为各部分磁路磁阻的倒数之和；0.2.3磁路定律0.2.4电磁感应电磁感应当闭合导电回路所包围的面积内的磁通量发生变化时，这个闭合回路中就会产生电流，这种电流称为感应电流，为电磁感应现象。楞次定律闭合导电回路中产生的感应电流，其方向总是企图由他产生的磁场，能够抵消或补偿磁场的变化。0.2.4电磁感应电磁感应定律（法拉第定律）闭合回路包围面积内的磁通量发生变化时，在回路上产生的感应电动势与磁通量对时间变化率的负值成正比：0.2.4电磁感应磁通量变化有两种情况:1、回路的位置、形状大小不变，但回路所在的磁场磁感应强度B的强度发生改变。如磁通本身有交流电产生，空