自动控制元件PPT0绪论docx.docx
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自动控制元件PPT0绪论docx
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。
■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：
51683491
Email:
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、工业机器人紊统…
■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。
■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；
・举例（］）导弹发射架控制系统
■被控对象：
导弹发射架
■被控量：
转角位書
■执行元件：
电机
■测量元件：
精密电位计
■举例
（2）:
炉温自动控制系统
给定电压
交流电源
O
加热炉
+?
给定［\—
电位器误差
-I「
控制:
普度信
变换电压
输出量y
（炉温）
■举例
（2）:
炉温自动控制系统
■被控对象：
加热炉
■被控量:
温度
■执行元件:
■测量元件:
电热丝温度传感器
■举例（3）:
汽车电动助力转向系统
■举例（3）:
汽车电动助力转向系统
■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
■举例（4）:
汽车电子油门系统
亠第门踏槻
■■
TL
鰭板位置传感器
■举例（4）:
汽车电子油门系统
驾驶员
节气门机构
■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
■举例（5）：
智能汽车车道线视觉导航系统
■举例（5）:
智能汽车车道线导航系统
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
■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M的产生
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。
■磁感应强度B
1、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）
■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。
■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媒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
电流产生的磁力线和永久磁铁产生的磁力线
（d）永久磁铁的磁力线
■磁通重①
定义:
中给定彳
I面A磁力线的条数。
单位：
韦伯（WB）
O二八cos&cU
■对于均匀磁场0=BA
■磁导率卩
定义：
表示物体导磁能力大小的物理量。
根据磁导率，物质可分为顺磁、抗磁和铁磁三类。
顺磁物员的磁导皋略大于真空磁导率；抗磁略小于真空磁專率；庶磁物质磁导率远上于真空磁导率。
一般认为，除铁磁材料外，其他材料的磁导率均为真空磁専率，如铜、铝事。
单位：
安/米（A/tn）
■2）卩不是恒量，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。
磁性材料的磁饱和性
铁磁材料中的磁感应强度B随外磁场H变化。
B二pH
--铁磁材料的磁化曲线
2一-真空磁化曲线-"铁磁材料的导磁率曲线
铁磁材料的磁滞冋线
■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。
He——补偿剩磁需施加的外磁场强度，即矫顽另；
■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
根据磁滞冋线形状的不同饮磁材料可分为两类:
软磁材料：
Br,He较小，磁滞冋线较窄，磁滞损耗小如：
纯铁、簣铁、电工钢、坡莫合金
硬磁材料：
Br,He较大，磁滞冋线较宽，磁滞损耗大如：
钩钢、钻钢、像钻合金、稀土合金
工程丄铁磁材料的•基本磁化曲线可用数据表或曲线表达。
■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。
Ph^zfBa
例如，常用的硅钢片，当B=1TU1.6T^,
■遇壷—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。
■磁坠二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，常用铁磁材丼制造各种形状的铁心；由于其磁导率彳艮高，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。
■磁通连续性定律：
通过磁场中某_封闭曲面的总磁通量为零。
（1）假设：
磁场中有一个封闭的曲面
（2）规定：
垂直与曲面而向外的方向为正方向
（3）公式：
歩fABcos日dA=0
■磁路的基尔霍夫第一定律：
汇集_点的多条
磁路（或分支磁路）的磁通代数和等于零。
■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。
磁路的磁压降:
磁路的磁势:
方向与磁场相一致方向与电流相一致
L:
abed
岁曰・dL=HLMH王如（Lcd-J
+HSLs^H4Lad
=ItNrI2N2
上尸UIkNk
■磁路的欧姆定律
部分磁路的欧姆定律:
其中：
Rm=U（nA）
A=叽
U=HL=^L=^R
fpA
称为该段磁路的磁阻，单位为1/H或AWb；称为磁导，
单位为H〔亨）
■对于串联磁路，磁路的总磁阻为各部分磁路
■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;
Rm
电路和磁路
电路
磁路
电动孙E[V]
磁动势F揪丽二呼）（安匝.）或[A|
电流I31
磁通①[WbJ
'h-TT-tj-LS/mJ
献卜敦“JI./1111
电阳R（R^L/{FJ}）1Q1
起阴Rfl7（fU=L/（/CJ）|1/H]
电导G（l/R）|t/S|
區.导』仁（二1/嗣[H]
欧姆定律lfc/R
做路欣斡定律吋力％
基尔霍夭第一定律g
尔霍夫第淀律E5
宓羊夫第匚:
定律屁二m
磁淸1工推夫第二定律27%二2；伽
■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。
■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胡负彳直成正比：
d①
e--N
dt
0=fBcos&d/
JA
■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，空间任意一点磁通随时间变化。
JT
■线性电感感应电动势:
e==
dt
磁通量变化有两种情况：
2、回路所在的磁场磁感应强度B的强度不变,但回路的位置、形状大小改变。
单根导线在均匀磁场内切割磁力线运动，如果导线厶磁场B和导线的速度V垂直，则产生感应电动势：
e=Blv
0.2.5电磁力
■安培电磁力定律:
磁场中的载流导体会受到电磁力作用。
/a）导线在任倉磁场中受力
（空间磁场中的导线受力）
（均匀磁场中的导线受力）
dF=Idl^B=JdlBsine
F—BILsin〃
方向：
受力方向由左手定则确定。
0・3小结
■自动控制元件的定义、分类、作用;
■磁场的基本物理量；
■铁磁材料的特性；
■磁路定律；
■电磁感应定律、电磁力定律；
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