1、自动控制元件及线路自动控制元件及线路梅晓榕梅晓榕 2019 012019 01绪论绪论0.1 控制元件的作用和分类控制元件的作用和分类v从自动控制的发展历史看，最初是控制机械从自动控制的发展历史看，最初是控制机械转速。转速。v瓦特蒸汽机的转速控制被公认为是最早的自瓦特蒸汽机的转速控制被公认为是最早的自动控制装置。动控制装置。v现代发电厂对交流电压频率的控制，实质上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。就是对发电机转速的控制。v在现代机械制造业中和武器装备中，对机械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，实位移的控制更多。很多高级装置的控
2、制，实质上是质上是对位移的控制。对位移的控制。v自动控制技术应用广泛。自动控制技术应用广泛。v从被控制的变量看，有机械转速，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。v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，地面上的自动化装置地面上的自动化装置，大海中的现代化舰船，大海中的现代化舰船，深海中的潜艇。深海中的潜艇。v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。v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v常用的元件及线路
3、常用的元件及线路v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v控制系统：采用控制技术的装置，过程。控制系统：采用控制技术的装置，过程。v控制系统：控制对象与控制元件控制系统：控制对象与控制元件v形形色色的系统，五花八门的元件形形色色的系统，五花八门的元件v按功能分类：按功能分类：执行元件，放大元件，测量元件，补偿元件执行元件，放大元件，测量元件，补偿元件四大元件四大元件v1执行元件，功能是驱动控制对象，控制或执行元件，功能是驱动控制对象，控制或改变被控量（输出量）。改
4、变被控量（输出量）。（电机）（电机）v2测量元件，功能是将被测量检测出来并转测量元件，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（例如电换成另一种容易处理和使用的量（例如电压）。压）。（电位器）（电位器）v测量元件一般称为传感器，过程控制中又称测量元件一般称为传感器，过程控制中又称为变送器。为变送器。v3放大元件放大元件 功能是将微弱信号放大。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。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信号具有较大的功率，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。可以直接驱动执行元件。v4补偿元件（校正元件）补偿
5、元件（校正元件）为了确保系统稳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加的元件。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，使系统能正常可靠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。地工作并达到规定的性能指标。v执行元件：电动机执行元件：电动机v测量元件：电位器测量元件：电位器v输出量：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 本课的主要内容本课的主要内容v执行元件，测量元件，功率放大元件及有关执行元件，测量元件，功率放大元件及有关线路。线路。v控制电机：专为控制系统制
6、造的电机。可作控制电机：专为控制系统制造的电机。可作执行元件和测量元件。执行元件和测量元件。v执行元件：电动机，液压元件。执行元件：电动机，液压元件。v测量元件：控制电机，编码器，阻容感传感测量元件：控制电机，编码器，阻容感传感器，热电式传感器器，热电式传感器。v功率放大元件：线性功率放大器，脉冲宽度功率放大元件：线性功率放大器，脉冲宽度调制型放大器调制型放大器。本课特点本课特点v涉及的知识广：涉及的知识广：v电机，传感器，功率电子技术。电机，传感器，功率电子技术。v实践性强：实践性强：v1.讲述内容是实际元件。要接触实际元件，讲述内容是实际元件。要接触实际元件，并做实验。并做实验。v 2.在
7、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。0.3 电磁学的基本概念与定律电磁学的基本概念与定律v0.3.1 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 Sm=cosB,变变不不v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=Hv从物理角度，磁场是由从物理角度，磁场是由？产生的？产生的？v磁场是由磁场是由
8、电流电流产生的。产生的。v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？v安培环路定律（全电流定律）。安培环路定律（全电流定律）。v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:dlIHlINI或：磁势。或：磁势。1ni iiH lNIi iH lii：第第 段段的的磁磁压压降降或或第第 段段的的磁磁势势。v0.3.2 磁路定律磁路定律v描述磁通与磁势之间的关系。描述磁通与磁势之间的关系。v公式中一些物理量是近似值，公式中一些物理量是近似值，v近似关系。近似关系。v主要是定性关系。主要是定性关系。v0.3.2 磁路定律磁路定律 铁心的磁路。铁心的磁路。串串联联
9、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v主磁路与主磁通，主磁路与主磁通，v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。mmi11mmi11=nnRRRR或或磁阻磁阻m=FWI磁势磁势mm=FRm：R 总磁压降，总磁压降，磁路定律磁路定律v0.3.3 电磁感应定律电磁感应定律v前面讲磁场是由电流产生的。前面讲磁场是由电流产生的。v电磁感应定律说明，电磁感应定律说明，v变化的磁场，变化的磁场，可以产生电势，可以产生电势，以及电流。以及电流。v0.3.3 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=-detdde=-
10、Wt=W v引起磁链变化的原因：引起磁链变化的原因：(1)磁通由交流电流产磁通由交流电流产生，空间中任一点的磁通随时间变化；生，空间中任一点的磁通随时间变化；v (2)空间中各点的磁通不变化，但线圈位空间中各点的磁通不变化，但线圈位置变化，磁链相应变化。置变化，磁链相应变化。v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+dtxtx 变压器电势变压器电势旋转（速度）电势旋转（速度）电势TRdd=-=-=+ddxeeettxt d=d+dtxtxT=-te Rd=-=-dxeVxtx v导线切割磁力线产生电势导线切割磁力线产生电势
11、v电感不变的线圈电感不变的线圈e=Blvd-dIe=Lt0.3.4 电磁力与电磁转矩电磁力与电磁转矩v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：v1.磁场中的载流导线受力。磁场中的载流导线受力。v2.磁场内产生的力。磁场内产生的力。v1）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。同性相斥，异性相吸。v2）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v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：v电磁力（力矩）是由电磁力（
12、力矩）是由 磁场产生的。磁场产生的。0.3.4 电磁力与电磁转矩电磁力与电磁转矩v1）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，与距离平方成反比。e=FBlIe=TBlIr2emd1=2dRF0.3.5 圆柱面磁场间的力矩圆柱面磁场间的力矩00+=1po900.3.5 圆柱面磁场间的力矩圆柱面磁场间的力矩 o180 o090=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 oo090180=1
13、0+0p0.3.5 圆柱面磁场间的力矩圆柱面磁场间的力矩0 o180+0 =2p o90 0 oo270 360+0000.3.5 圆柱面磁场间的力矩圆柱面磁场间的力矩 oooo090180270360=1 0+00=20+0000pp o180周期周期po360/po360v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=sinTK1=sin2TK1=sinTKp0.4 运动控制系统的执行元件运动控制系统的执行元件v对执行元件的基本要求：足够大的功率，力对执行元件的基本要求：足够大的功率，力或力矩；快速响应。或力矩；快速响应。v常用的执
14、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。v力或力矩最大的是液压元件。力或力矩最大的是液压元件。v使用最方便、应用最广泛的是电动机，使用最方便、应用最广泛的是电动机，v一台电机可作电动机用，也可作发电机用，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。这被称为电机的可逆原理。v分类：直流，交流；大型，中小型，微型；分类：直流，交流；大型，中小型，微型；驱动用，控制用。驱动用，控制用。v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电机和电力电子技术及控制技术有机地结合起来，地结合起来，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
15、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。v1.发现、理论与早期应用发现、理论与早期应用（1820-1880）v 1820年，奥斯特发现电流对磁针有力的年，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作用，安培确定通有电流的线圈的作用与磁铁相似，揭示了磁现象的本质。铁相似，揭示了磁现象的本质。1826年欧姆年欧姆发现了欧姆定律。发现了欧姆定律。1831年法拉第发现电磁感年法拉第发现电磁感应定律。应定律。v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
16、。0.5 电力技术发展回顾电力技术发展回顾v1.发现、理论与早期应用发现、理论与早期应用（1820-1880）v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。v从电磁学的重大发现，到电磁学理论，到电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。动机的实际应用，大约经历了半个世纪。v用用10个学时，探讨，理论到实际电机的发展个学时，探讨，理论到实际电机的发展过程。过程。0.5 电力技术发展回顾电力技术发展回顾v2.交流电的应用交流电的应用v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。v1885年意大利物理学家发现并建立
17、了旋转年意大利物理学家发现并建立了旋转磁场原理，磁场原理，1888年俄国工程师发明了三相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。发电机、三相变压器和三相异步电动机。v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，不但取很快，三相交流电动机迅速发展，不但取代了绝大部分直流电机，而且被广泛用于代了绝大部分直流电机，而且被广泛用于工业生产中。工业生产中。v 一段故事。一段故事。*v爱迪生，爱迪生，1847-1931，工业革命的年代。，工业革命的年代。v直流电机
18、发明并被广泛应用年代。直流电机发明并被广泛应用年代。v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。v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。v交流电对生物的生命危险大。交流电对生物的生命危险大。v交流电不可能广泛应用。交流电不可能广泛应用。v错失良机。错失良机。v3.微型电动机的应用微型电动机的应用v近近30年以来，由于自动控制技术的广泛应年以来，由于自动控制技术的广泛应用，各种微型电机得到极其广泛的应用。用，各种微型电机得到极其广泛的应用。v包括汽车，计算机，音响和影像设备，家包括汽车，计算机，音响和影像设备，家用电器等众多产品都大量用电机。用
19、电器等众多产品都大量用电机。v直流电动机，单相异步电动机，直流无刷直流电动机，单相异步电动机，直流无刷电动机等各种各样的电机，在数量上，得电动机等各种各样的电机，在数量上，得到极大发展。到极大发展。v4.控制用电动机控制用电动机v1930-1980年，在精密的机械伺服系统中，年，在精密的机械伺服系统中，直流电动机占据了垄断地位。直流电动机占据了垄断地位。v1980年以后，在电力电子技术、计算机技年以后，在电力电子技术、计算机技术和控制技术的基础上，术和控制技术的基础上，以变频技术为代表的交流调速技术迅速发以变频技术为代表的交流调速技术迅速发展和应用，在速度控制系统中，交流电动展和应用，在速度控制系统中，交流电动机开始应用，并开始取代直流电机。机开始应用，并开始取代直流电机。v1990年以来，在无刷直流电机的基础之上，年以来，在无刷直流电机的基础之上，传统的电机制造技术和电力电子技术及高传统的电机制造技术和电力电子技术及高级控制技术紧密结合，级控制技术紧密结合，形成新一代机电一体化的高新技术产品形成新一代机电一体化的高新技术产品交流伺服电动机，交流伺服电动机，在精密的机械伺服系统中得到越来越多的应在精密的机械伺服系统中得到越来越多的应用。用。v这种电机同时具有交流电机和直流电机的这种电机同时具有交流电机和直流电机的优点，也可看成是它们相结合的产品。优点，也可看成是它们相结合的产品。
