自动控制元件PPT-0.绪论
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给定 电位器
加热炉
电 热 丝
受热体
-
功 控制量 率 误差 e 控制器 放 u 大 器
温度 传感器 输出量 y （炉温）
+
变换电压 uf
温度信 温度变送器 号
-
0.1 控制元件的作用与分类
举例（2）：炉温自动控制系统
扰动
ur
相加点 (综合点)
e
－
u
控制器
检测噪声
y
加热炉
uf
炉温检测
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
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。
0.1 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
交流电源 给定电 压 ur
～
+
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…
0.2.3 磁路定律
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；
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；
R Rm
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； 1 1 R Rm
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）
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） Φ B cos d A
A
对于均匀磁场 Φ BA
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： 0 4 107 ( H / 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
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%
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
举例（3）：汽车电动助力转向系统
扭转杆
扭矩传感器
分相器单元1 (转子部分) 分相器单元2 (转子部分)
转向齿轮单元 • 无电刷式马达 • 减速机构
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
减速系统 及转向架
驾驶员
扭矩 测量
助力 曲线
电流控制器
电机
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。
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。
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： dΦ
e N
dt
0.2.4 电磁感应
Φ B cos d A
A
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。
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
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 电机控制器 电机
理想图像位置 光电编码器 图像测量
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
0.1 控制元件的作用与分类
安培电磁力定律：磁场中的载流导体会受到电 磁力作用。
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；
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；
0.2.3 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。
Hdl I
l
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。
0.2.1 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。 B A C
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
Ph f B
2 例如，常用的硅钢片，当 B 1T 1.6T 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 。
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
电流传感器
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 电位计 电机 节气门 机构
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
源自文库
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）
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@bjtu.edu.cn
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。
dI 线性电感感应电动势：e L dt
0.2.4 电磁感应
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l，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
加热炉
电 热 丝
受热体
-
功 控制量 率 误差 e 控制器 放 u 大 器
温度 传感器 输出量 y （炉温）
+
变换电压 uf
温度信 温度变送器 号
-
0.1 控制元件的作用与分类
举例（2）：炉温自动控制系统
扰动
ur
相加点 (综合点)
e
－
u
控制器
检测噪声
y
加热炉
uf
炉温检测
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
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。
0.1 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
交流电源 给定电 压 ur
～
+
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…
0.2.3 磁路定律
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；
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；
R Rm
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； 1 1 R Rm
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）
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） Φ B cos d A
A
对于均匀磁场 Φ BA
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： 0 4 107 ( H / 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
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%
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
举例（3）：汽车电动助力转向系统
扭转杆
扭矩传感器
分相器单元1 (转子部分) 分相器单元2 (转子部分)
转向齿轮单元 • 无电刷式马达 • 减速机构
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
减速系统 及转向架
驾驶员
扭矩 测量
助力 曲线
电流控制器
电机
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。
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。
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： dΦ
e N
dt
0.2.4 电磁感应
Φ B cos d A
A
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。
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
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 电机控制器 电机
理想图像位置 光电编码器 图像测量
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
0.1 控制元件的作用与分类
安培电磁力定律：磁场中的载流导体会受到电 磁力作用。
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；
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；
0.2.3 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。
Hdl I
l
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。
0.2.1 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。 B A C
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
Ph f B
2 例如，常用的硅钢片，当 B 1T 1.6T 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 。
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
电流传感器
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 电位计 电机 节气门 机构
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
源自文库
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）
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@bjtu.edu.cn
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。
dI 线性电感感应电动势：e L dt
0.2.4 电磁感应
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l，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