自动控制元件-6.测量元件(含作业)
自动控制原理(北大丁红版)第一章答案
自动控制原理（北大丁红版）第一章答案 1-1.什么是自动控制系统？自动控制系统通常由哪些基本元件组成？各元件起什么作用？答：自动控制系统就是为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有机组合体。
1、测量元件：测量被控对象的需要控制的物理量，如果这个物理量是非电量，一般需要转化为电量。
2、给定元件：给出与期望的被控量相对应的系统输入量。
3、比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的输入量进行比较，求出它们之间的偏差。
4、放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。
5、执行元件：直接作用于被控对象，使其被控量发生变化，达到预期的控制目的。
6、校正元件：也称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，用于改善系统性能。
1-2.请说明开环控制系统和闭环控制系统的特点各是什么？答: 开环控制的特点是输出量不影响输入量，不会对系统的控制发生影响。
闭环控制系统具有抑制任何内、外扰动对被控量产生影响的能力，有较高的控制精度，但这种系统使用的元件多，线路复杂，特别是系统的性能分析和设计也较麻烦，而且存在稳定性的问题，如果闭环控制系统的参数匹配得不好，会造成被控量的较大摆动，甚至使系统无法正常工作。
1-3.请说明自动控制系统的性能要求是什么？答：稳准快1-4.请说明下列系统哪些属于开环控制，哪些属于闭环控制？家用电冰箱、家用空调、抽水马桶、电饭煲、多速电风扇、调光台灯、自动报时电子钟。
答：开环控制：抽水马桶、多速电风扇、调光台灯、自动报时电子钟。
闭环控制：家用电冰箱、家用空调、电饭煲。
1-5.下图是一种用电流控制的气动调节阀,用来控制液体的流量.图中,与杆固连的线圈内有一块永久磁铁,当电流通过线圈时,便产生使杆绕支点转动的力矩 , 从而带动档板关闭或打开喷嘴时,进入膜片腔的空气压力将增大,从而将膜片下压 , 并带动弹簧,阀杆一起下移;反之,当喷嘴被打开时,由于空气从喷嘴中跑出,进入,膜片上腔的空气压力将减小,膜片连同弹簧,阀杆便一起上升.此外,阀杆位移反馈回去 , 并由与杆连接的弹簧产生一个平衡力矩.这样,通过电流控制阀杆位移, 从而改变阀门开度,达到控制液体流量的目的.要求:(1) 确定该系统装置的输入量、输出量、控制对象和扰动量。
自动控制元件绪论
1.什么是自动控制元件
应用在自动控制系统中，起到测量、放大、执行、校正作用的元件。
本课程只涉及基于电磁定律的电磁元件。
2.总结控制系统的基本组成
3.自动控制元件的作用
4.基本电磁定律
一套普通的自动控制系统包括以下几部分：
测量元件——测量被控对象状态
放大元件——将控制器的微弱信号放大给执行元件
执行元件——驱动控制对象直接完成控制任务
校正元件——提高系统精度和动态性能
控制对象——完成任务的机械装置
为了设计一套优良的自动控制系统，必须认真地掌握测量元件、放大元件、执行元件、校正元件、以及控制对象的运动规律。
磁场是由电流和永磁体产生的，一般记为B，记为磁密
4.基本电磁定律
磁路欧姆定律电磁感应定律d e W
dt
Φ=−安培环路定律（全电流定律）l H dl WI •=∑∫
m m mi
F WI R R Φ==∑F m 为磁动势
I 为线圈电流
R m 为磁阻W 为线圈匝数。
自动控制元件及线路-测量元件概述-哈工大
静特性
变换函数是描述静特性的数学方程（理论的、理想的） 结构和形式是在分析的基础上建立的 参数通过实际标定确定，统计分析、曲线拟合等 大多数测量元件：y=kx
灵敏度
灵敏度：输出量的微小增 量与输入量微小增量的比 值，变换函数的一阶导数 或静特性曲线的斜率。 非线性的，不同的点有不 同的灵敏度。 线性的静特性，灵敏度不 变。
悬停
巡航飞行
高速飞行
无人机控制系统结构
整体结构设计
机载控制系统
主控制单元
姿态控制 高度传感器 风速传感器
无人机控制系统结构
转速传感器 温度传感器 IMU模块 GPS模块 摄像头
涵 道 式 旋 翼 无 人 飞 行 器
飞行控制 抗干扰控制 起降控制
传 感 器 单 元
执 行 器 单 元
发动机油门 伺服舵机1 伺服舵机2 伺服舵机3 伺服舵机4
u
TL
km R Ls
y 1 1 s Js D
y
测量元件组成
把物理量转化 成电路参量
感受或响应被 测量并转化成 另一种物理量
转换特定形式的 电量（调节、转 换、放大、运算、 调制）
测量元件: 检测出一种量并转换成容易处理的另一种量。 功能：检测和转换。 处理：放大、加减、积分、微分、滤波、存储和传送。 容易处理的量：主要指的是电信号。
定义、作用、组成和分类
2
3
元件特性 讨论
4
测量元件在控制系统中的作用
校正元件 输入 控制器 功率元件 功放 执行元件 执行器 被控 对象 输出
测量元件
执行元件：功能是驱动被控对象，控制或改变被控量
放大元件：提供能量，将微弱控制信号放大驱动执行元件。 校正元件：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 测量元件：将一种量按照某种规律转换成容易处理的另一种量的元件。 （将外界输入信号变换为电信号的元件。）
自动控制元件课件
绪论熟悉控制元件在自动控制系统中的作用，熟练掌握自动控制元件的分类，熟练掌握直流伺服电动机的静态和动态基本关系式。
一、自动控制元件定义组成自动控制系统的基本单元。
二、自动控制元件的分类：（一）按作用分为功率元件和信号元件1、功率元件：进行电-机能量转换的元件，如各种电机；2、信号元件：进行机-电能量转换的元件，如测速发电机，自整角机。
（二）按功能分1、测量元件：把被测量转换为另外一种易于显示和传输记录的物理量；2、变换元件：根据执行元件的需要，将误差信号由交流变为直流，或者直流变为交流；3、放大元件：将微弱的误差信号放大；4、执行元件：把放大信号转变为机械位移，以带动被控对象运动；5、校正元件：用于改善系统的品质。
（三）按电流分直流元件，交流元件，脉冲元件。
三、自动控制元件字自控系统中的运用举例：火炮随动系统，导弹控制系统，数控机床四、自控系统对控制元件的要求高可靠性：控制元件的高可靠性对保证自动控制系统的正常工作极为重要。
高精度：精度是指实际特性与理想特性的差异，差异越小，则元件的精度越高。
快速响应：执行电机的快速性，直接影响整个系统的快速性。
五、预备知识基本物理量：磁感应强度B，磁通量，磁场强度H，磁导率磁性材料的主要特性：高导磁性，磁饱和性，磁滞特性。
磁路及其基本定律：磁通连续定律，磁场的安培环路定律，电磁感应定律第一章直流伺服电动机熟练掌握直流伺服电动机的静态和动态特性，熟练掌握阶跃控制电压作用下直流伺服电动机的过渡过程。
掌握直流伺服电动机的选择与使用，熟悉直流力矩电动机。
一、直流电动机的优点：调速范围广，易于平滑调节；过载、启动、制动转矩大；易于控制，控制装置的可靠性高；调速时的能量损耗较小。
二、直流伺服电动机在控制系统中的作用：执行元件三、直流电机的原理如图所示，电刷A、B分别与两个半圆环接触，这时A、B两电刷之间输出的是直流电。
我们再来看看这时线圈在磁极之间运动的情况。
从图1（a）可以看出，当线圈的ab边在N极范围内按逆时针方向运动时，应用发电机右手定则，这时所产生的电动势是从b指向a。
自动控制元件
线。
O
旋转电磁铁多用于精密测量仪表。
1
1.1.4 交流电磁铁的吸力
电磁铁的激磁绕组由交流电源供电，称为交流电磁铁。 如果电源电压是正弦交流电压，则其磁通也是时间的正弦 函数。电磁吸力也周期变化。
公式推导： 设工作中气隙中的磁通为:
Φδ(t) = Φδm sinωt， Φδm 为磁通的最大值。
忽略漏磁影响，则有
3. 交变分量造成衔铁震动，噪声大，磨损大。为了消除 交流电磁铁的震动，往往在交流电磁铁静铁心的端面 上，装一个短路铜环。
4. 当忽略激磁绕线的电阻和漏磁通时，u≈－e
即：
u≈E = 4.44 f NΦm
Φm≈ u / 4.44 f N 即当电源电压、频率和线圈匝数一定时，磁通幅值几
乎不变。
由
Fdm
1. 1 电磁铁的静吸力和静吸力特性
1.1.1 电磁铁中的能量转换 (电能 磁场能)
例：直流拍和式电磁铁
假设：
Φ
δ1
(1) 铁心不饱和；( μFe 为常数) (2) 忽略漏磁影响；
+ (3) 当δ 变化时，铁心饱合程度
N
e
-u
不变；
(4) 衔铁与静止铁心之间的气
隙为δ1，并保持不变。
1. 1 电磁铁的静吸力和静吸力特性
S
c1
OB 1Φ 1
AB 1b1
Φ2
当气隙为δ 2时磁场存储 Φ 1 的能量：
B2
b2
b1 B1
W S S c 2
OB 2Φ 2
AB 2 b 2
在这个过程中，磁通
O
1 2 ，磁系统吸收 一部分电能，转化为磁场
能，增加的磁场能量：
自动控制元件01
自动控制元件的分类
按功能分类：测量元件、变换元件、放大元件、执行元件 和校正元件
1．测量元件：把被测量(例如转角或转角差)转换为另一种易于显示、 传输或记录的物理量(例如电量)。如传感器、自整角机、旋转变压器 等。 2．变换元件：它的作用是根据执行元件的需要，将误差信号由交流 变为直流或直流变为交流。常用相敏检波器和极性调制器等作变换元 件。 3．放大元件：它是用来将微弱的误差信号加以放大，其中包括电压 放大和功率放大。常用晶体管放大器、可控硅放大器、磁放大器、电 机放大机等作放大元件。 4．执行元件：它是用来把放大后的电信号转变为机械位移，以带动 被控制对象运动。常用直流伺服电动机、交流伺服电动机等作执行元 件。 5．校正元件：它用来改善系统的品质。常用测速发电机、测速电桥 以及校正网络等作校正元件。
课程的主要内容
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章
直流伺服电动机 直流测速发电机 步进电动机 旋转变压器 自整角机 交流伺服电动机 无刷直流电动机
预修课程
电工学或电路原理 电机学或电机拖动
预备知识
一、基本物理量 1、磁感应强度B
磁感应强度是表征磁场强度强弱及方向的一 个物理量，或称磁通密度（磁密），其国际单位 是T。 磁场是由电流或永磁体产生的。磁力线的方 向与电流方向满足右手螺旋定则。磁力线上任意 点的切线方向就是该点磁感应强度B的方向。
若线圈周围有铁磁材料，则L就不是常数，它的大 小随电流而变化，称为非线性电感。
电磁力与电磁转矩
Fe BlI Te BlIr P Te
电磁转矩
对于一个封闭的磁系统，可以根据虚位移原理求电 磁转矩。
自动控制系统的基本部
2.1.1 温度检测元件
2.1.1 温度检测元件
2.1.1 温度检测元件
2.1.1 温度检测元件
2.1.1 温度检测元件
2.1.1 温度检测元件
非接触式测温
辐射温度计是利用从物体表面辐射出来的热辐射进行非接触式温度测量的。例如红外测温就是常用的一种辐射测温装置。它的工作原理：自然界中任何本身温度高于绝对零度的物体都有红外辐射(俗称红外线，它是一种人眼看不见的光线)，物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，红外辐射的能量就越强。图2.4即为一红外测温仪结构示意图。它由光学系统、调制器、红外检测元件、放大器、指示器等部分组成。
常用的检测元件 伺服电动机 晶闸管直流交流调压电路 大功率晶体管脉宽调制(PWM)型直流调压电路 正弦脉宽调制的交—直—交变压变频电路 常用的调节器
自动控制系统是由执行元件、检测元件、放大元件、校正元件等组成。正确选用和合理配置组成系统的各类元(部)件才能保证系统的正常运行及运行的质量，因此应对构成系统的基本部件有一个概括的认识。本章将介绍控制系统中常见的检测元件、执行元件、功率放大元件及有关线路。
晶闸管的触发电路与保护电路
2.3.4 晶闸管的触发电路与保护电路
(2) 过电压保护 晶闸管变流装置运行中产生的过电压，一种称操作过电压，它是由晶闸管装置的拉闸、合闸和元件关断等电磁过程引起的过电压。这些操作过程是经常发生的，而且是不可避免的。另一种过电压是由于雷击等原因从电网侵入的偶然性的浪涌电压，它可能比操作过电压还要高。因此对晶闸管变流装置必须采取可靠的过电压保护措施。 晶闸管装置可能采用的过电压保护措施如图2.35所示。过电压保护的部位可分为交流侧保护、直流侧保护和元件保护。 ① 避雷器保护 一般可在变压器高压侧装设避雷器来限制雷击过电压(如图2.35中的A所示)。 ② 接地电容 由高压电源供电的变压器，在合闸的瞬时，由于初级和次级绕组之间存在分布电容，初级绕组的高压经此分布电容耦合到次级绕组造成较高的过电压。通常采用在变压器星形中点和地之间附加接地电容(如图2.35中的B)，或者变压器附加屏蔽绕组都可显著减小这种过电压。
浙大自动控制元件作业(含答案)
浙江大学远程教育学院 《自动控制元件》课程作业姓名： 学 号： 年级：学习中心：第一章 直流伺服电动机1-1直流伺服电动机的电磁转矩和控制电流由什么决定？答：1. 由T em =C m ΦI a 可知电磁转矩由每极磁通量和绕组电流大小决定。
2. 由T em =T 0 +T 2 =CmΦIa 控制电流由负载转矩(T 2)和空载转矩(T 0)决定。
1-2当直流伺服电动机的负载转矩恒定不变时，控制电压升高将使稳态的电磁转矩、控制电流、转速发生怎样的变化？为什么？答：1. 电磁转矩T em =T 0 +T 2可见电磁转矩不变; 由T em =C m ΦI a 知控制电流I a也不变; 2. KeKtRaTemKe Ua n -=可见U a 升高使得理想空载转速变大导致转速n 升高。
1-3已知一台直流电动机，其电枢额定电压Ua=110V ，额定运行时电枢电流Ia=0.4A ，转速n=3600rpm ，它的电枢电阻Ra=50欧姆，负载阻转矩To=15mN.m 。
试问该电动机额定负载转矩是多少？ 答：Ea= Ua- IaRa=110-0.4×50=90VEa=Ce Φn, Ce=0.105Cm 所以Cm Φ=90/0.105/3600= 0.238; T em =T 0 +T 2=CmΦIa ,所以T 2=CmΦIa -T 0 =0.4*0.238 – 15*10-3=0.0952-15×10-3=80.2mN.m1-6当直流伺服电动机电枢电压、励磁电压不变时，如将负载转矩减少，试问此时电动机的电枢电流、电磁转矩、转速将怎样变化？并说明由原来的状态到新的稳态的物理过程。
答：电磁转矩T em =T 0 +T 2可见T 2 ↓电磁转矩也↓; 由T em =C m ΦI a 知控制电流I a ↓; Ea= Ua- IaRa 可见I a ↓知Ea↑，由Ea=Ce Φn 知Ea↑知n ↑;当电磁转矩降低到和新的负载转矩相等后, 系统即进入新的平衡状态.第二章 直流测速发电机2-4某直流测速发电机，其电枢电压U=50V ，负载电阻R L =3000Ω，电枢电阻Ra=180Ω，转速n=3000rpm ，求该转速下的空载输出电压Uo 和输出电流Ia 。
自动控制系统的基本组成与分类
自动控制系统的基本组成与分类自动控制系统的基本组成如前所述，自动控制系统(即反馈控制系统)由被控对象和控制装置两大部分组成，根据其功能，后者又是由具有不同职能的基本元部件组成的。
图1．12是一个典型的自动控制系统的基本组成示意图，图中组成系统的各基本环节及其功能如下。
1．被控对象如前所述，被控对象是指对其莱个特定物理量进行控制的设备或过程出即为系统的输出员，即被控量，通常以c(r)(或y(f))表示。
2．阁量元件测量元件用于对输出量进行测量，并将其反馈至输入端。
如果输出量与输入量的物理单位不同，有时还要进行相应的量纲转换*例如，温度测量装置(热电偶)用于团量湿度并转换为电压(见固1．2)，测速发电机用于测量电动机轴转速井转换为电压(见田1．9)。
3．给定元件根据控制日的，给定元件将给定量转换为与期望输出相对应的系统治入量(通常以r(‘)表示)，作为系统的控制依据。
例如，图1．9中，给定电压M2的电位器即为给定元件。
4．比较元件比较元件对输入量与测量元件测得的输出量进行比较，并产生偏差信号中的电压比较电路。
通常，比较元件输出的偏差信号以‘(2)表示。
5．放大元件放大元件是特比较元件结出的(檄弱的)偏差信号进行放大(必要时还要进行物理量的转换)。
例如，图1．9中的ATMEL代理放大器和晶闸管整流装置等。
6．执行元件执行元件的功能是，根据放大元件放大后的偏差信号，推动执行元件去控制被控对象，使其被控量按照设定的要求变化。
通常，电动机、液压马达等都可作为执行元件。
7．校正元件校正元件又称补偿元件，用于改善系统的性能，通常以串联或反馈的方式连接在系统中。
在图1．12中，作用信号从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通路称为前向通路；系统治出量经测旦元件反馈到输入端的传输通路称为主反馈通路；前向通路和主反馈通路构成的回路称为主反馈回路，简称主回路。
除此之外，还有局部反馈通路以及局部反馈回路等*将只包含一个主反馈通路的系统称为单回路系统，将包含两个或两个以上反馈通路的系统称为多回路系统。
测控元件知识点总结归纳
测控元件知识点总结归纳传感器是测控系统中最常用的元件之一，它能够将各种物理量转换成电信号，并将这些信号输入到控制系统中进行处理。
常见的传感器包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器、光电传感器、加速度传感器、液位传感器、气体传感器等。
传感器的种类繁多，其工作原理和技术特点也各不相同。
传感器的种类很多，主要有以下几种：1. 温度传感器：可测量物体的温度，常用的有热敏电阻、热敏电容、热敏二极管等。
2. 压力传感器：可以测量气体或液体的压力，常用的有压力传感器、差压传感器、真空传感器等。
3. 液位传感器：可用于测量容器内液体的液位高低，在工业生产中应用广泛。
4. 光电传感器：可用于检测物体的光强度、颜色、距离等，常用的有光敏电阻、光电开关、光电传感器等。
5. 加速度传感器：可以测量物体的加速度和振动，常用于工业生产中的振动监测和控制。
6. 气体传感器：可以测量空气中各种气体的浓度，包括有毒气体、可燃气体等。
除了传感器，控制器也是测控系统中不可或缺的元件之一。
控制器是用来控制和调节系统中各种参数的设备，主要包括PLC（可编程逻辑控制器）、DCS（分布式控制系统）、PID 控制器、智能控制器等。
控制器能够根据传感器采集到的信号进行逻辑运算和控制输出，从而实现对系统的自动控制。
控制器的种类繁多，每种控制器都有其特定的适用场景和技术特点。
在测控系统中，数据采集器也是非常重要的元件之一。
数据采集器是用于采集传感器产生的信号，并将这些信号转换成数字信号进行处理和存储。
数据采集器的种类很多，包括模拟数据采集器、数字数据采集器、多通道数据采集器等。
数据采集器能够实现对大量数据的高效采集和处理，从而为后续的数据分析和决策提供支持。
此外，测控系统中还有许多其他重要的元件，如执行器、仪表仪器等。
执行器是用来执行控制指令的设备，主要包括电动执行器、气动执行器、液压执行器等。
它们在工业自动化领域中有着广泛的应用，能够实现对各种机械设备的精准控制。
自动控制元件06
B C
A'
A
C'
B
三相反应式步进电机展开图
相邻相极定转子之间错齿原理
四相双四拍运行
四相反应式步进电动机绕组通电方式
四相单四拍 四相双四拍 四相单双八拍
拍、拍数和运行方式
把每一次通电状态的换接称为拍，每一拍转子相 应旋转一个步距角；把完成一个通电状态循环所 需要换接的控制绕组通电状态数称作拍数，用N表 示。
步进电动机的转速
步进电动机的转速
表示控制绕组中的电流交变频率
例题
一台三相反应式步进电动机，它有哪几种 运行方式？如果该电机的转子齿数是40，那 么在不同运行方式下运行时电机的步距角 分别是多少？假如电机的运行转速为 500rpm，对应的控制脉冲频率分别是多少？
例题解答
运行方式：
AB BC CA
单段式结构 单段式又称为径向分相式， 是步进电动机中使用最多的一种结构形式。
多段式结构 结构。
多段式又称为轴向分相式
自动控制元件及线路(DOC)
绪论1.控制元件的分类: 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：功能是驱动控制对象，控制或改变被控量（输出量）。
（电机）执行元件---它是控制系统最基本的组成部分。
常见的执行元件有：电动机、液压马达或气动马达。
其中应用最广的是电动机。
系统对执行元件的基本要求是：（1）具有良好的静特性；（2）快速响应的动态特性； 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（例如电压）。
（电位器）。
测量元件一般称为传感器，过程控制中又称为变送器。
放大元件：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信号具有较大的功率，可以直接驱动执行元件。
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，使系统能正常可靠地工作并达到规定的性能指标。
2.从物理角度，磁场是由电流产生的。
磁场与电流的关系由安培环路定律（全电流定律）定律描述。
3.描述 H 与 I 的关系。
4.电磁感应定律说明变化的磁场，可以产生电势，以及电流。
电磁力（力矩）是由磁场产生的。
第一章 电动机及其控制1．直流电机基本结构：按运动状态：定子和转子两部分。
按功能：磁极、电枢绕组、换向器和电刷（功能将电刷上的直流变为绕组内部的交流）三部分。
磁极在定子上，电枢绕组在转子上。
换向器在转子上，电刷在定子上。
2.铁磁物质的特点有哪些？1）磁导率μ 大，是真空磁导率 μ0 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 。
3.绝对磁滞回线曲线图形两个物理量是什么？B r ：剩磁磁密（简称剩磁）H c ：矫顽磁力。
4、铁耗主要包括是哪个方面的什么损耗？磁滞损耗加涡流损耗。
5.直流电机工作原理6.电磁力定律 ：大小： 方向： 左手定则电磁感应定律：大小： 方向： 右手定则7.电动机产生转矩的条件是什么？同性磁极下电流相同。
自动控制元件
Exit
25
四、磁导率 μ
定义：用来表示物质导磁能力大小的物理量称为导磁 系数或磁导率。
单位：亨每米 （H/m）
真空磁导率：μ 0= 4π 10 （H/m）
-7
空气磁导率: 近似等于真空磁导率。 相对磁导率： μr=μ/μ0 （无单位） 其中： μ— 物质的实际磁导率。
Exit
2011年9月20日5时52分
19
+
V
B
正电荷在磁场中运动受力
F
磁感应强度的大小：
B=Fmax/QV =F/QVSin
为该点磁场的方向。
磁感应强度的方向：
单位：力的单位为牛顿（N）
电量的单位为库仑（C） 速度的单位为米每秒（m/s） 磁感应强度的单位为特斯拉（T）(1T=10^4G)
2011年9月20日5时52分
如： 硅钢片 r 6000 8000 ; 坡莫合金
r 10000
所以，同样大小电流，带铁芯线圈比空心线圈的 磁通大得多。
2011年9月20日5时52分
Exit
26
0-1-2
磁场及磁路的基本定律
一、磁通连续性定理（高斯定律） 假设： 磁场中有一个封闭的曲面A 规定： 垂直与曲面而向外的方向为正方向 定理： 通过封闭曲面A的总磁通量为零。 公式： 图示：
磁动势 磁通 磁导率 磁阻 磁导
F m (F m = IW )
（安匝）或
[Ａ ]
Φ μ
R m (R m = L / (μ λ (λ =1/Rm) S)
[Wb] [H/m]
[1 / H ] [H] Rm
γ
R (R = L / (γ G (1 / R ) U = IR S ))
(完整版)自动控制元件及线路试题及答案
自动控制元件2．输入信号是电枢电压a u ，输出信号是电机转角θ。
绘出直流电动机动态框图，标出)(s I a ，),(),(s T s E em a 及扰动力矩)(s T c 。
3．绘出直流电动机电枢控制的调节特性和机械特性曲线，标出始动电压、理想空载转速和堵转转矩，标出电动机、发电机和反接制动状态。
4．直流电动机的主要优点和缺点是什么？优点：力矩大，控制容易。
缺点：有机械换向器，有火花，摩擦大，维护较复杂，价高，结构复杂。
5.电机铁心多用硅钢片叠压而成。
采用片状材料的目的是什么？减小涡流损耗6.性能优良的永磁直流力矩电动机现在一般采用什么永磁材料？钕铁硼e t K K 、大，电枢扁平状。
7.与直流伺服电动机相比，直流力矩电动机的e K 、t K 有什么特点？电枢的几何形状有什么特点？二．（20分）1.异步电动机等效电路图中ss r 1'2上的热损耗表示什么？2.简述两相对称绕组产生椭圆形旋转磁场的条件。
3画出两相电机幅相控制时的电路图。
3．磁场)F-=ω表示什么磁场？为什么？Asin(xt4.绘出圆形旋转磁场时异步电动机的两条典型机械特性曲线（转子电阻大和小）。
5．推导两相伺服电动机传递函数)ssGΩ=,并说明其中的参数与静态特性曲线(U/)(s()的关系。
6．绘出三相异步电动机从基频向下变频调速时的机械特性。
7.异步电动机从基频向下变频调速时，若电压保持不变将产生什么现象？用公式说明。
8．一台三相异步电动机空载转速是1450 r/min，电源频率50 Hz。
这是几极电机？为什么？三、（7分）1.简述永磁同步电机同步运行时的工作原理，画出必要的图形，写出电磁转矩公式。
2.写出磁阻同步电动机电磁转矩表达式并说明参数的含义。
3.哪种同步电动机不加鼠笼绕组就能自行起动并具有较大的起动转矩？（）绘出它的机械特性曲线。
四、（11 分）1. 步进电动机转角的大小取决于控制脉冲的（），转速大小取决于控制脉冲的（）。
工人培训之自动控制元件的应用
03 自动控制元件应用案例
CHAPTER
传感器在工业自动化中的应用
传感器在工业自动化中扮演着重要的角色，它们能够检测和 测量各种物理量，如温度、压力、流量和液位等。传感器将 这些物理量转换为电信号或数字信号，以便控制器进行处理 和控制。
在工业自动化中，传感器广泛应用于各种设备和系统中，如 温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等。通过使用 传感器，企业能够提高生产效率、降低能耗和减少人工干预 。
执行器
执行器概述
执行器是一种驱动装置，能够将控制器的输出信号转换成实际的操作，以实现对被控对 象的控制。
执行器分类
根据不同的工作原理和应用领域，执行器可分为多种类型，如电动执行器、气动执行器 、液压执行器等。
执行器在自动控制系统中的作用
执行器是自动控制系统中的重要组成部分，能够根据控制器的输出信号，自动调节被控 对象的运行状态，以实现系统的稳定运行和精确控制。
执行器在化工生产中的应用
执行器是化工生产中不可或缺的元件，它能够根据控制器的指令驱动阀门、调节 挡板等设备，实现对流体介质的流量、压力和温度等参数的控制。
在化工生产中，执行器广泛应用于各种设备和系统中，如反应器、蒸馏塔、压缩 机和泵等。通过使用执行器，企业能够提高生产效率、保证产品质量和降低能耗 。
故障排除
工人应掌握基本的故障排除方法，包括更换元件、调整参数、修复线路等，确保故障得到有效解决。
安全注意事项
操作安全
工人在操作自动控制元件时应遵守安 全操作规程，确保自身安全。
防护措施
工人应佩戴必要的防护用品，如手套 、护目镜等，以防止意外伤害。
05 实践操作与考核
CHAPTER
实践操作内容
了解自动控制元件的基本原理
自动控制元件
绪论
三、主要参考书：
1、陈隆昌编著《控制电机》 西安电子科技大学出版社；
2、梅晓榕编著《自动控制元件及线路》 哈尔滨工业大学出版社；
3、刘向群编著《自动控制元件》（电磁类） 北航出版社：
4、秦曾煌编著《电工技术》（电机部分） 高等教育出版社。
大家有疑问的，可以询问和交流
可以互相讨论下，但要小声点
流
测 速
U aE aIaR W U b
发 电 机 的
Ua
Cen Ub
1 R
误
RL
差 及 其
电刷接触压降与下述因素有密切关系：（1）电刷和换 向器的材料；（2）电刷的电流密度；（3）电流的方向；
减 （4）电刷单位面积上的压力；（5）接触表面的温度；
小 （6）换向器圆周线速度；（7）换向器表面的化学状态
第一章 直流测速发电机
从能量转换的角度来看，它把机械能转换为电能， 输出直流电；从信号转换的角度来看，它把转换信号 转换成电压信号，其值和转速成正比，即
U =Kn 式中 U -- 测速发电机的输出电压；
n -- 测发电机的转速；K --比例系数。
测速发动机的输出电压能表征转速。因而可以用来测 速，故得名测速发电机。
减
小
方
法
图1-19 考虑电刷接触压降后的输出特性
1.3.5 电刷接触压降
1.3
直
流
为了减小电枢接触压降的影响，缩小不灵敏区，在直
测
速 流没速发电机中，常常采用接触压降较小的银一石墨电刷。
发
电 在高精度的直流测速发电机中还采用铜电刷，并在它和换
机
的 向器接触的表面上镀上银层，使换向器不易磨损，也能有
流 发
自动控制元件课后练习题含答案
自动控制元件课后练习题含答案第一部分：选择题1.下面哪一个元件是单刀单掷型？ A. 交叉开关 B. 按钮开关 C. 切换开关 D. 母线连接器答案：B2.下面哪一项是微观开关的作用？ A. 切断电路 B. 使电流流通 C. 控制电流流通方向 D. 规定电流大小答案：A3.将直流电分解成正负半个周期形成的电，叫做什么？ A. 干性正弦波B. 光电直流波C. 不均匀脉冲波D. 单向脉冲波答案：A第二部分：填空题1.继电器是一种联合触点电器，其基本组成部分有： [ ] 、铁芯、绝缘件、触点等。
答案：电磁线圈。
2.气动执行元件具有体积小、速度快、应用灵活等优点，可用于实现[ ] 、 [ ] 、 [ ] 等动作。
答案：顺序控制、间歇控制、往复运动等。
3.光电传感器用光电效应发电，并使用反射或透过物体的光线进行检测，将光线和电信号之间的转换作用，将感光部件和 [ ] 件组合在一起制成的。
答案：电子元件。
第三部分：简答题1.什么是自动控制元件？简述自动控制元件的种类和作用。
答：自动控制元件是指在自动控制系统中所使用的各种元器件，包括电气、机械、流体等。
按照功能可分为输入元件、处理元件、输出元件和执行元件；按照性质可分为开关、控制器、传感器、执行机构等。
自动控制元件是实现自动化控制的重要基础。
2.什么是继电器？简述其工作原理和应用场景。
答：继电器是一种联合触点电器，是由激励部分和触点部分两部分组成的。
工作原理为：当外加电源使电磁铁激励后，铁芯被磁化，使得触点闭合；当去除外加电源时，电磁铁失去激励，铁芯磁消失，触点断开。
继电器的应用场景很广泛，常用于控制电路、自动化装置、电气仪表、机电设备和工业自动化领域的门、窗、风扇等设备。
3.什么是电位器？简述其调节原理和在电路中的应用。
答：电位器是一种由固定电阻和可变电阻组成的电器，其调节原理为通过电位器的转动，改变可变电阻器的阻值，从而改变电路的电阻值。
电位器在电路中的应用很广泛，常用于调节或控制电路中各种参数值，如调整电压大小、调节电流、改变电阻等。
自动控制元件及线路
❖ 1990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 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— —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 用。
❖ 1885年意大利物理学家发现并建立了旋转 磁场原理，1888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。
❖ 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，
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 工业生产中。
❖ 一段故事。*
❖ 自动控制技术应用广泛。
❖ 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 ，重量。
❖ 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 ，大海中的现代化舰船， 深海中的潜艇。
❖ 有现代化设备的地方，就有自动控制技术。
❖ 自动控制技术： 自动控制原理 自动控制元件及线路
❖ 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。
谢谢大家
可以产生电势， 以及电流。
❖0.3.3 电磁感应定律
线圈的总磁链
Ψ= WiΦi
感应电势
e = - dΨ dt
Ψ=WΦ e = -W dΦ
dt
❖ 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随时间变化；
❖ (2)空间中各点的磁通不变化，但线圈位置 变化，磁链相应变化。
❖ 因此磁链可以看成是时间和位移的函数，即 Ψ=Ψ(t,x)，所以有
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3．滞环 测量元件正反行程中输入输出曲 线不重合的现象称为滞环特性或 迟滞，它由上升分支和下降分支 组成。对应同一输入量，两个分 支所对应的输出不同。滞环误差 的计算同上。
6.2 测量元件的特性
4．重复性误差 输入按同一方向作全量程连 续多次变化时的误差。
5．静态误差 测量元件的输出值与理论值的偏离误差。 测试数据与理论输出值的标准偏差 取3σ作为测量元件的静态误差。
7.3 测速方法
二、T法测速
由传感器两个脉冲相隔的时间T来确定转速。 用频率为 fc 的时钟脉冲向计数器发送脉冲。用传 感器两个相邻脉冲控制计数的起始和终止。设计 数器在T时间内读到的时钟脉冲个数是 m2 ，则 T m2 / f c (s)，T时间内转动1/P转，故转速为
fc n 60 m2 P
m1 n 60 PTg
r/min
7.3 测速方法
当脉冲数增加1时，转速的变化就是M法的分辨率， 记为Q（r/min），
60(m1 1) 60m1 60 Q PTg PTg PTg
提高P和 Tg，可提高分辨率。 若以分辨率Q作为转速测量值的误差Δn，则误差 Δn与转速n无关，但相对误差Δn/n与转速成反比。 高速时相对误差小。 M法适用于高速测量情况。6ຫໍສະໝຸດ 2 测量元件的特性二、动态特性
测量元件的输入量由一个数值变到另一个数值的过程中呈现的 特性就是动特性。数学式中含有变量对时间的导数。 用传递函数或频率特性来表示。 一阶测量元件（惯性环节） T为时间常数，T 越小，响应速度越快。 二阶测量元件
零阶测量元件：传递函数是常数K。控制系统中，测量元件都 可看成是零阶测量元件—比例环节。 从时域角度看，测量元件的动态特性应具有足够快的响应速度 和适当的阻尼比。从频域角度看，测量元件应当具有足够宽的 频带宽度。
7.3 测速方法
3. M/T法检测
Tg
为规定的检测 Tg 之后传 时间。 感器的第1个脉 冲时，时钟脉冲 终止计数。实际检测时间T由时钟脉冲数 m2 确定。m1 为 检测时间T内传感器脉冲个数，没有误差。可知， 60m 60 f m T m f n m m 由 、 2 c 1 2 可求出转速n。 PT Pm m2 误差为1，分辨率Q为 m1 无误差，
1 c 1 2
60 f c m1 60 f c m1 1 1 n Q ( ) P m2 1 m2 Pm2 (m2 1) m2 1
r/min
作业（10分）
1、绝对式光电编码器和增量式光电编码器有何区别？各 自的优缺点？ 2、2048线增量式光电编码器，其角度分辨率？10位绝对 光电编码器，其角度分辨率？ 3、对于脉冲信号输出型位移传感器，M、T以及M/T三 种测速方法的原理？
7.2 绝对值码盘
２.循环（格雷）码的码盘
相邻两个代码间只有一位 数变化。二进制数有一个 最小位数的增量时，只有 一位改变状态，误差不超 过最小的“1”个单位。但是转换成自然二进制码需 要一个附加的逻辑处理转换装置。
7.2 绝对值码盘
格雷码：又叫循环码或反射码，属于可靠性编码，是 一种错误最小化的编码方式 。
7.1 光电编码器
4倍频电路逻辑图，方波的跳 变正好处于光电信号的0°， 90°，180°，270° 4个位置。 因而一个周期可得到4个脉冲 使增量码盘的测量精度进一 步提高。
A B
未倍频： A上升沿同时B高电平； 2倍频： A上升沿同时B高电平； A下降沿同时B低电平； 4倍频： A上升沿同时B高电平； A下降沿同时B低电平； B上升沿同时A低电平； B下降沿同时A高电平；
变送器:输出标准信号的传感器。将一种量变换成标准信号（另
一种量）并把它送出去。 常用的标准信号：直流电流4～20mA。
二、作用
主反馈元件，反馈补偿元件。 对主反馈测量元件的精度要求最高，它的误差将全部加到输出量 上。
6.1 测量元件的组成、作用和分类
三、分类
根据测量元件的输入量即被测量的性质进行分类。例 如测量角位移的元件，测量角速度的元件，测量线位 移的元件，测量温度的热敏元件等等。便于用户选择 测量元件。 根据测量元件的工作原理，遵循的规律和所应用的效 应进行分类。例如，和电机工作原理相同的测量元件 属于控制电机，包括旋转变压器、感应同步器、测速 发电机等等。此外，有电阻式传感器、电容式传感器、 电感式传感器、变压器式传感器、热电式传感器等。
6.2 测量元件的特性
6．测量元件的其他静态性能参数
零位电压—— 测量元件输出的最小电压，又称零位信号， 剩余电压。零位电压越小越好。 分辨率与阈值——测量元件能检测到的最小的输入增量就 是分辨率，又称分辨力。在测量元件输入零点附近的分辨 率称为阈值。分辨率不大于误差。 测量范围——测量元件能够满足规定精度的输入量的范围。
大多数测量元件 y = kx 2．灵敏度和线性度
灵敏度：输出量的微小增量与输入量微小增量的比值， 变换函数的一阶导数或静特性曲线的斜率。
非线性的静特性，不同的点有不同的灵敏度。线性的 静特性，灵敏度不变。
6.2 测量元件的特性
非线性误差或线性度：静特性曲线偏离某种拟合直线 或规定直线的程度。
敏感元件：灵敏地感受被测量并转换成另一物理量。 转换元件：把物理量转换成电路参数量。 转换电路：将电路参数量转换成电量。
气体压力传感器 敏感元件——膜盒，把气压转换成位移。 转换元件——可变电感3 ，把位移量转 换成电感。 转换电路，将电感转换成电压。
6.1 测量元件的组成、作用和分类
7.3 测速方法
以光电增量码盘为代表的角位移传感器的输出信号是 方波脉冲信号，脉冲的个数与角位移成正比。由此类 脉冲信号求速度有下述三种方法。 一、M法测速 由规定的检测时间内传感器的脉冲数计算速度。 设传感器每转产生的脉冲数为P，在检测时间段 Tg （s） 内测得的脉冲数为 m1 ， Tg时间内转动m1/P转，则转速n为
7.1 光电编码器
三、分辨率
一个脉冲对应的转角表示码盘的分辨率和静态误 差。所以分辨率为
码盘的分辨率首先取决于码盘转一周所产生的脉 冲数。脉冲数与圆盘刻的窄缝数成正比。码盘直 径越大，窄缝越多，码盘的分辨率和精度越高。
7.1 光电编码器
四、倍频 码盘转一个节距，只输出1 个脉冲。对上述 电路进行改进，可得到2 倍、4 倍、8 倍… … 的脉冲个数，相应的一个脉冲代 表的角位移就变为原来的1/2、1/4、 1/8 … … 从而明显提高了分辨率。具有 这种功能的电路称为倍频电路或电子细分 电路。
7.2 绝对值码盘
三、编码 １.二进制编码盘，每一个 码道代表二进制的一位，最 外层的码道为二进制的最低 位，因为最低位的码道要求分割的明暗段数最多，而 最外层周长最大，容易分割。 用N 表示码盘的码道数目，即二进制位数，则角度 分辨率为 360 / 2 N 目前高精度绝对值码盘一般为19 位。
7.2 绝对值码盘
一、结构
码盘、光源和 光电敏感元件。 码盘上由一系列同心圆组成光学码道，每个码道上按 一定规律分布着透明和不透明区。每道刻线依次以2 线、4线、8线、16线…编排
二、原理:光源的光通过光学系统，穿过码盘的透光区
被窄缝后面的光敏元件接收，输出为“1 ” ；若被不 透明区遮挡，光敏元件输出 为“0”。各个码道的输出 编码组合就表示码盘的转角位置。
二进制码->格雷码（编码）：从最 右边一位起，依次将每一位与左边 一位异或(XOR)，作为对应格雷码该 位的值，最左边一位不变 格雷码-〉二进制码（解码）：从左 边第二位起，将每位与左边一位格 雷码值异或，作为该位解码后的值 （最左边一位依然不变）.
7.2 绝对值码盘
四、多圈绝对编码器 单圈绝对式编码器：以转动中测量光码盘各道刻线，以获取唯 一的编码，当转动超过 360度时，编码又回到原点，这样就不 符合绝对编码唯一的原则，这样的编码器只能用于旋转范围 360度以内的测量，称为单圈绝对式编码器。 多圈绝对式编码器：量旋转超过360度范围编码器。运用钟表 齿轮机械的原理，当中心码盘旋转时，通过齿轮传动另一组码 盘（或多组齿轮，多组码盘），在单圈编码的基础上再增加圈 数的编码，以扩大编码器的测量范围，这样的绝对编码器就称 为多圈式绝对编码器，它同样是由机械位置确定编码，每个位 置编码唯一不重复，而无需记忆。
第7章 光电编码器
光电编码器：即光电码盘，测量机 械系统角位移、角速度的数字编码 器，是机电测控系统中最为常用的 传感器，如直流伺服电机的反馈测 量系统。 特点：将机械角位移转化为脉冲或 数字输出、测量分辨率高、工作可 靠。 分类： 1）增量式编码器：利用计算系统将 旋转码盘产生的脉冲增量针对某个 基准数进行加减以求得角位移 ； 2）绝对式编码器：直接输出出与角 位置相对应的数字码。
7.1 光电编码器
一、结构 由光学玻璃制成的大圆 盘上刻有均匀分布的辐 射状透光窄缝，分布的 周期L称为节距。 两组检测窄缝和圆盘上 的相同，窄缝的位置相 隔1/4节距，两个输出信 号在相位上相差90°。 两组检测窄缝不动，大 圆盘与被测轴相连。
7.1 光电编码器
二、工作原理 当圆盘转动时，光线透过 圆盘窄缝和检测窄缝照到 光电转换器A 和B 上。通过 的光线强度随转角作周期 性的变化，所以光电转换 器输出的电流信号随转角 作周期变化。光电转换器A 和B 这两路信号经逻辑电 路处理、计数后就能得到 转角和转速，并可以辨别 转动方向。
自动控制元件
宋宇
第6章 测量元件概述
概念 测量元件:检测出一种量并转换成容易处理的另 一种量。 功能：检测和转换。 处理：放大、加减、积分、微分、滤波、存储 和传送。 容易处理的量：主要指的是电信号。