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 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。

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。

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。

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。

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（）。

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。