自动控制元件--哈工程

• 大家好，今天讨论自动控制元件。
• 将介绍自动控制系统的基本概念与实例。
• 分析自动控制系统的组成部分。

大家好，終於等到了陽光燦爛的日子。在這個我所喜歡的季節和這個情郎的日子，我們要開始一門新課叫做自動控制元件。我身後站著機器人小白，以後他將和我們一起來學習這門新課。

當大家聽到這門課的名稱的時候，一定會有個疑問：到底什麼是自動控制元件？所以在這一節當中，我們要講一下關於自動控制元件的基礎知識。

自動控制元件顧名思義，是應用在自動控制系統當中的基本單元。那接下來的問題就是：什麼是自動控制系統呢？自動控制系統，就是在無人直接參與的條件下，通過控制器使被控對象按照預定的要求自動運行。

這樣的系統，為了使大家更為直觀的理解這個問題，我們舉幾個詳細的實例來幫助大家理解。

第一個實例，就是在大于省當中非常流行的四旋翼。這樣的例子，四旋翼為什麼能夠按照遙控的指令來做出各種動作呢？是因為在機體當中，它有慣性器件，也就是陀螺、加速度計和高度計。這樣的慣性環節，機體上的陀螺、加速度計和高度計，測量機體當前的姿態， 也就是它的腳位移速度和加速度。把這些當前的姿態測出來以後，呢要返回回來和遙控指令進行比較。

那麼遙控指令和返回回來機體的當前狀態，呢都送到控器當中，由空氣來經比較來判斷一下當前機體的姿態是不是符合遙控器它所要求的姿態。如果不一致的話，它倆之間就要產生差異。這個差異信號通過控制器送到機體當中的驅動裝置。

因為我們說控制器出來信號比較微弱，必須要進行一下功率電壓或電流的放大。那出來信號給誰呢？通過控制器給這個機體上的執行環節，也就是帶動四個選頁運動的無刷電機。無刷電動機帶動四個選頁進行運動，這樣的話這個四旋翼就能按照控制指令的要求來進行起飛、平飛、旋停、降落這樣的各種運行狀態。

下面我們來舉一下民用當中的常見空調這樣的實力。空調是如何按照這個遙控器的指令來進行工作的呢？我們說在空調當中，必須要有檢測當前室溫的溫度傳感器。假設當前室溫是25度，這個溫度呢由空調當中的溫度傳感器檢測出來，而遙控指令發出的信號是22度。

很明顯當前的室溫不滿足遙控所發出的指令，那它倆之間的差值呢，我們說送到控制器當中。通常對於像溫度這樣的物理量，控制系統是把它轉變成電量，因為電信號是比較便於傳輸和處理的。把這兩個信號轉變成電信號以後，呢它倆的差值送到控制器當中。

控制器來判斷空調到底應該如何按照遙控的指令來進行工作。控制器把這個差值信號送出來給誰呢？我們說因為控制器出來信號比較微弱，要進行功率或電壓或電流放大，然後呢，給壓縮機當中的電動機，由電動機帶動壓縮機來進行運行。

另外，我們說葉片呢，也是由電動機來帶動的，目的是起到空氣調節的作用。這是空調的基本工作原理。

下面我們舉一下工業當中的例子。第一個例子呢，就是關於工業機器人的例子。工業機器人技術代表了一個國家當前的工業自動化水平。大家又見到了熟悉的小白。

那對於小白機器人來說，它如何在陌生環境當中進行行走呢？機器人小白能夠在陌生環境當中行走，首先我們說它機體上要有各種傳感器。在它頭部，有像人眼鏡一樣的視覺傳感器，也就是兩個攝像頭。

另外除了視覺傳感器以外呢，它還有聽覺和觸覺傳感器，目的是感知周圍的環境。此外在它的各個關節上和它的腳底，還要有感知周圍壓力的壓力傳感器。把所有這些測量元件所測量的當前的環境信息呢，匯總到機器人當中的控制器，這就像人的大腦一樣，由控制器來綜合這樣的信息，從而做出判斷機器人到底應該沿什麼樣的路徑，應該按什麼樣的姿態來進行行走。

那它之所以能夠行走，是因為控制器發出控制指令信號，經過驅動器也就是經過放大以後，給各個關節上的伺服電動機。伺服電動機帶動機體各個關節來進行運動，這樣的話機器人才能夠開始在陌生的環境當中沿著控制器所判斷出來的路徑進行行走。

最後一個例子，我們要舉一下工業當中的數控機床。數控機床能夠進行精細的加工，它必須有數控機床，數控機床是所有機器的母機，它衡量了一個國家它的機器加工的水平。

數控機床為什麼能夠進行精細的加工呢？數控機床能夠對各種產品進行精細的加工。首先，我們需要把產品的加工程序輸入到數控系統當中，數控系統根據加工程序輸出控制指令信號。

控制指令信號給伺服系統，伺服系統是把帶動各個刀具進行運動的伺服電動機所需要的信號進行功率電壓和電流放大。伺服系統出來的這個放大信號，給刀具上的各種伺服電動機，由伺服電動機帶著各個軸上的刀具來進行對產品加工和切削。

那為了檢測當前加工的狀態，我們說在電動機上，還有檢測環節也就是檢測各個軸上刀具它當前的位置和它的速度。那麼我們把刀具當前的位置和速度檢測出來以後，就要返回回來返回到伺服系統當中，和所要求的控制指令信號進行比較。

如果它倆之間有差異，說明當前刀具對產品進行加工，那麼不滿足我們控制系統的要求。它倆之間的差值送到這個伺服系統當中，控制器當中由控制器來判斷，判斷出來的信號經過放大以後給電動機，電動機繼續帶著刀具按照預定的要求對產品進行精細的加工。

什麼時候達到控制系統的精度要求和它產品的形狀的要求時，這個系統就滿足我們的要求。我們通過以上四個實例來詳細的講解了一下什麼是自動控制系統。

那我們發現在自動控制系統當中，不管它是為了什麼控制，不管它是應用於天上的，它是用於地面的，是用於艦船的，還是用於到水下的，它們有一些共性的東西。所以下面我們來總結一下關於自動控制系統的基本組成。

自動控制系統的基本組成包括：被控對象，也就是各種生產機械，比如說我們前面舉例的數控機床進行加工的產品，還有機器人的四肢，空調它的葉片和壓縮機，對於這個四旋翼的機體本身。

那麼為了了解被控對象當前的狀態，我們說必須要有測量環節，也就是各種測量元件來測量被控對象的當前的狀態。通過測量元件把被控對象當前的狀態測量出來以後，我們說要反饋回來和控制指令信號進行比較。為什麼要進行比較呢？也就是檢測出來以後，我們要判斷一下它是不是控制指令所要求的狀態。

如果說它倆之間有差異，說明這個被控對象當前狀態不符合控制指令的要求。它倆之間的差值，我們說要送到控制器當中。控制器就跟人的大腦一樣，它來進行判斷，判斷這個系統到底應該如何按控制指令進行運動。

控制指令把它們的差值信號送到放大元件當中。為什麼要進行放大呢？通常來說控制器發出的控制指令信號比較微弱，所以不足以帶動被控對象運動，因此必須要進行放大。

那麼控制器出來的信號經過放大元件放大以後，給執行元件。什麼是執行元件呢？也就是前面我們提及的各種伺服電動機，這些電動機來帶動被控對象按照系統所預先要求的狀態進行運動。只要這個狀態不符合控制指令，它的要求，那麼這個系統就會進行調節。當這個系統達到指令信號所要求的狀態，那這個系統就完成了我們的設計要求。

所以我們說一個控制系統包括以下幾種元件。首先，我們說它必須要有敏感元件，也叫測量元件，來測量當前被控對象的狀態。測量元件或敏感元件，不僅要起到測量的作用，還要進行比較和轉換。為什麼呢？因為前面我們舉空調這樣的例子的時候說過，對於非電量，我們通常要把它轉變成電信號，因為電信號在控制系統當中，便於處理和傳輸。

除了這個敏感元件以外，我們說必須要有放大元件，因為控制系統發出的信號比較微弱，不足以通過執行元件帶動被控對象運動，因此需要把控制系發出的信號進行放大。

此外，我們說它必須有執行元件，執行元件也是前面我們講的各種電動機，它是帶動這個被控對象按照預定的要求進行運動的裝置。

還有一類叫做校正元件，校正元件是為了提高系統的穩態精度和動態性能。除了這些，還有被控對象，就是完成控制任務所需要的各種生產機械。最後還有一個像人的大腦一樣的控制系，它是指揮中心，來調節整個系統按照預定的要求運動。

所以我們說，為了設計一套優良的自動控制系統，我們必須要掌握以下幾個環節。我們把控制系當中的敏感元件，也叫測量元件、放大元件、執行元件和校正元件，稱為自動控制元件。

有一點我想提醒大家注意，我們這裡所講的這四類自動控制元件，都是基於電磁定律的電氣元件，也就是使用電能的元件。為了更好的學習這門課程，我們有必要複習一下以前所學過的一些基本的電磁定律。

第一個物理概念就是關於磁感強度。磁感強度，後面我們也把它簡稱為磁密，希望大家記住一下，磁感強度是表徵磁場當中各點處磁場的強弱和方向的。磁場是如何產生的呢？我們說磁場來源於電流和永磁體，不同的電流產生不同的磁場，因此直流電和交流電所產生的磁場是完全不同的。以後我們在講解過程當中大家會更明確這一點。

第二個物理概念，我們把它叫做磁場強度，通常用H來表徵磁場強度，表徵磁場各點磁力的大小和方向。磁場強度H和磁感強度B之間符合這樣的定律，其中沒有我們把它叫做磁導率。

第三個物理概念，我們把它叫做磁動量，通常用Fy來表徵磁動量。Fy表徵的是通過磁路當中的所有磁力線的總和，也就是我們給定某一個橫截面積S的話，B和S的點積的積分，我們把它定義為磁動量Fy。

第四個我們把它叫做安培環路定律。什麼是安培環路定律呢？我們說沿著某一路徑I路，在這個B和路徑當中H和DI路的點積的積分等於什麼呢？等於所包圍的線圈的電流和線圈的雜數的成績，這個公式我們把它叫做安培環路定律。

下面我們要講解的叫做磁路M定律。為了說明這個定律，我們用這樣一個示意圖來表徵，這是一個變壓器的示意圖。在這個變壓器的鐵型柱上，也就是中間這個柱上，我們纏繞著線圈，這個線圈我們給它通以電流，電流用I來表示，線圈的雜數我們用W來表徵。

因為這個變壓器的鐵型柱，都是由鐵磁材料構成的，它的磁導率MU非常高，可以使它在通以電流以後所產生的磁力線基本都集中在鐵型柱當中。那麼這個磁力線大家看，在圖中已經標出來，這個磁力線構成了B和的磁路。

我們設這個鐵型柱的截面積用S來表徵，假設這個S處處相等。還要假設，我們說在這個截面積S上，它的B值，也就是磁密處處相同，磁導率MU也是一個定值。磁動量的計算公式，我們可以直接得出，B和S成積。

這樣我們得出了磁動量的計算公式。由於變壓器的截面積S是不變的，截面上的B值也是處處相同的，磁導率MU是一個定值，因此我們可以得出H，也是個定值。

應用安培環路定律，H由於是個定值，所以H和I，也就是磁力線的B和所經過的路徑他倆之間成積等於線圈的雜數W和線圈所通引的電流I的成績。

得出磁動量和安培環路定律以後，我們把安培環路定律帶到磁動量的公式當中去，可以得出這樣的式子來。把它重新列寫一下，大家看，磁動量等於什麼呢？我們定義為磁動量等於FM除以RM。

這裡RM等於什麼呢？大家看，圖裡的這個值，我們把RM定義為磁阻。磁阻是什麼概念呢？磁阻表示在磁路當中，磁力線在經過過程中所遇到的阻力。如果在某一點處，磁阻大的話，那麼磁力線遇到的阻力就大，這點處磁力線就弱，也就是磁場它就弱。

如果在某一點處，它的磁阻小，這意味著磁力線遇到的阻力小，所以磁力線就密，也就是磁場強。那FM呢？我們把它定義為線圈的相數和電流的成積，這被我們叫做磁動式。因此我們說FI等於磁動式除以磁阻，我們把它定義為磁路RM定律。

以上就是關於自動控制元件的一些基本知識，這些基本知識有助於幫助大家更好的理解這門課程的一些內容。謝謝大家！