1 ВВЕДЕНИЕ
Методические указания по учебной дисциплине «Автоматическое управление» для студентов-заочников разработаны в соответствии с ГОС СПО, рабочим учебным планом ННТ, рабочей программой данной дисциплины. Методические указания предназначены для реализации государственных требований к уровню подготовки выпускников по специальности 2101 «Автоматизация технологических процессов и производств».
Дисциплина «Автоматическое управление» относится к циклу специальных дисциплин СД.ОО.
Данное пособие ставит своей целью оказание помощи учащимся заочного отделения в организации их самостоятельной работы по овладению знаний, умений и навыков. Прежде всего необходимо ознакомится с содержанием программы. Затем следует выбрать в качестве основного учебное пособие и придерживаться его при изучении всей темы, так как замена учебника может привести к утрате логической связи между отдельными вопросами.
Учебная дисциплина «Автоматическое управление» базируется на знаниях, полученных студентами при изучении таких дисциплин, как «Электротехника», «Математика», «Информатика», «Электронная техника», «Вычислительная техника», «Измерительная техника».
Программой дисциплины предусматривается изучение основ теории автоматического управления и регулирования, а также ее практического применения к расчету элементов и систем регулирования и управления, и изучение промышленно выпускаемых регуляторов, управляющих и исполнительных устройств.
В результате освоения программы студент должен:
Иметь представление:
- о взаимосвязи учебной дисциплины «Автоматическое управление» с другими общепрофессиональными и специальными дисциплинами;
- о роли автоматического управления при автоматизации технологических процессов и производств.
Знать:
- назначение и особенности работы элементов и систем управления и их практическое применение;
- принципиальные электрические схемы, технические характеристики и принцип работы новейших автоматических регуляторов в системах управления современным производством;
- основные динамические характеристики элементов и систем;
- физическую сущность изучаемых явлений;
- качественные показатели.
Уметь:
- определять наиболее оптимальную форму и характеристики систем управления;
- применять теорию автоматического управления и регулирования при составлении структурных и функциональных схем различных систем;
- пользоваться справочной литературой.
Программа рассчитана на 150 часов, из которых 60 ч –лабораторно-практические работы. В программе учтены профиль и специфика подготовки специалистов в нефтяном техникуме.
Для заочного обучения в соответствии с рабочим учебным планом предусмотрено 50 часов аудиторных занятий, в том числе:
- 34 ч обзорных лекций;
- 16 ч лабораторных работ.
Студент должен изучить самостоятельно 100 часов программы.
Студент должен выполнить 2 домашних контрольных работы. Итоговый контроль по дисциплине – экзамен.
2 РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН
| Наименование разделов и тем |
Макс.нагрузка |
Колич. часов |
Самостоят. работа студента |
||
| всего |
прак |
лаб |
|||
| Введение |
2 |
||||
| Раздел1 Статика и динамика элементов систем автоматического управления |
78 |
10 |
28 |
||
| Тема 1.1 Основные понятия о системах автоматического управления и регулирования |
6 |
||||
| Тема 1.2 Типовые элементарные звенья. Свойства и характеристики звеньев и систем |
16 |
4 |
|||
| Тема 1.3 Передаточные функции соединений звеньев и систем |
6 |
2 |
|||
| Тема 1.4 Свойства объектов управленияи регулирования с сосредоточенными параметрами и их определение |
6 |
2 |
|||
| Тема 1.5 Управляющие устройства(автоматические регуляторы) |
44 |
2 |
28 |
||
| Раздел 2 Линейные автоматические системы управления |
20 |
6 |
|||
| Тема 2.1 Передаточные функции замкнутых систем |
2 |
||||
| Тема 2.2 Устойчивость автоматических систем регулирования и управления |
8 |
2 |
|||
| Тема 2.3 Качество систем автоматического управления |
6 |
2 |
|||
| Тема 2.4 Коррекция линейных систем автоматического управления |
4 |
2 |
|||
| Раздел 3 Дискретные системы управления |
8 |
2 |
|||
| Тема 3.1 Основные понятия и определения дискретных САУ |
2 |
||||
| Тема 3.2 Анализ дискретных САУ |
6 |
2 |
|||
| Раздел 4 Нелинейные системы управления |
12 |
2 |
|||
| Тема 4.1 Основные понятия о нелинейных системах и методах их исследования |
4 |
||||
| Тема 4.2 Устойчивость нелинейных систем |
4 |
2 |
|||
| Тема 4.3 Релейные автоматические системы управления |
4 |
||||
| Раздел 5 Исследование САУ при случайных воздействиях |
8 |
2 |
|||
| Тема 5.1 Основные понятия и формы случайных процессов |
4 |
2 |
|||
| Тема 5.2 Случайные процессы в линейных и нелинейных САУ |
4 |
||||
| Раздел 6 Оптимальные САУ |
8 |
||||
| Тема 6.1 Статические методы анализа и синтеза оптимальных САУ |
4 |
||||
| Тема 6.2 Самонастраивающиеся САУ |
4 |
||||
| Раздел 7 Микропроцессорная техника |
14 |
10 |
|||
| Всего по дисциплине |
150 |
22 |
38 |
||
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ВВЕДЕНИЕ
Студент должен
иметь представление:
- о содержание дисциплины «Автоматическое управление»;
- о ее связи с другими предметами;
- об истории развития теории автоматического управления;
знать:
- назначение, цели, функции теории автоматического управления, ее математическое обеспечение;
- роль и значение АСУ и их отличительные черты.
Роль, задачи и содержание АУ, связь с другими дисциплинами. Значение АУ в развитии автоматизации производства. Краткий обзор истории развития ТАУ. Вклад русских ученых в развитие теории автоматического управления.
Литература : [1] стр.5-7
РАЗДЕЛ 1 СТАТИКА И ДИНАМИКА ЭЛЕМЕНТОВ САУ
Тема 1.1 Основные понятия о системах автоматического управления и регулирования
Студент должен
знать:
- основные понятия теории автоматического управления и регулирования;
- типовые структурные схемы систем АУ;
- виды САУ;
- статические характеристики;
- простейшие схемы САР;
- назначение входящих в структурные схемы элементов.
Основные определения: параметры технологического процесса, управление, регулирование, регулируемый параметр, текущее и заданное значения, рассогласование, объект управления, САУ, входные и выходные величины.
Разомкнутые и замкнутые САУ. Принцип действия САУ и их основные устройства.
Понятие об автоматической системе регулирования: структурная схема простейшей и реальной систем, назначение и выполняемые функции элементов системы.
Классификация АСР. Статические характеристики. Методы линеаризации нелинейных систем, требования предъявляемые к САУ.
Литература
[1] § 1.1-1.3 стр. 11-18, § 2.1-2.3 стр.104-109
[2] глава 11 §1-7 стр151-159
Методические указания:
При изучении данной темы студенты должны запомнить основные понятия и определения ТАУ. Особо обратить внимание на различие двух принципов регулирования, достоинства и недостатки каждого. Необходимо разобраться в структурной схеме типовой САР, т.к. большинство реальных систем построено по этому принципу. Важным вопросом ТАУ являются понятия устойчивости, требования предъявляемые к САУ, статические характеристики.
Вопросы для самоконтроля:
1. Дать определения понятиям: объект управления, САУ, текущее значение регулируемого параметра, заданное значение регулируемого параметра, рассогласование, отклонение, регулирование.
2. В чем различия между разомкнутой и замкнутой САУ?
3. Принцип регулирования по отклонению.
4. Принцип регулирования по возмущению.
5. Назовите требования предъявляемые к САУ.
6. Проклассифицируйте САР давления газа.
7. Что такое статическая характеристика САУ?
Тема 1.2 Типовые элементарные звенья. Свойства и характеристики звеньев и систем
Студент должен
знать:
- преобразование Лапласа;
- динамические характеристики;
- типовые элементарные динамические звенья САУ;
уметь:
- составлять и решать любое дифференциальное уравнение в операторной форме;
- выводить передаточную функцию системы;
- получать частотные характеристики САУ;
- строить временные и частотные характеристики любого звена.
Динамические характеристики САУ. Временные и переходные характеристики. Дифференциальное уравнение элемента системы. Преобразование Лапласа. Полное уравнение динамики САУ. Передаточная функция системы. Частотные характеристики: амплитудно-фазовая, амплитудная, фазовая. Экспериментальный и аналитический способы получения частотных характеристик.
Принципы расчленения АСР на элементарные звенья. Типовые элементарные звенья: усилительное, апериодическое, интегрирующее, дифференцирующее, колебательное и чистого запаздывания. Характеристики элементарных звеньев. Примеры элементарных звеньев.
Практическая работа 1 «Решение дифференциальных уравнений с использованием преобразования Лапласа. Получение передаточных функций и частотных характеристик»
Практическая работа 2 «Получение и построение частотных характеристик»
Литература
[1] §2.4, 2.7, 3.1
[2] глава11 §8, глава12 §1
Методические указания:
По данной теме сначала изучают понятие динамических характеристик. Особо важный вопрос: преобразование Лапласа, передаточная функция.
Преобразование Лапласа (операторный метод)
Динамические свойства систем автоматического управления выражаются дифференциальными уравнениями, но так как решать эти уравнения сложно, то эти уравнения алгебраизуются с помощью преобразования Лапласа.
Сущность преобразования состоит в том, что вместо X(t) рассматривается однозначно соответствующая ей функция Х(р).
Х(t) – оригинал, Х(р)-изображение, р-оператор
Преобразование Лапласа
: Х(р) = ∫ Х(t)е-р
t
dt
Получение Х(р) из Х(t) прямое преобразование, а получение Х(t) из Х(р) –обратное.
L{X(t)}=X(p)
L-1
{X(p)}=X(t)
Существуют таблицы преобразований Лапласа, в ТАУ наиболее часто встречаются следующие преобразования:
Отношение изображения по Лапласу Хвых
к Хвх
называется передаточной функцией
Пример: Выполнить преобразование Лапласа и найти передаточную функцию
1 Выполним преобразование Лапласа
2 Вынесем Хвых(р) за скобки
Хвых(р)(Т1
р2
+Т2
+1) = Хвх(р)(р+к)
3 Определим передаточную функцию
Частотные характеристики
К частотным характеристикам относятся: амплитудно-фазовая (АФХ), амплитудно-частотная(АЧХ), фазочастотная(ФЧХ).
Рассмотрим получение частотных характеристик аналитическим способом на примере.
1.Сделаем преобразование Лапласа
ТрХвых(р) + Хвых(р)=КХвх(р)
2.Вынесем Хвых(р) за скобки
Хвых(р)(Тр+1)=КХвх(р)
3.Определим передаточную функцию
4.Заменим р на jω
5. Чтобы была возможность построить график АФХ необходимо разделить действительную и мнимую части, для этого избавимся от мнимости в знаменателе, умножив на сопряженное число.
W(jω)= P(ω)+jQ(ω) –АФХ
Вернемся к примеру
Ф(ω)=arctg() = arctg (-Tω)
Типовые динамические звенья
По данной теме сначала изучите 1,2 главы [1]. Затем внимательно ознакомьтесь с методическими указаниями по этой теме и разберите решение примеров.
Динамические свойства САУ описываются сложными дифференциальными уравнениями. Такую систему можно представить в виде сочетания типовых динамических звеньев. Эти звенья получили наименования: усилительное, апериодическое, интегрирующее, дифференцирующее, колебательное, апериодическое второго порядка, чистого запаздывания.
Рассмотрим примеры построения годографов АФХ этих звеньев.
1) По виду уравнения определяем, что это апериодическое звено.
2) Определяем передаточную функцию.
3) Заменим «р» на jω
4) Разделим на действительную и мнимую части.
Р(ω)= действительная часть АФХ
Q(ω)= мнимая часть АФХ
5) Задаваясь значениями ω от 0 до ∞ расчитываем значения Р(ω) и Q(ω) и строем график
| ω |
0 |
0.1 |
1 |
5 |
10 |
| Р(ω) |
10 |
8 |
0.38 |
0.02 |
0.004 |
| Q(ω) |
0 |
-4 |
-1.9 |
-0.4 |
-0.2 |
|
Вопросы для самоконтроля:
1. С какой целью выполняют преобразование Лапласа?
2. Что такое передаточная функция?
3. Какие частотные характеристики вы знаете?
4. Перечислите элементарные динамические звенья?
5. Каким образом строится годограф АФХ?
Тема 1.3 Передаточные функции соединений звеньев и систем
Студент должен
знать:
- правила эквивалентных преобразований;
уметь:
- определять передаточную функцию для любого соединения звеньев в системе;
- применять правила эквивалентных преобразований при выводе передаточной функции многоконтурной систеиы;
- преобразовывать любую многоконтурную систему в одноконтурную.
Понятие об обратной связи. Положительная и отрицательная, гибкая и жесткая обратная связь. Виды соединений звеньев: последовательное, параллельное, встречно-пареллельное ( с обратной связью). Передаточные функции соединений звеньев. Эквивалентные преобразования структурных схем систем. Передаточная функция сложных многоконтурных схем. Приведение многоконтурной системы к одноконтурной.
Практичекая работа № 3. “Получение передаточных функций сложных систем соединений звеньев. Эквивалентные преобразования”.
Литература:
[1] §2.5, §2.6
Методические указания:
По данной теме сначала изучите рекомендуемую литературу. Затем внимательно ознакомьтесь с методическими указаниями по этой теме и разберите решение примеров.
Последовательное соединение
Последовательным называют такое соединение звеньев, при котором выходная величина предыдущего звена является входной последующего.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Хвх Хвых
Передаточная функция системы: W(p)=W1
* W2
*W3
Параллельное соединение
Параллельным называется такое соединение звеньев, при котором один и тот же входной сигнал подается на вход нескольких звеньев. При этом значения выходных величин суммируются.
|
|||
|
|||
|
|||
|
|||
Передаточная функция: W(p) = W1
+ W2
+ W3
Встречно-параллельное (соединение с обратной связью)
Передаточная функция:
Положительная ОС
Отрицательная ОС
Пример: Определить передаточную функцию системы
|
; ; ; ; W6
(p) = 0.2
Вопросы для самоконтроля:
1. Как определяется передаточная функция при последовательном соединении звеньев?
2. Как определяется передаточная функция при параллельном соединении звеньев?
3. Как определяется передаточная функция при соединении с обратной связью?
4. Чем отличается отрицательная и положительная обратная связь?
Тема 1.4 Свойства объектов управления и регулирования с сосредоточенными параметрами и их определение.
Студент должен знать:
- Основные свойства ОУ и их влияние на САУ;
- Основные динамические характеристики ОУ;
- Основы построения математических моделей.
Уметь:
- составить математическую модель ОУ;
- построить кривую разгона ОУ, определит передаточную функцию.
Свойства объектов управления. Элементы, входящие в состав ОУ. Статические и динамические свойства ОУ. Кривая разгона, параметры кривой разгона.
Практическая работа № 4. «Определение параметров ОУ по кривой разгона»
Литература: [3] §7.1
Методические указания:
Свойства объектов управления, которые характеризуются или дифференциальным уравнением или кривой разгона (переходной, временной характеристиками). Определить дифференциальное уравнение можно либо аналитически, на основе законов протекающих в объекте физических процессов, либо экспериментально, путем снятия переходной характеристики и затем по ее виду определяются параметры объекта управления. Аналитический способ не всегда возможно применить, поэтому часто используют экспериментальный способ. Виды возможных кривых разгона и методики определения параметров, примеры определения приведены в [3] §7.1. Учащимся рекомендуется подробно изучить эти методики и разобраться с предложенными примерами.
Вопросы для самоконтроля:
1. С какими звеньями аппроксимируют переходные характеристики ОУ?
2. Приведите передаточную функцию статического ОУ.
3. Приведите передаточную функцию астатического ОУ.
4. Как определить передаточную функцию объекта с характеристикой высокого порядка?
Тема 1.5 Управляющие устройства (автоматические регуляторы)
Студент должен знать:
- законы регулирования;
- дифференциальные уравнения м передаточные функции идеальных и реальных регуляторов;
- принцип действия реальных регуляторов;
уметь:
- выбрать закон регулирования и рассчитать оптимальные настройки регулятора;
- сформировать любой закон регулирования;
- изобразить структурную схему для любого закона регулирования;
- разобрать принцип действия реального регулятора по принципиальной и функциональной схемам.
Линейные законы управления: пропорциональный П, интегральный И, пропорционально-интегральный ПИ, пропорционально-дифференциальный ПД, пропорционально-интегрально-дифференциальный ПИД и управляющие устройства (регуляторы) реализующие эти законы. Структурная схема идеального и реального регуляторов, передаточные функции, динамические характеристики.
Влияние параметров настройки регулятора. Пневматические регуляторы. Электрические регуляторы. Исполнительные устройства.
Практическая работа № 5 «Расчет параметров настройки регулятора.»
Лабораторная работа № 1 «Изучение устройства и принципа действия регулятора ПР3.31»
Лабораторная работа № 2 «Поверка регулятора ПР3.31»
Лабораторная работа № 3 «Настройка и поверка ПИ-регулятора системы «Старт»
Лабораторная работа № 4 «Регулирование уровня с регулятором ПР3.31»
Лабораторная работа № 5 «Изучение устройства и принципа действия регулятора ПР3.35»
Лабораторная работа № 6 «Регулирование уровня с регулятором ПР3.35»
Лабораторная работа № 7 «Регулирование давления с регулятором ПР3.31»
Лабораторная работа № 8 «Изучение устройства и принципа действия регулятора Р.25»
Лабораторная работа № 9 «Регулирование температуры с регулятором Р.25»
Лабораторная работа № 10 «Изучение устройства и принципа действия регулятора Р27»
Лабораторная работа № 11 «Поверка и настройка Р27»
Лабораторная работа № 12 «Регулирующий клапан FCV»
Лабораторная работа № 13 «Регулирующий клапан с мембранным исполнительным механизмом»
Лабораторная работа № 14 «Изучение устройства и принципа действия МЭО»
Литература:
[3] Раздел 4,5,6,7. [1] § 3.4
Методические указания:
Изучение этой темы необходимо начать с глубокого изучения законов регулирования, важно понять, как отличается действие САУ с тем или иным регулятором, каким образом влияют значения параметров настройки. Затем необходимо разобраться с принципом действия регулятора по его структурной схеме. Изучить принцип действия реальных пневматических регуляторов ПР3.31, ПР3.32, предварительно разобравшись с работой отдельных узлов этих устройств. Затем изучить принцип действия электрических регуляторов РБИ, РБА, Р25, Р27. Изучать эти регуляторы рекомендуется в предложенном порядке.
Параметры настройки регулятора можно определить несколькими способами, необходимо разобраться с методом приближенных формул, методом номограмм, методом расширенных КЧХ (АФХ) или методом максимума АЧХ. Примеры определения параметров настройки приведены в разделе 7 [3].
Вопросы для самоконтроля:
1. Приведите уравнения П,ПИ,ПД,ПИД регуляторов.
2. В САУ с какими регуляторами отсутствует статическая ошибка?
3. САУ с каким регулятором менее инерционна?
4. Объясните по ПЭС работу РБИ.
5. Какие элементы УСЭППА Вы знаете?
6. Как определить параметры настройки ПИ регулятора?
РАЗДЕЛ 2 Линейные автоматические системы управления
Тема 2.1
Передаточные функции замкнутых систем
Студент должен знать:
- общую формулу передаточной функции замкнутой системы;
- правила эквивалентных преобразований сложных систем;
- виды воздействий в САУ;
уметь:
- применять общую функцию замкнутой системы для любых воздействий;
- производить эквивалентные преобразования и определять передаточную функцию сложных систем.
Передаточные функции замкнутых систем управления по каналу управления, по внешнему возмущению и по возмущению задания.
Правила эквивалентных преобразований для получения передаточных функций сложных систем с различными перекрестными связями.
Литература:
[1] § 2.6. [3] §2.2 стр. 43-48.
Методические указания:
Этот материал является продолжением темы 1.3, следовательно, предварительно необходимо повторить эту тему. Затем внимательно изучить теоретический материал и разобрать предложенные примеры преобразований структурных схем.
Вопросы для самоконтроля:
1. Каким образом определить передаточную функцию замкнутой САУ по каналу возмущения?
2. Каким образом определить передаточную функцию замкнутой САУ по внешнему возмущению?
3. Каким образом определить передаточную функцию замкнутой САУ по возмущению задания?
Тема 2.2 Устойчивость автоматических систем регулирования и управления
Студент должен знать:
- методы определения устойчивости по алгебраическим и частотным критериям;
уметь:
- определить устойчивость системы по различным критериям;
- выполнять расчеты по определению устойчивости систем.
Понятие устойчивости системы и анализ устойчивости методом Ляпунова. Определение устойчивости по критериям Гурвица, Михайлова, Найквиста.
Литература:
[1] § 2.8, [3] § 2.2 стр. 48-52
Методические указания:
Основная задача автоматического регулирования и управления заключается в поддержании регулируемого параметра на заданном значении. Этому препятствует неизбежное во всякой системе наличие возмущений. Если система после устранения возмущения возвращается в состояние равновесия, то это устойчивая система. Главное требование к САУ – система должна быть устойчивой. Существует несколько способов определения устойчивости. Рекомендуется изучить предложенную литературу, а затем рассмотреть примеры.
Пример: Определить устойчивость по критерию Гурвица
Решение: Характеристическое уравнение
0.01р3
+ 0.17р2
+ 0.8р + 17 = 0
в соответствии с общим видом а0
р3
+ а1
р2
+ а2
р +а3
=0
Главный определитель Гурвица
Вывод: Система устойчива.
Пример: Исследовать на устойчивость по критерию Михайлова систему, характеристическое уравнение которой имеет вид.
0.0014р4
+ 0.022р3
+ 0.7р2
+ 1.6р +5=0
Решение:
Годограф Михайлова: F(jω) = 0.014(jω)4
+ 0.022(jω)3
+ 0.7(jω)2
+1.6jω +5 = 0.014ω4
–
-0.022jω3
- 0.7ω2
+1.6jω +5 =(0.0014ω4
- 0.7ω2
+5)+j(1.6ω-0.22ω3
)
| ω |
0 |
1 |
5 |
10 |
30 |
| P(ω) |
5 |
4.3 |
-11.6 |
-51 |
519 |
| Q(ω) |
0 |
1.6 |
5.2 |
-6 |
-545 |
Т.к. п
=4 и годограф проходит последовательно, против часовой стрелки 4 четверти – система устойчива.
Пример: Определить устойчивость по критерию Найквиста.
Пусть структурная схема системы имеет вид
W(p) разомкнутой системы:
АФХ разомкнутой системы:
| ω |
1 |
10 |
30 |
100 |
| Р(ω) |
9.3 |
-1.75 |
-0.48 |
-0.007 |
| Q(ω) |
-2.9 |
-3 |
0.13 |
0.016 |
Q(ω)
- 1 P(ω)
Тема 2.2 Качество САУ
Студент должен знать:
- основные показатели качества;
- методы оценки качества процесса регулирования;
уметь:
- применять методы оценки качества при выполнении расчетов;
- исследовать качество процесса регулирования на ЭВМ.
Основные показатели качества. Типовые переходные процессы регулирования. Построение переходных процессов по заданным передаточным функциям замкнутых систем. Оценка качества регулирования по корням характеристического уравнения. Степень устойчивости и степень колебательности. Частотные методы анализа качества по вещественной частотной характеристике замкнутой САУ, построение переходного процесса методом трапеций.
Практическая работа №7. «Определение точности работы системы в установившемся состоянии. Оценка качества САУ.»
Литература:
[1] §2.9, [2] глава§ 12 5.
Методические указания:
К каждой САУ предъявляется требование по качеству управления или регулирования. Качество определяется показателями качества: время регулирования, перерегулирование, колебательность, степень затухания, статическая ошибка, показатель колебательности.
Построение переходной процесса по действительной частотной характеристике САУ (метод трапеций).
W(jw)=P(w) + jQ(w)
P(w) – действительная частотная характеристика.(рис.1)
1. Разбиваем ДЧХ на трапеции, так чтобы две стороны каждой трапеции были параллельны оси w, третья совпадала с осью Р.
2. Определяем для каждой трапеции w0
,wd
и h0
.
3. Вычисляем для каждой трапеции c= (рис.2)
4. По значению c находим по таблице значения hc
функций, задаваясь значениями t, для каждой трапеции.
5. Рассчитываем t для каждой трапеции
6. Строим графики переходных процессов для каждой трапеции в одних координатах (рис 3).
7. Складывая ординаты с учетом знака, строим график переходного процесса (рис.3).
Р
w
рисунок 1
P
wd
w0
w
рисунок 2
h
t
рисунок 3
Вопросы для самоконтроля:
1. Какие показатели качества Вы знаете?
2. Как оценить качество по корням характеристического уравнения?
3. Что такое степень устойчивости и степень колебательности?
4. В чем заключается метод трапеций?
5. Как построить график переходного процесса?
6.
Тема 2.4 Коррекция линейных САУ
Студент должен знать:
- меры применяемые для улучшения процесса вправления;
- как изменяются характеристики при введении корректирующих звеньев;
уметь:
- составлять схемы включения корректирующих звеньев;
- рассчитывать параметры корректирующих звеньев.
Основные меры, применяемые для улучшения процессов управления. Введение корректирующих звеньев и их влияние на точность и качество регулирования. Последовательная и параллельная коррекция, ОС, их особенности и способы применения. Передаточные функции соединений и звеньев при введении корректирующих устройств. Активные и пассивные корректирующие звенья. Корректирующие ОС.
Практическая работа №8 «Составление и расчет параметров схемы включения корректирующих звеньев»
Литература:
[4]§7-1 – §7-6.
Методические указания:
При изучении этой темы особое внимание нужно обратить на виды корректирующих звеньев. Нужно изучить способы включения корректирующих звеньев, их влияние на качество регулирования.
Вопросы для самоконтроля:
1. С какой целью в САУ включают корректирующие звенья?
2. Какие способы включения корректирующих звеньев Вы знаете?
3. Чем отличается жесткая ОС от гибкой?
4. Классификация корректирующих звеньев по динамическим свойствам.
РАЗДЕЛ 3 ДИСКРЕТНЫЕ САУ
Тема 3.1 Основные понятия и определения дискретных САУ.
Студент должен знать:
- формы квантования непрерывных сигналов;
- основные понятия, определения, классификацию дискретных систем;
Основные определения. Классификация. Структурная схема. Понятие о дискретном преобразовании Лапласа и математические основы теории дискретных систем. Решетчатая функция и ее изображение.
Тема 3.2 Анализ дискретных САУ
Студент должен знать:
- методы определения устойчивости и качества переходных процессов;
- физический смысл бесконечной степени устойчивости;
уметь:
- определять устойчивость систем по расположению корней характеристического уравнения и с помощью годогрофов частотных характеристик.
Уравнения дискретных САУ. Применение принципа суперпозиции при исследовании дискретных САУ. Расчленение на дискретную и линейную части. Определение временной и частотной характеристик линейной части при подачи на нее импульсов.
Передаточные функции дискретных САУ. Определение передаточной функции разомкнутой системы через передаточную функцию линейной части. Методы анализа устойчивости. Понятие о качестве переходных процессов.
Практическая работа № 9 «Определение устойчивости дискретных систем по расположению корней характеристического уравнения и с помощью годографов частотных характеристик»
Литература:
[3]§2.3,[4]§11,12.
Методические указания:
Следует внимательно изучить математические основы теории дискретных систем. Необходимо изучить виды квантования и классификацию дискретных систем в зависимости от вида квантования. Важно уметь определять передаточную функцию дискретных САУ, анализировать систему на устойчивость.
Вопросы для самоконтроля:
1. Какие системы называют дискретными?
2. По каким признакам классифицируются дискретные системы?
3. Уравнения дискретных САУ?
4. Что такое решетчатая функция?
5. Какие методы анализа дискретных САУ Вы знаете?
6. Как определить передаточную функцию дискретной САУ?
РАЗДЕЛ 4 НЕЛИНЕЙНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
Тема 4.1 Основные понятия о нелинейных системах и методы их исследования
Студент должен знать:
- статические характеристики типичных нелинейностей;
- структурные схемы нелинейных систем и особенности структурных преобразований.
Статические характеристики типовых нелинейностей. Статические и динамические нелинейности. Нелинейные САУ и их структурные схемы. Нелинейности в ОУ и УУ. Особенности преобразования структурных схем.
Тема 4.2 Устойчивость нелинейных систем
Студент должен знать:
- методы анализа нелинейных систем и их особенности;
уметь:
- рассчитать нелинейную систему.
Исследование нелинейных систем методом фазовой плоскости. Затухающие процессы в устойчивой системе. Расходящийся и гармонический переходный процесс. Периодические режимы. Равновесие по Ляпунову. Исследование нелинейных систем методом гармонической линеаризации.
Практическая работа №10 « Анализ и расчет параметров нелинейных систем»
Тема 4.3 Релейные САУ
Студент должен знать:
- позиционные регуляторы и их характеристики;
- графики переходных процессов для двух и трех позиционного регулирования.
Релейные САУ. Регуляторы с постоянной скоростью исполнительного механизма. Позиционные регуляторы (Пз). Переходные процессы в системах с Пз-регуляторами. Скользящий режим работы релейных систем.
Литература:
[3] §2.4,[4] глава 8, 9,10
Методические указания:
Тема требует серьезных знаний математики. Изучать материал нужно последовательно, внимательно рассматривая предлагаемые примеры. Особо следует обратить внимание на математическое обеспечение теории нелинейных систем.
Вопросы для самоконтроля:
1. Что такое статическая характеристика нелинейной САУ?
2. Каким образом преобразуют структурные схемы нелинейных систем?
3. В чем смысл исследования систем методом фазовой плоскости?
4. Что определяют при исследовании систем методом гармонической линеаризации?
5. Какие системы называют релейными?
6. Принцип действия Пз-регулятора.
РАЗДЕЛ 5 ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ АУ ПРИ СЛУЧАЙНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ
Тема 5.1 Основные понятия и формы случайных процессов
Студент должен знать:
- основные законы и определения;
- законы распределения вероятности;
- связь случайных величин;
уметь:
- определять математическое ожидание, дисперсию, среднеквадратическое отклонение, плотность, функцию вероятности. Исследовать корреляцию.
Случайные величины – непрерывные и дискретные. Характеристики случайных величин: вероятность, математическое ожидание, дисперсия, среднеквадратическое отклонение. Законы распределения вероятности. Плотность вероятности. Случайные процессы. Связь случайных величин, корреляция.
Практическая работа №11 Расчет числовых характеристик случайных величин»
Тема 5.2 Случайные процессы в линейных и нелинейных САУ
Студент должен знать:
- методы изучения случайных процессов в линейных и нелинейных САУ.
Исследование САУ при случайных воздействиях. Постановка задачи синтеза. Прохождение случайного процесса через линейную систему. Помеха и полезный сигнал. Структурные схемы регулирования и эквивалентные схемы, им соответствующие. Прохождение случайного процесса через нелинейную систему.
Литература:
[3] §1.6
Методические указания:
Изучение этой темы необходимо начать с глубокого изучения основных положений теории вероятности, важно понять, как отличается действие САУ при том или ином случайном воздействии, каким образом влияют значения параметров настройки. Научиться определять математическое ожидание, дисперсию, среднеквадратическое отклонение, плотность, функцию вероятности. Исследовать корреляцию.
Вопросы для самоконтроля:
1. Что такое случайная величина?
2. Чем отличаются непрерывные и дискретные величины?
3. Дайте характеристики случайных величин: вероятность, математическое ожидание, дисперсия, среднеквадратическое отклонение.
4. В чем заключаются методы изучения случайных процессов в линейных и нелинейных САУ?
5. Закон распределения вероятности.
РАЗДЕЛ 6 ОПТИМАЛЬНЫЕ САУ
Тема 6.1Статистические методы анализа и синтеза оптимальных САУ
Студент должен:
Знать:
- метод наименьших квадратов;
- метод построения моделей АУ;
- общие задачи управления;
- методы оптимизации.
Уметь:
- рассчитать параметры уравнения регрессии;
- строить линию регрессии;
Экспериментально-статистические методы построения модели объекта. Линия регрессии. Динамические модели. Критерии оптимальности.
Тема 6.2 Самонастраивающиеся САУ
Студент должен знать:
- взаимосвязь между режимами работы и динамическими и статическими характеристиками.
Виды систем управления. Чувствительность САУ. Системы настраивающиеся по характеристикам объекта. Самонастраивающиеся системы с эталонной моделью и программные самонастраивающиеся системы. Схемы, структуры. Достоинства, недостатки.
Литература:
[4] глава 14.
Методические указания:
Материал следует изучать последовательно, разбирая предлагаемые примеры. Можно этот материал изучать по книгам других авторов.
Вопросы для самоконтроля:
1. Объясните метод наименьших квадратов.
2. Объясните метод построения моделей.
3. Назовите критерии оптимального управления.
4. Каким образом рассчитываются параметры уравнения регрессии?
5. Объясните методы изучения случайных процессов в линейных и нелинейных САУ.
6. Объясните взаимосвязь между режимами работы и динамическими и статическими характеристиками.
РАЗДЕЛ 7. МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА
Тема 7.1 Микропроцессорные системы
Студент должен:
Знать:
- основы алгоритмических языков;
- современные МП управляющие устройства (регуляторы).
Устройства программного управления, алгоритмы управления и программное обеспечение. Приборы регулирующие микропроцессорные «Протар», «Теплар». Управляющие микро-ЭВМ. Промышленные МП контроллеры (МПК).
Лабораторная работа №15 «Изучение устройства, методов настройки и программирования регулятора «Протар»
Лабораторная работа № 16 «Регулирование уровня с регулятором «Протар»
Лабораторная работа № 17 «Регулироввание давления с регулятором «Протар»
Лабораторная работа №18 «Изучение устройства и методов настройки регулятора «Теплар»
Лабораторная работа №19 «Регулирование темпратуры с регулятором «Теплар»
Литература:
Техническое описание МП устройств.
Методические указания:
Современная автоматизация с каждым днем все больше ориентируется на микропроцессорную технику. Издание учебников отстает от развития МП средств, поэтому эти устройства рекомендуется изучать по паспортам и техническим описаниям этих устройств.
Вопросы для самоконтроля:
1. Какие ВЫ знаете устройства программного управления?
2. В чем особенности этих устройств?
3. Какие МП системы или приборы используются на вашем предприятии?
4. Что такое МП контроллер?
5. Принцип действия МП регуляторов.
Примерная тематика обзорных лекций
(для
| Тематика обзорных лекций |
Кол-во аудиторных часов |
| РАЗДЕЛ 1 Статика и динамика элементов САУ
|
16
|
| Тема 1.1 Основные понятия о САУ и САР
|
4
|
| Основные определения. Разомкнутые и замкнутые САУ, принципы действия и структурные схемы САУ. |
2 |
| Классификация САУ. Требования, предъявляемые к САУ. Статическая характеристика |
2 |
| Тема 1.2 Типовые элементарные звенья. Свойства и характеристики звеньев и систем.
|
8
|
| Динамические характеристики. Преобразование Лапласа. Передаточная функция. Частотные характеристики |
2 |
| Типовые динамические звенья |
2 |
| Виды соединений звеньев |
2 |
| Свойства ОУ. Динамические характеристики ОУ. |
2 |
| Тема 1.5 Управляющие устройства
|
4
|
| Линейные законы управления: П, И, ПИ, ПД, ПИД |
2 |
| Структурная схема идеального и реального регуляторов. Расчет параметров настройки. |
2 |
| РАЗДЕЛ 2 Линейные САУ
|
6
|
| Устойчивость САУ. Критерии устойчивости |
2 |
| Качество САУ. Основные показатели. Построение переходных процессов. Оценка качества. |
2 |
| Коррекция линейных САУ |
2 |
| РАЗДЕЛ 3 Дискретные системы управления
|
4
|
| Основные понятия и определения дискретных САУ. |
2 |
| Анализ дискретных САУ. Передаточные функции. Устойчивость и качество. |
2 |
| РАЗДЕЛ 4 Нелинейные САУ
|
4
|
| Основные определения. Устойчивость нелинейных САУ. |
2 |
| Релейные САУ |
2 |
| РАЗДЕЛ 5 Исследование САУ при случайных воздействиях
|
4
|
| Основные понятия и формы случайных процессов. Случайные процессы в линейных и нелинейных системах |
2 |
| Оптимальные САУ |
2 |
| Итого:
|
3
|
Примерная тематика лабораторных и практических работ
| Номер темы |
Номер и наименование работы (занятия) |
Кол-во аудит. ч |
| 1.5 |
Изучение устройства и принципа действия регулятора ПР3.31 |
2 |
| 1.5 |
Настройка и поверка ПИ-регулятора |
2 |
| 1.5 |
Регулирование уровня с регулятором ПР3.31 |
2 |
| 1.5 |
Изучение устройства и принципа действия регулятора Р.25 |
2 |
| 1.5 |
Регулирование температуры с регулятором Р.25 |
2 |
| 1.5 |
Изучение устройства и принципа действия регулятора Р.27 |
2 |
| 7.1 |
Изучение устройства и регулирование уровня с регулятором «Протар» |
2 |
| 7.1 |
Изучение устройства и регулирование температуры регулятора «Теплар» |
2 |
ЗАДАНИЯ ДЛЯ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ
Общие указания.
Каждая работа выполняется в отдельной тетради. Следует пронумеровать страницы и оставить поля не менее 3 см для замечаний преподавателя.
На обложке тетради должен быть приклеен титульный лист утвержденного образца.
Работа должна выполняться чернилами одного цвета, аккуратно и разборчиво.
Каждую задачу следует начинать с нового листа.
Условия задач должны быть переписаны полностью.
Решения задач должны сопровождаться краткими, но достаточно обоснованными пояснениями, используемые формулы нужно выписывать.
Чертежи следует выполнять карандашом с использованием чертежных инструментов.
В конце работы следует указать литературу, которой Вы пользовались.
Работа, выполненная не по своему варианту, не учитывается.
Учащиеся, не имеющие зачета по контрольной работе, к экзамену не допускаются.
Контрольная работа имеет 100 вариантов. Вариант работы выбирают по двум последним цифрам шифра. Например, студенты, имеющие шифры 23, 117, 300, выполняют варианты 23, 17, 00,соответственно.
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 1
1. Найти частотные характеристики системы.
1.
2.
3.
4. Т1
Хвых
+
5. ++Т3
Хвых
=кХвх
6. +Т2
Хвых
=к
7.
8. =кХвх
9. +Т2
Хвых
=кХвх
10. Т1
+ Хвых
=к
2.Определить вид звена. Построить АФХ.
1.
2.
3. 0.02= Хвх
4. 6+ 5+ Хвых
= 2Хвх
5. 0.02+Хвых
= Хвх
6. Хвых
= 17
7. 5 + Хвых
= 3Хвх
8. Хвых
=
9. 0.04+ 0.1+Хвых
= 3Хвх
10. 7+ Хвых
= 2Хвх
3.Определить передаточную функцию системы.
|
Хвх Хвых
1.
2.
3.
4.
5.
|
|
|
|
Хвх Хвых
6.
7.
8.
9.
10.
4.Исследовать на устойчивость систему задания 3.
1. По критерию Гурвица.
2. По критерию Михайлова.
3. По критерию Найквиста.
5.Устройство и работа:
1. Регулятор ПР1.5
2. Устройство ПФ2.1
3. Регулятор ПР2.8
4. Регулятор ПР3.31
5. Регулятор ПР3.35
6. Регулирующий блок РБИ.
7. Регулирующий блок РБА.
8. Регулирующий блок Р.21
9. Регулятор Р.25
10. Регулятор «Протар»
Контрольная работа № 2
1. Определить передаточную функцию объекта управления по экспериментально снятой переходной характеристике.
Рис.1 рис.2 рис.3
1. h=10, рис.1
2. h=10, рис.2
3. h=10, рис.3
4. h=5, рис.1
5. h=5, рис.2
6. h=5,рис.3
7. h=3,рис.1
8. h=3,рис.2
9. h=3,рис.3
10. h=4, рис.1
2. Для объекта управления по заданию 1, рассчитать параметры настройки регулятора (закон регулирования согласно варианта) методом приближенных формул.
1,4,7,10 - ПИД –закон регулироввания.
2,5,8 - ПИ – закон регулирования.
3,6,9 - П – закон регулирования.
3.Построить график переходного процесса для САУ, передаточная функция которой:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
4.Определить показатели качества САУ по графику переходного процесса, построенного в задании 3.
5.Ответить на вопрос.
1. Каким образом определить передаточную функцию замкнутой САУ по каналу возмущения?
2. Как оценить качество по корням характеристического уравнения?
3. С какой целью в САУ включают корректирующие звенья?
Какие способы включения корректирующих звеньев Вы знаете?
4. Какие системы называют дискретными?
5. По каким признакам классифицируются дискретные системы?
6. Дайте характеристики случайных величин: вероятность, математическое ожидание, дисперсия, среднеквадратическое отклонение.
7. Что такое статическая характеристика нелинейной САУ?
8. Каким образом преобразуют структурные схемы нелинейных систем?
9. Какие системы называют релейными?
10. Объясните метод наименьших квадратов.
Таблица соответствия заданий и вариантов
| Задание |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
| Вариант |
|||||
| 1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
| 2 |
2 |
2 |
2 |
2 |
2 |
| 3 |
3 |
3 |
3 |
3 |
3 |
| 4 |
4 |
4 |
4 |
4 |
4 |
| 5 |
5 |
5 |
5 |
5 |
5 |
| 6 |
6 |
6 |
6 |
6 |
6 |
| 7 |
7 |
7 |
7 |
7 |
7 |
| 8 |
8 |
8 |
8 |
8 |
8 |
| 9 |
9 |
9 |
9 |
9 |
9 |
| 10 |
10 |
10 |
10 |
10 |
10 |
| 11 |
1 |
2 |
4 |
2 |
1 |
| 12 |
2 |
3 |
5 |
3 |
2 |
| 13 |
3 |
4 |
1 |
1 |
3 |
| 14 |
4 |
5 |
3 |
2 |
1 |
| 15 |
5 |
6 |
2 |
3 |
4 |
| 16 |
6 |
7 |
3 |
1 |
5 |
| 17 |
7 |
8 |
4 |
2 |
1 |
| 18 |
8 |
9 |
5 |
3 |
2 |
| 19 |
9 |
10 |
1 |
1 |
3 |
| 20 |
10 |
2 |
4 |
2 |
3 |
| 21 |
1 |
3 |
2 |
3 |
3 |
| 22 |
2 |
4 |
3 |
1 |
2 |
| 23 |
3 |
5 |
4 |
2 |
2 |
| 24 |
4 |
6 |
3 |
3 |
1 |
| 25 |
5 |
7 |
4 |
1 |
2 |
| 26 |
6 |
8 |
5 |
2 |
3 |
| 27 |
7 |
9 |
6 |
3 |
4 |
| 28 |
8 |
10 |
7 |
1 |
5 |
| 29 |
9 |
1 |
8 |
2 |
6 |
| 30 |
10 |
2 |
9 |
3 |
7 |
| 31 |
1 |
3 |
10 |
1 |
8 |
| 32 |
2 |
4 |
1 |
2 |
9 |
| 33 |
3 |
5 |
2 |
3 |
10 |
| 34 |
4 |
6 |
3 |
1 |
1 |
| 35 |
5 |
7 |
4 |
2 |
2 |
| 36 |
6 |
8 |
5 |
3 |
3 |
| 37 |
7 |
9 |
6 |
1 |
4 |
| 38 |
8 |
10 |
7 |
2 |
5 |
| 39 |
9 |
1 |
8 |
3 |
6 |
| 40 |
10 |
2 |
9 |
1 |
7 |
| 41 |
1 |
3 |
10 |
2 |
8 |
| 42 |
2 |
4 |
1 |
3 |
9 |
| 43 |
3 |
5 |
2 |
1 |
10 |
| 44 |
4 |
6 |
3 |
2 |
1 |
| 45 |
5 |
7 |
4 |
3 |
2 |
| 46 |
6 |
8 |
5 |
1 |
3 |
| 47 |
7 |
9 |
6 |
2 |
4 |
| 48 |
8 |
10 |
7 |
3 |
5 |
| 49 |
9 |
1 |
8 |
1 |
6 |
| 50 |
10 |
2 |
9 |
2 |
7 |
| 51 |
1 |
3 |
10 |
3 |
8 |
| 52 |
2 |
4 |
1 |
1 |
9 |
| 53 |
3 |
5 |
2 |
2 |
10 |
| 54 |
4 |
6 |
3 |
3 |
1 |
| 55 |
5 |
7 |
4 |
1 |
2 |
| 56 |
6 |
8 |
5 |
2 |
3 |
| 57 |
7 |
9 |
6 |
3 |
4 |
| 58 |
8 |
10 |
7 |
1 |
5 |
| 59 |
9 |
1 |
8 |
2 |
6 |
| 60 |
10 |
2 |
9 |
3 |
7 |
| 61 |
1 |
3 |
10 |
1 |
8 |
| 62 |
2 |
4 |
1 |
2 |
9 |
| 63 |
3 |
5 |
2 |
3 |
10 |
| 64 |
4 |
6 |
3 |
1 |
1 |
| 65 |
5 |
7 |
4 |
2 |
2 |
| 66 |
6 |
8 |
5 |
3 |
3 |
| 67 |
7 |
9 |
6 |
1 |
4 |
| 68 |
8 |
10 |
7 |
2 |
5 |
| 69 |
9 |
1 |
8 |
3 |
6 |
| 70 |
10 |
2 |
9 |
1 |
7 |
| 71 |
1 |
3 |
10 |
2 |
8 |
| 72 |
2 |
4 |
1 |
3 |
9 |
| 73 |
3 |
5 |
2 |
1 |
10 |
| 74 |
4 |
6 |
3 |
2 |
1 |
| 75 |
5 |
7 |
4 |
3 |
2 |
| 76 |
6 |
8 |
5 |
1 |
3 |
| 77 |
7 |
9 |
6 |
2 |
4 |
| 78 |
8 |
10 |
7 |
3 |
5 |
| 79 |
9 |
1 |
8 |
1 |
6 |
| 80 |
10 |
2 |
9 |
2 |
7 |
| 81 |
1 |
3 |
10 |
3 |
8 |
| 82 |
2 |
4 |
1 |
1 |
9 |
| 83 |
3 |
5 |
2 |
2 |
10 |
| 84 |
4 |
6 |
3 |
3 |
1 |
| 85 |
5 |
7 |
4 |
1 |
2 |
| 86 |
6 |
8 |
5 |
2 |
3 |
| 87 |
7 |
9 |
6 |
3 |
4 |
| 88 |
8 |
10 |
7 |
1 |
5 |
| 89 |
9 |
1 |
8 |
2 |
6 |
| 90 |
10 |
2 |
9 |
3 |
7 |
| 91 |
1 |
3 |
10 |
1 |
8 |
| 92 |
2 |
4 |
1 |
2 |
9 |
| 93 |
3 |
5 |
2 |
3 |
10 |
| 94 |
4 |
6 |
3 |
1 |
1 |
| 95 |
5 |
7 |
4 |
2 |
2 |
| 96 |
6 |
8 |
5 |
3 |
3 |
| 97 |
7 |
9 |
6 |
1 |
4 |
| 98 |
8 |
10 |
7 |
2 |
5 |
| 99 |
9 |
1 |
8 |
3 |
6 |
| 100 |
10 |
2 |
9 |
1 |
7 |
Электронная версия предоставлена сайтом http://nnt-6az-99.narod.ru