МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

О.В. ПОГОДИЦКИЙ, Н.А. МАЛЁВ

РАСЧЕТ И ИССЛЕДОВАНИЕ

ЦИФРО-АНАЛОГОВОЙ

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Лабораторный практикум по дисциплине

«Цифровые системы управления»

Казань 2008

УДК 681.511

ББК 32.965.6

П43

Рецензенты:

кандидат технических наук, профессор Казанского высшего артиллерийского училища Варенов А.А.

кандидат физико-математических наук, доцент Казанского государственного энергетического университета Зенцов В.П.

	Погодицкий О.В., Малёв Н.А.
П43	Расчет и исследование цифро-аналоговой системы управления: Лабораторный практикум / О.В. Погодицкий, Н.А. Малев. – Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2008. – 123 с.
	Лабораторный практикум предназначен для выполнения типовых расчетов, курсовых проектов и выпускных квалификационных работ по дисциплинам «Цифровые системы управления», «Системы управления электроприводов», «Системы управления бытовой техники». Рассмотрены лабораторные работы по выбору и расчету двигателя постоянного тока, синтезу цифрового регулятора скорости для настройки контура скорости на оптимум по модулю и синтезу цифрового регулятора положения по заданным требованиям к точности и колебательности процесса управления электроприводом. Лабораторный практикум предназначен для студентов старших курсов, магистрантов, аспирантов и преподавателей технических вузов, специализирующихся по направлению 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии». Материалы лабораторных работ № 1, 2 выполнены Гарнышовой Е. В.

УДК 681.511

ББК 32.965.6

 Казанский государственный энергетический университет, 2008

Введение

Процесс обучения по дисциплинам «Цифровые системы управления», «Системы управления электроприводов», «Системы управления бытовой техники» в соответствии с государственным образовательным стандартом предполагает формирование у студентов умений по применению информационных технологий для решения задач анализа и синтеза аналоговых и цифровых регуляторов, обеспечивающих требуемое качество управления. Поэтому характерной особенностью лабораторного практикума является то, что в каждой лабораторной работе имеется раздел, знакомящий студента с применением среды MatLab для анализа и синтеза проектируемой системы. С целью усиления прикладной направленности материала в лабораторном практикуме сформулированы и реализованы фундаментальные принципы и понятия теории автоматического управления в том виде, как они применяются для анализа и синтеза систем управления во временной и частотной областях.

В теоретической части лабораторной работы № 1 по выбору и расчету элементов непрерывной части цифро-аналоговой системы управления (ЦАСУ) приведена структурная электрокинематическая схема цифро-аналогового следящего позиционного электропривода с описанием ее состава и принципа действия, дана система исходных данных. Рассмотрены динамические свойства двигателя постоянного тока с якорным управлением, показана методика расчета параметров передаточной функции двигателя, на основании которой получена структурная схема динамической модели (ССДМ) двигателя.

Практическая часть работы посвящена выбору и расчету ССДМ двигателя согласно сформулированной методике, моделированию двигателя и анализу полученных графиков.

Поскольку, современные электроприводы проектируются по принципу систем подчиненного регулирования, то для обеспечения требуемых показателей качества используются методы последовательной коррекции под названием «стандартные настройки». Данным методам посвящена теоретическая часть лабораторной работы № 2 по оптимизации контура скорости.

Так как рассматриваемая ЦАСУ является двухконтурной и не имеет контура тока, то в контуре скорости реализована стандартная настройка на оптимум по модулю. Для обеспечения данной настройки в практической части производится синтез пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора скорости (ПИД-регулятора). Для подтверждения правильности синтеза ПИД-регулятора проводится моделирование оптимизированного контура скорости во временной и частотной областях.

В лабораторной работе № 3 осуществлена программная реализация цифрового регулятора скорости и моделирование контура скорости. В теоретической части работы даны понятия о методе пространства состояний, о структурных схемах программирования цифровых систем управления, а также о -преобразовании, позволяющем анализировать устойчивость и качество цифровых систем в псевдочастотной области.

Целью практической части работы является дискретная аппроксимация передаточной функции ПИД-регулятора скорости в z-форме с применением формулы трапеций и получением алгоритма работы в виде разностных уравнений методом непосредственного программирования. Моделирование цифро-аналогового контура скорости производится во временной и псевдочастотной областях. Далее проводится сравнение полученных результатов моделирования и показателей качества процессов управления аналогового контура скорости, рассчитанного в лабораторной работе № 2.

Теоретическая часть лабораторной работы № 4 посвящена синтезу регулятора положения для систем с астатизмом первого и второго порядка с применением логарифмических частотных характеристик на основе критерия динамической точности системы при воспроизведении задающего гармонического воздействия.

В практической части работы производится синтез аналогового регулятора положения графоаналитическим методом для систем с астатизмом первого и второго порядка. Также показан порядок анализа результатов моделирования с целью сравнения полученных показателей качества переходных процессов и установившихся ошибок с системой исходных данных, приведенной в лабораторной работе № 1.

Целью лабораторной работы № 5 по программной реализации регулятора положения является проведение исследования качества процесса управления применительно к цифро-аналоговым системам с регуляторами положения, синтезированными двумя способами – аналитическим и графоаналитическим. Обоснованию и методике реализации этих способов посвящена теоретическая часть работы.

В практической части производится синтез регуляторов положения для систем с астатизмом второго и первого порядка аналитическим и графоаналитическим способами, дискретная аппроксимация регуляторов положения и получение алгоритмов работы с применением метода непосредственного программирования, а также сравнительное моделирование двух цифро-аналоговых позиционных следящих электроприводов с цифровыми регуляторами положения.

Материалы лабораторного практикума изложены с применением так называемого «сквозного» решения задачи от первой до последней лабораторной работы. Данный подход призван обеспечить способность студентов к саморазвитию, анализу полученных результатов, формулировке выводов и заключений что, в свою очередь, позволяет сформировать необходимые умения использования информационных технологий на этапе выполнения курсовых проектов и выпускных квалификационных работ.

По мнению авторов, лабораторный практикум является важной составляющей учебно-методической литературы, которая носит строго прикладной характер. В лабораторном практикуме отражены требования государственного образовательного стандарта, определены тенденции, отражающие направление развития инновационного образовательного процесса в рамках педагогического проектирования, которые касаются интеллектуальной насыщенности современных цифровых систем управления.