Методические указания по самостоятельному изучению курса в соответствии с темами обзорных лекций

Учебным планом Института дистанционного обучения предусмотрено по курсу:

Обзорных лекций - 8 часов.

Весь предусмотренный лекционный материал включен в следующие тематические обзорные лекции:

1. Разделы 2.1.1, 2.1.2, 2.1.3 - Общая характеристика контура систем автоматического управления - 2 часа;

В этом тематическом разделе, при изучении рекомендованной основной литературы, следует четко уяснить понятия: контур управления, обратная связь, управляющее устройство, объект управления и элемент управления, Следует также усвоить функциональное назначение каждого из перечисленных элементов (блоков)системы. Особое внимание следует уделить изучению основных законов управления.

Вопросы для самопроверки:

• Какие основные вопросы рассматриваются в курсе ТАУ (УТС)

• Что понимается под контуром управления

• Поясните понятия: объект управления, входное воздействие, управляющее воздействие, выходная величина, ошибка управления, закон управления и др.

• В чем заключается отличие линейной системы от нелинейной

• Каковы тенденции развития систем автоматического управления

• Каково функциональное отличие традиционных систем от систем в контуре управления которой включен микропроцессор ( контроллер)

2. Раздел 2.1.4 - Методы описания систем автоматического управления - 2 часа;

В объединенной обзорной лекции включен весь материал, применяемый при математическом описании контура автоматического управления. Особое внимание при самостоятельном изучении этого раздела следует обращать не на физические явления или закономерности поведения указанных блоков системы (объект управления, управляющее устройство и др.), а на математическую форму описания работы этого устройства. Так если весь контур будет описан с помощью дифференциальных уравнений, то для дальнейшего их анализа потребуется представить их либо в виде одного общего линейного уравнения n-ого порядка, либо в виде системы уравнений первого порядка или в виде некоторой упорядоченной системы уравнений, каждое из которых характеризует один из блоков контура. Другой способ описания элементов контура управления - с помощью передаточных функций. Следует помнить, что в инженерной практике практически никогда не приходится, производить операции самого преобразования Лапласа или обратное преобразование. В основном используется только несколько важнейших свойств, поэтому, используя упорядоченные дифференциальные уравнения, можно формально перейти к передаточным функциям и обратно. Рекомендуется также усвоить правила преобразования структурных схем. Важным условием, которым следует руководствоваться при анализе системы и преобразовании заданной структуры, является нахождение такой структуры, при которой посредством эквивалентных преобразований все звенья контура при его размыкании представляли бы цепочку последовательно соединенных звеньев.

Следующий способ описания, который следует изучить особо - описание с помощью характеристик. При самостоятельном изучении следует четко усвоить, как определить экспериментально любую характеристику системы и как найти ее теоретически, используя передаточные функции или дифференциальные уравнения звена или системы в целом.

Вопросы для самопроверки:

• Как найти характеристический полином замкнутой линейной системы.

• Как экспериментально определить частотную характеристику системы или отдельного звена

• В каких координатах изображается амплитудно-фазовая частотная характеристика.

• Как определить логарифмические характеристики системы (звена) если задана передаточная функция или дифференциальное уравнения.

• Как построить суммарную логарифмическую характеристику разомкнутой системы, если заданы передаточные функции всех звеньев, соединенных последовательно.

3. Разделы 2.1.5 и 2.1.6 - Устойчивость и качество систем автоматического управления - 2 часа;

Данная тематическая лекция объединяет три важных для анализа свойств реальной системы понятия: устойчивость точность и быстродействие. Два последних, рассмотрены в предыдущих темах и достаточно тривиальны. Действительно, исходя, из общего представления о назначении контура управления следует, что текущая ошибка должна быть минимальна при любых допустимых скоростях изменения входной величины. Применяя правило преобразования структурной схемы с обратной связью можно показать, что увеличение коэффициента усиления можно существенно уменьшить ошибку и, соответственно, увеличить точность системы. В предыдущем тематическом разделе при построении логарифмических частотных характеристик введено понятие полосы пропускания частот и рассмотрена связь быстродействия и полосы пропускания системы.

Рекомендуется ознакомиться с историческим очерком развития теории автоматического управления, например [8], чтобы выяснить, сколь важно иметь устойчивую систему автоматического управления. Особое внимание следует обратить на такие понятия, как необходимые и достаточные условия устойчивости замкнутой системы и на критерии устойчивости, с использованием которых можно достаточно просто произвести оценку устойчивости линейных непрерывных систем. Особое внимание следует обратить на три критерия: алгебраический - критерий Гурвица и частотные - критерий Михайлова и Найквиста. При знакомстве с ними следует усвоить влияние общего коэффициента усиления на устойчивость, на примерах приведенных в [1] и [2,5,6] выявить как влияют постоянные времени звенев на устойчивость системы. Перечисленное важно для инженерной практики, когда в результате старения износа или необдуманной модернизации свойства отдельных звеньев изменились, и возникла неустойчивость замкнутой системы. Именно этой задачей приходится заниматься инженеру при эксплуатации систем автоматического управления.

Вопросы для самопроверки:

• Поясните, как с помощью корректирующего звена можно изменить логарифмические частотные характеристики и увеличить запас устойчивости по амплитуде и фазе.

• Как оценить качество системы автоматического управления по переходной характеристике системы

• Перечислите основные способы теоретического определения переходной характеристики системы, если система автоматического управления математически описана.

4. Разделы 2.1.7 и 2.1.8 - Современные подходы при создании и эксплуатации систем автоматического управления - 2 часа.

Самостоятельное изучение материала данной тематической лекции требует повторения таких курсов, как информатика, разделов математики посвященных приближенным методам исчисления и др. В современных условиях, когда в инженерную практику всюду нашли широкое применение персональные компьютеры, вопросы посвященные анализу устойчивости, быстродействия, точности и качества, определению характеристик корректирующих звеньев и др., решаются с использованием определенных программных средств. Эти средства (пакеты программ для моделирования системы или ее экспериментально-теоретического анализа) могут быть приобретены или разработаны непосредственно инженером, эксплуатирующим автоматические системы управления. Поэтому, хотя программой данного курса это не предусмотрено, следует самостоятельно освоить один из языков программирования высокого уровня, например Turbo Pascal.

В целом, при самостоятельном изучении теоретической части курса следует особое внимание обратить на тематические разделы 2.1.2, 2.1.3, 2.1.4 и 2.1.5.

2.2 Содержание практических занятий:

2.2.1 Составление блок-схем системы управления на основе принципиальных схем системы: электрической, кинематической, гидравлической, пневматической и др. с использованием примеров из широко распространенного промышленного оборудования: станки с ЧПУ, промышленные роботы, автоматическое оборудование сварочных производств, регуляторы давления, расходов и т.п. Одновременно рассматриваются задачи по [5] (соответствующий раздел).

2.2.2 Математическое описание одноконтурных систем автоматического управления с использованием рассмотренных примеров и составленных к ним блок-схем: одной из координат промышленного робота РБ-240.

2.2.3 Составление структурной схемы на основе проведенного математического описания. Преобразование структурной схемы и построение частотных характеристик отдельных звеньев. Одновременно решить ряд примеров по [5] (соответствующий раздел).

2.2.4 Определение устойчивости систем автоматического управления с использованием критериев: Гурвица, Михайлова, Найквиста. Построение областей устойчивости в пространстве параметров системы.

2.2.5 Построение переходного процесса простой системы управления с использованием частотных характеристик и определение показателей качества (пере регулирование, быстродействие и статическую точность системы).

Учебным планом Института дистанционного обучения предусмотрено по курсу:

Практических занятий - 10 часов.

Весь предусмотренный практическими занятиями материал включен в следующие комплексные практические занятия:

1. Анализ и составление блок-схем одноконтурных систем автоматического управления на примерах оборудования « каф. АРМ, ауд.105 16 к.».

2. Математическое описание контуров систем автоматического управления с использованием материала практического занятия 1 и [5], [6]

3. Преобразование структурных схем и построение частотных характеристик систем автоматического управления.

4. Определение устойчивости САУ с использованием критериев устойчивости: Гурвица, Михайлова, Найквиста.

5. Определение показателей качества САУ, и построение переходных характеристик с использованием частотных характеристик, и моделей системы. [11]

2.3.Содержание самостоятельной работы

Программа самостоятельной познавательной деятельности -102 часов

(Краткие методические указания по разделу)

2.3.1 Системное изучение разделов теоретической части с одновременным рассмотрением задач приведенных с решениями в [5] и [6]. Рекомендуется выбрать один из примеров, используя который можно было бы произвести, составление дифференциальных уравнений элементов контура, преобразовать их в передаточные функции, построить частотные характеристики и др.

2.3.2 Моделирование системы на ЭВМ: составление для простого контура математической модели, разработка программы моделирования и реализации на компьютере (с использованием программ - заготовок [11]) на ЭВМ. Эту часть самостоятельной работы следует выполнить во время сессии, в том случае если у студента отсутствует доступ к вычислительной технике. Следует повторить или приобрести навыки программирования на одном из современных языков программирования: Turbo Pascal или C.

2.3.3 Выполнение комплексного, индивидуального задания, включающее исходный контур с заданными передаточными функциями и параметрам. С использованием теоретических знаний и практических навыков, требуется произвести целенаправленное преобразование структурной схемы системы, по заданным параметрам с использованием алгебраических критериев устойчивости определить устойчивость и оценить влияние изменения параметров управляющего устройства на устойчивость. Во второй части задания требуется построить частотные характеристики отдельных звеньев контура и всего разомкнутого контура в целом. По полученным частотным характеристикам провести качественную оценку заданной системы и предложить варианты улучшения заданной системы.