новая папка / Курсовая_ТАУ
.pdf
Методические рекомендации для курсовой работы
ТЕОРИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ |
2 |
ЧАСТЬ 1. МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ В ПАКЕТЕ XCOS |
3 |
ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ |
3 |
ЗАДАНИЕ КО ВТОРОЙ ЧАСТИ РАБОТЫ |
4 |
ИНСТРУКЦИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ |
4 |
ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ КО ВТОРОЙ ЧАСТИ КУРСОВОЙ РАБОТЫ |
12 |
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЁТА |
12 |
ЧАСТЬ 2. СИНТЕЗ ПИД-РЕГУЛЯТОРА МЕТОДОМ ЛАФЧХ |
16 |
ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ |
16 |
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ И ПРИМЕР РАСЧЕТА |
16 |
ЛАЧХ СИСТЕМЫ БЕЗ КОРРЕКЦИИ |
16 |
ЖЕЛАЕМАЯ ЛАЧХ |
17 |
ИДЕАЛЬНЫЙ ПД-РЕГУЛЯТОР |
18 |
ПИД-РЕГУЛЯТОР |
18 |
АЛГОРИТМ ПОСТРОЕНИЯ ПИД-РЕГУЛЯТОРА |
21 |
ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ КО ВТОРОЙ ЧАСТИ КУРСОВОЙ РАБОТЫ |
22 |
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЁТА |
23 |
ЗАДАНИЕ |
23 |
РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК РЕГУЛЯТОРА |
24 |
ПРОСМОТР РЕЗУЛЬТАТОВ НА МОДЕЛИ |
25 |
ЧАСТЬ 3. ПРОЕКТ АСУ В SCADA-СИСТЕМЕ TRACE MODE |
27 |
ЗАДАНИЕ К ТРЕТЬЕЙ ЧАСТИ РАБОТЫ |
27 |
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЁТА |
28 |
ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ К ТРЕТЬЕЙ ЧАСТИ КУРСОВОЙ РАБОТЫ |
28 |
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Курсовая работа состоит из трех частей.
Первая часть. «Моделирование систем управления в пакете XCOS». Вторая часть. «Синтез ПИД-регулятора».
Третья часть. «Проект АСУ в SCADA-системе TRACE Mode» Описание и порядок выполнения каждой части работы представлены
ниже.
Выполнение только одной части работы позволяет студенту претендовать на оценку «удовлетворительно». Выполнение двух частей – на оценку «хорошо». Для получения оценки «отлично» необходимо выполнить все три части задания.
ЧАСТЬ 1. МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ В ПАКЕТЕ XCOS
Описание системы
В работе рассматривается система управления судном по курсу. Ее структурная схема показана на рисунке.
|
|
|
|
|
возмущение |
|
регулятор |
привод |
|
объект |
|||
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
измерительная
система Структурная схема системы стабилизации судна на курсе
Задача системы стабилизации – сохранять заданное значение выхода 0 при действии возмущения f (например, морского волнения и ветра).
Линейная математическая модель, описывающая рыскание судна, имеет
вид
|
|
y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
y |
K |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
y |
Ts |
Ts |
|
|
|
|||
где |
|
– |
|
|
|
|
|
y – |
||
|
угол |
рыскания (угол отклонения от заданного курса), |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
угловая скорость вращения вокруг вертикальной оси, |
|
– угол поворота |
||||||||
вертикального руля относительно нейтрального положения, |
Ts – постоянная |
||
времени, |
K |
– постоянный коэффициент, имеющий размерность рад/сек. |
|
|
|
|
|
Передаточная функция от угла поворота руля к углу рыскания запишется в виде
P(s)
K s(Ts s 1)
.
Привод (рулевая машина) приближенно моделируется как интегрирующее звено с постоянной времени TR, охваченное единичной отрицательной обратной связью:
привод
так что его передаточная функция равна
R(s)
|
1 |
T |
s 1 |
R |
|
.
Для измерения угла рыскания используется гирокомпас, математическая модель которого записывается в виде апериодического звена первого порядка с передаточной функцией1
H (s) |
|
1 |
. |
|
|
||
T |
s 1 |
||
|
oc |
|
|
Исследуются переходные процессы в системе при использовании ПДрегулятора
C(s)
|
|
K 1 |
|
c |
|
|
|
T s |
|
|
s |
|
|
T s 1 |
|
|
|
||
v |
,
и ПИД-регулятора
|
|
T s |
|
|
1 |
C(s) K 1 |
s |
|
|
||
c |
|
T s 1 |
|
|
T s |
|
|
|
|
||
|
v |
|
I |
.
Задание к первой части работы
1.Построить модель системы в пакете Xcos
2.Отследить поведение системы без возмущения
3.Отследить поведение системы при наличии возмущения
4.Изучить поведение системы с ПД регулятором
5.Изучить поведение системы с ПИД регулятором
Инструкция по выполнению работы
|
|
Этап выполнения |
|
Команды SCILAB |
|
||
|
|
задания |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1. Для запуска пакета XCOS |
|
|
|
|
|
||
|
щелкните по кнопке |
в |
|
xcos |
|||
|
командном окне SCILAB или |
|
|||||
|
|
|
|
||||
|
введите команду Xcos в |
|
|
|
|
|
|
|
командной строке. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 Численные значения K , Ts , TR и Toc надо взять из таблицы в конце файла.
2.В палитре блоков откройте группу «Системы с непрерывным временем» и перетащите блок
(передаточная функция) из библиотеки блоков в окно модели. Введите числитель и знаменатель передаточной функции модели судна. Значения постоянных времени и коэффициентов возьмите из таблицы (см. ниже) для своего варианта.
Двойной щелчок на блоке
Numerator K
Denominator Ts*s^2+s
3.Дайте блоку название Судно. Для нажмите на блоке на правую кнопку мыши, выберите пункт контекстного меню Формат – Правка и введите текст на вкладке Настройки текста.
4.Аналогично добавьте еще три передаточные функции, назовите их Привод, Регулятор и Гирокомпас, введите нужные параметры (см. таблицу в конце файла для вашего варианта). Заметьте, что передаточная функция привода
должна быть
R(s) |
1 |
|
s 1 |
||
T |
||
R |
|
с учетом внутренней обратной связи. Передаточная
функция регулятора (для всех вариантов):
C(s) |
13,53s 0.7 |
|
|
s 1 |
|
||
|
|
||
|
|
||
5. Сохраните модель в своей папке |
Файл – Сохранить |
||
под именем lab2.zcos2. |
|||
|
|||
6.Выделите блок Гирокомпас и Нажать Ctrl+M или дважды нажать
разверните его в другую сторону. Ctrl+R.
7. Выберите цвет блоков на свой |
ПКМ на блоке, |
вкус. |
Формат–Правка-Цвет заливки |
|
2 Все файлы моделей в пакете XCOS имеют расширение .zcos.
8. |
Перетащите в окно модели блок |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
из |
группы |
ЛКМ |
|
|
|
|
|
|
|
|
«Общеупотребительные блоки» и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
установите его |
слева от |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
регулятора. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
9. |
Сделайте так, чтобы второй вход |
Двойной |
|
щелчок |
на |
|
блоке, |
|||
|
учитывался в сумме со знаком |
ввести [1;-1] в поле |
|
|
|
|||||
|
минус (отрицательная обратная |
|
|
|
||||||
|
Input ports signs/gain |
|
|
|
||||||
|
связь). |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
10.Перетащите в окно модели блок |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
из группы Источники сигналов и воздействий и установите его слева от |
|||||||||
|
сумматора. Дайте ему имя Заданный курс. |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|||||||
11.Установите время подачи |
Двойной щелчок на блоке, |
|
|
|||||||
|
сигнала 0 и величину сигнала 10 |
0 в поле Step time |
|
|
|
|
||||
|
(исследуем поворот на 10 |
|
|
|
|
|||||
|
10 в поле Итоговое значение |
|
||||||||
|
градусов). |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
12.Соедините все блоки нужным |
С помощью ЛКМ вытащить линию с |
|||||||||
|
способом (см. схему в |
|
выхода |
одного |
блока |
к |
входу |
|||
|
теоретической части). |
|
другого, щелчок – точка излома. |
|||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
13.Перетащите в окно модели два блока |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
(осциллограф) из группы Регистрирующие устройства и установите их в |
|||||||||
|
правой части. Назовите их Руль и Курс. |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|||||||||
14.Сделайте, чтобы на первый блок |
Нажать ПКМ на линии в точке |
|||||||||
|
CSCOPE поступал сигнал |
отбора |
|
сигнала, |
затем, |
не |
||||
|
управления (угол поворота руля, |
отпуская |
ПКМ, |
тащить |
линию |
к |
||||
|
|
|
||||||||
|
после блока Привод), а на |
входу |
блока. |
Дополнительную |
||||||
|
второй – сигнал выхода (курс |
|||||||||
|
точку |
перегиба |
линии |
можно |
||||||
|
судна). Сохраните модель. |
|||||||||
|
поставить |
двойным |
щелчком |
на |
||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
этой линии. |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
15.Добавьте часы – блок
из группы «Обработка событий», и соедините выход этого блока с красными (синхронизирующими) входами блоков-осциллографов.
16.Уменьшите окно до |
Файл - Экспортировать |
минимального размера, при |
|
котором видны все элементы, и |
|
сохраните картинку на диск в |
|
формате GIF. Затем вставьте её в |
|
отчёт. |
|
|
|
17.Установите для блока «часы» |
Двойной |
|
щелчок |
по |
блоку, |
|||
(таймера, генератора событий) |
|
|||||||
свойства |
Period |
и |
Время |
|||||
интервал 0,1 с и время |
||||||||
инициализации. |
|
|
|
|
||||
инициализации – 0 с. |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
||||
18.Установите время |
Моделирование |
– |
Установка |
– |
||||
моделирования 100 секунд. |
Конечное время |
интегрирования |
= |
|||||
|
100 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
19.Установите для обоих блоков- |
Двойной |
|
щелчок |
по |
блоку, |
|||
осциллографов время |
|
|||||||
свойство Refresh period |
|
|
||||||
обновления 100 с |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
||||
20.Выполните моделирование. |
ЛКМ |
по |
кнопке |
или |
||||
|
Моделирование - Запустить |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
21.Посмотрите результаты |
Двойной |
|
щелчок |
по |
блоку- |
|||
моделирования в графических |
|
|||||||
осциллографу, свойства Ymin и |
||||||||
окнах и настройте пределы по |
||||||||
Ymax |
|
|
|
|
|
|
||
оси Y. |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
||
22.Закройте графические окна и еще раз выполните моделирование. Добавьте полученные графики в отчёт.
23.Замените блоки-осциллографы на блоки
из группы Регистрирующие устройства, которые позволяют передавать данные из модели в рабочее пространство Scilab.
24.Для блоков передачи данных в |
|
|
рабочее пространство (TOWS_c) |
Двойной щелчок на блоке, |
|
установите размер буфера 1000 |
Size of buffer |
|
(100 секунд, регистрация через |
||
|
||
0,1 секунду). |
|
|
|
|
|
25.Для блоков TOWS_c установите |
|
|
имена переменных Scilab: phi |
Двойной щелчок на блоке, |
|
|
||
для блока «Курс» и delta для |
Scilab variable name |
|
блока «Руль» |
|
|
|
|
|
26.Выполните моделирование еще |
|
|
раз. Убедитесь, что в рабочем |
phi |
|
пространстве Scilab есть |
delta |
|
переменные phi и delta. |
|
|
|
|
|
27.Перейдите в командное окно |
|
|
SCILAB и создайте новое окно для |
|
|
графика. В одном окне далее |
... |
|
будут построены две кривых на |
|
|
разных осях. |
|
|
|
|
|
28.Разбейте окно на 2 части по |
|
|
вертикали и сделайте активным |
|
|
первый график. Первое число в |
|
|
команде subplot означает |
|
|
количество ячеек с графиками по |
subplot(2, 1, 1); |
|
вертикали, второе – по |
|
|
горизонтали, третье – номер |
|
|
ячейки, которую надо сделать |
|
|
активной3. |
|
|
29.Постройте график изменения |
|
|
курса. В команде plot сначала |
|
|
указывают массив абсцисс, затем |
plot(phi.time, phi.values); |
|
– массив ординат. Двоеточие |
||
|
||
означает, что используются все |
|
|
строки. |
|
|
|
|
|
30.Введите заголовок графика. |
title('Курс'); |
|
|
|
3При вводе этой и следующих команд окно с графиком не появляется на экране. Чтобы увидеть изменения, надо вручную сделать его активным, щелкнув мышью на соответствующей кнопке в панели задач.
31.Введите названия осей |
|
|
|
||
|
координат. Если в начало и в |
|
|
|
|
|
конец строки добавить символ $, |
|
|
|
|
|
внутри строки разрешается |
|
xlabel('Время, сек'); |
||
|
использовать команды LaTeX. |
|
ylabel('$\phi, градусы$'); |
||
|
Например, «\phi» означает |
|
|
|
|
|
греческую букву , а «\delta» |
|
|
|
|
|
– букву |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
32.Аналогично постройте во второй |
|
subplot(2, 1, 2); |
|||
|
ячейке график изменения угла |
|
plot(...); |
||
|
поворота руля, используя данные |
|
|||
|
из массива delta, полученного |
|
title('Угол поворота руля'); |
||
|
|
|
|
||
|
в результате моделирования. |
|
xlabel(...); |
||
|
|
|
|
ylabel('$\delta, градусы$'); |
|
|
|
|
|
|
|
|
33.Скопируйте построенный график |
|
Файл – Копировать в буфер обмена |
|
|
|
в отчет. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
34.Удалите в окне модели связь |
|
ЛКМ по линии, нажать Delete. |
|||
|
между приводом и объектом. |
|
|||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
||
35.Добавьте еще один блок |
|
|
|
||
|
из |
группы |
|
|
|
|
Общеупотребительные |
|
|
|
|
|
операции и установите его на |
|
|
|
|
|
освободившееся место. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
36.Исследуем реакцию системы на постоянный сигнал, приложенный непосредственно к входу объекта. Он может моделировать какое-то постоянное возмущающее воздействие, например влияние ветра.
37.Скопируйте блок Заданный курс, перетащив его при нажатой клавише Ctrl, и установите для него величину скачка 2 градуса. Дайте ему название Возмущение. Подключите его выход к новому сумматору. Достройте нужные соединительные линии.
38.Сохраните модель.
39.Скопируйте полученную модель в отчет.
|
40.Увеличьте время моделирования |
|
|
|
|
|
до 500 и выполните |
|
|
Моделирование – Установка – |
|
|
моделирование. Проверьте, |
|
|
|
|
|
|
|
Конечное время интегрирования |
|
|
|
вышло ли судно на заданный |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
курс 10 градусов. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|