Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Учебно-методическое пособие по выполнению курсовой работы по дисциплине Теория автоматического управления
.pdf
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИОрдена Трудового Красного Зна-
мени федеральное государственное бюджет-
ное образовательное учреждение высшего образования
Московский технический университет связи и информатики
Кафедра информационной безопасности и автоматизации
Федоров С.Е.
Учебно-методическое пособие
по выполнению курсовой работы
по дисциплине
ТЕОРИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
для студентов-заочников 3 курса
(направление подготовки 15.03.04,27.03.04)
Москва 2016
Учебно-методическое пособие
по выполнению курсовой работы
по дисциплине
ТЕОРИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
СоставительС.Е.Федоров,профессор
План УМД на 2016/17уч.г.
Издание стереотипное. Утверждено на заседании кафедры.
РецензентО.И.Шелухин,д.т.н., профессор
2
СОДЕРЖАНИЕ
1. Цели и задачи изучения дисциплины ............................................................. 4
2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины ........................... 4
3. Основное содержание изучаемой дисциплины ............................................. 5
3.1. Математическое описание линейных САУ ............................................. 5
3.2. Анализ процессов в линейных САУ ........................................................... 6
3.3. Коррекция линейных САУ и их синтез ...................................................... 6
3.4. Анализ процессов в нелинейных САУ ....................................................... 6
3.5. Элементы теории оптимального управления ............................................ 7
4. Рекомендуемая учебная литература ................................................................ 7
4.1 Основная литература ..................................................................................... 7
4.2. Дополнительная литература ........................................................................ 7
5. Методические указания по теоретической подготовке ................................ 8
6. Основные положения по курсовой работе ................................................... 11
7. Основные вопросы, подлежащие исследованию и разработке .................. 15
8. Порядок выполнения и защиты курсовой работы ....................................... 16
Приложение 1 ........................................................................................................ 19
Приложение 2 ........................................................................................................ 23
Приложение 3 ........................................................................................................ 24
3
1. Цели и задачи изучения дисциплины
Цельюизучения студентами дисциплины«Теория автоматического
управления» является приобретение ими фундаментальных и прикладных
знаний в области теории автоматического управления техническими объек-
тами идостижение требуемых Федеральным государственным образовательным стандартом умений и навыков анализа и синтеза систем автоматического управления (САУ).
Для достижения указанной целистудентами изучаются модели систем
автоматического управления, закономерности и свойства процессов управления независимо от их физической природына основе математических методов с использованием знаний, умений и навыков студентов, приобретенных
при изучении предшествующих дисциплин: математики, физики, электро-
техники и электроники.
Задачей дисциплины является овладение студентами знаниями, умениями, навыками и, в конечном счете, компетенциями, необходимыми для эксплуатации, исследований и проектирования САУ. Для этого необходимо в
процессе изучения дисциплины овладеть:
знаниями принципов построения и функционированияСАУ;
знаниями и умениями математического моделирования САУ;
основами знаний, умений и навыков анализа и синтеза САУ.
В результате изучения настоящей дисциплины студенты должны полу-
чить знания, умения и навыки, имеющие не только самостоятельное значение
для их профессиональной деятельности, но и обеспечивающие их базовую
подготовку при изучении последующих дисциплин в области автоматизации
технологических процессов и производств.
2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины
В результате освоения дисциплины студент должен
знать:
основы построения и функционирования САУ;
основы математического моделирования САУ;
динамические характеристики САУ;
основные методы анализа процессов в линейных и нелинейных САУ;
способы коррекции САУ и основные принципы их синтеза;
типовые пакеты прикладных программ анализа динамических систем;
4
уметь:
построить математическую модель объекта и системы управления;
выполнять анализ устойчивости САУ;
оценивать динамические характеристики САУ;
рассчитывать основные показатели качества САУ;
проводить коррекцию САУ и синтез регулятора;
владеть:
методами моделирования САУ;
методами анализа процессов, протекающих в САУ;
методами оценки устойчивости САУ;
методами расчета характеристик и показателей качества
функционирования САУ;
способами коррекции и синтеза САУ.
3. Основное содержание изучаемой дисциплины
3.1. Математическое описание линейных САУ
Предмет теории автоматического управления. Основные понятия и опре-
деления. Краткий обзор истории развития науки об управлении. Принципы
построения САУ и их классификация.
Математическое описание линейных непрерывных САУ и их элементов.
Структурный метод анализа линейных непрерывных САУ. Составление
уравнений линейных непрерывных звеньев и САУ. Структурные схемы линейных непрерывных САУ и их преобразования. Передаточные функции
звеньевлинейных непрерывных САУ. Структурные преобразования линейных непрерывных САУ. Временные и частотные характеристики линейных
непрерывных САУ и их звеньев. Типовые звенья линейных непрерывных
САУ и их динамические характеристики.
5
3.2. Анализ процессов в линейных САУ
Устойчивость линейных непрерывных САУ. Понятие устойчивости САУ.
Условия устойчивости линейных непрерывных САУ. Общая характеристика
критериев устойчивости линейных непрерывных САУ. Алгебраические кри-
терии устойчивости. Критерий Рауса-Гурвица. Частотный критерий устойчи-
вости А. В. Михайлова. Частотный критерий Н. Найквиста. Анализ устойчи-
вости линейных непрерывных САУ.
Анализ качества процессов автоматического управления. Установивший-
ся процесс и точность линейных непрерывных САУ. Переходной процесс и
показатели его качества. Прямые и косвенные методы анализа переходных
процессов.
Линейные импульсные САУ. Классификация дискретных САУ. Математическое описание линейныхимпульсных САУ. Анализ устойчивости линейных
импульсных САУ. Анализ качества установившихся и переходных процессов
линейных импульсных САУ.
3.3. Коррекция линейных САУ и их синтез
Постановка задачи коррекции динамических свойств САУ.
Последовательные корректирующие звенья. Параллельные корректирующие
звенья – обратные связи. Синтез корректирующих устройств по
логарифмическим частотным характеристикам.
3.4. Анализ процессов в нелинейных САУ
Математическое описание нелинейной САУ. Типовые нелинейные элементы. Виды линеаризации нелинейных элементов. Процессы в нелинейных
САУ. Исследование нелинейных САУ на фазовой плоскости. Анализ устойчивости нелинейных САУ. Методы исследования устойчивости А. М. Ляпунова. Критерий абсолютной устойчивости В. М. Попова. Применение метода
гармонической линеаризации для исследования динамических процессов в
нелинейных САУ. Нелинейные дискретные (релейные, цифровые) САУ, осо-
бенности их динамики.
6
3.5. Элементы теории оптимального управления
Постановка задачи оптимизации САУ. Понятие о синтезе оптимальных САУ
на основе метода динамического программирования Р.Беллмана и на основе
принципа максимума Л.С. Понтрягина.Современные САУ и перспективы их
развития.
4. Рекомендуемая учебная литература
4.1 Основная литература
1. Юревич Е.И. Теория автоматического управления. Учебник для вузов /
Е. И. Юревич.- Изд.3-е. – СПб.:БХВ-Петербург,2007 (гриф УМО).
2. Ким Д. П. Теория автоматического управления. Т 1. Линейные системы.
Учебное пособие для вузов. -Изд. 2-е,испр. и доп. - М.: Физматлит,
2010(гриф УМО).
3. Ким Д. П. Теория автоматического управления. Т 2. Многомерные, не-
линейные, оптимальные и адаптивные системы. Учебное пособие для
вузов.- Изд.2-е,испр. и доп. - М.: Физматлит, 2010(гриф УМО).
4.2. Дополнительная литература
1. Дьяконов В. П. Mathcad 11/12/13 в математике. Справочник. - М.: Го-
рячая линия - Телеком, 2007.
2. Ким Д. П., Дмитриева Д. П. Сборник задач по теории автоматического
управления. Линейные системы. - М.: Физматлит, 2007.
3. Савин М. М. Теория автоматического управления: Учебное пособие для
вузов/ М. М. Савин, В. С. Елсуков, О. Н. Пятина; под ред. д.т.н., проф.
В. И. Лачина. - Ростов н/Д: Феникс, 2007.
4. Востриков А. С. Теория автоматического регулирования [Текст]: учеб-
ное пособие для вузов / А. С. Востриков, Г. А. Французова. – М.: Высшая школа, 2006 (гриф УМО).
5. Первозванский А. А.Курс теории автоматического управления [Текст]:
учебное пособие / А. А. Первозванский. - Изд. 2-е, стер. - СПб: Лань,
2010.
6. Шишмарев В. Ю. Теория автоматического управления. – М.: Академия,
2012.
7
5. Методические указания по теоретической подготовке
Для непосредственного выполнения курсовой работы прежде всего необ-
ходимо изучить по учебной литературе следующие теоретические вопросы:
Составление уравнений линейных непрерывных звеньев и САУ.
Структурные схемы линейных непрерывных САУ и их преобразо-
вания.
Передаточные функции звеньевлинейных непрерывных САУ.
Структурные преобразования линейных непрерывных САУ.
Временные и частотные характеристики линейных непрерывных
САУ и их звеньев.
Типовые звенья линейных непрерывных САУ и их динамические
характеристики.
Алгебраический критерий устойчивости САУРауса-Гурвица.
Частотный критерий устойчивости САУ Н. Найквиста.
Установившийся процесс и точность линейных непрерывных САУ.
Переходной процесс и показатели его качества.
При изучении указанного теоретического материала по рекомендованной
литературе следует использовать возможности библиотек университета. В
списке основной литературы приведены учебник и учебные пособия, имею-
щиеся в библиотеках МТУСИ, включая электронную библиотеку.
В процессе изучения теории автоматического управления основной акцент
следует сделать на замкнутые системы автоматического регулирования по
отклонению. Благодаря наличию в этих системах главной обратной связи
формируется информация о ее состоянии по выходному сигналу как разности
между задающим воздействием и выходным сигналом, отображающим регу-
лируемую(управляемую) величину. Эта разность как отклонение от заданно-
го закона регулирования системы используется для формирования процесса
управления с целью минимизации возникающего отклонения выходного сиг-
нала от задающего воздействия. По виду сигналов различают непрерывные и
дискретные системы. В курсовой работе исследуется непрерывная система, в
которой наблюдаются только непрерывные во времени сигналы.
При математическом моделировании систем автоматического управления
абстрагируются от реальных систем, представляя их дифференциальными
уравнениями. В зависимости от вида уравнений различают линейные и нели-
нейные системы автоматического управления. В заданиях на курсовую рабо-
8
ту представлены линейные непрерывные системы автоматического управления по отклонению.
Для моделирования реальной системы автоматического управления используется ее разбиение на однонаправленные типовые звенья, в которых
выходной сигнал не влияет на входной сигнал. Типовые звенья выполняют
функцию базовых элементов построения структурных схем систем автоматического управления. Они отображают как реальные функционально обособленные элементы (устройства) системы управления, так и протекающие в ней
преобразования сигналовв виде математических операций.
Для математического описания типовых звеньев и системы в целом ис-
пользуются передаточные функции. Передаточная функция является компактным, на структурных схемах, отображением дифференциальных уравнений, описывающих типовые звенья и систему автоматического управления. В
основе применения передаточных функций лежит преобразование Лапласа
дифференциальных уравнений типовых звеньев и систем с целью их алгебраизации. По передаточным функциям типовых звеньев, с использованием
определенных правил структурных преобразований, может быть получена
передаточная функция всей системы. Эти правила касаются следующих видов соединения типовых звеньев: последовательное, параллельное и встреч-
но-параллельное (соединение с отрицательной и положительной обратной
связью).
На основе передаточной функции могут быть получены как временные,
так и частотные характеристики звеньев и системы в целом. К временным
характеристикам (функциям) относятся переходная характеристика(функция)
и импульсная переходная характеристика(функция). К частотным характери-
стикам относятся: амплитудно-частотная характеристика, фазо-частотная характеристика, амплитудно-фазовая частотная характеристика. Эти характе-
ристики обладают графической наглядностью и удобны при проведении теоретических и экспериментальных исследований систем автоматического
управления. При этом на практике широко используются логарифмические
частотные характеристики: логарифмические амплитудно-частотные и логарифмические фазо-частотные характеристики.
В курсовой работе исследуются стационарные системы автоматического
управления, в которых все параметры остаются неизменными во времени.
Это отображается при их математическом описании постоянными коэффициентами в соответствующих дифференциальных уравнениях. При этом различают статические и астатические системы управления в зависимости, соответственно, от отсутствия и наличия ошибки регулирования в установившем-
9
ся(статическом) режиме. Заметим, что наличие интегрирующих звеньев в
системе автоматического управления обеспечивает их астатизм.Порядок астатизма, какпризнак отсутствия ошибки управления при постоянном, линей-
но нарастающем и нелинейно нарастающем воздействиях на входе системы,
определяется количеством интегрирующих звеньев.
Наиболее важными показателями качества функционирования системы автоматического управления, которые должен быть первоначально исследованы в курсовой работе, являются устойчивость системы и запасы устойчиво-
сти системы по амплитуде и фазе. Общее определение устойчивости системы
можно сформулировать следующим образом: система устойчива, если на ог-
раниченное по уровню воздействие система дает ограниченный по уровню
отклик.
Для определения устойчивости системы при выполнении курсовой работы
необходимо изучить правила определения устойчивости линейных непрерывных систем автоматического управления, которые в теории автоматического управления получили название критериев устойчивости.
Для выполнения исследования заданной системы автоматического управ-
ления на устойчивость по указанным критериям следует детально изучить
алгебраический критерий устойчивости Рауса-Гурвица и частотный критерий
Найквиста.Рекомендуется изучить критерии устойчивости по учебнику [1], а
также по учебным пособиям [2; 3].
Если система оказывается неустойчивой или устойчивой с недостаточным
запасом устойчивости, то дальнейшее ее исследование прекращается и разрабатываются предложения по обеспечению устойчивости системы с тре-
буемыми запасами устойчивости по амплитуде и фазе.
В дальнейшем следует изучить вопросы оценки и обеспечения точности
систем управления в установившемся режиме. Обычно в системах автоматического управления допустимая относительная ошибка регулирования в установившемся режиме не должна превышать 5%.
Быстродействие системы и ее точность в переходном режиме оцениваются
показателями переходной функции(характеристики), определяемой как от-
клик системы на единичный скачок 1(t) на входе системы. Наиболее важны-
ми параметрами переходной функции являются время переходного процесса,
ее колебательность и перерегулирование (относительная величина макси-
мального выброса переходной функции). Теоретические вопросы анализа
точности и качества переходного процесса можно изучить как по основному
учебнику [1], так и по рекомендуемым учебным пособиям [2; 3].
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]