Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

4241, 4242(ТАУ-без MATLAB) / КР / ТАУ. МетодУказКВыпКурсРаб.МалПоля

.pdf
Скачиваний:
31
Добавлен:
17.04.2015
Размер:
885.02 Кб
Скачать

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Камская государственная инженерно-экономическая академия»

Э. А. Романовский

ТЕОРИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВЫХ РАБОТ

Набережные Челны

2012

УДК 519.71(075.9); 681.5

Романовский Э. А. Теория автоматического управления: Методические указания к выполнению курсовых работ. / Э. А. Романовский. – Набережные Челны: Изд-во Камской государственной инже- нерно-экономической академии, 2012. – 95 с.: ил. – Библиогр.: 26 назв.

В настоящих методических указаниях изложены задания, а также комплекс методических рекомендаций к выполнению курсовых работ по дисциплине «Теория автоматического управления», позволяющих обучающимся при выполнении курсовой работы приобрести практические навыки математического и компьютерного моделирования, а также анализа и синтеза систем автоматического управления с применением компьютерной среды MATLAB.

Указания включают: рекомендации к выполнению курсовых работ, задания с исходными данными, представленными в 30 вариантах, а также подробный пример выполнения курсовой работы.

Настоящие указания предназначены для студентов специальности 220301.65 – « Автоматизация технологических процессов и производств», а также для студентов других специальностей.

Рецензент: Зубков Е. В., канд. техн. наук, доцент.

Печатается по решению научно-методического совета Камской государственной инженерно-экономической академии.

© ФГБОУ ВПО «Камская государственная инженерноэкономическая академия», 2012 год.

© Э. А. Романовский, 2012 год.

-2-

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

...............................................................................................

3

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................

 

5

РАЗДЕЛ 1. ОБЩИЕ .....................................СВЕДЕНИЯ И РЕКОМЕНДАЦИИ

7

РАЗДЕЛ 2. ЗАДАНИЯ ...........................................К КУРСОВЫМ РАБОТАМ

11

2.1.

Исходные ......................................................................данные

11

2.2.

Требования.................................................................................

14

РАЗДЕЛ 3. ПРИМЕР .............................................ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

18

3.1.

Исходные .......................................данные для исследования

18

3.2.

Задание ....................................................на курсовую работу

19

3.3.

Модели объекта в виде обыкновенных дифференциальных

 

 

уравнений...................................................................................

21

3.4.

Модели ................объекта в форме пространства состояний

25

3.5.

Определение устойчивости объекта по корням

 

 

характеристического ..............................................уравнения

31

3.6.

Получение ...........................передаточных функций объекта

33

3.7.

Определение устойчивости объекта при помощи критериев

 

устойчивости .............................................................................

34

 

3.7.1. ......................Алгебраический критерий устойчивости Гурвица

35

 

3.7.2. ..........................Частотный критерий устойчивости Михайлова

37

3.8.

Определение временных и частотных характеристик

 

 

исследуемого ...............................................................объекта

41

 

3.8.1. ..........................................................

Переходные характеристики

41

 

3.8.2. .......................

Амплитудно - фазовые частотные характеристики

43

 

3.8.3. .............................

Логарифмические частотные характеристики

45

3.9.

Компьютерное .....моделирование объекта в среде Simulink

47

 

3.9.1. ..........................................Симуляция объекта по первой модели

48

 

3.9.2. ..........................................Симуляция объекта по второй модели

52

3.10. Синтез ........................электроприводов частотным методом

55

 

3.10.1. ..............................................................................Общие сведения

55

 

3.10.2. ........................................Структурная схема частотного привода

57

 

3.10.3. ..................................Структурная схема позиционного привода

59

 

3.10.4. ............................................................Синтез частотного привода

60

 

3.10.5. .......................................................Синтез позиционного привода

63

3.11. Определение передаточных функций синтезированных

-3-

приводов.....................................................................................

68

3.11.1. Передаточные функции частотного привода................................

68

3.11.2. Передаточные функции позиционного привода ..........................

69

3.12. Определение временных и частотных характеристик

 

синтезированных приводов......................................................

70

3.12.1. Переходные характеристики..........................................................

71

3.12.2. Амплитудно-фазовые частотные характеристики.......................

73

3.12.3. Логарифмические частотные характеристики.............................

75

3.13. Компьютерное моделирование приводов в среде Simulink ..

77

3.13.1. Симуляция частотного привода.....................................................

77

3.13.2. Симуляция позиционного привода ...............................................

78

3.14. Синтез электроприводов методом аналитического

 

конструирования регуляторов..................................................

80

3.14.1. Синтез оптимального частотного привода...................................

83

3.14.2. Синтез оптимального позиционного привода..............................

87

ПРИЛОЖЕНИЯ ............................................................................................

92

Приложение 1. Форма перечня тем курсовых работ.......................

92

Приложение 2. Образец титульного листа работы..........................

93

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ...............................................................................

94

-4-

ВВЕДЕНИЕ

Замена труда человека в процессе управления действием автоматических управляющих устройств называется автоматизацией. Автоматизация ведет к значительному повышению производительности машин и механизмов, улучшает качество выпускаемой продукции, расширяет возможности воздействия человека на природу и облегчает труд человека.

Процесс управления объектом или устройством без участия человека называется автоматическим управлением. Для этого применяются различные автоматические средства управления. Совокупность подобных средств управления и управляемого объекта (устройства) образует систему автоматического управления.

Теория автоматического управления, как дисциплина, направленная на исследование разнообразных систем автоматического управления, занимает важное положение среди дисциплин, изучаемых студентами технических специальностей.

Теория автоматического управления позволила выделить сходства между техническими устройствами разной физической природы и выработать единые методы их исследования, а также синтеза систем автоматического управления ими. Теория автоматического управления относится к классу важнейших общепрофессиональных дисциплин, входящих во все типовые программы инженерного образования. Она изучает процессы управления, методы исследования и основы синтеза систем автоматического управления.

Теория линейных динамических систем является основным и наиболее важным для практики разделом теории автоматического управления. Хотя в природе в чистом виде и не может быть найдено ни одной линейной динамической системы, очень многие объекты и системы с достаточной для практики точностью могут рассматриваться как линейные.

Одним из наиболее распространенных в составе систем автоматического управления объектов управления является электродвигатель постоянного тока с параллельным либо независимым возбуждением. Такой объект обычно с достаточной для практики точностью может быть описан линейной математической моделью. Поэтому электроприводы на основе такого двигателя могут рассматриваться, как линейные системы автоматического управления.

Приводы на основе двигателя постоянного тока подразделяются

-5-

на частотные (управляют частотой вращения вала двигателя) и позиционные (управляющие углом поворота вала двигателя). Такие электроприводы очень широко используются в качестве приводов различных станков, автоматических линий, разнообразных мехатронных и робототехнических систем.

Настоящие методические указания к выполнению курсовых работ преследуют цель дать лицам, изучающим теорию автоматического управления, возможность при выполнении курсовой работы приобретения навыков математического и компьютерного моделирования, а также анализа и синтеза систем автоматического управления с применением компьютерной среды MATLAB на примере именно частотных и позиционных приводов, построенных на основе электродвигателя постоянного тока с параллельным возбуждением.

Указания включают: рекомендации к выполнению курсовых работ, задания с исходными данными, представленными в 30 вариантах, а также подробный пример выполнения курсовой работы.

Методические указания предназначены для студентов специальности 220301.65 – « Автоматизация технологических процессов и производств», а также для студентов других специальностей.

-6-

Раздел 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Перед началом выполнения курсовой работы студент получает от преподавателя тему и задание на выполнение работы. При этом на группу оформляется перечень тем курсовых работ согласно форме, приведенной в приложении 1.

Процесс выполнения курсовой работы предполагает оформление отчета (пояснительной записки) по курсовой работе. Подробное описание задания к курсовой работе приводится в следующем разделе настоящих указаний. На основании этого описания можно сделать вывод, что весь объем курсовой работы укрупненно удобно разделить на следующие основные этапы:

1.Математическое моделирование объекта управления (двигателя постоянного тока).

2.Компьютерное моделирование и анализ объекта управления.

3.Синтез позиционного и частотного электроприводов, их компьютерное моделирование и проверка результатов синтеза.

В этой связи содержание отчета (пояснительной записки) по курсовой работе удобно разбить на несколько основных разделов, например, с такими названиями:

1.Моделирование объекта управления.

2.Анализ объекта управления.

3.Синтез систем управления объектом.

Сам отчет по курсовой работе должен удовлетворять определенным требованиям. Существует стандарт ГОСТ 7.32 [1], регламентирующий требования к структуре и правилам оформления отчетов о научно-исследовательских работах. Отчет по курсовой работе должен удовлетворять требованиям этого стандарта. Полезными при оформлении отчета по курсовой работе также могут быть методические указания, приведенные в [2].

С учетом изложенного, а также с учетом ГОСТ 7.32 отчет по курсовой работе должен содержать следующие разделы (основные структурные элементы):

1.«Содержание».

2.«Введение».

3.Основные разделы (например, «Моделирование объекта управления», «Анализ объекта управления», «Синтез систем управления объектом»).

4.«Заключение».

-7-

5.«Список использованных источников».

6.«Приложения».

При оформлении отчета по курсовой работе, допускается не добавлять в отчет некоторые обязательные по ГОСТ 7.32 структурные элементы, а именно: «Список исполнителей» и «Реферат».

Иногда при оформлении отчетов по курсовым работам перед разделом «Содержание» добавляется раздел «Аннотация» (вместо раздела «Реферат», являющегося обязательным в ГОСТ 7.32).

Раздел «Аннотация» не является обязательным. Обычно это небольшой раздел, содержащий текст, состоящий из нескольких предложений, характеризующих суть работы, представленной в отчете.

Разделы «Содержание», «Введение», «Заключение», «Список использованных источников», «Приложения», а также раздел «Аннотация», если таковой имеется, не нумеруются, а основные разделы, содержащие суть процесса выполнения работы, должны быть пронумерованы по порядку, например, так, как это сделано в настоящих методических указаниях.

Раздел «Содержание» при оформлении отчета по курсовой работе должен быть строго оформлен в соответствии с ГОСТ 7.32.

Во «Введении» отчета по курсовой работе помимо вводной части, как правило, приводится задание на курсовую работу, а также требования к выполнению работы.

Раздел «Заключение» отчета по курсовой работе должен содержать конкретные результаты выполнения студентом задания.

Раздел «Список использованных источников» отчета по курсовой работе должен содержать источники, как-то использованные студентом при выполнении работы. Поэтому в отчете по курсовой работе в соответствующих его местах должны встречаться ссылки на все источники, указанные в «Списке использованных источников».

Раздел «Приложения» отчета по курсовой работе является необязательным и может быть использован для того, чтобы вынести за пределы основной части материал, носящий второстепенный или вспомогательный характер.

Жестких требований к объему отчета по курсовой работе нет. Однако рекомендуется, чтобы объем отчета составлял не менее 40 листов.

Требования к межстрочному интервалу, к размеру шрифта (кегля), к размерам полей и пр. приведены в ГОСТ 7.32. На основании этих требований обычно рекомендуется при оформлении отчета по курсовой работе использовать шрифт «Times New Roman», либо подобный ему шрифт, с кеглем 12 пт и с полуторным межстрочным интервалом.

-8-

Также на основании этих требований рекомендуемыми обычно размерами полей принято считать: левое – 30 мм, правое – 10 мм, верхнее и нижнее – 20 мм.

Отчет по курсовой работе должен начинаться с титульного листа. Образец титульного листа приведен в приложении 2. Из него следует, что защита курсовых работ должна проводиться в присутствии комиссии, состоящей, как минимум, из двух преподавателей, фамилии которых указываются на титульном листе. Обычно одним из этих преподавателей является руководитель курсовой работы. Сведения о втором преподавателе можно уточнить у руководителя.

Следует обратить особое внимание на то, что страницы отчета по курсовой работе должны быть обязательно пронумерованы. Нумерация страниц отчета начинается с титульного листа (1-я страница), однако номер страницы на титульном листе не ставится.

Основные разделы курсовой работы (разделы ее основной части) следует подразделять на пункты (параграфы, подразделы) подобно тому, как это сделано в следующем разделе настоящих методических указаний. В случае необходимости пункты можно подразделять на подпункты. Названия пунктов удобно подбирать в соответствии с этапами выполнения курсовой работы, приведенными в требованиях (см. следующий раздел).

Отчет по курсовой работе оформляется в электронном виде (на компьютере) с применением некоторой среды допечатной подготовки документов, например, Microsoft Word, LibreOffice Writer, TeX Live, MiKTeX и пр.

После окончания оформления подготовленный электронный вариант отчета конвертируется в электронный документ формата PDF (Portable Document Format – универсальный кроссплатформенный формат электронных документов).

Сдается отчет руководителю при защите работы в двух видах:

1.В печатном виде (в виде твердой копии на листах формата A4 с печатью с одной стороны листа).

2.В электронном виде (в виде электронной копии на некотором носителе, например, на флэшке) в двух форматах:

∙ В формате соответствующей среды допечатной подготовки документов, например, Microsoft Word.

∙ В формате PDF.

Как правило, отчет по курсовой работе содержит, формулы, таблицы, рисунки, списки, ссылки, сноски, иногда колонтитулы, листинги программ. Все эти элементы в отчете должны быть оформлены, а также, в случае необходимости, пронумерованы и подписаны надлежа-

-9-

щим образом в соответствии с ГОСТ 7.32.

Следует обратить особое внимание на то, что при оформлении отчета по курсовой работе не допускается вставлять в отчет математические формулы в виде рисунков, тем более, отсканированных из ка- ких-либо источников. Все формулы в отчете должны быть созданы соответствующими средствами применяемой студентом среды допечатной подготовки документов. Например, среда Microsoft Word имеет в своем составе для этого встроенный редактор формул.

Как правило, рисунки, вставляемые в соответствующие места отчета по курсовой работе, имеют техническую направленность. Обычно они представляют собой либо различные схемы (функциональные, структурные, электронные и пр.), либо различные графики, получаемые при помощи сред компьютерного моделирования.

Практика показывает, что при подготовке рисунков для отчета, представляющих собой разнообразные схемы, лучше пользоваться не соответствующими встроенными средствами применяемой студентом среды подготовки документов, а специализированным графическим редактором, например, таким как Microsoft Visio.

При выполнении курсовой работы предполагается активное использование среды компьютерного моделирования MATLAB. Подробное описание этой среды и ее основных инструментов можно найти в

[3 – 9].

Необходимый теоретический материал по теории автоматического управления и по ее разделам можно найти в [10 – 20].

Подробный пример выполнения курсовой работы приведен в разделе 3.

-10-