ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ВОЛОГОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра технологии и оборудования
автоматизированных производств
АВТОМАТИКА И УПРАВЛЕНИЕ
Рабочая программа, методические указания и контрольные задания
для заочной формы обучения
Факультет заочного и дистанционного обучения
Специальность 151001 – технология машиностроения
ВОЛОГДА
2006
УДК 621.398
Автоматика и управление: Рабочая программа, методические указания и контрольные задания. - Вологда: ВоГТУ, 2006. –20с.
Даны рабочая программа, методические указания, варианты контрольного задания и вопросы для самоконтроля.
Утверждено издательско-библиотечным советом ВоГТУ
Составил: Булавин В.Ф., канд. тех. наук, доцент
Рецензент: Ананьев В.П., канд. тех. наук, доцент
ВВЕДЕНИЕ
Цель изучения дисциплины заключается в освоении общих принципов построения динамических систем различной физической природы и принципов управления динамическими системами применительно к технологическим системам и процессам машиностроительного производства, формировании системного подхода к решению задач управления автоматическими и автоматизированными производственными системами.
Задачи изучения дисциплины: приобретение знания общих принципов и тенденций развития современных систем управления производственными и технологическими процессами; изучение основ построения и методов проектирования систем управления; освоение общих методов описания и исследования сложных динамических систем различной физической природы.
Требования к знаниям по дисциплине “Автоматика и управление”
После изучения дисциплины студент должен знать и уметь использовать:
математические методы анализа и синтеза систем автоматического управления в машиностроительных производствах.
Выписка из учебного плана по дисциплине “Автоматика и управление”
Виды занятий |
Заочное обучение (час.) |
||
Семестр 8 |
Семестр 9 |
Всего |
|
Лекции |
4 |
14 |
14 |
Лаборат. работы |
- |
8 |
8 |
Практич. занятия |
- |
16 |
16 |
Самостоят. работа |
- |
63 |
63 |
Итого |
- |
85 |
85 |
Итоговый контроль |
|
Экзамен 1 к.р. |
|
1. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
1.1. Основные понятия и определения
Назначение систем управления технологическими процессами в машиностроительном производстве. Примеры систем автоматического управления (САУ).
Основные принципы кибернетики как науки об управлении. Основные понятия теории автоматического управления. Типовая блок-схема САУ.
1.2. Классификация САУ
Классификация САУ по характеру изменения выходной величины: системы автоматического регулирования, системы программного управления, следящие системы, адаптивные САУ. Статические и астатические системы.
Классификация САУ: линейные и нелинейные; непрерывные и дискретные.
1.3. Математическое описание линейных систем
Моделирование САУ. Дифференциальные уравнения САУ. Линеаризация уравнений динамики. Операторный метод решения дифференциальных уравнений. Преобразование Лапласа. Передаточная функция. Типовые воздействия в САУ: единичная ступенчатая функция, -функции, гармоническое воздействие. Динамическое звено. Временные характеристики САУ. Весовая функция и ее свойства. Переходная функция и ее свойства. Определение реакции системы на произвольное входное воздействие.
Частотные характеристики САУ. Амплитудно-фазовая частотная характеристика (АФЧХ). Амплитудная (АЧХ) и фазовая (ФЧХ) частотные характеристики. Годограф амплитудно-фазовой частотной характеристики. Логарифмические частотные характеристики (ЛАЧХ, ЛФЧХ). Децибел, декада, октава. Типовые динамические звенья и их характеристики. Технологическая система станка как комбинация типовых звеньев.
Построение передаточной функции САУ по передаточным функциям отдельных звеньев. Правила структурных преобразований: последовательное и параллельное соединения, соединение с обратной связью, перенос узлов, сумматоров, динамических звеньев.
1.4. Устойчивость линейных систем
Устойчивость линейных САУ. Алгебраические критерии устойчивости: критерий Гурвица, критерий Рауса. Частотные критерии устойчивости: критерий устойчивости Михайлова, критерий устойчивости Найквиста. Понятие запаса устойчивости по модулю и фазе. Определение устойчивости САУ по логарифмическим характеристикам.
1.5. Качество процесса управления
Понятие о качестве процесса управления. Методы оценки качества систем управления. Показатели качества в переходном режиме.
Оценка качества процесса управления в установившемся режиме. Коэффициенты ошибок. Понятие об астатизме САУ. Методы повышения качества процесса управления: повышение коэффициентов усиления, повышение порядка астатизма, введение в прямую цепь связей по производной, применение местных обратных связей, корректирующих устройств.
1.6. Синтез САУ
Синтез САУ по заданным показателям качества процесса управления. Синтез САУ методом ЛАХ: построение желаемой логарифмической характеристики; построение логарифмической характеристики корректирующего устройства; проверочный расчет.
1.7. Нелинейные САУ
Типовые нелинейности существенно нелинейных систем. Устойчивость нелинейных систем. Фазовое пространство, фазовая плоскость, фазовый портрет. Фазовые траектории, особые точки, предельные циклы. Графические методы построения фазовых траекторий. Автоколебания. Мягкое и жесткое возбуждение автоколебаний. Нелинейные САУ в технологических системах станков.
2. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1) Дайте определения системам регулирования (стабилизации), программного управления, следящим системам, адаптивным САУ. Приведите примеры из технологии машиностроительного производства.
2) Поясните, что такое астатическая САУ.
3) Укажите отличия линейных и нелинейных САУ.
4) Какие САУ называют непрерывными и дискретными?
5) Перечислите условия, определяющие возможность линеаризации уравнений
динамики САУ.
6) Приведите определение передаточной функции САУ и динамического звена.
7) Как связаны между собой единичное ступенчатое воздействие, дельта функции?
8) Укажите общий метод решения задачи о вынужденном движении механической системы.
9) В чем заключаются особенности частотных характеристик физически реализуемых систем?
10) Приведите примеры передаточных функций неминимально-фазовых звеньев.
11) Поясните физический смысл разделения корней характеристического уравнения на "хорошие" и "плохие".
12) В чем вы видите недостатки корневых методов анализа устойчивости?
13) Дайте возможно более полную сравнительную характеристику алгебраическим и частотным критериям устойчивости.
14) Приведите примеры проблем технологии машиностроения, имеющих непосредственное отношение к качеству процесса управления.
15) Приведите примеры статических и астатических САУ.
16) Каким образом тот или иной метод повышения качества процесса управления влияет на устойчивость САУ? Приведите примеры.
17) Назовите известные методы синтеза САУ.
18) Приведите примеры корректирующих устройств.
19) Приведите примеры типовых нелинейностей, характерных для САУ различной физической природы.
20) Приведите примеры особых точек фазовых портретов нелинейных систем, устойчивых и неустойчивых предельных циклов.
21) Дайте определения автоколебаний, автоколебательной системы.
22) Почему автоколебания возможны только в нелинейных системах?
23) Назовите известные вам типы датчиков перемещений, скоростей, ускорений, виброперемещений, виброскорости, виброускорения, усилий, моментов, давления, температуры. Приведите их передаточные функции.
24) Приведите передаточные функции известных вам типов исполнительных устройств.
3. КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ
Таблица 1
Варианты заданий
N вар. |
Wj |
K1 |
K2 |
K3 |
K4 |
K5 |
T1 |
T2 |
T3 |
ξ |
1 |
W1 |
2 |
5 |
10 |
1 |
8 |
0,1 |
0,01 |
0,02 |
0,6 |
2 |
W2 |
4 |
6 |
3 |
5 |
2 |
0,2 |
0,01 |
0,2 |
0,7 |
3 |
W3 |
1 |
10 |
5 |
3 |
1 |
0,05 |
0,01 |
1 |
0,8 |
4 |
W4 |
2 |
3 |
4 |
10 |
8 |
0,3 |
0,01 |
0,01 |
0,9 |
5 |
W5 |
3 |
2 |
10 |
5 |
2 |
0,4 |
0,01 |
0,1 |
0,4 |
6 |
W1 |
1 |
2 |
3 |
5 |
10 |
1 |
0,01 |
0,1 |
0,5 |
7 |
W2 |
1 |
3 |
10 |
2 |
4 |
0,01 |
0,1 |
0,2 |
0,6 |
8 |
W3 |
5 |
6 |
8 |
2 |
3 |
0,1 |
0,2 |
0,3 |
0,7 |
9 |
W4 |
4 |
6 |
5 |
2 |
4 |
0,1 |
0,01 |
0,2 |
0,8 |
10 |
W5 |
1 |
3 |
5 |
2 |
6 |
0,2 |
0,1 |
0,1 |
0,9 |
11 |
W1 |
2 |
7 |
4 |
3 |
10 |
0,3 |
0,1 |
0,1 |
0,4 |
12 |
W2 |
5 |
3 |
4 |
2 |
5 |
0,2 |
0,1 |
0,02 |
0,5 |
13 |
W3 |
1 |
4 |
7 |
8 |
10 |
0,1 |
0,01 |
0,2 |
0,6 |
14 |
W4 |
2 |
2 |
2 |
4 |
5 |
0,1 |
0,5 |
0,0,1 |
0,7 |
15 |
W5 |
2 |
4 |
5 |
10 |
3 |
0,1 |
0,05 |
0,02 |
0,8 |
16 |
W1 |
1 |
3 |
5 |
3 |
8 |
0,2 |
9 |
0,5 |
0,9 |
17 |
W2 |
5 |
6 |
5 |
10 |
2 |
0,05 |
0,01 |
0,5 |
0,4 |
18 |
W3 |
4 |
6 |
4 |
5 |
1 |
0,3 |
0,01 |
0,1 |
0,5 |
19 |
W4 |
1 |
3 |
4 |
5 |
8 |
0,4 |
0,01 |
1 |
0,4 |
20 |
W5 |
2 |
7 |
7 |
2 |
2 |
1 |
0,01 |
0,01 |
0,5 |
21 |
W1 |
5 |
3 |
2 |
2 |
10 |
0,01 |
0,01 |
0,1 |
0,6 |
22 |
W2 |
1 |
4 |
5 |
2 |
4 |
0,1 |
0,01 |
0,1 |
0,7 |
23 |
W3 |
2 |
3 |
3 |
2 |
3 |
0,1 |
0,1 |
0,2 |
0,8 |
24 |
W4 |
2 |
6 |
2 |
3 |
4 |
0,2 |
0,2 |
0,3 |
0,9 |
25 |
W5 |
1 |
6 |
8 |
2 |
6 |
0,3 |
0,01 |
0,2 |
0,4 |
26 |
W1 |
5 |
3 |
6 |
8 |
10 |
0,2 |
0,1 |
0,1 |
0,5 |
27 |
W2 |
4 |
7 |
3 |
4 |
5 |
0,1 |
0,1 |
0,1 |
0,6 |
28 |
W3 |
1 |
3 |
6 |
10 |
10 |
0,1 |
0,2 |
0,3 |
0,7 |
29 |
W4 |
2 |
4 |
6 |
3 |
5 |
0,3 |
0,01 |
0,2 |
0,8 |
30 |
W5 |
5 |
3 |
3 |
10 |
7 |
0,5 |
0,5 |
0,05 |
0,9 |
Примечание: числовой знак у символа W означает
1 - колебательное звено W1 = k1/(T12*s2+ 2ξT1*s + 1).
2 - апериодическое звено W2 = k2/(T2*s + 1);
3 - усилительное звено W3 = k3;
4 - интегрирующее звено W4 = k4/s;
5 - форсирующее звено 1 порядка W5 = k5*(T3*s + 1).
Требуется выполнить:
1. Для динамического звена Wj, указанного в табл.1, построить: весовую характеристику, переходную характеристику, АЧХ, ФЧХ, АФЧХ, ЛАФЧХ. Привести все необходимые расчеты и сделать выводы.
2. Найти передаточную функцию замкнутой и разомкнутой САУ, блок-схема которой приведена на рис.1.
3. Построить логарифмические частотные характеристики разомкнутой САУ.
4. Выполнить анализ устойчивости САУ:
- по критерию Ляпунова;
- по критерию Гурвица;
- по критерию Рауса;
- по критерию Михайлова;
- по частотному критерию Найквиста;
- по логарифмическим частотным характеристикам.
5. Если система неустойчива, показать, какое изменение параметров позволит добиться устойчивости. Если система устойчива, показать, как повысить запас устойчивости.
4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
4.1 Типовые звенья систем автоматического регулирования
Звенья систем автоматического управления и регулирования различаются по виду их передаточной функции (или дифференциального уравнения), определяющей все их динамические свойства и характеристики. Основными типами звеньев являются: позиционные, дифференцирующие и интегрирующие.
Позиционными звеньями называются такие, передаточные функции которых имеют вид:
,
,
где
- изображение по Лапласу сигнала на
входе звена;
- изображение по Лапласу сигнала на
выходе звена;
- коэффициент усиления звена; s
- оператор Лапласа; многочлены
и
имеют свободные члены, равные 1, то есть
эти звенья обладают статической
характеристикой
(при
),
определяющей их состояние равновесия
(свойство позиционности).
У дифференцирующих звеньев передаточная функция имеет вид
,
где
имеет свободный член, равный 1. Для
двукратно дифференцирующего звена
числитель передаточной функции имеет
вид
.
Передаточные функции интегрирующих звеньев имеют соответственно вид:
или
,
где
имеет свободный член, равный 1.
Основными позиционными звеньями являются:
- идеальное усилительное звено
,
;
- апериодическое звено первого порядка
,
,
где
- оператор дифференцирования;
- апериодическое звено второго порядка
,
,
при
;
- колебательное звено
,
,
где
- коэффициент демпфирования,
.
К интегрирующим звеньям относятся:
- идеальное интегрирующее звено
или
,
;
- инерциальное интегрирующее звено
,
.
К дифференцирующим звеньям относятся:
- идеальное дифференцирующее звено
,
;
- форсирующее звено
,
.