Учебная программа дисциплины дисциплина Теория автоматического управления Направление 652000 icon

Учебная программа дисциплины дисциплина Теория автоматического управления Направление 652000


Смотрите также:
Учебная программа дисциплины дисциплина Теория автоматического управления Направление 652000...
Программа дисциплины "Теория автоматического управления" Направление...
Учебная программа дисциплины дисциплина Информатика Направление...
Программа наименование дисциплины Теория автоматического управления Рекомендуется для...
Учебная программа дисциплины дисциплина Технология роботизированного производства Направление...
Учебная программа дисциплины дисциплина Основы моделирования систем Направление...
Рабочая программа дисциплины автоматизированный электропривод направление ооп...
Учебная программа дисциплины дисциплина Прикладное программирование...
Учебная программа дисциплины дисциплина Микропроцессорные устройства и их программное...
Теория автоматического управления. (Управление техническими системами)...
Программа для поступающих на направление подготовки магистратратуры 220700 «автоматизация...
Рабочая программа учебной дисциплины "теория автоматического управления" Цикл...



Загрузка...
скачать
Министерство образования Российской федерации

Красноярский государственный технический университет


УТВЕРЖДАЮ


Декан электромеханического факультета

____________ В.А. Тремясов

«____» ___________ 2004 г.


УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ


Дисциплина Теория автоматического управления

Направление 652000-Мехатроника и робототехника

Специальность 210300 – Роботы и робототехнические системы

Факультет электромеханический

Кафедра роботехники и технической кибернетики

Красноярск, 2004 г.

^ УЧЕБНАЯ РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки 652000-Мехатроника и робототехника специальности 210300 – Роботы и робототехнические системы

Программу составил к.т.н., доцент ______________/^ Смольников А.П./

Образовательная программа согласована с выпускающей кафедрой РиТК

Заведующий кафедрой ______________________ /Г.Б. Масальский /

«___» _________________ 200_ г.

Образовательная программа обсуждена на заседании кафедры РиТК «___» _________________ 200_ г. Протокол № ________

Заведующий кафедрой ______________________ /^ Г.Б. Масальский /

Дополнения и изменения в рабочей программе на 200_/_ учебный год.

В рабочую программу вносятся следующие изменения _________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Рабочая программа пересмотрена и одобрена на заседании кафедры РиТК «__» _________ 200__г. Протокол № ________

Заведующий кафедрой ________________/Г.Б. Масальский/

Внесенные изменения утверждаю:

Декан факультета ____________________/В.А. Тремясов/
^

Объем дисциплины и виды учебной работы


Вид учебной работы

Всего часов

Семестры

5

6

Общая трудоемкость дисциплины

204

85

119

Аудиторные занятия

153

68

85

Лекции

68

34

34

Лабораторные работы (ЛР)

34

34

34

Практика

17




17

Самостоятельная работа

51

17

34

Индивидуальная работа










Расчетно-графические работы

1РЗ

1РЗ




Курсовая работа

1КР




1КР

Вид итогового контроля

(зачёт, экзамена)

2 экзамена


Экз

Экз



1. Цель и задачи дисциплины


1.1. Цель преподавания дисциплины


Дисциплина «Теория автоматического управления» (ТАУ) является одной из базовых при подготовке инженеров специальности 210300. Знания, полученные при изучении курса ТАУ, необходимы для изучения принципов построения, методов проектирования современных систем управления различными технологическими процессами и, в том числе, системами управления электроприводов, применяемых в робототехнических системах (промышленные роботы и станки с ЧПУ), являющихся замкнутыми системами автоматического управления (САУ).


1.2. Задачи изучения дисциплины


Студент должен знать:

- принципы построения современных систем автоматического управления (САУ);

- виды математических моделей, отражающих динамические свойства САУ;

- методы исследования устойчивости, анализа и синтеза линейных, линейных импульсных и нелинейных систем;

- методы синтеза модальных регуляторов и принципы их реализации на основе наблюдающих устройств;

- области применения и принципы построения оптимальных и адаптивных систем;


Студент должен уметь:

- построить математическую модель системы автоматического управления;

- исследовать устойчивость САУ и провести анализ динамических свойств системы;

- выполнить синтез САУ на основе предъявляемых требований со стороны технологического процесса;

- использовать современную вычислительную технику для анализа и синтеза САУ.


1.3. Межпредметная связь


Для изучения курса ТАУ необходимо знание следующих курсов:

- математика (математический анализ, теория функций комплексного переменного, теория вероятности, операционное исчисление, линейная алгебра);

- физика (основные законы механики и электричества);

- теоретическая механика (основные законы механических систем и их уравнения);

- теоретические основы электротехники (методы расчета электрических цепей);

- электрические машины (основные уравнения и принципы работы машин постоянного тока).


^ 2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ


Курс ТАУ включает в себя лекции, лабораторные работы, практические занятия, курсовую работу и два экзамена.


2.1. Содержание разделов и тем лекционного курса


ВВЕДЕНИЕ / 4 часа/


Предмет теории автоматического управления. Основные понятия и термины. Этапы развития САУ и теории. Роль русских и советских ученых в развитии теории и практики автоматического управления. Определение системы автоматического регулирования. Объекты управления и регулирования, регулируемые величины, регуляторы. Классификация систем автоматического управления. Основные принципы управления (регулирования). Задачи и содержание курса ТАУ, его место в подготовке инженеров специальности 21.03.


Литература :

0.1 c.5-8, 25-31

0.3 c.9-18

Д.5 c.7-24


Методические указания


В результате изучения материала данной темы курса студент должен усвоить сущность ТАУ как науки об управлении динамическими процессами, освоить принципы построения САУ, типовым составом систем регулирования, классификацией систем по различным принципам.

Cтудент должен понять, что основными задачами автоматического управления является разработка принципов построения и методов анализа и синтеза САУ, обладающих требуемыми свойствами в динамике и статике.


Вопросы для самопроверки


1. Назовите основные этапы развития ТАУ как науки.

2. Дайте определение системы автоматического управления и основных элементов, входящих в ее состав.

3. Чем отличается замкнутая система от разомкнутой?

4. Дайте определение системам стабилизации, программным и следящим системам.

5. Объясните принципы действия САУ по отклонению и возмущающему воздействиям. Приведите примеры этих систем.

6. Назовите основные принципы классификации САУ.


^ РАЗДЕЛ 1. ЛИНЕЙНЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ


Тема 1. Статические и динамические режимы САУ / 4 часа /


Понятие о линейных и нелинейных системах автоматического регулирования. Понятие статики в теории САУ. Установившиеся режимы работы статических и астатических САУ. Статические характеристики элементов, входящих в САУ и их линеаризация. Математическое описание статических режимов.

Понятие динамики в теории САУ. Работа САУ в переходных режимах. Математические уравнения динамических режимов, их составление и линеаризация. Уравнения динамики в отклонениях. Безразмерная форма (дифференциальных) уравнений.

Характеристики динамических систем. Передаточная функция. Временные характеристики: переходная и функция веса. Связь между этими функциями. Прямое и обратное преобразования Лапласа и Фурье. Интеграл Дюамеля.

Частотные характеристики динамических систем и их построение (частотная передаточная функция, АФХ, ЛЧХ).


Литература:

0.1 c.36-46, c.56-63

0.3 c.39-68

Д.5 c.26-45


Методические указания


Рассматривается состояние равновесия отдельных звеньев и всей системы в целом, исходя из уравнений статики. Необходимо уметь определять статические характеристики звеньев и их различных соединений, а также проводить линеаризацию нелинейных статических характеристик.

При изучении общих понятий динамических процессов в САУ необходимо научиться математически описывать отдельные элементы и всю систему регулирования в целом с помощью дифференциальных уравнений. Следует усвоить методы линеаризации нелинейных дифференциальных уравнений, научиться переходить к безразмерной форме записи и понимать, что линеаризованные уравнения достаточно полно описывают явления в системе только при малых отклонениях от состояния равновесия.

Необходимо усвоить связь между дифференциальными уравнениями системы и передаточными функциями.

Динамические свойства звеньев и систем могут характеризоваться временными характеристиками, представляющими собой реакцию системы на типовые воздействия.

Студенты должны усвоить понятия о частотных характеристиках систем и научиться строить АФХ и логарифмические частотные характеристики.


Вопросы для самопроверки


1. Какие основные показатели используются при рассмотрении статики автоматических систем?

2. В чем различие между линейным и нелинейным элементом?

3. Напишите уравнения статики для типовых звеньев.

4. Какими уравнениями определяется динамика?

5. Какие законы используются при составлении уравнений динамики элементов?

6. Почему необходимо производить линеаризацию дифференциальных уравнений?

7. Дайте определение передаточной функции и приведите ее примеры.

8. Как получить частотную передаточную функцию?

9. Приведите возможные виды частотных характеристик.

10.Что представляет собой амплитудно-фазовая характеристика и способы ее экспериментального определения?

11. Для чего используется логарифмическая форма при построении частотных характеристик?


Тема 2. Типовые динамические звенья / 4 часа /


Понятие об устойчивости звена. Минимально-фазовые звенья. Принцип расчленения САУ на элементы-звенья. Понятие о типовом динамическом звене. Безынерционное звено, апериодические звенья 1-го и 2-го порядков и колебательное звено. Дифференцирующие и интегрирующие звенья. Неминимально-фазовые звенья. Звено с запаздыванием. Примеры, дифференциальные уравнения, переходные и передаточные функции, частотные характеристики типовых динамических звеньев.


Литература:

0.1 c.65-78

0.3 c.56-58, 69-82, 87-90

Д.5 c.45-60


Методические указания


Необходимо обратить внимание на то, что одним классом дифференциальных уравнений описываются элементы различной физической природы (электрические, тепловые и т. д.) и разных принципов действия. Этот факт позволяет все многообразие элементов САУ изучать на основе ограниченного числа типовых звеньев.

Студенты должны изучить свойства основных типовых звеньев, их характеристики, запомнить выражения передаточных функций, вид переходных и частотных характеристик. Особое внимание обращается на построение логарифмических частотных характеристик звеньев.

Следует разобраться с конкретными примерами типовых звеньев.


Вопросы для самопроверки


1. Что принято за основу при введении понятия об элементарном динамическом звене?

2. Как определить коэффициент усиления звена?

3. Как определить передаточную и частотную функции элемента и тип соответствующего звена?

4. Приведите переходные и частотные функции типовых динамических звеньев.

5. Почему звено 2-го порядка, состоящее из R,L и C может быть колебательным и апериодическим?

6. К каким звеньям относятся элементы: двигатель постоянного тока, генератор постоянного тока?

7. Постройте логарифмические частотные характеристики апериодического, колебательного и реального дифференцирующего звеньев.


^ Тема 3. Структурные схемы систем автоматического управления / 2 часа /


Условные изображения и обозначения, применяемые в структурных схемах. Правила преобразования структурных схем при различных соединениях звеньев. Структурные схемы и передаточные функции одноконтурных и многоконтурных замкнутых систем. Правило Мэзона для нахождения передаточных функций структурных схем. Частотные характеристики разомкнутых и замкнутых систем, построение логарифмических частотных характеристик. Пример составления и преобразования структурной схемы электропривода. Типовые передаточные функции САУ по возмущающему, задающему воздействиям и ошибке регулирования.


Литература:

0.1 c.109-141

0.3 c.104-107, c.113-118

Д.5 c.81-111

Методические указания

Студент должен усвоить переход от принципиальных и функциональных схем системы к структурной схеме, применяемые обозначения звеньев, точек разветвления и суммирования сигналов. Структурная схема отражает динамические процессы в системе. Необходимо усвоить, что для получения передаточной функции сложной системы необходимо путем структурных преобразований приводить ее к эквивалентной простейшей.

Правило Мэзона позволяет находить передаточную функцию сложной системы между ее любыми переменными без предварительных преобразований.

Типовые передаточные функции. По полученным выражениям передаточных функций системы можно получить операторное уравнение и частотные функции. Это позволяет перейти к построению частотных характеристик. Студент должен изучить методы их построения.


Вопросы для самопроверки


1. Что определяет структурная схема и как она составляется?

2. Каковы правила преобразования структурных схем?

3. Напишите формулу Мэзона для определения передаточной функции по структурной схеме.

4. Напишите передаточные функции замкнутой и разомкнутой систем для задающего и возмущающего воздействий и для ошибки.

5. Напишите передаточные функции для последовательного, параллельного и встречно-параллельного соединений звеньев.

6. Как построить логарифмические частотные характеристики для одноконтурной системы?


^ Тема 4. Устойчивость линеаризованных САУ / 4 часа /


Понятие об устойчивости линейных систем. Нейтрально-устойчивые системы. Теоремы Ляпунова. Критерии устойчивости. Алгебраические критерии Рауса и Гурвица. Частотные критерии Михайлова и Найквиста. Критический коэффициент усиления. Структурная устойчивость. Определение устойчивости по логарифмическим частотным характеристикам.


Литература:

0.1 c.142-160, c.168-169

Д.5 c.233-256


Методические указания


Устойчивость является необходимым условием работоспособности любой САУ. Необходимо усвоить физическую сущность понятия устойчивости и математическую трактовку устойчивости линейных САУ. Изучить связь устойчивости с распределением корней характеристического уравнения. Важно понять, что все критерии устойчивости устанавливают расположены ли все корни характеристического уравнения в левой части комплексной плоскости или нет. Студент должен изучить критерии устойчивости, знать об их достоинствах и недостатках и областях рационального применения.

Обратить внимание на то, что критерий устойчивости Найквиста рассматривает три случая в зависимости от свойств САУ в разомкнутом состоянии.

Особое внимание обратить на определение устойчивости по ЛЧХ. Студент должен усвоить понятие запасов устойчивости по модулю и по фазе. Важно усвоить понятие критического коэффициента и то что его величина зависит от соотношения постоянных времени. Требуемая величина коэффициента усиления системы по условиям точности может быть выше критического значения. В этом состоит противоречие между требуемой точностью и устойчивостью системы.


Вопросы для самопроверки


1. Сформулируйте понятие устойчивости системы.

2. Дайте формулировку теорем Ляпунова.

3. Какие исходные данные используются при алгебраических критериях?

4. Каковы правила составления определителя Гурвица и таблицы Рауса?

5. Расскажите о критерии Михайлова.

6. Каким образом производится анализ устойчивости с помощью критерия Найквиста?

7. Как формулируется критерий устойчивости по ЛЧХ системы? Какой критерий лежит в основе этого метода?

8. Как определить запас устойчивости по фазе и модулю на основе ЛЧХ?

9. Что такое критический коэффициент передачи, как найти его численное значение с помощью различных критериев?


Тема 5. Построение переходного процесса в САУ / 2 часа /


Общая характеристика методов расчета. Операторный метод Лапласа. Частотный метод построения переходного процесса. Номограммы для определения вещественной частотной характеристики по логарифмическим характеристикам разомкнутой и замкнутой систем. Номограмма замыкания. Построение переходного процесса по возмущающему воздействию. Аналоговое и цифровое моделирование САУ.


Литература:

0.1 c.200-210

0.3 c.168-187

Д.5 c.127-191, c.217-222, c.226-231


Методические указания


Следует обратить внимание на то, что построение переходного процесса путем решения дифференциального уравнения или операторным методом Лапласа требует нахождения корней характеристического уравнения, что затруднительно при порядках уравнения выше 3-4-го. Частотный метод расчета переходных процессов применим для систем любого порядка, причем с ростом порядка трудоемкость возрастает незначительно. Необходимо уметь пользоваться номограммами для построения вещественной частотной характеристики. Следует помнить, что метод применим только для устойчивых систем. Обратить внимание на роль аналогового и, особенно, цифрового моделирования САУ.


Вопросы для самопроверки


1. Дайте характеристику методов расчета переходных процессов.

2. Для чего необходимо строить кривую переходного процесса?

3. Какими недостатками обладает операторный метод построения переходного процесса?

4. Напишите формулу, связывающую переходную функцию и вещественную частотную характеристику?

5. В чем особенность и каковы правила построения переходного процесса трапецеидальным методом?

6. В чем суть цифрового моделирования САУ?


Тема 6. Качество процессов регулирования / 2 часа /


Показатели качества: время регулирования, перерегулирование, установившиеся рассогласования. Запас устойчивости. Улучшение качества процесса регулирования. Введение производных и интегралов в закон регулирования. Влияние жестких и гибких обратных связей на качество переходного процесса и динамику системы. Виды корректирующих устройств.

Косвенные методы оценки качества переходных процессов: , запасы устойчивости по модулю и фазе ,степень устойчивости, степень колебательности.

Интегральные оценки качества.


Литература:

0.1 c.181-193

0.3 c.201-207, c.209-210, c.268-288

Д.5 c.285-288, c.296-298, c.339-356


Методические указания


Качество процессов регулирования является важнейшей проблемой после обеспечения устойчивости САУ. Необходимо изучить прямые методы оценки качества по переходной функции системы.

Следует обратить внимание на то, что введение интеграла в закон регулирования позволяет уменьшить установившуюся ошибку системы, а введение производной- увеличить быстродействие. При изучении темы следует изучить основные типы корректирующих устройств.

Косвенные методы оценки качества переходных процессов широко применяются при анализе и синтезе САУ. Наиболее распространенными косвенными оценками являются запасы устойчивости по модулю и фазе, степень устойчивости, степень колебательности.

Интегральные оценки дают общую оценку быстроты затухания и величины отклонения регулируемой переменной в совокупности. Достоинство интегральных оценок в том, что они дают единый числовой показатель качества, поэтому они широко применяются в современных методах синтеза САУ.


Вопросы для самопроверки


1. Что понимается под термином "качество процесса автоматического управления"?

2. Назовите показатели качества процессов, определяемые по переходной функции.

3. Почему применяют косвенные методы анализа качества?

4. Как определяются запасы устойчивости по модулю и по фазе?

5. Как влияет на запас устойчивости системы и качество процесса введение интеграла в закон регулирования?

6. Какие показатели качества процесса можно изменить вводя производную в закон регулирования?

7. Как связан переходный процесс с вещественной частотной характеристикой ?

8. Укажите типы и геометрический смысл интегральных оценок.


Тема 7. Синтез линейных систем управления / 6 часов /


Синтез последовательных и параллельных корректирующих устройств методом ЛАХ. Построение желаемой логарифмической характеристики. Наиболее распространенные корректирующие звенья: упругие интегрирующее и дифференцирующее звенья, упругое интегро-дифференцирующее звено. Реализация корректирующих звеньев. Пассивные и активные четырехполюсники.

Системы подчиненного управления. Понятие об оптимизации контуров управления. Оптимум по модулю передаточной функции и симметричный оптимум.


Литература:

0.1 c.247-260

Д.5 c.402-420

Д.7 c.17-21


Методические указания


Синтез системы проводится с целью обеспечения заданного качества процесса управления. Это достигается введением корректирующих устройств, которые включаются последовательно и параллельно.

Особое внимание следует обратить на усвоение метода синтеза корректирующих устройств по ЛАХ и связи параметров ЛАХ с заданными показателями качества процессов.

Следует изучить основные типы корректирующих устройств.


Вопросы для самопроверки


1. Когда считают качество процесса регулирования неудовлетворительным?

2. Каким образом можно повысить точность регулирования?

3. Как построить желаемую ЛАХ?

4. Почему среднечастотная часть желаемой ЛАХ должна иметь наклон -20дБ/дек?

5. Как выбрать тип и параметры последовательного и параллельного корректирующих устройств?

6. Какие соображения лежат в основе выбора места введения параллельного и последовательного корректирующего устройства?


^ РАЗДЕЛ 2. СЛУЧАЙНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЛИНЕАРИЗОВАННЫХ САУ / 3 часа /


Основные понятия и определения случайных процессов и величин, имеющих место в линеаризованных САУ. Стационарный процесс и его характеристики. Эргодическое свойство. Корреляционная функция, спектральная плотность и связь между ними. Определение среднеквадратичной ошибки по спектральной плотности. Вычисление среднеквадратичной ошибки системы при случайных воздействиях.


Литература:

0.2 c.318-327, c.328-333

0.3 c.293-324, c.326-330


^ РАЗДЕЛ 3. ЛИНЕЙНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ СИСТЕМЫ /14 часов /


Определение линейной импульсной САУ. Виды модуляции сигналов. Эквивалентная схема импульсной САУ. Дискретное преобразование Лапласа и Фурье. Связь между частотными спектрами непрерывных и дискретных величин. Прохождение сигналов через импульсную систему. Передаточная функция и частотные характеристики импульсной системы. Устойчивость импульсных САУ. Критерии устойчивости Гурвица, Михайлова и Найквиста. Расчет переходных процессов. Применение непрерывных и дискретных устройств для коррекции импульсных САУ.

Литература:

0.1 c.283-362


Методические указания


В связи с широким использованием микропроцессоров в САУ импульсные системы регулирования приобретают все большее значение.

Изучая материал темы, необходимо ознакомиться с классификацией импульсных САУ по виду квантования и по виду модуляции.

При анализе импульсных САУ реальный формирователь импульсов делится на 2 части: идеальный импульсный элемент, преобразующий входное воздействие в последовательность мгновенных импульсов типа дельта - функций, и формирующий элемент, преобразующий мгновенный импульс в импульс заданной конкретной формы. В соответствии с этим находят передаточную функцию формирующего элемента.

Надо усвоить идеи дискретного преобразования Лапласа и Фурье. Необходимо уметь определять передаточные функции и частотные характеристики импульсных САУ и усвоить, что дискретная передаточная функция последовательного соединения звеньев не равна произведению дискретных передаточных функций звеньев. Поэтому необходимо вычислять дискретную передаточную функцию для всей непрерывной части.

Необходимо усвоить каким условиям должны удовлетворять корни характеристического уравнения от переменных р и z.

При изучении устойчивости важно выяснить, что общего и в чем отличие между критериями устойчивости для непрерывных и дискретных систем.

Студент должен знать, что многие реальные импульсные системы по своим свойствам приближаются к непрерывной системе и могут быть исследованы обычными методами. Правомерность этого устанавливается на основании теоремы Котельникова.


Вопросы для самопроверки


1. Каково основное отличие импульсных систем от непрерывных?

2. Как составляется эквивалентная структурная схема реальной импульсной САУ?

3. Дайте определение дискретного преобразования Лапласа.

4. Как найти передаточную функцию разомкнутой импульсной САУ по передаточной функции линейной части системы?

5. Сформулируйте условие устойчивости системы по расположению полюсов соответствующих характеристических полиномов на плоскостях р и z.

6. Когда импульсную систему можно рассчитывать как непрерывную?

7. Как построить АФХ и определить устойчивость импульсной системы?


^ РАЗДЕЛ 4. ЦИФРОВЫЕ САУ С МИКРО-ЭВМ / 10 часов /


Функциональная схема цифровой САУ с микроЭВМ. Особенности цифровых САУ. Преобразование данных и квантование по уровню и времени. Характеристики АЦП и ЦАП. Линеаризация характеристик АЦП и ЦАП.

Передаточная функция цифровой САУ с микроЭВМ. Дифференцирование цифровых последовательностей. Цифровые интеграторы. Обобщенная формула численного интегрирования. Компенсация ошибок. Дискретные регуляторы, их передаточные функции и разностные уравнения. Синтез дискретных регуляторов. Техническая реализация цифровых САУ.


Литература:

О.7

Д.9, Д.10


Вопросы для самопроверки


1. В чем заключается квантование по времени и по уровню в цифровых САУ?

2. Как осуществляется линеаризация статических характеристик АЦП и ЦАП?

3. Приведите передаточные функции и разностные уравнения цифровых интеграторов с помощью методов: прямоугольников, прямоугольников с упреждением и трапеций.

4. Приведите передаточные функции и разностные уравнения для дискретного ПИД-регулятора и частных случаев (ПИ-, ПД-, П-регуляторов).


^ РАЗДЕЛ 5. НЕЛИНЕЙНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ / 14 часов /


Понятие о нелинейной САУ. Типовые нелинейные звенья. Виды соединений и нейтрализации звеньев. Способы аппроксимации характеристик НЗ. Пример нелинейной системы. Методы исследования нелинейных САУ и их характеристики. Метод фазовой плоскости и фазового пространства. Понятие предельного цикла. Устойчивость в "большом" и "малом". Устойчивость по Ляпунову. Функция Ляпунова и теоремы. Метод гармонической линеаризации. Коэффициенты гармонической линеаризации релейных звеньев. Метод гармонического баланса. Исследование на абсолютную устойчивость методом В. М. Попова.

Качество переходных процессов нелинейной САУ. Оценка качества по методу гармонической линеаризации.. Особенности моделирования нелинейных систем.


Литература:


0.2 c.7-17, c.22-35, c.46-56, c.72-79, c.139-154, c.182-193

0.3 c.473,c.499-523, c.533-537, c.540-547, c.590-602, c.642-648


Методические указания


В ряде случаев рабочие процессы в системе могут быть описаны только нелинейными дифференциальными уравнениями. Следует обратить внимание прежде всего на типовые нелинейности элементов.

Нелинейные САУ обладают особыми свойствами:

- линейные системы устойчивы при любых начальных условиях, а для нелинейных систем вводится понятие устойчивости "в малом" и "в большом";

- для нелинейных систем не выполняется принцип суперпозиции;

Для исследования нелинейных систем 2-го порядка широкое применение находит метод фазовой плоскости.

Для исследования систем высокого порядка широко применяются методы гармонической линеаризации. Необходимо уметь находить коэффициенты гармонической линеаризации. Следует помнить, что все эти методы являются приближенными.

Оценка качества переходных процессов может быть выполнена по фазовым траекториям, с помощью метода гармонического баланса, а также на основе кривых переходного процесса, полученных цифровым или аналоговым моделированием.


Вопросы для самопроверки


1. В чем особенность нелинейных систем?

2. В каких случаях систему нельзя исследовать методами линейной теории?

3. Поясните понятие устойчивости "в малом" и "в большом".

4. Какие методы исследования нелинейных систем Вам известны?

5. Какое основное допущение принято в методах гармонического баланса?

6. Поясните метод гармонического баланса.

7. Какими параметрами характеризуется автоколебательный процесс?


^ РАЗДЕЛ 6. СОВРЕМЕННЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ САУ / 14 часов /


Тема 1. Математическое описание , управление и идентификация. / 6 часов /


Описание систем управления в переменных состояния. Основные формы представления матричных уравнений. Составление уравнений состояния по структурной схеме и передаточной функции. Основные соотношения для уравнений состояния: характеристическое уравнение, матричная структурная схема, переход от уравнений состояния к передаточным функциям.

Управляемость и наблюдаемость линейных САУ.

Модальное управление. Принципы построения модальных регуляторов. Определение коэффициентов обратных связей из условия получения желаемого характеристического полинома САУ.

Понятие о наблюдающих устройствах. Синтез редуцированного наблюдателя и наблюдателя полного порядка. Применение наблюдающих устройств для реализации модального управления. Особенности динамики системы замкнутой через наблюдатель.

Понятие оптимального управления. Критерий оптимальности САУ. Системы оптимальные по быстродействию и точности. Методы расчета оптимальных законов управления: вариационное исчисление, принцип максимума Понтрягина.


Литература:

0.2 c.239-254, c.274-277, c.373-385

0.3 c.683-689, c.47-46, c.733-746

Д.5 c.16, c.33-38, c.157-160


Методические указания


Задача оптимального управления заключается в таком воздействии на объект, чтобы переходный процесс был "наилучшим" по некоторому критерию оптимальности.

Математически критерий оптимальности выражается функционалом, который можно рассматривать как обобщение понятия функции или как функцию особого рода, где роль независимой переменной играет другая функция. Важно понять: закон оптимального управления ищется при учете безусловных и условных ограничений координат.

Задачи оптимального управления формулируются в виде задач минимизации функционалов.

Один из методов решения этой задачи- принцип максимума Понтрягина.

Одним из интенсивно развивающихся методов управления, в том числе и для электромеханических систем, является модальное управление. Причем синтез проводится из условия обеспечения желаемого расположения полюсов характеристического полинома и может быть реализован на ЦВМ.

Наблюдающие устройства предназначены для оценки неизмеряемых координат системы, необходимых для реализации как адаптивного, так и модального управления. Следует обратить внимание на принципы построения наблюдателей и методы определения их параметров.

Необходимо помнить, что современные методы синтеза САУ базируются на математическом описании в виде уравнений состояния.


Вопросы для самопроверки


1. Какие виды ограничений координат имеют место в реальных системах? Приведите примеры ограничений координат, возникающих при управлении электроприводами.

2. Что такое критерий оптимальности и его математическая формулировка?

3. Что такое пространство состояний системы?

4. Приведите примеры системы электропривода, где требуется перенастройка регулятора?

5. В чем заключается принцип построения модального регулятора?

6. Объясните назначение и принцип работы наблюдающего устройства.


Тема 2. Адаптивные системы управления / 8 часов /


Задачи адаптивного управления. Классификация адаптивных систем. Поисковые и беспоисковые адаптивные системы.

Эталонные модели в беспоисковых адаптивных системах.

Адаптивные системы со стабилизацией частотных характеристик.

Адаптивные САУ с наблюдающим устройством идентификации параметров системы.

Исследование сходимости процессов адаптации в электромеханической системе с наблюдающим устройством идентификации изменяющегося момента инерции.

Понятие принципов сигнальной и параметрической самонастройки. Адаптивные САУ с эталонной моделью и сигнальной самонастройкой. Адаптивные САУ с эталонной моделью и параметрической самонастройкой. Комбинированные системы.


Литература:

Д.7 c.123-176

Д.8 c.14-705.

Методические указания


При рассмотрении адаптивных систем следует обратить внимание на необходимость и понятие адаптации. Рассмотреть принципы построения поисковых и беспоисковых адаптивных систем. Инвариантность системы к изменению параметров может быть достигнута и в классе систем с переменной структурой.

При синтезе адаптивных систем следует учесть, что они относятся к классу нелинейных систем и синтез адаптивных алгоритмов управления осуществляется на основе метода Ляпунова.

Вопросы для самопроверки


1.Сравните основные свойства поисковых и беспоисковых самонастраивающихся систем

2.Назовите основные отличия адаптивных систем с сигнальной и параметрической самонастройкой

3.Каким образом строятся наблюдатели для идентификации параметров системы?


^ 2.2. ПЕРЕЧЕНЬ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ


1.Линеаризация статических характеристик звеньев САУ.

Линеаризация нелинейных дифференциальных уравнений.

2.Передаточные функции звеньев САУ. Связь между дифференциальными уравнениями и передаточными функциями. Частотные характеристики динамических звеньев.

3.Структурные схемы САУ, их составление и преобразование.

Устойчивость САУ. Алгебраические критерии устойчивости.

4.Частотные критерии устойчивости Михайлова и Найквиста. Определение устойчивости по

ЛЧХ.

5.Эквивалентная схема импульсной САУ.

6.Передаточная функция разомкнутой импульсной САУ.

Передаточная функция замкнутой импульсной САУ.

8.Устойчивость импульсных САУ.

Расчет переходных процессов в импульсных САУ.


^ 2.3. ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ


1.Изучение АВК-6 и приобретение навыков моделирования элементов САУ.

Цель работы: изучение состава комплекса АВК-6 и приобретение практических навыков работы с основными его устройствами и линейным операционным блоком.

^ 2.Исследование временных характеристик и определение

параметров типовых динамических звеньев.

Цель работы: приобретение практических навыков, необходимых при исследовании динамических характеристик, а также закрепление теоретических знаний по переходным процессам в звеньях системы регулирования.

^ 3.Частотные характеристики динамических звеньев.

Цель работы: изучение частотных характеристик типовых звеньев САУ и определение их параметров по экспериментальным характеристикам.

4.Анализ устойчивости систем автоматического регулирования.

Цель работы: исследование САУ на устойчивость с использованием экспериментальных частотных характеристик.

^ 5.Исследование линейных звеньев и системы автоматического управления.

Цель работы: изучение влияния жесткой обратной связи на характеристики линейных звеньев и исследование соотношений между временными и частотными характеристиками.

^ 6.Исследование линейной импульсной системы.

Цель работы: исследование динамики импульсных САУ. Изучаются условия устойчивости, переходные процессы при регулярных воздействиях, оптимальные процессы конечной длительности и методика коррекции импульсных систем.

^ 7.Исследование цифровых регуляторов.

Цель работы: знакомство с лабораторной установкой для исследования цифровых регуляторов, реализованных на микро-ЭВМ и исследование цифровых П-, ПИ-, ПИД- регуляторов.

^ 8.Исследование цифровой САУ.

Цель работы: исследование системы автоматического управления с цифровыми П- и ПИ-регуляторами, исследование влияния периода дискретизации Т на качество переходных процессов САУ.

^ 9.Исследование нелинейной системы методом гармонической линеаризации.

Цель работы: экспериментальное изучение приближенного метода исследования колебательного режима в нелинейной системе.

^ 10.Синтез и исследование системы управления с модальным регулятором.

Цель работы: изучение принципов построения САУ с модальным регулятором; закрепление знаний по методам синтеза модальных регуляторов.

^ 11.Исследование системы управления с наблюдающим устройством.

Цель работы: изучение принципов построения наблюдающих устройств и методики их синтеза;

Исследование системы управления с модальным регулятором , замкнутой через наблюдатель.

^ 12.Исследование и синтез адаптивной системы управления электроприводом.

Цели работы: 1) знакомство с принципом работы адаптивных систем управления электроприводами постоянного тока; 2) овладение методикой синтеза адаптивных регуляторов на основе 2-го метода Ляпунова; 3) проверка результатов синтеза адаптивных регуляторов методом цифрового моделирования; 4) исследование влияния изменения параметров объекта управления на динамику адаптивных систем управления.

^ 13.Изучение АВК-31 и приобретение навыков работы на ней.

Цель работы: изучение основных элементов аналоговой вычислительной машины АВК-31 и порядка моделирования элементов систем.

Лабораторные работы выполняются на проблемно-ориентированной аналоговой вычислительной машине АВК-6, на универсальной АВМ типа АВК-31, на персональных ЭВМ и промышленных контроллерах.


^ 2.4. КУРСОВАЯ РАБОТА


Целью курсовой работы является синтез линейной непрерывной системы автоматического управления по заданным показателям качества процессов управления в установившемся и переходном режимах работы. В качестве САУ задается исполнительная следящая система промышленного робота, работающая в режиме идеального холостого хода. Следящая система электромеханическая с двигателем постоянного тока независимого возбуждения и потенциометрическими датчиками угла поворота. В качестве исходных данных приняты параметры системы, закон движения и показатели качества процесса управления. Основными задачами курсовой работы являются: составление математической модели в форме структурной схемы и уравнений в пространстве состояний; синтез и реализация последовательных и параллельных корректирующих устройств по заданным показателям качества; построение переходных процессов частотным методом и на ЭВМ для анализа качества синтезированной системы.

  1. ^ УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

    1. Основная и дополнительная литература



Основная

1. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. - М.: СПб Изд-во, «Профессия», 2003.- 752 с..

2. Теория автоматического управления: Учеб. для вузов. В 2-х ч., ч.1,ч.2./ Под ред. А. А. Воронова- М.: Высш. шк., 1986.

3. Солодовников В.В., Плотников В.Н., Яковлев А.В. Теория автоматического управления техническими системами: Учеб. пособие. -М.: Изд. МГТУ,1993.

4. Куропаткин Н.В. Теория автоматического управления. -М.: Высшая школа, 1973.


Дополнительная


5. Макаров И.М., Менский Б.М. Линейные автоматические системы. -М.: Машиностроение. 1982.

6. Бесекерский В.А. и др. Сборник задач по теории автоматического регулирования и управления. - М.: Наука, 1978.

7. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами. -Л.: Энергия, 1982.

8. Борцов Ю.А. и др. Электромеханические системы с адаптивным и модальным управлением .-Л.: Энергоатомиздат, 1984.

9. Б. Куо. Теория и проектирование цифровых систем управления: Пер. с англ. -М.: Машиностроение, 1986.

10. Бесекерский В.А., Изранцев В.В. Системы автоматического управления с микроЭВМ. -М.: Наука, 1987.


3.2. Перечень

учебных и учебно-методических пособий


1.А.П.Дамбраускас, Г.Б.Масальский, А.П.Смольников. Расчет динамики систем автоматического управления. Учебное пособие. Красноярск, КПИ,1979.

2.А.П.Смольников.Взаимосвязанные системы управления: Учеб.пособие/ КрПИ.-Красноярск,1988.

3.А.П.Смольников. Дискретные и нелинейные системы управления: Лабораторный практикум. КГТУ. Красноярск,1996.

4.Линейные системы автоматического управления: Методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов специальности 2103-"Роботы и робототехнические системы"/ Сост. А.П.Смольников, И.С.Артемьев; КГТУ. Красноярск,1997.

5.Системы с адаптивным и модальным управлением. Методические указания по лабораторным работам/ Сост. А.П.Смольников; КрПИ.- Красноярск,1991.

6.Исследование систем автоматического управления. Методические указания к выполнению лабораторных работ/ Сост. А.П.Дамбраускас; Красноярск: КрПИ,1983.

7.Анализ систем автоматического управления. Методические указания по лабораторным работам в дисплейном классе/ Сост. А.П.Дамбраускас, А.П.Смольников, О.В.Кошаев; КрПИ.-Красноярск,1987.

8.Моделирование на АВМ. Методические указания по лабораторным работам/ Сост. А.П.Смольников; КГТУ.-Красноярск,1995.


3.3. Перечень

используемого программного обеспечения

1.Учебно-исследовательская система инженерных и научных расчетов Matlab 6.1.

2.Пакеты программ для ПЭВМ для анализа и синтеза линейных, нелинейных и взаимосвязанных САУ.

Приложение 1

ПРОТОКОЛ

Согласования рабочей программы с другими дисциплинами специальности 21.03


Наименование дисциплин, изучение которых опирается на данную дисциплину



Кафедра

Предложения об изменениях в пропорциях материала, порядка изложения и т.д.

Принятое решение (протокол №,дата) кафедрой

1

2

3

4

  1. Приводы роботов:

РиТК







  1. Управление роботами и РТС:

РиТК







  1. Моделирование и исследование роботов и РТС

РиТК

































Составил

к.т.н ,доцент каф. РиТК /Смольников А.П../




Скачать 309,48 Kb.
оставить комментарий
Дата28.09.2011
Размер309,48 Kb.
ТипПрограмма дисциплины, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх