Рабочая программа, методические указания и контрольные задания для студентов специальности 230105 «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем» Института дистанционного образования icon

Рабочая программа, методические указания и контрольные задания для студентов специальности 230105 «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем» Института дистанционного образования


Смотрите также:
Самостоятельная работа, часов...
Рабочая программа по дисциплине Архитектура вычислительных систем Для специальности...
Рабочая программа по дисциплине «Технология разработки программного обеспечения» для...
Рабочая программа по дисциплине Параллельное программирование (Спецкурс 1) Для специальности...
Рабочая программа по дисциплине «проектирование систем управления и менеджмента» для...
Рабочая программа по дисциплине «Информатика» для специальности 230105(220400)   «Программное...
Рабочая программа учебной дисциплины од...
Рабочая программа по дисциплине “Дискретная математика” для специальности 230105 (220400)...
Методические указания и контрольные задания для студентов-заочников Салаватского индустриального...
Методические указания по выполнению контрольной работы для студентов-заочников по дисциплине...
Программа по дисциплине «Основы теории управления» для специальности 230105 «Программное...
Рабочая программа по дисциплине «Метрология...



Загрузка...
страницы:   1   2   3
скачать


ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

________________________________________________________________


«УТВЕРЖДАЮ»

Директор ИДО

_____________А.Ф.Федоров

«____» ____________ 2005 г.




ОСНОВЫ ТЕОРИИ УПРАВЛЕНИЯ



Рабочая программа, методические указания и контрольные задания
для студентов специальности 230105 «Программное обеспечение
вычислительной техники и автоматизированных систем»

Института дистанционного образования



Семестр

6

7

Лекции, часов

2

8

Практические занятия, часов




4

Лабораторные занятия, часов




6

Контрольная работа




1

Общая трудоемкость




119

Форма контроля




Зачет



Томск 2005

УДК 681.5


Основы теории управления: Рабочая программа, методические указания, контрольные задания для студентов специальности 230105 «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем» ИДО / Составитель В.П. Казьмин. – Томск: Изд. ТПУ, 2005. – 24 с.


Рабочая программа, методические указания и контрольные задания рассмотрены и рекомендованы к изданию методическим семинаром кафедры автоматики и компьютерных систем
”___” _____________ 2005г.


Зав. кафедрой, профессор, д.т.н. _______________ Г.П. Цапко


Аннотация

Настоящая рабочая программа является программой изучения курса по дисциплине “Основы теории управления”, предназначенного для подготовки специалистов по специальности 220400 “Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем”. Дисциплина входит в цикл общепрофессиональных дисциплин. Рабочая программа составлена на основе Государственных образовательных стандартов ВПО по специальности 230105, образовательных стандартов высшего профессионального образования ТПУ по этой специальности. Структура, содержание и оформление рабочей программы соответствуют стандарту ТПУ «СТП ТПУ 2.4.01-99».

Рабочая программа включает следующие разделы: основные понятия теории управления; математическое описание звеньев и систем; устойчивость и качество САУ; основные понятия нелинейных, дискретных и микропроцессорных САУ.

В рабочей программе приведены варианты контрольной работы и методические указания по её выполнению.


^ 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ


1.1. Целью преподавания дисциплины является формирование у студентов знаний о принципах построения, основных методах проектирования и исследования систем управления (СУ) и получение навыков по использованию современных информационных технологий в задачах их анализа и синтеза.

В результате изучения дисциплины студент должен понимать:

  • научно-техническую лексику (терминологию);

  • общие принципы построения СУ;

  • что требуемые знания и умения студент реализует только в результате формирования у себя активной познавательной деятельности;

знать:

  • принципы построения СУ;

  • критерии оценки устойчивости СУ;

  • показатели качества процесса регулирования систем;

  • методы и способы оценки запасов устойчивости и точности процессов регулирования систем;

уметь:

  • применять эти знания для анализа систем любого класса;

  • использовать пакеты прикладных программ Matlab, Classic для анализа и синтеза систем управления.


^ 2. СОДЕРЖАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО РАЗДЕЛА ДИСЦИПЛИНЫ


2.1. Введение


Основные сведения об управлении и регулировании. Объект управления и управляющее устройство. Задающее и возмущающее воздействие. Автоматические и автоматизированные системы управления (СУ). Алгоритм функционирования и алгоритм управления СУ.


^ 2.2. Классификация и принципы построения СУ


Классификация СУ по различным признакам. Системы линейные, нелинейные, непрерывные, дискретные, статические и астатические, одноконтурные и многоконтурные, одномерные и многомерные.

Классификация СУ по принципам управления: по разомкнутому циклу, замкнутому, комбинированному управлению.

Классификация СУ по характеру задающего воздействия: системы стабилизации, системы программного управления, следящие системы.


^ 2.3. Линейные непрерывные системы управления


2.3.1. Формы математического описания СУ

Понятие математической модели системы. Формы математического описания: дифференциальные уравнения, передаточные функции. Описание СУ переменными состояния. Понятие управляемости и наблюдаемости СУ.

Понятие структурной схемы. Структурные преобразования, правила структурных преобразований. Принцип суперпозиции.

Временные и частотные характеристики. Временные характеристики: переходная функция, импульсная переходная функция. Использование формулы Хевисайда для определения переходных характеристик.

Частотные характеристики: амплитудно-фазовая, амплитудно-частотная, фазо-частотная. Получение частотных характеристик по дифференциальному уравнению, по передаточной функции. Взаимосвязь частотных характеристик. Логарифмические частотные характеристики (ЛЧХ).


^ 2.3.2. Временные и частотные характеристики типовых

динамических звеньев СУ

Звенья 1-го порядка: идеально интегрирующее звено, реально интегрирующее, идеально дифференцирующее, реально дифференцирующее, апериодическое, и форсирующее звенья.

Динамические звенья 2-го порядка: периодическое (колебательное), апериодическое и консервативное звенья.


^ 2.3.3. Устойчивость СУ

Основные понятия и определения устойчивости СУ. Анализ устойчивости системы по корням характеристического уравнения.

Критерии устойчивости. Алгебраический критерий устойчивости Гурвица. Необходимые и достаточные условия устойчивости системы.

Частотные критерии устойчивости Михайлова и Найквиста. Анализ устойчивости по логарифмическим частотным характеристикам системы.

Критический коэффициент передачи разомкнутой СУ и его определение по критериям устойчивости.

Использование последовательной и параллельной коррекции для повышения устойчивости СУ.


^ 2.3.4. Оценка качества процесса управления

Показатели качества процесса управления: точность процесса регулирования, характер переходного процесса, время регулирования, перерегулирование, частота и период собственных колебаний, резонансная частота, полоса пропускания, частота среза, колебательность системы, запасы устойчивости по фазе и амплитуде. Прямые и косвенные оценки качества управления.

Уравнения статического режима СУ. Определение полной статической ошибки СУ и ее составляющих.


^ 2.3.5. Синтез в системах управления

Задачи и методы синтеза в СУ. Выбор параметров системы на основании точности процесса регулирования.

Построение желаемой логарифмической амплитудно-частотной характеристики (ЛАЧХ) системы по требованиям к разрабатываемой СУ.

Синтез последовательного корректирующего устройства. Инвариантность (основные понятия). Комбинированные системы управления.


^ 2.4. Дискретные системы. Системы управления с ЭВМ


2.4.1. Общая характеристика дискретных СУ

Общие сведения о дискретных системах. Преобразование непрерывных сигналов в дискретные. Виды квантования: по уровню, времени, по уровню и времени. Классификация дискретных СУ. Типовые структуры импульсных СУ. Идеальный импульсный элемент и формирователь сигналов.


^ 2.4.2. Математическое описание дискретных (импульсных) СУ

Решетчатые функции и разностные уравнения. Дискретное преобразование Лапласа, Z-преобразование, дискретные передаточные функции.

Описание дискретных систем разностными уравнениями и в пространстве состояний.

Понятие устойчивости импульсных СУ.


^ 2.4.3. Структура и характеристики цифровых СУ

Общие сведения о цифровых СУ. Особенности математического описания цифровых СУ, анализа и синтеза систем управления с ЭВМ в качестве управляющего устройства; программная реализация алгоритмов управления в цифровых системах. Структура АСУ ТП с применением микропроцессорных управляющих контроллеров. Функции и задачи АСУ.


^ 3. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКОГО РАЗДЕЛА ДИСЦИПЛИНЫ


3.1. Тематика практических занятий

3.1.1. Составление функциональных и структурных схем систем автоматического регулирования (САР) по ее принципиальной схеме – 2 часа

3.1.2. Получение передаточных функций САР. Построение ЛАЧХ и ЛФЧХ. Определение передаточной функции разомкнутой системы Wрс(S) по виду ЛАЧХ- 2 часа.


^ 3.2. Перечень лабораторных работ

3.2.1. Исследование переходных процессов и частотных характеристик типовых динамических звеньев – 4 часа.


3.2.2. Исследование качества процессов регулирования автоматических систем – 2 часа.


^ 4. КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА


4.1. Общие методические указания


В контрольной работе исследованию подлежит линейная непрерывная стационарная система автоматического регулирования (САР). Исходные данные для анализа САР представлены принципиальной схемой системы, таблицей численных значений ее параметров, дифференциальными уравнениями элементов системы и перечнем подлежащих рассмотрению вопросов. Варианты контрольных заданий представлены в разделе 4.2.3.

Задания являются индивидуальными. Номер задания определяется по шифру зачетной книжки студента. Номер принципиальной схемы САР равен предпоследней цифре, а вариант значений параметров соответствует последней цифре шифра. Например, шифру З-8170/15 соответствует схема № 1 с численными значениями параметров САР варианта 5. Если индекс шифра обозначен одной цифрой, то номер принципиальной схемы и номер варианта значений параметров совпадают. Если предпоследняя цифра шифра больше 5, то номер схемы определяется по формуле: 10 минус предпоследняя цифра шифра.

Оформление контрольных работ производится в соответствии с требованиями ЕСКД. Следует обратить внимание на наличие ссылок на используемые литературные источники, необходимость нумерации всех рисунков и ссылок на них в тексте.


^ 4.2.Методические указания и варианты контрольных заданий


4.2.1. Задание на контрольную работу


  1. По заданной принципиальной схеме САР составить функциональную схему и дать её краткое описание.

  2. Используя приведенные в приложении дифференциальные уравнения элементов САР получить их передаточные функции и составить структурную схему САР.

  3. Получить передаточную функцию разомкнутой системы Wрс(S) и передаточные функции замкнутой САР по задающему ( Wgзс(S) ) и возмущающему ( Wfзс(S) ) воздействиям.

  4. Используя пакеты прикладных программ Matlab или Classic построить частотные характеристики АФЧХ, ЛАЧХ, ЛФЧХ. Пояснить полученные результаты.

  5. Проверить САР на устойчивость, используя любой из критериев:

а) критерий устойчивости Гурвица;

б) критерий устойчивости Михайлова;

в) критерий устойчивости Найквиста.

6. Определить запас устойчивости системы по амплитуде и фазе. Если система при заданных значениях параметров является неустойчивой, необходимо определить новые значения параметров изменяемых при настройке системы, обеспечивающие необходимый запас устойчивости.

7. Определить критический коэффициент усиления разомкнутой системы по любому из критериев устойчивости.

8. Построить переходные характеристики замкнутой системы по задающему и возмущающему воздействиям, определить показатели качества процесса регулирования.

9. Определить корни характеристического уравнения системы, объяснить характер переходного процесса на основании значений корней характеристического уравнения.


^ 4.2.2. Методические указания к контрольной работе


Любая функциональная схема САР по отклонению включает в себя объект управления - ОУ с выходной регулируемой величиной x, управляющим воздействием у и возмущающим воздействием - f; устройство управления - УУ, формирующее управляющее воздействие У обеспечивающее значение выходной регулируемой величины x, равное c заданной точностью задающему значению g; задающее устройство - ЗУ обеспечивающее входное воздействие g; главную отрицательную обратную связь ОС; сравнивающе-суммирующее устройство (ССУ) (см. рис.1).




f

у

xос

Рис.1 Обобщенная функциональная схема САР


В общем случае УУ состоит из функционального элемента реализующего используемый в системе закон управления, усилительного элемента, исполнительного устройства и последовательной или параллельной коррекции.

В САР также возможны дополнительные каналы регулирования по возмущающему фактору f или задающему воздействию g (комбинированное управление).

ССУ может быть реализовано на операционном, электронном, магнитном либо электромашинном усилителе, или на каком либо измерительном устройстве.

Всевозможные датчики, делители, преобразователи составляют ОС.

На основании линейных моделей элементов САР, приведённых в приложении в таблице 6, предложенная принципиальная схема разбивается на элементы и узлы и составляется функциональная схема системы. Необходимо помнить, что ОУ, название, которого и его выходная регулируемая величина x указаны в названии САР, располагается в прямой цепи прохождения задающего воздействия g последним, а ЗУ - на первом месте.

Для составления структурной схемы необходимо по дифференциальным уравнениям (ДУ) элементов САР (см. приложение таблица 6) получить их передаточные функции. При этом ДУ ОУ содержит составляющую возмущающего фактора f(Mс,Iн, и т.п.). Поэтому ОУ будет иметь две передаточные функции (ПФ): по управляющему воздействию Wуоу(S) и по возмущающему фактору Wfоу(S). При определении ПФ по одному из воздействий, другие воздействия приравниваются к нулю (принцип суперпозиции). Например, генератор постоянного тока (ГПТ) описывается следующим ДУ:

(ТГ Р + 1)UГ(t)=КГ1 UВ(t) - К Г2(ТГ Р +1)Iн(t). (1)

Где: UГ(t) – выходная управляемая величина;

UВ(t) – управляющее воздействие;

Iн(t) – ток нагрузки, возмущающее воздействие.

При определении ПФ ГПТ по напряжению возбуждения (UВ ), т.е. WUВГПТ (S), ток нагрузки генератора (Iн– возмущающее воздействие) приравниваем к нулю и дифференциальное уравнение принимает вид:

Г Р + 1)UГ(t)=КГ1 UВ(t). (2)

Передаточная функция есть отношение выходного сигнала к входному в изображении S при нулевых начальных условиях, иначе отношение оператора правой части дифференциального уравнения к оператору левой части при замене P на S. Тогда WUВГПТ(S) запишется как:

. (3)

Передаточная функция ГПТ по Iн имеет вид:

. (4)

Структурная схема есть графическое представление ДУ САР и состоит из элементов направленного действия изображаемых прямоугольниками, и описываемых соответствующими ПФ, сумматоров, линий связи указывающих направление передачи сигналов, стрелок, указывающих входные воздействия и выходную управляемую величину. Обобщенная структурная схема САР приведена на рис.2.


f


Wfoy(s)



g

X0

x

y


Wgccy(s)

Wyy(s)

Wyoy(s)

x






Uoc

xос


Wocccy(s)

Woc(S)






Рис.2 Структурная схема САР


На схеме использованы следующие обозначения:

Wgccy(s) – передаточная функция сравнивающе-суммирующего устройства по задающему воздействию;

Wocccy(s) – передаточная функция сравнивающе-суммирующего устройства по сигналу главной обратной связи;

Wyу(s) – передаточная функция управляющего устройства;

Wyoy(s) – передаточная функция объекта управления по управляющему воздействию;

Wfoy(s) – передаточная функция объекта управления по возмущающему воздействию;

Woc(S) – передаточная функция датчика (чувствительного элемента) цепи главной обратной связи.


Для определения ПФ разомкнутой САР Wрс(S) отбрасываются все входные воздействия и цепи, прилегающие к ним, разрывается главная ОС, её цепь является продолжением прямой цепи прохождения задающего воздействия g (см. рис.3)

Wyy(S)

Wyоу(S)

Woc(S)

Wocссу(S)




Рис.3 Структурная схема разомкнутой САР


Передаточная функция замкнутой системы по любому из воздействий равна дроби:


(5) ,

где WZпр(S) передаточная функция прямой цепи прохождения сигнала z.

Например, ПФ замкнутой САР (см. Рис.2) по f, определяющая зависимость регулируемой величины Х от возмущения f, имеет вид:

(6)

а ПФ по g:

. (7)

В литературе могут использоваться и другие обозначения передаточных функций замкнутых систем. Так, например, и могут быть соответственно обозначены, как и или и . Здесь индекс ПФ указывает параметры, между которыми определена связь.

Аналогично записываются ПФ устанавливающие связь задающего и возмущающего воздействий с составляющими ошибки регулирования, обусловленными соответственно задающим и возмущающим воздействиями. Для линейных САР справедлив принцип суперпозиции (наложения), согласно которому полная ошибка регулирования САР (x) равна сумме ошибок обусловленных действием задающего и возмущающего воздействий: x = xg + xf . Исходя из этого, получим изображение полной ошибки САР:

.


Изображение выходного сигнала линейной САР определяется выражением:

. (8)

По формуле предельного перехода () для установившегося стационарного состояния, когда g(t)=g0=const, f(t)=f0=const и , получим:

- величина установившейся ошибки,

- величина установившегося значения регулируемого (управляемого) параметра.


Для выполнения контрольной работы рекомендуется использовать ППП Classic, Matlab или Mathcad.


^ 4.2.3. Варианты контрольных заданий


Задание №1. CAP температуры в электропечи



Рис.4 Принципиальная схема

Таблица 1

Параметры

Значение параметров САР по вариантам

 

 

 

 1



 3

 4

 5

 6

 7

 8



 0

Ку1

 

 4,3

 4

 5

 4

 2

 1

 6,2

 5,2

 4

 2

Ку2

 

 4,3

 6,5

 8,8

 2,4



 2,6

 4

8,6 

 2,2

 2

Ку3

 

4,3

 6,5

4,4

 2,4

2

 2,6

4

4,3 

2,2

2,16 

Ктп

 

 6,5



14,2 

9,6 

5,1 

6,4 



4,2 

7,5 



Ттп

с

0

 0

0

0

0

 0

0



0



Ки

град/В

 5

 4,8

 6,4

5,6 

4,4 

3,8 

6,4 

2,4 



 4

Ти

с

250

 140

220

 180

120

 160

170

275 

320

87 

Кп

 

 0,9

 0,8

 0,94

 0,88

 0,96

 0,7

0,85 

0,92 

0,76 

0,65 

Тп

с

790

 400

690

 660

420

580 

440

 760

910

 600

Кт1

В/град

 0,5

 0,2

 0,1

 0,8

 1,2

 0,75

 0,4

 0,5

 1,05

 0,8

Тт1

с

2,35

 2,15

2,3

3,6 

2,2

 5,6

2,3

 5,9

3,4

3,8 

Кт2

В/град

 0,5

 0,4

 1

 3,2

 2

 0,75

 1

 1,8

 2,4

 2

Тт2

с

28,1

 12,2

8,3

 7,2

14

21,5 

7,7

 28,6

16,

 10



град

18

20

25

26

28

30

31

24

29

19



Задание №2. CAP частоты вращения двигателя постоянного тока




Рис.5. Принципиальная схема

Таблица 2

Параметры

Значение параметров САР по вариантам

 

 

 

 1

 2



 4

 5



 7





 0

Ку1

 

 10

 9,8

 6,5

 5

 5,6

 12,5

 7,8

 10,6

 6,9

 5,6

Ку2

 

 10

 9,8

 6,5

 5

 5,6

 12,5

 7,8

 10,6

 6,9

 5,6

Т1

с

0,08

0,045

0,071

0,059

0,046

 0,044

0,08

0,054

0,083

0,063

Т2

с

0,126

0,044

0,063

 0,109

0,085

 0,08

0,071

0,068

0,095

 0,056

К




3

5

2

2,5

2

2,5

3

4

2

1,5

Ктп

 

13,8

13,8 

12,7

 11,5

13,8

13,2 

12,5

 13,8

12,7

13,8 

Ттп

с

0,01

 0

0,008



0,012



0,006

 0

0,011



Кд1

рад/

В*с

2,85

0,95 

1,43

 1,9

2,4

 0,96

1,43

2,85 

1,9

2,4 

Кд2

рад/

н*м*с

 4,6

 8,4

6,4 

2,8 

 3,6

 4,2



5,6 

3,2 



Тэ

с

 0,021

 0,009

0,013

 0,012

0,011

 0,013

 0,011

0,009

0,013

 0,01

Тм

с

0,522

0,233 

0,264

0,448 

0,391

 0,368

0,327

0,456

0,413

0,366 

Кп

 

 0,2

 0,4

 0,35

 0,25

 0,6

 0,4

 0,45

 0,2

 0,34

 0,25

Ктг

В*с/

рад

0,13

 0,2

0,2

 0,4

0,1

0,2 

0,2

0,22 

0,2

 0,3

Мн

Н*м

46

 84

64

 28

36

42 

20

56 

32

 40



Задание №3. CAP частоты вращения двигателя постоянного тока




Рис. 6. Принципиальная схема


Таблица 3

Параметры

Значение параметров САР по вариантам

 

 

 

 1

 2

 3

 4

 5

 6

 7

 8

 9

 0

Ку1

 

 9,3

 10

 5

 7

 3

 8,8

 8,7

 12,7

 7,2

 17

Ку2

 

 9,3

 10

 5

 7

 3

 8,8

 8,7

 12,7

 7,2

 17

Т1

с

 0,2

0,178

0,27 

0,158

0,112

0,214 

0,24 

0,224

0,316

0,25 

Т2

с

0,08

0,045

0,071

0,059

0,046

 0,044

0,08

0,054

0,083

0,063

Ктп

 

 31,2

 29,2

34,7 

20,6 

49,2 

49,7 

30,6 

48,2 

25,6 

23 

Ттп

с

0,022

 0

0,026

0,015

0

 0,006

0,019

 0

0,012

0,011

Кд1

рад/В*с

 0,95

 2,85

 1,9

 2,4

 2,4

 1,9

 0,95

 0,95

 1,43

 1,43

Кд2

рад/с*н*м

40

 38

13,5

 26

32

 42

56

20 

24

 32

Тэ

с

 0

0,013

0,015

 0

0,015

 0,013



0,013

0,024

 0

Тм

с

 0,63

0,369

0,506

0,45 

0,433

0,513 

0,708

0,615

0,538

0,562

Кдс

В*с/рад

0,2

 0,2

0,25

0,3 

0,1

 0,2

0,3

0,15

0,15

 0,2

Тдс

с

0,012

0,007

 0

0,023

0,008

 0

0,01

0,007

 0

0,017

Кп

 

0,5

 0,3

0,4

0,3 

1

 0,6

0,5

0,8 

0,8

0,5 

 Мн

Н*м

4

38 

13

 26

3

 4

6

 20

24









Скачать 496,34 Kb.
оставить комментарий
страница1/3
Дата28.09.2011
Размер496,34 Kb.
ТипРабочая программа, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

страницы:   1   2   3
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

наверх