ЗАТВЕРДЖЕНО
Наказ Міністерства освіти і науки,
молоді та спорту України
29.03.2012 N 384
Форма N Н-3.03
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ
ВІННИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
«ЗАТВЕРДЖУЮ»
Перший проректор з науково-педагогічної роботи по організації навчального процесу та його науково-методичного забезпечення
__________
“______”_______________20___ року
Теорія автоматичного керування технологічними системами
(назва навчальної дисципліни)
ПРОГРАМА
нормативної навчальної дисципліни
підготовки бакалавра
(назва освітньо-кваліфікаційного рівня)
напрямів 6.050502 — Інженерна механіка, 6.050503 — Машинобудування
(шифр і назва напряму)
спеціальності —
(Шифр за ОПП________)
Вінниця 2013 рік
РОЗРОБЛЕНО ТА ВНЕСЕНО
кафедрою технології та автоматизації машинобудування
(повна назва кафедри)
Розробники програми:
к. т. н., доцент
.
Програма нормативної навчальної дисципліни «Теорія автоматичного керування технологічними системами» затверджена на засіданні кафедри технології та автоматизації машинобудування.
Протокол від «____»________________20__ року № ___
Завідувач кафедри _______________________Сивак І. О.
(підпис) (прізвище та ініціали)
Заступник директора ІнМТ з навчально-методичної роботи
_____________________
(підпис) (прізвище та ініціали)
«____________»__20__ року
Схвалено Методичною радою Інституту машинобудування та транспорту
Протокол від «____»______________20___ року № ___
Голова Методичної ради ІнМТ________________Бурєнніков Ю. А.
(підпис) (прізвище та ініціали)
Схвалено Методичною радою ВНТУ
Протокол від «_____»________________20___ року № ___
Голова Методичної ради ВНТУ __________________
(підпис) (прізвище та ініціали)
Вступ
Програма вивчення нормативної навчальної дисципліни «Технологія машинобудування» складена з урахуванням освітньо-професійних програм підготовки бакалаврів напрямів 6.050502 — Інженерна механіка та 6.050503 — Машинобудування.
Предметом вивчення навчальної дисципліни «Основи технології машинобудування» є загальні теоретичні положення про зв’язки та закономірності виробничого процесу створення якісної, економічної машини. Викладається суть технічних і техніко-економічних заходів, за допомогою яких забезпечується бажані показники якості машини, продуктивність праці і собівартість. Розглядаються також загальна послідовність і сутність етапів розробки технологічних процесів виготовлення деталей та складання машини.
Міждисциплінарні зв'язки: дисципліна базується на основі знань, засвоєних під час вивчення курсів «Вища математика», «Фізика», «Хімія», «Теоретична механіка», «Технологія конструкційних матеріалів та матеріалознавство», «Теорія різання», «Взаємозамінність, стандартизація та технічні вимірювання», «Обладнання та транспорт металообробних цехів».
Дисципліна «Основи технології машинобудування» є однією з базових для вивчення спеціальних дисциплін, таких як «Технологія машинобудування» «Технологічна оснастка», «Основи автоматизації виробництва», «Технологічні основи гнучкого автоматизованого виробництва», «Проектування пристосувань», «Програмування верстатів з ЧПК» та інших, а також для курсового та дипломного проектування.
Програма навчальної дисципліни складається з чотирьох модулів і дев’яти змістових модулів.
1. Мета і завдання дисципліни
Дисципліна має на меті розширення світогляду студентів та засвоєння загальних принципів та засобів, необхідних для керування динамічними системами різноманітної фізичної природи відповідно до виробничих та технологічних процесів.
Дисципліна покликана сформувати у студентів системний підхід до вирішення актуальних задач керування автоматичним та автоматизованим виробничим процесом на базі сучасного програмно-керованого обладнання та засобів обчислювальної техніки.
Задачі вивчення дисципліни базуються на знаннях загальних принципів та тенденцій розвитку сучасних систем керування технологічними та виробничими процесами, сучасних технічних засобів керування, основних положень лінійної теорії автоматичного керування; Вміннях розробляти математичні моделі систем автоматичного керування (САК) механічним обладнанням, виконувати дослідження стійкості САК, аналізувати якість процесів керування технологічними системами; навичках системного аналізу та синтезу САК з використанням обчислювальної техніки.
Дисципліна будується на широкій основі з ряду інших дисциплін: механіки, фізики, математики, теоретичної електротехніки, електроніки, електричних машин, електроприводу, гідравліки, обчислювальної техніки, гідроприводу та деяких інших, які відображають специфіку об'єктів регулювання та керування.
В свою чергу дисципліна забезпечує подальше вивчення дисциплін: "Автоматизація виробництва в машинобудуванні", "Технологічні основи гнучкого автоматизованого виробництва", "Технологічні основи комп'ютеризованого виробництва", Проектування контрольно-вимірювальних пристроїв", "Динаміка та регулювання систем приводів технологічних машин". Крім того, отримані знання по дисципліні використовуються при виконанні дипломних наукових робіт, бакалаврських робіт та магістерських дисертацій.
2 Зміст дисципліни
1. Вступна частина:
– роль автоматизації у сучасному науково-технічному прогресі;
– стислий історичний екскурс;
– перспективи розвитку автоматизації;
– мета, задачі, структура та зміст дисципліни, її зв'язок з іншими дисциплінами.
2. Основні поняття теорії автоматичного керування (ТАК):
– зміст понять: "керований об'єкт", "керована величина", "зовнішнє збурююче діяння", "простий керований об'єкт", "керування об'єктом", "керування", "регулювання", "автоматичне керування", "напівавтоматичне керування", "автоматичний керуючий пристрій", "система автоматичного керування", "блок-схема автоматичної системи з однією керованою величиною", "задаюче діяння системи", "вхід", "вихід системи", "діяння", "сигнал";
– автоматичне регулювання та керування у живих організмах, природі, техніці;
– причини, які примушують вилучати людину як слабку ланку у системі керування;
– етапи розвитку технологічного процесу, місце САК у технологічному процесі;
– принципи автоматичного керування: принцип керування по відхиленню, поняття "зворотній зв'язок", функціональна схема САК; принцип керування по збуренню; принцип комбінованого керування; принцип адаптації.
3. Класифікація автоматичних систем:
– ознаки за якими класифікуються автоматичні системи;
–класифікація автоматичних систем (системи стабілізації, програмного керування, слідкуючі, одноконтурні, багатоконтурні, прямої дії, безперервні, дискретні, статичні, лінійні, нелінійні).
4.Характеристики автоматичних систем:
– способи опису роботи автоматичних систем;
– складання диференційних рівнянь елементів автоматичної системи;
– форми запису рівнянь елементів автоматичної системи;
– перехід від рівнянь елементів до рівняння автоматичної системи;
– оцінка статичних властивостей автоматичної системи;
– оцінка динамічних властивостей автоматичної системи.
5.Типові динамічні ланки автоматичних систем:
– класифікація типових ланок;
– аналіз типових ланок.
6. Структурні схеми автоматичних систем:
– розуміння структурної схеми, її порівняння з функціональною схемою;
– передаточна функція окремої ланки, типи з'єднань ланок;
– правила структурних перетворень, передаточна функція автоматичної системи;
– зв'язок між замкненою і розімкненою системами.
7. Стійкість автоматичних систем ;
– розуміння стійкості автоматичної системи;
– математична умова стійкості;
– алгебраїчні критерії стійкості;
– графоаналітичний критерій Михайлова;
– частотні критерії стійкості;
– оцінка стійкості системи по її структурі;
– синтез автоматичного керування виходячи із умови стійкості;
– запас стійкості автоматичної системи.
8. Якість процесів керування:
– показники якості перехідних процесів;
– корньові методи оцінки процесів регулювання;
– діаграма Вишнеградського.
9. Застосування ЕОМ для дослідження роботи автоматичних систем:
– застосування АЕОМ для оцінки якості процесів керування;
– застосування ЕОМ для оцінки якості процесів керування.
10. Особливості нелінійних автоматичних систем.
3 Практичні заняття
За результатами проведення практичних занять студенти повинні:
Знати:
– методику розробки математичних моделей на рівні розглядання механічного виконавчого пристрою САК;
– методику перетворення математичної моделі, записаної в диференційній формі, до вигляду, необхідного для отримання передаточної функції, для побудови структурної схеми, для визначення стійкості, для визначення перехідної функції та частотних характеристик; основні правила структурних перетворень, основні характеристики типових динамічних ланок;
– показники за якими визначається якість динамічного процесу в САК;
– основні критерії стійкості САК;
– особливості нелінійних автоматичних систем.
Вміти:
– розробляти математичні моделі на рівні розглядання механічного виконавчого пристрою САК;
– перетворювати вихідну математичну модель за Лапласом, визначати передаточну функцію, отримувати вирази, за якими аналізується стійкість САК, будувати графіки перехідної функції, частотних характеристик, будувати структурні схеми, перетворювати їх, визначити типові динамічні ланки;
– проаналізувати якість динамічних процесів в САК.
Зміст практичних занять:
1.Складання математичних моделей САК:
– більшість технологічних машин вміщують в себе виконавчий механізм, який представляє собою механічну систему із декількох інерційних елементів, з'єднаних між собою пружними зв'язками:
– складання фізичної моделі механічної системи:
– на базі діючого фізичного закону розробка математичної моделі на базі диференційних рівнянь.
2 Перетворення математичних моделей. Отримання передаточної функції.
– перетворення рівнянь, які складають математичну модель, з диференційної форми в алгебраїчну;
– застосування перетворення за Лапласом;
– запис кожного рівняння відносно задаючих та збурюючих діянь;
– розв'язання системи алгебраїчних рівнянь з метою отримання передаточної функції.
3. Побудова структурних схем САК. Отримання передаточної функції.
– Приведення кожного рівняння математичної моделі до вигляду, необхідного для побудови структурного відображення цього рівняння;
– Побудова окремих структурних відображень кожного рівняння математичної моделі;
– Побудова загальної структурної схеми, яка відображає математичну модель;
– Визначення типів з'єднань окремих динамічних ланок і застосувавши правила окремих структурних перетворень отримати передаточну функцію системи; порівняти отриманий вираз з виразом, отриманим при розв'язанні аналітичної задачі визначити типові динамічні ланки.
4. Визначення стійкості САК.
– Застосувавши алгебраїчний критерій стійкості, визначити стійкість системи у діапазоні зміни одного із параметрів системи з використанням програмованого мікрокалькулятора.
5. Побудова частотних характеристик САК.
– Приведення виразу передаточної функції системи до вигляду частотної передаточної функції;
– Отримання рівнянь для визначення частотних характеристик АЧХ (амплітудно-частотної), ФЧХ (фазочастотної), АФЧХ (амплітудно-фазочастотної);
– побудова графіків АЧХ, ФЧХ, АФЧХ;
– аналіз отриманих графіків.
6. Розрахунок перехідної функції САК та її аналіз.
– Метод розрахунку шляхом розв'язання диференційного рівняння системи;
– Частотний метод визначення перехідної функції.
4 Лабораторні заняття
За результатами проведення лабораторних занять студенти повинні:
Знати:
– конструкцію та принцип дії одного із засобів автоматизації електромеханічного перетворювача (ЕМП);
– методику дослідження статичної характеристики, перехідної функції, частотної характеристики ЕМП, основи аналізу цих характеристик;
– методику розробки електронної моделі САК;
– загальні підходи до складання програми роботи ПЕОМ, або програмованого мікрокалькулятора для подальшого дослідження роботи САК.
Вміти:
– на лабораторному стенді зняти статичну характеристику, перехідну функцію та частотну характеристику ЕМП; проаналізувати отримані результати;
– розробити математичну модель САК на рівні розглядання механічного виконавчого пристрою та по ній розробити електронну модель для подальшого дослідження на ПЕОМ;
– розробити програму роботи ПЕОМ або програмованого мікрокалькулятора для визначення стійкості, перехідної функції та частотних характеристик САК.
Зміст лабораторних занять:
1. Принцип дії електромеханічного перетворювача (ЕМП). Визначення статистичної характеристики ЕМП:
– вивчення конструкції та принципу дії ЕМП;
– на лабораторному стенді дослідити залежність Хвих = f(Хвх);
– побудувати графік залежності Хвих = f(Хвх). Зробити висновки.
2. Визначення перехідної функції ЕМП:
– експериментальне дослідити реакцію системи ЕМП на вхідний сигнал ступінчатого типу;
– зняти з екрану осцилографа графік перехідної функції;
– за графіком визначити основні показники якості перехідного процесу,
зробити висновки.
3. Визначення частотної характеристики ЕМП;
– експериментальне дослідити реакцію системи ЕМП на вхідний сигнал гармонічного типу - залежність А = f(ω);
– побудувати графік залежності f(ω) - амплітудно-частотної характеристики.
4.Складання моделі САК для подальшого дослідження на ЕОМ:
– згідно варіанту індивідуального завдання (або завдання на контрольні роботи) розробляється математична модель САК;
– для розробленої математичної моделі складається електронна модель САК.
5. Застосував ЕОМ для дослідження роботи САК.
Згідно варіанту індивідуального завдання розробка програм для ЦЕОМ з метою визначення стійкості САК, перехідної функції, частотних характеристик.
5 Індивідуальне завдання
В якості такого завдання пропонується вдома виконати роботу за темою: "Дослідження динамічних властивостей виконавчого пристрою САК". Склад матеріалу, який має бути представлений для захисту із:
– схема виконавчого пристрою згідно схеми завдання;
– фізична модель виконавчого пристрою (ВП);
– математична модель ВП (у диференційній та операторній формах);
– розв'язок системи рівнянь математичної моделі для отримання виразу передаточної функції;
– приведення рівнянь математичної моделі до вигляду, необхідного для побудови структурного відображення кожного рівняння;
– структурні відображення окремих рівнянь, побудована загальна структурна
схема, яка відображає математичну модель;
– структурні перетворення та отримання передаточної функції ВП;
– розрахунок перехідної функції частотним методом;
– аналіз структурної схеми, визначення типових динамічних ланок;
– визначення динамічної стійкості ВП ( за алгебраїчним критерієм по заданим параметрам, за методом корньового годографу - в діапазоні зміни одного з конструктивних параметрів);
– приведення передаточної функції ВП до вигляду, необхідного для визначення частотних характеристик: отримання рівнянь для визначення амплітудно-частотної характеристики (АЧХ), фазочастотної характеристики (ФЧХ), амплітудно-фазочастотної характеристики (АФЧХ);
– побудовані графіки АЧХ, ФЧХ, АФЧХ для заданих конструктивних параметрів ВП, їх аналіз;
– висновки по роботі
6 Література
Базова:
1. и др. Беседы по автоматике. – Киев: Техника, 1971.
2. Основы теории автоматического регулирования /Под ред. . - М.: Машиностроение, 1984.
3. Сборник задач по теории автоматического регулирования и управления. /Под ред. . – М.: Наука, 1972.
4. Теорія автоматичного керування технологічними системами. Навч.
посібн. Ю. І.Муляр. 2008.
Допоміжна:
1. , 400 схем для АВМ. - М.: Энергия, 1978.
2., Чинаев и синтез систем автоматического управления на ЭВМ. Алгоритмы и прогарами. - М.: Радио и связь, 1986.
3. Конспект лекцій.
