Теория автоматического управления (стр. 1 )

Министерство образования Российской Федерации

Псковский государственный политехнический институт

Факультет автоматизации и вычислительной техники

Кафедра электропривода и систем автоматизации

,

Теория автоматического управления

Методическое пособие по курсу для студентов заочной формы обучения по специальности «Электроснабжение».

Псков

2008

Содержание

	Стр.
Предисловие…………………………………………………………..	5
Рабочая программа…………………………………………………...	6
Методические указания……………………………………………...	8
1. Введение…………………………………………………………..	8
2. Основные понятия и определения………………………………	8
3. Статические режимы систем управления………………………	9
4. Уравнения динамических режимов автоматических систем и методы решения этих уравнений……………………………….	10
5. Основы частотного метода анализа динамики автоматических систем……………………………………………………………..	12
6. Типовые динамические звенья и их характеристики………….	13
7. Структурные схемы, передаточные и частотные функции ав- томатических систем……………………………………………..	14
8. Устойчивость линейных систем………………………………...	15
Контрольные задания………………………………………………...	16
Методические указания к выполнению контрольного задания…..	20

Предисловие

Системы автоматического управления являются основой механизации и комплексной автоматизации всех производственных процессов, в частности электроснабжения. В системах автоматического управления используются новейшие достижения науки и техники, эффективно повышающие производительность оборудования, надёжность и безопасность его работы. Развитие систем автоматического управления идёт по пути упрощения механических передач. Приближения движущего элемента к рабочим органам устройств механизмов, возрастает применение электрического управления. Эффективная разработка таких систем требует знания студентами, будущими специалистами в области электроснабжения, основ теории автоматического управления. Поскольку курс является ознакомительным, то он содержит только информацию и задания по анализу свойств систем автоматического управления и регулирования. Последующие разделы курса, после освоения анализа свойств, могут быть самостоятельно изучены студентами при необходимости.

Рабочая программа

1.  Введение.

Назначение автоматики. Формы и степени автоматизации. История развития теории автоматического управления и регулирования.

2.  Основные понятия и определения.

Понятие об управлении. Принципы управления. Функциональные схемы. Основные элементы автоматических систем. Классификация автоматических систем. Задачи автоматического управления.

3.  Статика систем управления.

Статическое управление. Астатическое управление. Статические характеристики элементов. Статические характеристики систем управления.

4.  Уравнения динамических режимов автоматических систем и методы решения этих уравнений.

Составление уравнений движения систем. Линеаризация уравнений. Приведение их к форме в отклонениях. Безразмерная форма уравнений. Классический метод решения уравнений динамики. Формулы прямого и обратного преобразования Фурье и Лапласа. Понятие о составлении операторных уравнений автоматических систем. Виды возмущающих воздействий.

5.  Основы частотного метода анализа динамики автоматических систем.

Понятие о передаточной частотной функции. Амплитудно-фазовые характеристики. Логарифмические частотные характеристики.

6.  Типовые динамические звенья и их характеристики.

Классификация звеньев. Безынерционные звенья. Инерционные звенья первого и второго порядка. Интегрирующие звенья. Консервативное звено. Дифференцирующие звенья. Суммирующие звенья. Звенья с запаздыванием. Звенья с обратными связями.

7.  Структурные схемы, передаточные и частотные функции автоматических систем.

Обозначения, применяемые в структурных схемах. Способы соединения звеньев систем. Структурные схемы и передаточные функции одноконтурных и многоконтурных замкнутых систем. Получение операторного уравнения системы по структурной схеме. Частотные функции разомкнутых и замкнутых систем. Методы построения частотных характеристик. Построение логарифмических частотных характеристик многоконтурной системы с перекрещивающимися обратными связями.

8.  Устойчивость линейных систем.

Теоремы устойчивости. Получение характеристического уравнения. Условие устойчивости линейной системы. Необходимость положительности коэффициентов характеристического уравнения для устойчивости системы. Критерий Рауса. Критерий Гурвица. Критерий Найквиста. Критерий Михайлова. Критерий Вышнеградского. Определение областей устойчивости. Понятие о D-разбиении пространства коэффициентов характеристического уравнения.

D-разбиение плоскости одного комплексного параметра. D-разбиение плоскости двух параметров. Запас устойчивости. Критический коэффициент усиления. Исследование системы с запаздыванием. Исследование устойчивости замкнутой системы по переходной функции разомкнутой системы. Вопросы структурной устойчивости системы.

Литература

1.  Куропаткин автоматического управления.

2.  , Попов систем автоматического регулирования.

3.  (ред.) Сборник задач по теории автоматического регулирования и управления.

Методические указания

В результате изучения курса студенты приобретают навыки анализа автоматических систем и умеют самостоятельно применять основные положения теории к решению конкретных задач анализа систем автоматического управления.

При изучении курса целесообразно составлять конспект, отражающий весь материал курса и содержащий решённые примеры и задачи по каждой изученной теме. Следующим этапом изучения курса является выполнение контрольной работы, задачи которой отражают материал отдельных разделов программы.

Основной теоретической базой для материала данного курса являются дисциплины, изучавшиеся на предыдущих курсах: «Математический анализ», «Теоретические основы электротехники», «Электромеханика» и др. Указанные дисциплины должны быть изучены и дополнительно повторены перед изучением настоящей дисциплины.

1. Введение

Автоматизация является важнейшим условием развития техники. В данном разделе необходимо правильно понять назначение автоматики и автоматизации и их роль в развитии промышленности. При этом следует определить особенности различных форм и степеней автоматизации. Правильному пониманию хода развития и значения различных методов в теории автоматического регулирования и управления способствует ознакомление с важнейшими этапами развития изучаемой науки.

Вопросы для самопроверки:

1.  Укажите основные причины, обуславливающие применение средств автоматизации.

2.  Объясните назначение регулирующего органа.

3.  Приведите примеры объектов регулирования.

2. Основные понятия и определения

В данной теме необходимо усвоить основные понятия и определения теории автоматического регулирования и управления. Необходимо уметь сформулировать задачу регулирования, знать особенности прямого и непрямого регулирования. Регулирование по замкнутому циклу (по отклонению регулируемой величины) и регулирование по разомкнутому циклу (компенсация возмущения) имеет существенные различия, об этом следует всегда помнить. Создание системы автоматического регулирования (САР) требует наличия регулирующего органа и регулятора. Поскольку все элементы САР имеют различные функции назначения, можно вместо принципиальной схемы рассматривать схему функциональную, которая будет различной для прямого и непрямого регулирования, а также для различных принципов регулирования.

Все системы регулирования и управления можно определённым образом классифицировать. Далее следует ознакомиться с задачами, стоящими перед теорией автоматического регулирования и управления по разработке методов анализа, синтеза и экспериментального исследования.

Вопросы для самопроверки:

1.  Что такое самовыравнивание объекта?

2.  В чём разница между прямым и непрямым регулированием?

3.  Объясните принцип действия систем регулирования по отклонению, по возмущающим воздействиям и комбинированных, сочетающих оба первых принципа. Приведите примеры этих систем.

4.  Перечислите основные функциональные элементы САР.

5.  По каким признакам возможна классификация систем регулирования и управления?

6.  Как различаются системы регулирования в зависимости от требуемого закона изменения регулируемой величины?

7.  В чём различие режимов работы автоматических систем?

8.  Каковы особенности и трудности теории автоматического регулирования и управления и её основные задачи?

3. Статические режимы систем управления

В этой теме необходимо изучить основные вопросы статики, отражающей точность регулирования и управления в установившемся режиме.

Следует твёрдо усвоить различие между статическим и астатическим регулированием. Кроме того, надо запомнить, что ошибка регулирования статических систем при изменении нагрузки на объекте зависит от коэффициента усиления разомкнутой системы и от величины ошибки объекта при отключённом регуляторе.

Рассматривая статические характеристики элементов, следует обратить внимание на возможность линеаризации нелинейных характеристик.

При изучении способов расчёта статических характеристик автоматических систем следует прежде всего различать, относительно какого воздействия (задающего или возмущающего) рассматривается изменение регулируемой величины. Для линейных систем, содержащих только линейные элементы, могут быть применены графические и аналитические способы расчёта. Если в системе имеется хотя бы один линеаризованный элемент, при аналитическом расчёте следует помнить, что коэффициент усиления этого элемента не является неизменным, и на линеаризованных участках статической характеристики он будет иметь различные значения.