Автоматическое управление. Курс лекций с решением задач и лабораторных работ
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Автоматика
Издательство:
Издательство ФОРУМ
Автор:
Молоканова Надежда Петровна
Год издания: 2021
Кол-во страниц: 224
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
Среднее профессиональное образование
ISBN: 978-5-91134-593-8
ISBN-онлайн: 978-5-16-109148-7
Артикул: 170050.06.01
Доступ онлайн
от 272 ₽
В корзину
Рассмотрены основные понятия и принципы управления. Представлены типовые динамические звенья, их свойства и характеристики. Большое внимание уделено анализу устойчивости и качества процессов управления. Даны основные сведения об оптимальном управлении и синтезе линейных систем. Рассмотрены вопросы применения управляющих ЭВМ в системах автоматического управления. Приведены примеры и задачи. Представлены лабораторные работы, выполняемые на компьютере с использованием системы MATLAB с подсистемой моделирования динамических процессов Simulink, синтез и анализ систем автоматического регулирования.
Для студентов образовательных учреждений среднего профессионального образования, обучающихся по специальности «Автоматизация технологических процессов и производств». Может быть использовано студентами других специальностей, изучающих дисциплины, связанные с автоматикой и автоматизацией.
Автоматическое управление: от основ к современным системам
Эта книга, предназначенная для студентов средних профессиональных учебных заведений, специализирующихся в области автоматизации технологических процессов, представляет собой курс лекций по теории автоматического управления (ТАУ). Она охватывает основные понятия, принципы и методы, необходимые для понимания и проектирования систем автоматического управления (САУ).
Общие сведения о САУ
В начале книги рассматриваются базовые термины и определения, такие как объект управления, автоматика, кибернетика и, конечно, сама САУ. Дается классификация САУ, включая системы автоматического контроля, стабилизации, программного управления и следящие системы. Подробно разбирается типовая структурная схема САУ, включающая задающий элемент, элемент сравнения, последовательный преобразующий элемент, усилительный элемент, исполнительный элемент, регулирующий орган, объект управления, преобразовательный элемент возмущения, чувствительный элемент, элемент местной и главной обратной связи. Также приводятся примеры различных САУ, иллюстрирующие принципы их работы.
Типовые динамические звенья
Основная часть книги посвящена изучению типовых динамических звеньев, которые являются базовыми элементами САУ. Рассматриваются дифференциальные уравнения и операторная форма записи, временные (переходные) характеристики, частотные характеристики, включая амплитудно-частотные (АЧХ) и фазо-частотные (ФЧХ), а также логарифмические частотные характеристики (ЛАЧХ и ЛФЧХ). Подробно анализируются свойства и характеристики таких звеньев, как пропорциональное, дифференцирующее, интегрирующее, апериодическое и колебательное. Рассматриваются соединения элементов и эквивалентные преобразования структурных схем.
Устойчивость и качество управления
Важное место в книге занимает анализ устойчивости линейных САУ. Рассматривается понятие устойчивости, критерии устойчивости (алгебраические критерии Рауса-Гурвица и графоаналитические критерии Найквиста и Михайлова), а также запасы устойчивости. Далее обсуждаются показатели качества процессов управления, такие как статическая ошибка, перерегулирование, время регулирования и методы его исследования.
Синтез и применение
В заключительных главах рассматриваются вопросы синтеза линейных САУ, включая частотные методы синтеза, построение желаемой ЛАЧХ и синтез САУ с оптимальным переходным процессом. Обсуждаются типовые линейные законы автоматического регулирования (пропорциональный, интегральный, дифференциальный, пропорционально-интегральный, пропорционально-дифференциальный и пропорционально-интегрально-дифференциальный регуляторы). Отдельно рассматриваются особенности особых САУ, таких как системы с запаздыванием, с распределенными параметрами, с переменными параметрами и дискретные САУ. Завершается книга обзором применения управляющих микроЭВМ в САУ, включая направления создания систем с микроЭВМ и требования к ним. В конце книги представлены лабораторные работы, выполняемые с использованием системы MATLAB + Simulink, что позволяет студентам на практике закрепить полученные знания.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- Среднее профессиональное образование
- 27.02.04: Автоматические системы управления
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Н. П. Молоканова АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ Курс лекций с решением задач и лабораторных работ Рекомендовано Методическим советом ГОУДПО Учебно-методический центр по профессиональному образованию Департамента образования г. Москвы в качестве учебного пособия для студентов и учащихся образовательных учреждений среднего профессионального образования Москва 2021
УДК 681.5(075.32) ББК 32.98я723 М75 Рецензенты: начальник сектора по учебно-производственной работе, преподаватель высшей квалификационной категории Обнинского политехнического техникума А.В. Рыдкий кандидат технических наук, методист Учебно-методического центра по профессиональному образованию А.М. Попов Молоканова Н.П. М75 Автоматическое управление. Курс лекций с решением задач и лабораторных работ : учебное пособие / Н.П. Молоканова. - Москва: Форум, 2021. - 224 с.: ил. (Профессиональное образование). ISBN 978-5-91134-593-8 Рассмотрены основные понятия и принципы управления. Представлены типовые динамические звенья, их свойства и характеристики. Большое внимание уделено анализу устойчивости и качества процессов управления. Даны основные сведения об оптимальном управлении и синтезе линейных систем. Рассмотрены вопросы применения управляющих ЭВМ в системах автоматического управления. Приведены примеры и задачи. Представлены лабораторные работы, выполняемые на компьютере с использованием системы MATLAB с подсистемой моделирования динамических процессов Simulink, синтез и анализ систем автоматического регулирования. Для студентов образовательных учреждений среднего профессионального образования, обучающихся по специальности «Автоматизация технологических процессов и производств». Может быть использовано студентами других специальностей, изучающих дисциплины, связанные с автоматикой и автоматизацией. УДК 681.5(075.32) ББК 32.98я723 ISBN 978-5-91134-593-8 © Молоканова Н. П., 2012 © Издательство «Форум», 2012
Со держ ание Предисловие..................................................................................................................................8 Введение......................................................................................................................................... 10 1. Общие сведеш ь о системах автоматического управления.....................................11 1.1. Основные термины и определения.........................................................................11 1.2. Классификация систем автоматического управления (САУ)....................... 13 1.3. Типовая структурная схема САУ........................................................................... 22 1.4. Примеры систем автоматического управления................................................. 24 1.5. Принципы регулирования (управления).............................................................30 1.6. Элементы САУ. классификация, свойства...........................................................31 1.6.1. Основные элементы САУ, классификация................................................... 31 1.6.2. Общие свойства и характеристики элементов...........................................34 1.7. Задачи САУ. Требования, предъявляемые к САУ. Характеритики процессов управления........................................................................39 2. Типовые динамические звенья, их свойства и характеристики..........................43 2.1. Дифференциальные уравнения и операторная форма записи.....................43 2.2. Временные (переходные) характеристики.......................................................... 48 2.3. Частотные характеристики.......................................................................................51 2.4. Логарифмические частотные характеристики звеньев и систем.................54 2.5. Пропорциональное (усилительное) звено...........................................................56 2.6. Дифференцирующее звено.......................................................................................58 2.7. Интегрирующее звено................................................................................................ 62 2.8. Апериодическое звено............................................................................................... 65 2.9. Колебательное звено................................................................................................... 72 2.10. Соединение элементов. Эквивалентное преобразование структурных схем................................................................................................................77 2.11. Функциональная схема. Структурно-алгоритмическая организация систем управления....................................................................................83 Задачи..................................................................................................................................... 86 3. Устойчивость линейных систем автоматического управления............................88 3.1. Понятие устойчивости линейных САУ................................................................88 3.2. Критерии устойчивости............................................................................................94 3.2.1. Алгебраические критерии устойчивости..................................................... 94 3.2.2. Графоаналитические (частотные) критерии...............................................98 3.2.3. Запасы устойчивости в САУ.......................................................................... 110 Задачи................................................................................................................................... 113 3
Содержание 4. Качество процессов управления и методы его исследования............................115 4.1. Основные показатели качества...........................................................................115 4.2. Критерии качества переходных процессов.....................................................117 4.3. Статические и астатические системы............................................................... 123 4.4. Улучшение качества процесса управления......................................................126 4.4.1 Корректирующие устройства........................................................................126 4.4.2. Последовательные корректирующие устройства...................................129 4.4.3. Параллельные корректирующие устройства...........................................135 4.4.4. Обратные связи................................................................................................136 4.4.5. Методы увеличения запасов устойчивости.............................................139 5. Синтез линейных САУ......................................................................................................146 5.1. Основные сведения.................................................................................................146 5.2. Частотные методы синтеза...................................................................................151 5.2.1. Постановка задачи...........................................................................................151 5.2.2. Построение желаемой ЛАЧХ....................................................................... 152 5.2.3. Синтез САУ с оптимальным переходным процессом...........................157 5.3. Проектирование САУ............................................................................................159 5.4. Типовые линейные законы автоматического регулирования.................... 160 5.4.1. Основные сведения.........................................................................................160 5.4.2. Регуляторы с линейными законами регулирования..............................162 6. Особые САУ.........................................................................................................................168 6.1. Общие сведения.......................................................................................................168 6.2. САУ с запаздыванием............................................................................................168 6.3. САУ с распределенными параметрами............................................................. 170 6.4. САУ с переменными параметрами.................................................................... 171 6.5. Дискретные САУ.....................................................................................................173 7. Применение управляющих микроЭВМ в САУ......................................................... 176 7.1. Применение ЭВМ в системах автоматического управления объектами..................................................................................................176 7.2. Направления создания сиситем с микроЭВМ................................................179 7.3. Требования, предъявляемые к САУ с микроЭВМ.........................................186 7.4. МикроЭВМ в системах управления технологическими процессами.....188 Лабораторные работы..........................................................................................................192 Лабораторная работа № 1.............................................................................................194 Лабораторная работа № 2............................................................................................ 205 Лабораторная работа № 3............................................................................................ 207 Лабораторная работа № 4............................................................................................ 209 Лабораторная работа № 5............................................................................................ 217 Литература...............................................................................................................................223 4
А ббревиатуры и основны е обозначения АД - асинхронный двигатель АР - автоматический регулятор АСУ - автоматизированная система управления АЧХ - амплитудная частотная характеристика АФХ - амплитудная фазовая характеристика АЦП - аналогово-цифровой преобразователь БИК - блок извлечения корня ВУ - воспроизводящее устройство ВЧХ - вещественная частотная характеристика Г - генератор Д - датчик ДВ - двигатель ДПТ - двигатель постоянного тока ДЦП - дискретно-цифровой преобразователь ЗУ - задающее устройство ЗЭ - задающий элемент ИМ - исполнительный механизм ИЭ - исполнительный элемент ИСУ - интеллектуальная система управления КО - контролируемый объект КУ - корректирующее устройство ЛАЧХ - логарифмическая амплитудная частотная характеристика ЛФЧХ - логарифмическая фазовая частотная характеристика МЧХ - мнимая частотная характеристика ОВ - обмотка возбуждения ООС - отрицательная обратная связь ОР - объект регулирования ОС - обратная связь ОУ - объект управления ПОС - положительная обратная связь ППЭ - последовательный преобразующий элемент ПЭВ - преобразователь элемента возмущения РК - регулирующий клапан 5
Аббревиатуры и основные обозначения РМ - расходомер РО - регулирующий орган САК - система автоматического контроля САР - система автоматического регулирования САУ - система автоматического управления СУ - сравнивающее устройство ТАУ - теория автоматического управления ТГ - тахогенератор У - усилитель УСН - устройство самонастройки УУ - устройство управления ФЧХ - фазовая частотная характеристика ЦАП - цифрово-аналоговый преобразователь ЦДП - цифродискретный преобразователь ЧЭ - чувствительный элемент Э - элемент ЭГОС - элемент главной обратной связи ЭДС - электродвижущая сила ЭМОС - элемент местной обратной связи ЭН - электоронагреватель ЭОС - элемент обратной связи ЭС - элемент сравнения А(со) - амплитудная частотная характеристика 1(со) - мнимая частотная характеристика к - статический коэффициент передачи звена R(to) - вещественная частотная характеристика W(ju)) - комплексный передаточный коэффициент ср - угол наклона статической характеристики ф(о)) - фазовая частотная характеристика j = (-1)1/2 - мнимая единица L(co) = 20lgA(to) - логарифмическая амплитудная частотная характеристика ^ - коэффициент относительного затухания (коэффициент демпфирования) у - приведенная погрешность б - относительная погрешность 6
Аббревиатуры и основные обозначения о>0 - угловая частота свободных колебаний 0)ср - частота среза со. - сопрягающая частота со - резонансная частота y(t) у = /(х) - статическая характеристика элемента Дутах = о - перерегулирование (выброс) Ду - статическая ошибка ууст - установившееся значение регулируемого параметра Упер ~ переходная составляющая регулируемого параметра, изменяющаяся во времени в течение переходного процесса М - показатель колебательности р - колебательность г| -степень устойчивости Т - постоянная времени элемента (системы) tp - время регулирования р = d/dt - оператор дифференцирования (оператор Лапласа) е - основание натурального логарифма W(p) - передаточная функция элемента (системы) h(t) - переходная функция (переходная характеристика) g(t) - импульсная переходная характеристика
П редисловие Теория автоматического управления (ТАУ) относится к классу важнейших специальных дисциплин, входящих в программу средних профессиональных учебных заведений, выпускающих специалистов в области автоматизации технологических процессов и производств. ТАУ изучает процессы управления, методы исследования, основы проектирования систем автоматического управления (САУ), а также принципы построения САУ и закономерности протекающих в них процессов в целях построения работоспособных и точных систем. Теория управления, хотя и прошла существенный этап своего развития, в настоящее время продолжает интенсивно развиваться в сторону создания теории интеллектуальных САУ. Сегодня ТАУ представляет собой единую научную базу для решения задач управления объектами различной природы (физической, химической, биологической и т. п.), имеющую развитые методы исследования САУ, т. е. методы анализа и синтеза. Несмотря на относительно большое количество учебной литературы по данной тематике, она не достаточно полно соответствует программе изучения курса по специальности «Автоматизация технологических процессов и производств». Именно это обстоятельство послужило причиной написания данного учебного пособия. Он подготовлен на основе лекций по курсу, который на протяжении многих лет автор читает на кафедре «Автоматизация технологических процессов и производств» Обнинского политехнического техникума. В курсе лекций центральным разделом является синтез систем управления, определяющий логику изложения остальных разделов. Материал изложен таким образом, чтобы соблюдался логический переход от простого к сложному. Материал представлен в удобной для использования в учебном процессе форме. Кроме примеров, приведены задачи для самостоятельного решения. В первом разделе приведены общие сведения о САУ, рассмотрена типовая структурная схема САУ и принципы регулирования. Изложены задачи САУ и требования, предъявляемые к системам. 8
Предисловие Второй раздел посвящен типовым динамическим звеньям: рассмотрены дифференциальные уравнения звеньев и их операторная форма записи; соединение элементов; временные, частотные и логарифмические частотные характеристики. Рассмотрены функциональные схемы и структурно-алгоритмическая организация САУ. Третий раздел посвящен устойчивости линейных САУ: даны понятия устойчивости, критериев устойчивости (алгебраические и частотные), запасов устойчивости. В четвертом разделе приведены критерии оценки качества переходных процессов и способы их получения при использовании различных динамических характеристик. В пятом разделе рассмотрены вопросы синтеза САУ с использованием логарифмических частотных характеристик, даны рекомендации по реализации регулятора и освещены основные законы регулирования. В шестом разделе рассмотрены особые САУ: с запаздыванием, с распределенными параметрами, с переменными параметрами и дискретные САУ. Седьмой раздел посвящен применению управляющих микро- ЭВМ в САУ: направления создания систем с микроЭВМ, требования, предъявляемые к САУ с микроЭВМ; микроЭВМ в системах управления технологическими объектами. В конце книги приведены несколько лабораторных работ, выполняемых на компьютере с использованием программы MATLAB + Simulink. Использование этой системы позволяет моделировать САУ, производить их синтез и анализ. Учебное пособие может быть полезено студентам не только средних профессиональных заведений, но и высших учебных заведений, изучающим автоматику и автоматизацию технологических процессов и производств.
В ведение В условиях современной экономики автоматизация производственных процессов является одним из главных направлений технического прогресса. Автоматизация непосредственно и неразрывно связана с такой формой организации производства, при которой стираются грани между умственным и физическим трудом. По мере развития техники человек все чаще встречается с проблемой управления в самых различных областях своей деятельности, поэтому ее изучением приходится заниматься более углубленно. С развитием науки, техники и технологии возникают задачи, решение которых возможно лишь при широком внедрении систем автоматического управления и регулирования как отдельными объектами, так и производством, отраслью и всем народным хозяйством. Поэтому изучение основ автоматического управления и регулирования предусматривается в настоящее время при подготовке специалистов практически всех специальностей. Теория автоматического управления - это научная дисциплина, занимающаяся изучением свойств, методов расчета и конструирования систем автоматического управления. Как и любая теория, она имеет дело не с реальными инженерными конструкциями, а с их моделями. Модели выражаются, как правило, в виде определенных уравнений. Поэтому все рекомендации теории автоматического управления справедливы тогда, когда модели соответствуют реальным устройствам. Теоретические модели и реальные системы ведут себя по-разному, что обычно обнаруживается при наладке реальной системы. Этап настройки реальной системы является обязательным шагом для получения работоспособной системы автоматического управления. При современном развитии науки и техники для составления моделей обычно используются дифференциальные уравнения, на языке которых сформулированы основные законы механики и физики микромира. В современных системах автоматического управления и регулирования для реализации сложных алгоритмов управления применяют микроЭВМ и управляющие вычислительные комплексы. 10
Доступ онлайн
от 272 ₽
В корзину