 |
Министерство образования и науки Российской Федерации
|
|
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
Учреждение высшего образования
«Пермский национальный исследовательский политехнический
Университет»
Кафедра автоматизации технологических процессов
ТЕОРИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
Методические указания
к курсовой работе для студентов, обучающихся по направлению подготовки 15.03.04 - Автоматизация технологических процессов и производств, профиль – Автоматизация химико-технологических процессов и производств, квалификация специалиста – бакалавр.
Очное и заочное обучение.
Факультет химико-технологический.
Пермь 2016
Изложены методические указания к выполнению курсовой работы по учебной дисциплине "Теория автоматического управления". Методические указания разработаны в соответствии с государственными требованиями к минимуму содержания и уровню подготовки выпускников направления подготовки 15.03.04 – Автоматизация технологических процессов и производств, профиль – Автоматизация химико-технологических процессов и производств, квалификация специалиста - бакалавр. Курсовая работа выполняется в 5 – м семестре.
Методические указания разработал профессор кафедры «Автоматизация технологических процессов»
к.т.н. ____________ Б.Г. Стафейчук
Методические указания рассмотрены и одобрены на заседании кафедры «Автоматизация технологических процессов» 16.09.2016 г., протокол №1.
Заведующий кафедрой,
д.т.н., профессор ____________ А.Г. Шумихин
ВВЕДЕНИЕ
Выполнение курсовой работы является заключительным этапом обучения для студентов по дисциплине "Теория автоматического управления" и имеет своей целью систематизацию, закрепление и расширение теоретических знаний и практических навыков при решении конкретных задач синтеза современных промышленных систем автоматического управления.
|
|
|
В курсовой работе необходимо решить задачу параметрического синтеза одноконтурной автоматической системы регулирования. Предлагаемые объекты управления широко распространены при автоматизации технологических процессов. Свойства объекта управления определяются линейной математической моделью вход – выход с сосредоточенными параметрами и запаздыванием в форме передаточной функции. Система регулирования представляет обычную промышленную АСР, когда функции автоматического регулятора выполняет цифровой контроллер. При выполнении курсовой работы предполагаем, что при реализации управляющих воздействий применяется пропорциональный исполнительный механизм. В связи с этой особенностью АСР считаем, что цифро-аналоговый преобразователь на выходе контроллера обладает свойствами фиксатора нулевого порядка.
Задача параметрического синтеза решается как для непрерывной системы, так и для системы с цифровым регулятором. Выбор периода квантования производится таким образом, чтобы цифровая система управления работала в режиме эквивалентном непрерывной системе, либо методом «подбора». Для контроллера принимаем пропорционально-интегральный алгоритм регулирования.
Анализ качества синтезируемой АСР проводится с использованием одного из наиболее универсальных пакетов прикладных программ моделирования Simulink. Simulink можно применять для моделирования непрерывных, дискретных и дискретно-непрерывных систем управления, как детерминированных, так и стохастических. Simulink является пакетом расширения достаточно мощной и универсальной интегрированной системы компьютерной математики МАТLАВ. Применение этого пакета прикладных программ базируется на структурном методе моделирования САУ. Поэтому пакет содержит весь необходимый набор типов функциональных блоков (нелинейные, непрерывные линейные и дискретные элементы, источники и регистраторы сигналов как в цифровой форме, так и в графической, соединительные узлы и т.п.), т.е. таких, которые соответствуют компонентам реальных систем. Для представления моделируемой системы в виде машинной модели в пакете прикладных программ моделирования Simulink используется язык блок-диаграмм.
|
|
|
Курсовая работа должна быть защищена за неделю до начала экзаменационной сессии.
СОДЕРЖАНИЕ КУРСОВОЙ РАБОТЫ
Курсовая работа состоит из пояснительной записки (15 - 20 стр.) и приложения, содержащего демонстрационные материалы. В демонстрационных материалах отражают динамические характеристики объекта и системы управления (временные и частотные), графики переходных процессов, блок-схемы задачи структурного моделирования системы управления.
Пояснительную записку выполняют в соответствии с требованиями ГОСТ 7.32-2001 Отчет о научно – исследовательской работе (Структура и правила оформления). Ее объем 15-20 страниц (листов) формата А4. Пояснительная записка должна четко и ясно отражать все этапы выполнения курсовой работы, обоснование принятых решений, основные результаты расчетов и заключение о проделанной работе.
Материалы в расчетно-пояснительной записке размещаются в следующем порядке.
1. Титульный лист.
2. Задание на курсовую работу.
3. Содержание.
4. Перечень условных обозначений, символов, единиц и терминов.
5. Введение.
6. Основная часть.
7. Заключение.
8. Список используемых литературных источников.
9. Приложение.
Кратко рассмотрим содержание и особенности каждого элемента пояснительной записки.
Титульный лист и задание на курсовую работу составляются по форме, установленной стандартным бланком, выдаваемым преподавателем.
Содержание включает введение, наименование всех разделов, подразделов, пунктов (если они имеют наименование), заключение, список использованных источников и наименование приложений с указанием страниц, с которых эти элементы пояснительной записки начинаются.
|
|
|
Введение должно кратко отражать особенности задачи управления конкретным технологическим объектом, которые студент должен решить в соответствии с заданием. Во введении кратко формулируется задача управления, способы реализации, особенности предложенного объекта управления при решении задачи синтеза.
Основная часть состоит из разделов:
Определение Z – передаточной функции объекта управления
Для получения Z – передаточной функции необходимо выбрать период квантования из условия теоремы Котельникова. Частота среза определяется в результате построения амплитудно-частотной характеристики объекта управления. Период квантования округляется до ближайшего целого числа (в сторону увеличения), значение периода квантования для продолжения расчетов согласуется с преподавателем.
При нахождении Z – передаточной функции объекта управления необходимо учесть влияние ЦАП, рассматривая его как фиксатор нулевого порядка. Исходную передаточную функцию объекта управления с демодулятором разложить на элементарные дроби, используя либо теорему о вычетах, либо метод неопределенных множителей. Z – передаточную функцию объекта управления вычислить с помощью таблиц Z – преобразования. Сравнить результаты вычислений с передаточной функцией, полученной в пакете программ Linreg.
Временные характеристики непрерывного и дискретного объекта управления
Получить аналитическое выражение для временной характеристики непрерывного объекта управления из передаточной функции. Для дискретного объекта управления получить разностное уравнение. Построить и сравнить обе характеристики. Если построение характеристик происходит с применением средств MATLAB, привести листинги программ. Цифровые результаты вычислений оформить как таблицу с оценкой погрешности в моменты дискретизации времени.
Частотные характеристики непрерывного и дискретного объекта управления
Найти аналитическое выражение для комплексного коэффициента передачи непрерывного и дискретного объектов регулирования. Получить аналитическое выражение для комплексной частотной, амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик. Построить годографы этих характеристик. Оценить влияние эффекта квантования во времени на частотные характеристики.
|
|
|
Расчет оптимальных параметров настройки непрерывного и цифрового ПИ-регулятора
В этом разделе решаются вопросы динамического синтеза системы регулирования заданной структуры (задача параметрического синтеза).
Задача динамического синтеза непрерывной системы решается графо-аналитическим способом методом, который был предложен В.Я. Ротачем (в плоскости параметров настройки определяется область, где система имеет заданное значение частотного показателя колебательности; в этой области находится точка, обеспечивающее условие минимума линейного критерия качества) и методом вспомогательной функции (метод реализован в пакете программ Linreg).
Настройки дискретного контроллера находят методом теории дискретных систем (Linreg) для периода сканирования, выбранного по теореме Котельникова. Второй вариант выбора параметров настройки цифрового ПИ-регулятора: для параметров настройки непрерывного регулятора подбираем период квантования, при котором частотный показатель колебательности дискретной системы изменится в сторону увеличения не более чем на 10 процентов от расчетного (расчеты выполняем в программе Linreg.). Результаты графо-аналитического расчета сравниваются с результатами из программы Linreg.
Моделирование синтезированной АСР в среде MATLAB и оценка качества работы системы при отработке задания и внутреннего возмущения
Анализ качества регулирования выполняется с применением методов цифрового моделирования в пакете прикладных программ визуального моделирования MATLAB+Simulink. Разрабатывается модель системы с непрерывным и модель системы с цифровым регуляторами. Имитируется работа системы с заданными конкретными параметрами. Исследуются переходные процессы системы по каналам: задание – управляемая величина, задание – управляющее воздействие, внутреннее возмущение – управляемая величина, внутреннее возмущение – управляющее воздействие. Сравнительная оценка качества производится как по прямым, так и по косвенным показателям.
Заключение должно содержать краткие выводы по результатам выполненной курсовой работы.
Список использованных источников должен содержать сведения об источниках, использованных при выполнении курсовой работы. Используемую литературу необходимо оформить в соответствии с правилами и проставить номера ссылок в тексте.
|
|
|
В приложениях рекомендуется включать материалы, связанные с выполнением курсовой работы, которые по каким – либо причинам не были включены в основную часть. В приложения могут быть включены: промежуточные математические доказательства, формулы и расчеты, листинги разработанных программ, таблицы вспомогательных цифровых данных, иллюстрации вспомогательного характера.
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ И ОФОРМЛЕНИЮ КУРСОВОЙ РАБОТЫ
Курсовая работа выполняется в 5 семестре, и заканчиваться за одну - две недели до его окончания.
Ответственным за курсовое проектирование в группе является преподаватель, читающий курс лекций. Каждый студент получает индивидуальное задание по выполнению курсовой работы. В задании определяются конкретные задачи, поставленные перед студентом, даются необходимые для расчетов исходные данные.
Расчетная часть работы сопровождается графиками и цифровыми таблицами, иллюстрирующими методику и результат расчета. Все графики и таблицы нумеруются и прилагаются к текстовой части пояснительной записки, в которой должны иметься ссылки на каждый график или таблицу.
Изложение текста пояснительной записки выполняется в соответствии с требованиями ГОСТ 7.32-2001, ГОСТ 2.105 и ГОСТ 6.38. При выполнении пояснительной записки с использованием компьютера и принтера текст печатается на одной стороне листа белой бумаги формата А4 через полтора интервала. Цвет шрифта должен быть черным, высота букв, цифр и других знаков – не менее 1,8 мм (кегль не менее 12). Текст пояснительной записки следует печатать, соблюдая следующие размеры полей: правое – 10 мм, верхнее – 20 мм, левое и нижнее – 20 мм.
Разделы должны иметь порядковую нумерацию в пределах всего текста, за исключением приложений. Разделы, подразделы, пункты и подпункты следует нумеровать арабскими цифрами и записывать с абзацного отступа.
Пример – 1, 2, 3 и т.д.
Номер подраздела или пункта включает номер раздела и порядковый номер подраздела или пункта, разделенные точкой.
Пример – 1.1, 1.2, и т.д.
Номер подпункта включает номер раздела, подраздела, пункта и порядковый номер подпункта, разделенные точкой.
Пример – 1.1.1.1, 1.1.1.2, 1.1.1.3 и т.д.
После номера раздела, подраздела пункта и подпункта в тесте точку не ставят.
Разделы, подразделы должны иметь заголовки. Пункты, как правило, заголовков не имеют.
Страницы записки нумеруются арабскими цифрами, при этом соблюдается сквозная нумерация по всему тексту. Номер страницы проставляется в центре нижней части листа без точки. Титульный лист входит в общую нумерацию страниц записки. Номер страницы на титульном листе не проставляют. Иллюстрации и таблицы расположенные на отдельных листах включают в общую нумерацию страниц записки. Иллюстрации и таблицы на листе формата А3 учитывают как одну страницу.
Таблицы применяют для лучшей наглядности и удобства сравнения показателей. Название таблицы, при его наличии, должно отражать ее содержание, быть точным и кратким. Название таблицы следует помещать над таблицей слева, без абзацного отступа в одну строку с ее номером через тире. Цифровой материал также оформляют в виде таблиц. Если в документе одна таблица, то она должна быть обозначена «Таблица 1» или «Таблица В.1», если она приведена в приложении В.
Приложения оформляют как продолжение данного документа на последующих его листах или выпускают в виде самостоятельного документа. В тексте пояснительной записки на все приложения должны быть даны ссылки. Приложения располагают в порядке ссылок на них в тексте документа, за исключением справочного приложения «Библиография», которое располагают последним. Каждое приложение следует начинать с новой страницы. Приложения обозначают заглавными буквами русского алфавита, начиная с А, за исключением букв Ё, З, Й, О, Ч, Ь, Ы, Ъ. («Приложение А»).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Теория автоматического управления: Учеб. для вузов/ С.Е. Душин, Н.С. Зотов, Д. Х. Имаев и др.; Под ред. В. Б. Яковлева. - М.: Высшая школа, 2003. - 567 с.
2. Ротач В. Я. Теория автоматического управления: Учебник для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Издательство МЭИ, 2004. – 400 с., ил.
3. Филлипс Ч., Харбор Р. Системы управления с обратной связью. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001 – 616 с.: ил.
4. Микропроцессорные автоматические системы регулирования. Основы теории и элементы: Учеб. пособие. Под ред. В. В. Солодовникова. - М.: Высш. шк., 1991. – 264 с.
5. Дьяконов В.П. Simulink 4. Специальный справочник. – СПб.: Питер, 2002. – 528 с.
6. Дьяконов В.П. MATLAB 6/6.1/6.5 + Simulink 4/5 в математике и моделировании. Полное руководство пользователя. – М.: СОЛОН–Пресс, 2003. - 576 с.
7. Дэбни Дж. Simulink 4. Секреты мастерства/ Дж. Дэбни, Е.Л. Харман; Пер. с англ. М.Л. Симонова. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2003. – 403 с.
8. Медведев В.С., Потемкин В.Г. Control System Toolbox. МАТЛАВ 5 для студентов/ Под общей ред. к.т.н. В.Г. Потемкина. – М.: ДИАЛОГ – МИФИ, 1999. - 287 с.
9. Руководство по проектированию систем автоматического управления: Учеб. пособие для студентов вузов./ Под ред. В.А. Бесекерского.-М.: Высшая школа, 1983.
10. Топчеев Ю.И. Атлас для проектирования систем автоматического регулирования: Учеб. пособие для втузов.-М.: Машиностроение, 1989.
11. ГОСТ 7.32-2001 МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ. Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. ОТЧЕТ О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ. Структура и правила оформления. Дата введения 2002-07-01.
Приложение А
Форма титульного листа курсовой работы и бланка задания
Министерство образования и науки Российской Федерации
|
|
|
