АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ
ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ
Кафедра
промышленной теплоэнергетики
ТЕОРИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
Рабочая программа, методические указания и контрольные задания
для студентов заочного факультета теплоэнергетических специальностей
Алматы 2005
СОСТАВИТЕЛЬ: В.В.Стояк. Теория автоматического
управления. Программа, методические указания и контрольные задания (для
студентов заочного факультета теплоэнергетических специальностей).- Алматы: АИЭС, 2005. – 14 с. Программа
составлена на основе типовой учебной программы, утвержденной приказом МОН РК от
4.08.03 г. № 528.
Методические указания содержат программу курса,
основные требования к выполнению контрольной работы. В каждом разделе указаны
темы, подлежащие изучению, и приведены контрольные вопросы; даны рекомендации
по методике изучения курса, перечень рекомендуемой литературы.
Ил. 10, табл. 4, библиогр. – 7 назв.
Рецензент: доц. каф.
инженерной кибернетики А.Л. Романчик.
Печатается по плану
издания Алматинского института энергетики и связи на 2004 г.
Ó Алматинский институт энергетики и связи, 2005 г.
Введение
Обеспечение надежности, маневренной,
эффективной и безопасной работы теплотехнического оборудования невозможно без
современных систем автоматического регулирования и управления.
Теплотехнические объекты автоматического управления обладают рядом
особенностей, в том числе: наличие
переходного и транспортного запаздывания, распределенность параметров,
значительная инерционность, задание динамических свойств набором
экспериментальных данных и др. Это предопределяет необходимость выделения из
общей теории управления группы методов эффективного расчета теплотехнических и
теплоэнергетических систем.
В
настоящем курсе изучаются основы теории автоматического управления и некоторые
приемы ее инженерного использования.
Задачей изучения курса является приобретение объема знаний прикладного
характера, необходимого для исследования и расчета систем автоматического
управления теплотехническими объектами.
На
изучение курса отводится 100 часов, в том числе 18 часов аудиторных занятий, из
них обзорных лекций – 6 час.,
лабораторных занятий – 8 час.,
практических занятий – 4 час.
Самостоятельная работа – 82
часа, включает выполнение контрольной
работы.
1
Общие методические указания
Студентам рекомендуется до начала изучения курса повторить основные
положения высшей математики, физики, электротехники и промышленной электроники.
При
изучении курса целесообразно пользоваться учебниками, указанными в разделе
«Список литературы».
После изучения каждой темы программы необходимо самостоятельно проверить
степень усвоения материала при помощи контрольных вопросов, помещенных в конце
каждой темы. На контрольные вопросы нужно уметь ответить без помощи учебника и
конспекта.
Студент, изучающий настоящий курс, должен выполнить контрольную работу.
В контрольную работу входят письменные ответы
на отдельные вопросы и решения задач.
Номер
выполняемого варианта выбирается по первой букве фамилии студента (таблица
1), предпоследней и последней цифрами
шифра зачетной книжки студента. Работы, не соответствующие своему варианту, не
рассматриваются.
Таблица 1
|
Первая буква фамилии студента |
А, Д |
В, Г, Я |
Б, Е |
Ж, З, Ц, Л |
К |
М, О |
Н, И |
Р, Т, Х, Ф |
С, Ч Э, Ю |
У, П, Щ,Ш |
|
Индекс первой буквы фамилии |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
Письменные ответы на контрольные вопросы рекомендуется выполнять после
проработки соответствующих разделов в той последовательности, в которой они
приведены. Задачи выполняются после полного изучения программы настоящего
курса.
Отвечать на вопросы следует кратко, ясно, с привлечением необходимых
формул и схем. В решениях задач необходимо объяснять принимаемые коэффициенты,
величины, формулы и т.п. В тексте ответов и пояснений к задачам обязательно следует приводить ссылки на используемую
справочную и учебную литературу.
Задачи необходимо решать
последовательно и полностью. Формулы, по которым ведутся вычисления, записывают
сначала в общем виде. Графики
вычерчивают на миллиметровой
бумаге и вклеивают в тетрадь.
Исправлять незачтенную работу следует в той же тетради на чистых листах.
Решения и ответы приводят в системе СИ.
В
конце задания следует привести список используемых литературных источников.
При всех затруднениях необходимо обращаться на
кафедру письменно или устно за консультацией.
2
Программа курса
2.1 Введение
Понятие об автоматическом регулировании и управлении. Цель и задачи
автоматического управления. Экономическое и социальное значение автоматизации.
Основные этапы развития теории и техники автоматического управления. Понятие о
технологическом объекте управления (ТОУ). Особенности теплотехнических
процессов и установок как объектов автоматического управления.
2.2
Классификация и математическое описание элементов и систем
автоматического управления
Принципы регулирования. Разомкнутые, замкнутые и комбинированные
системы, стабилизирующие, программные и следящие системы, линейные и нелинейные
системы, системы непрерывного и прерывистого действия, адаптивные и
экстремальные системы.
Разбиение автоматической системы регулирования (АСР) на простейшие
динамические системы. Составление дифференциальных уравнений динамических
систем. Линеаризация дифференциальных уравнений. Безразмерная и операторная
форма записи дифференциальных уравнений. Преобразование Лапласа. Передаточная
функция. Переходная, разгонная и импульсная характеристики. Частотные функции и
характеристики элементов АСР. Свойства и характеристики типовых линейных
звеньев. Соединение звеньев. Структурная схема АСР. Преобразование структурных
схем. Законы регулирования, статистические и динамические характеристики
распространенных автоматических регуляторов. Составление управления движения
АСР в целом. Уравнение свободного движения замкнутой системы.
Характеристическое уравнение замкнутой АСР. Решение уравнений динамики линейной
АСР и их анализ.
Особое внимание: на связь уравнений
материального и энергетического балансов и уравнения динамики
теплотехнологических объектов управления; на умение выделять элементы
функциональных схем и производить их замену типовыми линейными звеньями;
овладению приемами линеаризации и
замены элементов с распределенными параметрами моделями с сосредоточенными
параметрами; составлению и преобразованию структурных схем, переходу от
уравнений звеньев структурной схемы к уравнению движения системы.
Контрольные вопросы к темам 2.1 и 2.2
2.2.1 Задачи автоматического управления теплоэнергетическими
установками. Экономическое и социальное значение автоматизации.
2.2.2
Основные принципы
построения АСР. Дать характеристику и привести примеры разомкнутых, замкнутых и
комбинированных систем.
2.2.3 Охарактеризовать программные и следящие системы. Привести
примеры их использования для управления
теплоэнергетическими процессами.
2.2.4 Охарактеризовать адаптивные и экстремальные системы. Привести
примеры их использования для управления теплоэнергетическими процессами.
2.2.5 Пояснить особенности
одномерных и многомерных систем. Привести примеры их использования для
управления теплоэнергетическими процессами.
2.2.6 Системы релейного и прерывистого регулирования. Дать характеристику и привести примеры
использования.
2.2.7 Дать описание структуры и состава системы автоматического
регулирования. Охарактеризовать назначение элементов. Пояснить характер
внутренних и внешних воздействий на систему.
2.2.8 Пояснить цель и методы
разбиения АСР на типовые звенья. Привести пример такого разбиения.
2.2.9 Динамика элементов АСР, ее
представления в форме дифференциального уравнения. Привести пример составления
дифференциального уравнения теплового объекта регулирования.
2.2.10 Размерная и безразмерная форма записи дифференциального уравнения
элементов АСР. Охарактеризовать цель и способы линеаризации дифференциальных
уравнений. Пояснить метод исследования АСР с помощью преобразования Лапласа.
Привести пример перехода от размерной формы записи дифференциального уравнения
к безразмерной и операторной.
2.2.11 Передаточная функция как форма представления динамических свойств
элементов и АСР. Привести пример определения передаточной функции для теплового
объекта регулирования.
2.2.12 Частотные функции и характеристики звеньев как форма
представления динамических свойств элементов
и АСР. Основные методы определения частотных характеристик и области их
использования. Привести пример аналитического определения АФХ.
2.2.13 Пояснить цели и способы
определения переходных, импульсных и разгонных характеристик элементов АСР.
Привести примеры разгонных характеристик типовых теплоэнергетических объектов.
2.2.14 Привести и обосновать
примеры объектов или участков ТЭС, которые могут быть представлены как
пропорциональное и звено запаздывания.
2.2.15 Привести и обосновать
примеры объектов или участков ТЭС, которые могут быть представлены как
интегрирующее и колебательное звенья.
2.2.16 Привести и обосновать
примеры объектов или участков ТЭС, которые могут быть представлены как
апериодическое и дифференцирующее звенья.
2.2.17 Пояснить способы и привести пример определения передаточной
функции и частотных характеристик разомкнутой цепи последовательного соединения
звеньев, если известны характеристики звеньев.
2.2.18 Пояснить способы и привести пример определения передаточной
функции и частотных характеристик разомкнутой цепи параллельно соединенных
звеньев, если известны характеристики звеньев.
2.2.19 Пояснить способы и привести пример определения передаточной
функции и частотных характеристик цепи, содержащую обратную связь.
2.2.20 Пояснить цели представления АСР в виде структурной схемы. Указать
основные правила преобразования структурных схем. Привести пример определения
дифференциального уравнения и передаточной функции замкнутой системы, если
известны передаточные функции звеньев.
2.2.21 Дать характеристику пропорционального и пропорционально-
интегрального законов регулирования. Привести статические и динамические
характеристики пропорционального и пропорционально-интегрального регуляторов.
2.2.22 Охарактеризовать интегральный
и пропорционально-интегрально-дифференциальный закон регулирования. Привести
статические и динамические характеристики интегрального и
пропорционально-интегрально-дифференциального регуляторов.
2.2.23 Методы решений уравнений
динамики. Привести пример прямого метода исследования простейшей АСР.
2.3
Исследование устойчивости линейных систем автоматического регулирования
Понятие об устойчивости. Методы
исследования устойчивости АСР. Диаграмма Вышнеградского. Критерии устойчивости
Рауса-Гурвица, Михайлова, Найквиста.
Оценка устойчивости по логарифмическим частотным характеристикам.
Понятие о запасе устойчивости. Способы повышения устойчивости АСР. Построение
области устойчивости в пространстве коэффициентов характеристического уравнения
или в пространстве параметров настройки регулятора (Д-разбиение). Устойчивость
АСР с запаздыванием и распределенными параметрами.
Особое внимание: пониманию феномена устойчивости с
математической точки зрения, взаимосвязи между структурой и свойствами
элементов функциональной схемы технологической установки с уравнением движения
системы управления и соответственно ее устойчивостью; знанию методов и средств
активного воздействия на устойчивость системы автоматического управления.
Контрольные вопросы к
теме 2.3
2.3.1 Пояснить общие положения устойчивости линейных систем.
2.3.2 Пояснить задачи исследования
устойчивости АСР. Дать характеристику основным методам исследования
устойчивости.
2.3.3 Пояснить методы исследования
устойчивости с помощью распространенных критериев и области их применения.
2.3.4 Пояснить метод построения
области устойчивости в пространстве параметров настройки регулятора
(Д-разбиение). Привести пример построения области устойчивости простейшей АСР.
2.3.5 Проанализировать влияние
запаздывания в системе на устойчивость АСР с помощью Д-разбиения.
2.4 Исследование качества процессов
автоматического регулирования
Понятие о качестве переходных
процессов в АСР. Показатели качества. Область допустимых отклонений
регулируемой величины в переходном процессе. Оценка качества процесса
регулирования по распределению корней
характеристического уравнения. Приближенная оценка вида переходного процесса по
вещественной частотной характеристике. Диаграмма Вышнеградского. Интегральные
оценки качества регулирования. Частотные методы анализа качества процесса регулирования. Расширенные частотные
характеристики элементов АСР.
Особое
внимание: связи между требованиями технологического процесса, условиями
эксплуатации теплоэнергетических и теплотехнологических установок и
обоснованным выбором показателей качества переходного процесса в системе
автоматического управления.
Контрольные вопросы к теме 2.4
2.4.1 Дать определение
критерию точности, запасу устойчивости, быстродействию систем регулирования.
2.4.2 Пояснить методику определения
запаса устойчивости и быстродействия по переходной характеристике.
2.4.3 Дать определение следующим
показателям качества: время регулирования, перерегулирование, степень
затухания, статическая ошибка, время запаздывания и время нарастания.
2.4.4 Пояснить метод приближенной оценки вида переходного
процесса по вещественной частотной характеристике.
2.4.5 Пояснить метод определения
характера переходного процесса по распределению корней характеристического уравнения на комплексной плоскости.
2.4.6 Дать определение расширенным
частотным характеристикам. Привести пример определения расширенных частотных
характеристик по передаточной функции.
2.4.7 Пояснить метод применения
диаграммы Вышнегорского для исследований быстродействия и запаса устойчивости.
2.4.8 Пояснить метод оценки качества
с помощью интегральных критериев.
2.4.9 Дать определение понятиям:
запас устойчивости по модулю и запас устойчивости по фазе.
2.4.10 Указать и пояснить основные
приемы повышения качества процесса регулирования.
Перечень лабораторных работ,
выполняемых студентами в
период лабораторно-экзаменационной
сессии
1 Исследование динамических свойств
типовых звеньев и линейных регуляторов.
2 Экспериментальное определение частотных характеристик объекта
регулирования.
3 Исследование динамики замкнутых
систем автоматического регулирования.
Темы практических
занятий
1 Определение
дифференциальных уравнений элементов автоматических систем регулирования.
2
Определение частотных функций элементов АСР.
3
Исследование устойчивости АСР с помощью алгебраических и частотных
критериев.
4 Построение области устойчивости в
пространстве коэффициентов характеристического уравнения АСР.
Учебным планом предусмотрено
выполнение одной контрольной работы и сдача зачета по курсу в объеме настоящей
программы.
Список литературы
1. Р. Дорф, Р.Бишоп. Современные системы управления:
- М.: Лаборатория Базовых Знаний ,
2002. – 832 с., ил.
2. Ротач В.Я. Теория автоматического управления
теплоэнергетическими процессами: Учебник для вузов. – М.: Энергоиздат, 1985. -
296 с.
3. Стефани Е.П. Основы расчета настройки регуляторов
тепло-энергетических процессов. – М.: Энергия, 1972. - 376 с.
4. Бессекерский В.А., Попов Е.П. Теория
автоматического регулирования. – М.: Наука, 1977.
5. Стефани Е.П., Панько М.А., Пикина Г.А. Сборник
задач по основам автоматического регулирования теплоэнергетических процессов. –
М.: Энергия, 1973. - 336 с.
6. Перечень руководящих и справочно-информационных
документов для персонала цехов АСУ ТП (ТАИ) тепловых электростанций. РАО
энергетики и электрофикации. – М.: СПО ОРГРЭС,2002. – 40 с.
7. Теория автоматического
управления. Под ред.Ю.М.Соломенцева – М.: Высшая школа, 1999. - 268 с.
8. Крутов В.И. и др. Основы теории автоматического
регулирования. – М.: Машиностроение, 1984.
9. Воронов А.А., Титов В.К., Новогранов Б.Н. Основы
теории автоматического регулирования и управления. – М.: Высшая школа, 1977.
10. Сборник задач по теории автоматического
регулирования и управления. Под ред. В.А. Бессекерского – М.: Наука, 1969.
11. Плетнев Г. П. Автоматизированное управление
объектамтепловых электростанций: Учебное пособие для вузов. – М.: Энергоиздат,
1981. – 368 с.
3
Контрольная работа
3.1 Задание 1
Ответить письменно на контрольные
вопросы. Номера вопросов выбрать по
таблице 2.
Таблица
2
|
Индекс первой буквы фамилии студента |
Номера вопросов тем 2.1, 2.2 |
Последняя цифра шифра |
Номера вопросов тем 2.3, 2.4 |
|
0 |
2.2.4,
2.2.10, 2.2.23 |
0 |
2.3.1,
2.4.1, 2.4.6 |
|
1 |
2.2.2,
2.2.9, 2.2.22 |
1 |
2.3.2,
2.4.2, 2.4.7 |
|
2 |
2.2.2,
2.2.8, 2.2.21 |
2 |
2.3.3,
2.4.3, 2.4.8 |
|
3 |
2.2.2,
2.2.7, 2.2.20 |
3 |
2.3.4,
.2.4.4, 2.4.9 |
|
4 |
2.2.1,
2.2.11, 2.2.19 |
4 |
2.3.5,
2.4.5, 2.4.10 |
|
5 |
2.2.5,
2.2.12, 2.2.18 |
5 |
2.3.1,
2.4.1, 2.4.7 |
|
6 |
2.2.6,
2.2.13, 2.2.17 |
6 |
2.3.2,
2.4.2, 2.4.6 |
|
7 |
2.2.4,
2.2.14, 2.2.21 |
7 |
2.3.3,
2.4.3, 2.4.9 |
|
8 |
2.2.3,
.2.2.15, 2.2.22 |
8 |
2.3.4,
2.4.4, 2.4.10 |
|
9 |
2.2.2,
2.2.16, 2.2.23 |
9 |
2.3.5,
2.4.5, 2.4.8 |
2.2.Задача 1
Составить дифференциальное уравнение электрической цепи. Определить
передаточную функцию. Определить и построить характеристики:
амплитудно-частотную (АЧХ), фазо-частотную (ФЧХ) и амплитудно-фазовую (АФХ).
3.3 Задача 2
Определить область значений настройки
пропорционального регулятора (С1), при
которых замкнутая система автоматического регулирования будет устойчива.
Указание: исследование провести с применением
диаграммы Вышнеградского, критерия Гурвица, критерия Михайлова и критерия
Найквиста.
Таблица
3
|
Индекс первой буквы |
|
Предпоследняя цифра шифра |
|
Последняя цифра шифра |
Т3 |
|
0 |
1/10 |
0 |
1/10 |
0 |
10 |
|
1 |
2/20 |
1 |
2/20 |
1 |
15 |
|
2 |
3/30 |
2 |
3/30 |
2 |
20 |
|
3 |
0,1/5 |
3 |
0,1/5 |
3 |
25 |
|
4 |
0,2/10 |
4 |
0,2/10 |
4 |
30 |
|
5 |
0,3/15 |
5 |
0,3/15 |
5 |
35 |
|
6 |
0,4/20 |
6 |
0,4/20 |
6 |
40 |
|
7 |
0,5/25 |
7 |
0,5/25 |
7 |
5 |
|
8 |
0,6/30 |
8 |
0,6/30 |
8 |
4 |
|
9 |
0,7/35 |
9 |
0,7/35 |
9 |
3 |
3.3 Задача
3
Построить область устойчивости
замкнутой системы автоматического регулирования на плоскости параметров настройки
пропорционально-интегрального регулятора (Со С1)
J1(p) J2(p)
Таблица
4
|
Индекс первой буквы |
J1(p) |
Последняя цифра шифра |
J2(p) |
|
|
|
|
|
|
0 |
|
0 |
e-10p |
|
1 |
|
1 |
e-5p |
|
2 |
|
2 |
e-20p |
|
3 |
|
3 |
|
|
Индекс первой буквы |
J1(p) |
Последняя цифра шифра |
J2(p) |
|
4 |
|
4 |
|
|
5 |
|
5 |
|
|
6 |
|
6 |
|
|
7 |
|
7 |
e-3p |
|
8 |
|
8 |
e-4p |
|
9 |
|
9 |
e-5p |
Сводный план 2004 г., поз. 107
Вячеслав Владимирович
Стояк
ТЕОРИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО
УПРАВЛЕНИЯ
Программа, методические
указания и контрольные задания
Редактор
Ж.М.Сыздыкова
Специалист
по стандартизации Н.М.Голева
|
Подписано в печать Тираж 50 экз. Объем уч.-изд.л. |
Формат 60×84 1/16 Бумага типографская №1 Заказ Цена 30 . |
Копировально-множительное
бюро
Алматинского института энергетики и связи