МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Сыктывкарский лесной институт (филиал) федерального государственного бюджетного

образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С. М. Кирова»

Кафедра автоматизации технологических процессов и производств

Системы автоматического управления

Учебно-методический комплекс по дисциплине для студентов специальностей 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям)», 230201 «Информационные системы и технологии»

всех форм обучения Самостоятельное учебное электронное издание СЫКТЫВКАР 2012 УДК 681.5 ББК 32.965 С40 Рекомендован к изданию в электронном виде кафедрой автоматизации технологических процессов и производств Сыктывкарского лесного института Утвержден к изданию в электронном виде советом лесотранспортного, технологического факультетов Сыктывкарского лесного института Составитель:

кандидат экономических, доцент Е. Ю. Сундуков Отв. редактор:

кандидат технических наук, доцент А. Н. Юшков, Системы автоматического управления [Электронный ресурс] :

С40 учеб.-метод. комплекс по дисциплине для студ. специальностей 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям)» и 230201 «Информационные системы и технологии»

всех форм обучения: самост. учеб. электрон. изд. / Сыкт. лесн. ин-т ;

сост.: Е. Ю. Сундуков. – Электрон. дан. – Сыктывкар : СЛИ, 2012. – Режим доступа: http://lib.sfi.komi.com. – Загл. с экрана.

В издании помещены материалы для освоения дисциплины «Системы автоматического управления». Приведены рабочая программа курса, темы лекционных занятий, методические указания по изучению дисциплины.

УДК 681. ББК 32. _ Самостоятельное учебное электронное издание Составитель: Сундуков Евгений Юрьевич

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Электронный формат – pdf. Объем 0,6 уч.-изд. л.

Сыктывкарский лесной институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С. М. Кирова» (СЛИ), 167982, г. Сыктывкар, ул. Ленина, 39, [email protected], www.sli.komi.com Редакционно-издательский отдел СЛИ.

© СЛИ, Сундуков Е.Ю., составление,

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие 1. Рабочая программа по дисциплине «Системы автоматического управления» 1.1. Цель преподавания дисциплины 1.2. Задачи изучения дисциплины 1.3. Перечень дисциплин и тем, усвоение которых студентами необходимо для изучения дисциплины 1.4. Дополнения к нормам государственного стандарта 2. Структура и содержание дисциплины 2.1. Наименование тем лекционных занятий, их содержание 2.2. Практические занятия 2.3. Самостоятельная работа и контроль успеваемости 2.4. Распределение часов по темам и видам занятий 3. Методические указания по изучению дисциплины 4. Выполнение аудиторной контрольной работы 5. Тестовые аттестационно-педагогические измерительные материалы 6. Примерный перечень вопросов для подготовки к зачету 7. Учебно-методическое обеспечение дисциплины 7.1. Библиографический список 7.2. Средства обеспечения освоения дисциплины 8. Материально-техническое обеспечение дисциплины

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебно-методический комплекс (УМК) представляет совокупность различных дидактических средств обучения, призванных управлять самостоятельной работой студента в процессе изучения дисциплины «Основы логического управления» и рационально использовать время, предусмотренное образовательными стандартами на выполнение всех видов работ как аудиторных, так и самостоятельных.

В составе УМК по дисциплине «Основы логического управления»

входят: задачи изучения дисциплины и компетенции; нормы государственного образовательного стандарта; темы дисциплины и их содержание, структурированное по видам учебных занятий; рекомендации по самостоятельному изучению теоретического материала с контрольными вопросами по каждой теме; тестовые аттестационно-педагогические измерительные материалы для обеспечения возможности проверки остаточных знаний студентов; задания для выполнения контрольных работ; примерный перечень экзаменационных вопросов, список рекомендуемой литературы.

Материалы, представленные в УМК, актуализированы на дату выпуска учебно-методической разработки.

1. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ПО ДИСЦИПЛИНЕ «СИСТЕМЫ

АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ»

1.1. ЦЕЛЬ ПРЕПОДАВАНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Цель преподавания дисциплины "Системы автоматического управления" заключается в формировании у студентов знаний основных принципов структурной организации систем регулирования и управления различной природы, подходов к их описанию и анализу качества процессов управления, роли информационных технологий в современных системах автоматического и автоматизированного управления.

1.2. ЗАДАЧИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ В результате изучения дисциплины студент должен:

• ЗНАТЬ:

основные положения теории управления;

методы математического описания динамики технических систем;

принципы построения и функционирования систем управления;

основные показатели качества управления;

алгоритмы управления и виды управляющих устройств;

• УМЕТЬ:

проводить оценку статических и динамических свойств объектов и систем управления;

составлять структурные схемы систем управления и оценивать различные составляющие качества управления;

осуществлять выбор и расчет технических средств автоматики, используемых в системах управления.

1.3. ПЕРЕЧЕНЬ ДИСЦИПЛИН И ТЕМ, УСВОЕНИЕ КОТОРЫХ

СТУДЕНТАМИ НЕОБХОДИМО ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Перед изучением курса "Системы автоматического управления" студентом должны быть изучены следующие дисциплины и темы:

высшая математика;

физика (физические основы механики, термодинамика, электричество, электромагнетизм, оптика);

основы электротехники и электроники (линейные и нелинейные цепи постоянного тока, однофазные и трехфазные цепи синусоидального тока, переходные процессы в электрических цепях, микропроцессорная техника);

электрические системы (электрические машины постоянного и переменного тока).

1.4. ДОПОЛНЕНИЯ К НОРМАМ ГОСУДАРСТВЕННОГО СТАНДАРТА

Основные функциональные блоки систем автоматического управления (САУ). Элементы структурных схем, принцип действия систем автоматического регулирования (САР). Технические средства САР и их классификация по функциональному назначению. Математическое описание систем управления. Типовые звенья; структурные схемы САУ; применение графов для отображения системы САУ. Типовые передаточные функции САР.

Нелинейные модели непрерывно-дискретных систем управления. Синтез корректирующих устройств. Микропроцессоры в технических системах управления. Управление сложными техническими объектами.

2. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Дисциплина по выбору. Расчет часов:

2.1. НАИМЕНОВАНИЕ ТЕМ ЛЕКЦИОННЫХ ЗАНЯТИЙ, ИХ СОДЕРЖАНИЕ

Тема 1. Основные понятия и определения теории управления (2 часа).

Классификация систем управления. Системы автоматического управления (САУ) и системы автоматического регулирования (САР). Автоматизированные системы управления технологическими процессами. Распределенные системы управления. Супервизорное управление. Алгоритмы функционирования систем управления: стабилизирующие, программные, следящие, экстремальные системы. Линейные и нелинейные системы. Дифференциальные уравнения систем управления. Нелинейные динамические системы. Метод линеаризации вблизи рабочей точки. Аналоговые, релейные, импульсные и цифровые системы управления. Детерминированные и стохастические системы.

Случайные процессы в системах управления.

Тема 2. Принципы построения систем управления (2 часа).

Разомкнутое управление, замкнутое управление, управление по отклонению, компенсация возмущений, комбинированное управление. Системы адаптивного управления. Задачи получения и обработки информации при различных принципах регулирования. Понятие об обратной связи и ее роли в системах управления.

Тема 3. Математическое описание и динамические характеристики САУ ( часа).

Аналитические и экспериментальные методы построения математических моделей систем управления. Переходный и установившийся режимы.

Динамическое уравнение систем управления. Статическая характеристика.

Объекты с самовыравниванием и без самовыравнивания. Применение преобразования Лапласа при описании динамики систем управления.

Передаточная функция. Условие физической реализуемости. Описание систем управления в пространстве состояний. Типовые входные воздействия.

Переходная характеристика. Весовая функция. Частотные характеристики систем управления. Динамические звенья: пропорциональные, апериодические, колебательные, интегрирующие, дифференцирующие, запаздывающие.

Представление объектов управления и других функциональных элементов САУ динамическими звеньями. Типы соединения динамических звеньев:

последовательное, параллельное; встречно-параллельное (с отрицательной и положительной обратной связью). Структурные схемы систем управления.

Правила преобразования структурных схем.

Тема 4. Качество систем управления (4 часа).

Управляемость и наблюдаемость систем управления. Виды переходных процессов. Устойчивость систем управления. Необходимое условие устойчивости. Алгебраические критерии устойчивости. Частотные критерии устойчивости. Запасы устойчивости. Точность систем управления. Расчет статического отклонения. Коэффициенты ошибок. Статические и астатические системы управления, их реакция на входные сигналы разной формы. Методы повышения точности функционирования систем управления. Частотные, корневые и интегральные оценки качества функционирования системы управления.

Тема 5. Корректирующие устройства и регуляторы в САУ (2 часа).

Назначение корректирующих устройств. Параллельные и последовательные корректирующие устройства. Коррекция с помощью местной обратной связи.

Синтез систем управления по заданным показателям качества. Классификация регуляторов. Позиционные регуляторы. Типовые (стабилизирующие) регуляторы. П-, ПИ- ПИД-, ПДД-законы управления. Типовые процессы регулирования: апериодический с минимальным временем управления; с 20%-м перерегулированием и минимальным временем первого полупериода; с минимальным интегральным критерием качества. Настройка типовых регуляторов. Нечеткий регулятор.

Тема 6. Цифровые системы управления (2 часа).

Математический аппарат исследования дискретных систем: решетчатые функции, разностные уравнения, Z-преобразование, дискретное преобразование Лапласа. Компьютерное моделирование динамики объектов управления.

Реализация алгоритмов управления для цифрового регулятора.

Микропроцессорные устройства. Технологические схемы управления предприятиями лесного комплекса на основе современной микропроцессорной и компьютерной техники.

Всего часов: 16.

2.2. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ ПЗ-1. Принципы построения систем управления и функциональное назначение их элементов (4 часа).

ПЗ-2. Построение математических моделей технических систем (4 часа).

ПЗ-3. Преобразование Лапласа, его свойства, решение систем дифференциальных уравнений с помощью преобразования Лапласа (2 часа).

ПЗ-4. Восстановление сигнала по его изображению (2 часа).

ПЗ-5. Определение параметров переходной характеристики системы управления (2 часа).

ПЗ-6. Определение частотных характеристик системы управления через передаточную функцию (2 часа).

ПЗ-7. Структурные схемы систем управления, правила преобразования структурных схем (2 часа).

ПЗ-8. Анализ устойчивости систем управления с помощью алгебраического критерия Гурвица (2 часа).

ПЗ-9. Точность систем управления, расчет статической ошибки системы при различных задающих воздействиях (4 часа).

Всего часов: 24.

2.3. САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА И КОНТРОЛЬ УСПЕВАЕМОСТИ

конспекту Примечание: КО – контрольный опрос.

2.4. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЧАСОВ ПО ТЕМАМ И ВИДАМ ЗАНЯТИЙ

управления систем управления характеристики САУ управления управления промежуточной аттестации Примечание: КО – контрольный опрос

3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ

Самостоятельная работа студентов по изучению отдельных тем дисциплины включает поиск учебных пособий по данному материалу, проработку и анализ теоретического материала, самоконтроль знаний по данной теме с помощью контрольных вопросов и заданий. Контрольные вопросы совпадают с основными изучаемыми разделами темы.

На практических занятиях отрабатываются упражнения, указанные в литературе. В ходе самостоятельной работы необходимо проработать лекционный материал, обратив особое внимание на приведенные в ходе изложения алгоритмы.

4. ВЫПОЛНЕНИЕ АУДИТОРНОЙ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

Контрольная работа выполняется студентами аудиторно. Задания контрольной работы позволяет закрепить теоретические вопросы основ логического управления, которые будут полезны при выполнении курсовых работ и проектов, выпускной квалификационной работы. Задания выдаются преподавателем.

1. Весовая функция системы управления.

2. Амплитудная частотная характеристика системы управления.

3. Фазовая частотная характеристика системы управления.

4. Логарифмическая амплитудная частотная характеристика системы управления.

5. Логарифмическая фазовая частотная характеристика системы управления.

6. Амплитудно–фазовая частотная характеристика системы управления.

7. Пропорциональное звено.

8. Апериодическое звено I-го порядка.

9. Апериодическое звено II-го порядка.

10. Колебательное звено.

11. Интегрирующее звено.

12. Физическая реализуемость динамических звеньев.

13. Идеальное дифференцирующее звено.

14. Реальное дифференцирующее звено.

15. Форсирующее звено.

16. Звено запаздывания.

17. Типы соединения динамических звеньев.

18. Правила преобразования структурных схем.

19. Устойчивость систем управления.

20. Корни характеристического уравнения и их влияние на устойчивость систем управления.

21. Необходимое условие устойчивости систем управления.

5. ТЕСТОВЫЕ АТТЕСТАЦИОННО-ПЕДАГОГИЧЕСКИЕ

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Тестовые материалы для контроля знаний (привести несколько типичных тестовых заданий разного вида для примера и дать ссылку на тестовую базу:

http://www.tests.nwpi.ru.

6. ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ ДЛЯ

ПОДГОТОВКИ К ЗАЧЕТУ

1. Основные элементы автоматического управления.

2. Основные сигналы, действующие в системах автоматического управления.

3. Классификация систем управления по степени автоматизации функций управления.

4. Классификация систем управления по задачам управления.

5. Классификация систем управления по математическому описанию.

6. Классификация систем управления по реакции на входной сигнал.

7. Релейные, импульсные и цифровые системы управления.

8. Принцип разомкнутого управления.

9. Принцип компенсации возмущений.

10. Принцип замкнутого управления.

11. Принцип управления по отклонению.

12. Принцип комбинированного управления.

13. Адаптивные системы управления.

14. Математическое описание систем управления.

15. Нелинейные системы управления. Линеаризация нелинейных систем.

16. Методы получения математического описания объекта управления.

17. Понятие о динамическом и установившемся режимах. Статическая характеристика.

18. Преобразование Лапласа. Описание систем управления с помощью преобразования Лапласа.

19. Передаточная функция системы управления.

20. Типовые входные воздействия.

21. Переходная характеристика системы управления.

7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

1. Шишмарев, В. Ю. Основы автоматического управления [Текст] : учеб.

пособие для студ. вузов, обучающихся по направлению подготовки "Приборостроение" и приборостроительным спец. / В. Ю. Шишмарев. – Москва : Академия, 2008. – 352 с. – (Высшее профессиональное образование).

Дополнительная учебная, учебно-методическая литература 1. Бесекерский, В. А. Теория систем автоматического управления [Текст] :

[учеб. пособие] / В. А. Бесекерский, Е. П. Попов. – 4-е изд., перераб. и доп. – Санкт-Петербург : Профессия, 2004. – 752 с. – (Специалист).

2. Гайдук, А. Р. Теория автоматического управления в примерах и задачах с решениями в MATLAB [Электронный ресурс] : учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по специальности «Автоматизация технологических дипломированных специалистов «Автоматизированные технологии и производства)» / А. Р. Гайдук, В. Е. Беляев, Т. А. Пьявченко ; Издательство "Лань" (ЭБС). – Изд. 2-е, испр. – Санкт-Петербург : Лань, 2011. – 464 с. – (Учебники для вузов. Специальная литература). – Режим доступа:

http://e.lanbook.com/view/book/2033/.

3. Ким, Д. П. Теория автоматического управления [Электронный ресурс] :

учебник для студентов вузов, обучающихся по направлению «Автоматизация и управление». Т. 1. Линейные системы / Д. П. Ким ;

Университетская библиотека онлайн (ЭБС). – Москва : ФИЗМАТЛИТ, 2007. – 312 с. – Режим доступа: http://www.biblioclub.ru/book/69278/.

4. Ким, Д. П. Теория автоматического управления [Электронный ресурс] :

учебник для студентов вузов, обучающихся по направлению «Автоматизация и управление». Т. 2. Многомерные, нелинейные, оптимальные и адаптивные системы / Д. П. Ким ; Университетская библиотека онлайн (ЭБС).

– Москва : ФИЗМАТЛИТ, 2007. – 441 с. – Режим доступа:

http://www.biblioclub.ru/book/69280/.

5. Подчукаев, В. А. Теория автоматического управления (аналитические методы) [Электронный ресурс] : [учебник для студентов вузов] / В. А.

Подчукаев ; Университетская библиотека онлайн (ЭБС). – Москва :

http://www.biblioclub.ru/book/76606/.

6. Шаронов, А. В. Методы функционального анализа в теории систем автоматического управления [Электронный ресурс] : учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» (квалификация – горный инженер) направления подготовки дипломированных специалистов «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» / А. В. Шаронов ;

Университетская библиотека онлайн (ЭБС). – Москва : Московский государственный горный университет, 2005. – 239 с. – Режим доступа:

http://www.biblioclub.ru/book/83808/.

1. Информатизация и системы управления в промышленности [Текст]/ научнотехнический журнал. – Москва : ИнформИздат. – Выходит ежеквартально.

2008 № 3,4;

2009 № 1-3;

2. Монтаж средств измерений и автоматизации [Текст] : справочник / под ред.

А. С. Клюева. – 3-е изд., перераб. и доп. – Москва : Энергоатомиздат, 1988. – 488 с.

3. Наладка средств автоматизации и автоматических систем регулирования [Текст] : справочное пособие / под ред. А. С. Клюева. – 2-е изд., перераб. и доп.

– Москва : Энергоатомиздат, 1989. – 368 с.

7.2. Средства обеспечения освоения дисциплины Персональные компьютеры, программное обеспечение по дисциплине, учебно-методический комплекс по дисциплине, компьютерные программы.

8. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

На кафедре имеется лаборатория «Средства автоматизации и управления технологическими процессами», в которой имеются приборы и установки для проведения практических занятий по данной дисциплине.