Основы автоматики и системы автоматического управления.-1

Д.В. Озёркин

ОСНОВЫ АВТОМАТИКИ И СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Компьютерный лабораторный практикум для студентов специальностей 210201 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» и 160905 «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования»

ТОМСК 2012

5

НАЗНАЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОГО ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА

Распространенным методом познания человеком окружающего мира является моделирование – исследование явлений, процессов, объектов в природе и обществе путем построения и изучения их моделей. В частности, использование современных технических средств моделирования на ЭВМ при исследовании систем автоматического управления (САУ) имеет ряд преимуществ и новых возможностей по сравнению с приборным макетированием.

Приборные макеты для исследования САУ нередко отличает сложность в настройке, наладке, тестировании. В процессе выполнения лабораторных работ на приборных макетах периодически возникает необходимость в поверке и калибровке. Отмеченные недостатки приводят к тому, что студентам при выполнении работ затруднительно на фоне «информационного шума» распознать и наблюдать тот или иной закон (свойство) САУ. Как следствие – низкая образовательная составляющая от проведенного занятия.

Следует заметить, что законы автоматики описывают поведение не только радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), но также справедливы для крупномасштабных объектов и явлений, таких как системы автоматизированного управления производственными процессами, технологические и полигонные установки. В таких случаях приборное макетирование часто вообще бывает лишено смысла ввиду трудоемкости и сложности реализации. Компьютерное моделирование, напротив, позволяет быстро, точно и наглядно наблюдать за протекаемыми процессами. При условии грамотного использования метода аналогии и моделей подобия результаты компьютерного моделирования, как правило, хорошо согласуются с теорией САУ. Применяя метод аналогии, можно сводить задачу моделирования различных физических процессов к составлению эквивалентной электрической схемы рассматриваемого процесса, а затем с помощью программ схемотехнического моделирования проводить анализ этого процесса, используя масштабные коэффициенты.

Таким образом, количественный и качественный выигрыши от применения компьютерного моделирования состоят в следующем:

-полностью или частично отпадает необходимость в длительном и трудоемком этапе изготовления лабораторного макета; в затратах на комплектующие изделия, материалы и конструктивные элементы, необходимые для изготовления макетов и установок; в измерительных приборах и оборудовании для испытаний системы;

-значительно сокращается время определения характеристик и время исследований;

-появляется возможность исследовать системы, содержащие элементы, характеристики которых известны, но самих элементов нет в настоящее время; имитировать воздействия, воспроизведение которых при натурных испытаниях затруднено, требует сложного оборудования, сопряжено с опасностью для установки или исследователя, а иногда вообще невозможно; легко полу-

6

чать дополнительные характеристики объекта, которые сложно или невозможно получить с помощью измерительных приборов.

В настоящем лабораторном практикуме автор предлагает использовать тандем из двух широко известных и распространенных программных продуктов: средство автоматизации математических расчетов MathCAD и средство схемотехнического моделирования MicroCAP. Совместное использование этих программных продуктов позволяет сначала построить и исследовать абстрактную математическую модель изучаемого явления (MathCAD). Затем, применяя метод аналогии, можно создать структурную и электрическую схему устройства, в котором также наблюдается изучаемое явление (MicroCAP). Такой подход, на взгляд автора, помогает студентам в полной мере осознать взаимосвязь теоретических и практических аспектов основ автоматики.

Выбор программы MicroCAP в качестве средства схемотехнического моделирования не случаен. К основным достоинствам программного продукта в плане его использования в лабораторных работах следует отнести:

-минимальные аппаратные требования к ЭВМ – программа гарантированно работает даже на компьютерах с процессором Pentium первого поколения;

-исключительно схемотехническая направленность программы, ее сбалансированность для целей настоящего лабораторного практикума.

Почти все другие программные продукты схемотехнического моделирования (DesignLab, OrCAD, MultiSim) обладают еще возможностями топологического проектирования, что в данном случае можно считать недостатком. Такие программные комплексы гораздо сложнее в освоении студентами и требовательнее к аппаратным ресурсам.

Помимо основного назначения – изучения основ автоматики – компьютерный лабораторный практикум способствует приобретению студентами специальностей 210201 и 160905 серьезных навыков в построении математических моделей, в схемотехническом анализе, в синтезе моделирующих установок на основе структурных и электрических схем. Компьютерный лабораторный практикум может также использоваться студентами других специальностей, учебный план которых включает дисциплину «Основы автоматики и системы автоматического управления», либо ее аналоги с другими наименованиями.

7

ОСОБЕННОСТИ КОМПЬЮТЕРНОГО ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА

Компьютерный лабораторный практикум базируется на материале, изучаемом в лекционных курсах «Основы автоматики и системы автоматического управления» специальности 210201 и «Автоматика и управление» специальности 160905. Заметим, что дисциплина «Основы автоматики и системы автоматического управления» является общепрофессиональной ОПД.Ф.08, входящей в ГОС 654300-2000; дисциплина «Автоматика и управление» – из ряда регионально-вузовских компонентов.

Согласно учебных планов, количество часов, выделенных на выполнение лабораторных работ, различается в зависимости от специальности и формы обучения. Общий список тем лабораторных занятий, включенных в настоящий практикум, состоит из четырех работ:

1.Решение дифференциальных уравнений движения для систем автоматического управления.

2.Исследование устойчивости систем автоматического управления.

3.Исследование нелинейных систем автоматического управления.

4.Исследование дискретных систем автоматического управления. Конкретные сведения о количестве и темах лабораторных работ для

каждой из специальностей и форм обучения приведены ниже в таблице.

Описанию лабораторных работ предшествует два раздела по демонстрации всех типовых приемов, которые необходимы для выполнения лабораторных заданий. Для удобства такие типовые приемы озаглавлены, пронумерованы и сгруппированы отдельно для программы MicroCAP и для программы MathCAD. Затем, в описаниях лабораторных работ даются соответствующие ссылки на типовые приемы, для того чтобы не акцентировать внимание на технических подробностях при изложении основного материала. Следовательно, демонстрационные разделы настоящего компьютерного лабораторного практикума можно рассматривать и как краткое учебное пособие по применению MathCAD и MicroCAP, и как справочный материал. Разделы снабжены максимально подробными разъяснениями и иллюстрациями.

В описаниях лабораторных работ включены две обязательные части – краткие теоретические сведения по теме работы и методический пример по выполнению лабораторного задания. Краткие теоретические сведения, предваряющие лабораторное задание, позволяют студентам вспомнить материал лекционного курса без специального поиска нужного раздела в учебном пособии.

Методические примеры выполнены на темы, сходные с лабораторными заданиями. Примеры демонстрируют определенный «сценарий» проведения лабораторных исследований:

1.Построение в MathCAD математической модели изучаемого явления.

9

2. Создание в MicroCAP схемы устройства, в котором реализовано изучаемое явление.

Заметим, что лабораторные работы №2 и №4 по своей сути аналитические, направленные на выделение составных частей САУ с последующим их изучением. Затем, на основе такого анализа делается заключение о функционировании САУ в целом.

Лабораторные работы №1 и №3 являются более сложными, поскольку предполагают синтетические этапы исследования. В частности, в этих работах предусматривается синтез моделирующей установки в виде схемы электрической принципиальной. Учитывая, что изучение дисциплины «Основы автоматики и системы автоматического управления» происходит на старших курсах, включение в лабораторные работы элементов синтеза, на взгляд автора, выглядит вполне допустимым.

В конце компьютерного лабораторного практикума приведены дополнительные справочные материалы:

-сведения о программе автоматизированных математических расчетов

MathCAD 2001;

-сведения о программе схемотехнического моделирования MicroCAP7;

-правила оформления отчета по лабораторной работе;

-соответствие условных графических обозначений элементов в России

иза рубежом.