Автоматическое управление - отрасль науки и техники, исследующая и применяющая теорию автоматического управления, принципы построения автоматических систем и технические средства, образующие эти автоматические системы. Развитие технологии современного производства и технологии управления привело к созданию таких производственных процессов и технологического оборудования, которые невозможно эффективно эксплуатировать, а тем более - проектировать в отрыве от систем управления. Характерным примером являются металлорежущие станки с ЧПУ, промышленные роботы, гибкие производственные модули и линии. Автоматические системы применяются в различных областях техники и имеют различную физическую природу. Одна и та же автоматическая система часто содержит одновременно механические, гидравлические, электрические и электронные устройства, элементы микропроцессорной и вычислительной техники. Поэтому в создании и эксплуатации современного автоматизированного и автоматического технологического оборудования в различной форме принимают участие специалисты разных профилей. Понятно, что эффективная совместная работа специалистов разного профиля возможна только в том случае, если они имеют общую базу знаний. Одна из основных особенностей автоматики как научной дисциплины состоит в выявлении, изучении и практическом использовании общих закономерностей, имеющихся в работе систем различной физической природы. Поэтому дисциплина "Автоматическое управление" закладывает фундамент общей базы знаний в области автоматического управления для техников призванных обслуживать автоматизированные системы управления технологическими процессами.

Дисциплина "Автоматическое управление" относится к циклу специальных дисциплин. Она базируется на фундаментальных положениях математики, физики, теоретической механики, теоретических основ электротехники, электрических машин и аппаратов, электроники, микропроцессорной техники и информатики. В свою очередь дисциплина "Автоматическое управление" создает теоретическую базу знаний для последующего изучения соответствующих разделов специальных дисциплин.

Цель преподавания дисциплины «Автоматическое управление» - познакомить студентов с основным содержанием, задачами и методами теории автоматического управления техническими объектами любой физической природы, сформировать начала системного подхода к решению задач разработки и эксплуатации автоматизированного технологического оборудования, методически подготовить к работе над междисциплинарными проектами.

В результате изучения дисциплины " Автоматическое управление " студент должен:

- знать фундаментальные принципы и законы управления объектами различной физической природы; понимать описание функциональных и структурных алгоритмических схем систем автоматического управления технологическим оборудованием химического производства на уровне типовых расчетов таких систем;

- уметь поставить цель и формулировать задачи на разработку систем автоматического управления технологическим оборудованием;

- уметь составлять функциональные и алгоритмические схемы систем автоматического управления для автоматизируемого и вновь проектируемого оборудования;

- знать и применять основной математический аппарат теории автоматического управления, выполнять анализ и проводить синтез электромеханических и гидромеханических систем автоматического управления технологическими объектами химического производства на уровне (не менее) структурных алгоритмических схем;

- принимать участие в экспериментальных исследованиях и наладке систем автоматического управления технологическим оборудованием.

Объем, содержание и уровень подготовки по дисциплине " Автоматическое управление " для очной формы обучения определен Государственным образовательным стандартом профессионального средне-специального образования в1998 г. В процессе изучения дисциплины студенты очной формы обучения выполняют курсовую работу. Кроме этого студенты выполняют лабораторные работы и сдают экзамен по теоретическому курсу.

Курсовая работа

"Анализ и синтез системы автоматического управления"

Курсовая работа предназначена для закрепления теоретических знаний и приобретения практических навыков анализа динамических свойств и синтеза корректирующих элементов систем автоматического управления.

4.1. Задание на курсовую работу

Задана система автоматического управления (см приложение 1), состоящая из 4-х элементов (рис.2,1=1,2,3,4,) где приняты следующие обозначения: х - задающее воздействие; у -управляемая величина; z - возмущающее воздействие; xi- входное воздействие i-ro элемента; yi- выходная величина i-то элемента. Элемент i=l является объектом управления. Остальные элементы относятся к управляющей (усилительно-преобразующей) части САУ. Динамические свойства элементов в общем случае описываются дифференциальными уравнениями: где ki,Ti,ti - параметры элементов.

Задание на курсовую работу содержит 100 вариантов. Номер варианта выдается преподавателем. Первая цифра варианта - номер строки в табл. вторая - номер столбца в табл.2.(см. приложение)

Курсовая работа состоит из двух частей. В первой части выполняется преобразование структурной схемы системы автоматического управления, которую в свою очередь необходимо получить из дифференциальных уравнений элементарных динамических звеньев. Определяется устойчивость системы автоматического управления с помощью частотных критериев устойчивости, (критерий определяется преподавателем) и определяется устойчивость с помощью логарифмических частотных характеристик. Анализ качества переходных процессов выполняется расчетным путем с использованием таблиц Н-функций.

Вторая часть - синтез корректирующего элемента.

С учетом требований к переходному процессу проводится коррекция систем автоматического управления (требования к переходному процессу определяются преподавателем) и строится переходный процесс с использованием таблиц Н-

функций.

Более детальное содержание каждого этапа курсового проекта следующее:

1. . Конкретизировать задание в соответствии с вариантом:

Используя уравнения связей из табл.1 (см. приложение), где для каждого элемента определены входные воздействия в виде комбинации выходных величин других элементов, построить структурную схему. Построение структурной схемы удобно начинать в порядке нумерации элементов, размещая их на структурной схеме справа налево. Конкретизировать выражения уравнений (1) - (4), подставив в них из табл.2 (см. приложение), соответствующие варианту значения коэффициентов k₀₁, k₀₁ и равные нулю постоянные времени Ti, ti. Полученные дифференциальные уравнения записать в операторной форме. При наличии общего множителя в виде оператора дифференцирования в левой и правой частях этих уравнений произвести сокращение. По полученным дифференциальным уравнениям записать выражения передаточных функций и для наглядности вписать их в символы элементов на структурной схеме.

2. Используя правила преобразования структурных схем получить исходные выражения для определения устойчивости систем автоматического управления

3. Определить устойчивость системы автоматического управления, используя указанные критерии устойчивости.

4. Построить график переходного процесса, используя для этого таблицы Н-функций.

5. Синтез корректирующего элемента заключается в определении его передаточной функции и таких значений параметров, которые при неизменной структуре и параметрах исходной САУ обеспечивают заданную статическую точность и приемлемые показатели качества переходных процессов.

Синтез корректирующего элемента проводится по методу логарифмических частотных характеристик.

Выполнение этого раздела рекомендуется проводить в следующей последовательности:

По заданным значениям параметров переходного процесса определить желаемую логарифмическую характеристику системы автоматического управления. Среднечастотный участок желаемой ЛАХ рекомендуется строить симметрично относительно частоты среза с ориентировочной протяженностью от 0.6 до 0.8 декады влево и вправо от нее. Низкочастотную и высокочастотную части желаемой ЛАХ следует делать параллельными соответствующим частям исходной ЛАХ или совпадающими с ней. Определить ЛАХ корректирующего элемента как разность между ЛАХ желаемой и исходной системы. ЛАХ корректирующего элемента желательно получить соответствующей замедляющему, форсирующему или интегро-дифференцирующему типовым звеньям.

Если разность между ЛАХ желаемой и исходной систем не дает таких звеньев в "чистом" виде, рекомендуется соответствующим образом изменить ("подогнать") желаемую ЛАХ или ЛАХ корректирующего элемента. Получив ЛАХ корректирующего элемента, определить по ней выражение передаточной функции и значения ее параметров.

Построить структурную схему скорректированной системы, включив корректирующий элемент в структурную схему исходной системы после сравнивающего элемента. Сравнить показатели качества переходных процессов и статические ошибки скорректированной системы в соответствии с заданными требованиями.

Если в результате коррекции не получены заданные требования, необходимо выяснить причину и выполнить дополнительную коррекции, изменив значения параметров корректирующего элемента. Для этого можно изменить частоту среза, протяженность правой или левой ветвей желаемой ЛАХ (вплоть до изменения типа корректирующего элемента). Результаты дополнительной коррекции проверяются повторным расчетом переходного процесса.

P.S. При выполнении всех разделов пояснительной записки в первую очередь необходимо пользоваться материалом коспекта по дисциплине, или использовать следующую литературу.

1.Основные понятия: объект управления, рабочие операции, операции управления, механизация и автоматизация, автоматическое управляющее устройство, системы автоматического управления и регулирования. [1] - с.3-5, 11-14, рис.1.1; [2] - с.11-13, рис.1.1; [3] - с.5-13; [4] -с.3-16;[5]-с.13-16. 2.Краткие исторические сведения становления и развития теории автоматического управления. [1] - с.8-10; [2] - с.5-10; [4] - с.3-8; [5] - с.5-12; [6] -с.12.

3.Фундаментальные принципы управления: по задающему воздействию, по возмущению, по отклонению и комбинированный; самонастраивающиеся (адаптивные) системы. [1] - с. 14-29; рис. 1.3; 1.6; 1.7;

1.11, 12.1; [2] - с.11-19, 36-38; [3] - с.15-17; [4] - с.28-38, рис.3,4; [5] - с.16-32.

4.Понятие о структуре и структурных схемах автоматических систем. Классификация структурных схем - функциональные, алгоритмические и конструктивные. Воздействия - внешние и внутренние, задающее и возмущающие. Цепи воздействий. Прямые и обратные связи. [1] - рис.1.3, 1.7, 1.11, 1.13,2.1, 2.4, 2.6, 2.7, 2.8, рис.1.13 (!), 3.1, 3.2; [4] - с.16-24.

5.Обобщенная функциональная структурная схема систем автоматического управления: функциональные элементы и принцип работы. Основные законы регулирования - пропорциональный, интегральный, пропорционально-интегральный, пропорционально-дифференциальный и пропорционально-дифференциально-интегральный. [1] - рис.1.11, 1.13; [2] - с.25-27, рис.1.11, с.74-79; [3] - с.13-16, рис.1.5; [4] -с.42-45, рис.5; [5] - с.31-32; [6] - с.7-9.

6. Классификация систем автоматического управления по назначению (алгоритмам функционирования): стабилизирующие, программные и следящие; примеры. [1] - с. 32-39; [2] - с.23-24; [4] - с.24-28; [5] -с.22-26;[6]-с.1

7.Классификация систем автоматического управления в зависимости от вида сигналов: непрерывные, релейные и импульсные;

примеры. [1] - с.58-64; [2] - с.31-36;

8.Функциональная структурная схема систем автоматического управления объектом станок-процесс резания". [3] - с.20-23.

9.Основные задачи теории автоматического управления - анализ и синтез систем автоматического управления. [1] - с.85-88; [6] - с. 14.