303
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»
Цифровые системы управления
Методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 15.03.04 – Автоматизация
технологических процессов и производств
Воронеж 2016
2
УДК 681.51.01
Цифровые системы управления: методические указания для самостоя- тельной работы студентов по направлению подготовки 15.03.04 – Автоматиза- ция технологических процессов и производств для очной формы обучения / А.В. Стариков; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воро-
неж, 2016. – 8 с.
Печатается по решению редакционно-издательского совета ВГЛТУ
Рецензент: заведующий кафедрой электротехники и автоматики ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I», доктор технических наук, профессор Афоничев Д.Н.
3
Введение
Учебный план по направлению подготовки бакалавра 15.03.04 – «Авто- матизация технологических процессов и производств» включает изучение дис- циплины «Цифровые системы управления» в течение 6-го семестра в объеме 72 часов, из которых 18 часов отводится для лекционных занятий, 36 часов − для лабораторных работ, 18 часа − для самостоятельной работы студентов. Итого- вый контроль осуществляется в виде сдачи зачёта.
Рабочая программа дисциплины определяет в качестве основной цели − формирование у студентов основ теоретических знаний и практических навы- ков моделирования и проектирования систем цифрового управления и дискрет- ного регулирования.
Для достижения данной цели в ходе изучения дисциплины решаются сле- дующие задачи:
∙ознакомление с общими принципами и особенностями обработки сиг- налов в дискретных системах, включая цифровые системы управления;
∙изучение подходов и способов моделирования и проектирования систем цифрового управления и дискретного регулирования;
∙освоение методики моделирования процессов цифрового управления и регулирования с использованием распространенных прикладных про-
граммных пакетов (Mathcad, Matlab, Simulink и других);
∙приобретение навыков работы с системой Matlab и пакетом имитацион-
ного моделирования Simulink для выполнения моделирования систем цифрового управления и дискретного регулирования.
В результате освоения дисциплины «Цифровые системы управления» студент должен:
∙знать: понятие и общую структуру цифровой системы управления; квантование и восстановление непрерывных сигналов, понятия решёт- чатой функции и её огибающих, прямой и обратных разностей; разно- стные уравнения, линейные законы и операторные модели цифрового управления; понятие и свойства z-преобразования; передаточные функции, амплитудную и фазовую частотные характеристики дискрет- ных систем; критерии устойчивости и типовые переходные процессы в дискретных системах; принципы реализации цифрового ПИД- регулятора и обобщённого дискретного регулятора;
∙уметь: моделировать процессы квантования и восстановления непре- рывных сигналов в Matlab; составлять и решать разностные уравнения; вычислять и использовать z-преобразование для дискретных последо- вательностей; моделировать цифровой ПИД-регулятор в среде визу- ального моделирования Simulink;
∙владеть: навыками проектирования, построения и настройки цифровых систем управления и регулирования технологическими процессами.
4
1 Содержание учебной дисциплины
В соответствии с рабочей программой освоение дисциплины «Цифровые системы управления» предусматривает изучение следующих разделов (тем) и вопросов, входящих в их состав:
Раздел 1. Введение. Понятие и классификация систем управления. Общее понятие и структура систем цифрового управления процессами. Особенности систем цифрового управления.
Раздел 2. Квантование и восстановление аналоговых сигналов. Клас-
сификация сигналов систем управления. Квантование аналоговых сигналов в цифровых системах управления. Восстановление непрерывных сигналов. Ме- тоды исследования цифровых систем управления. Решётчатые функции и раз- ностные уравнения. Описание работы цифрового регулятора. Линейные законы цифрового управления. Операторные модели цифрового управления. Понятие экстраполятора. Импульсная характеристика и передаточная функция. Фикса- тор нулевого порядка. Фиксатор первого порядка. Другие экстраполяторы.
Раздел 3. z-преобразование и дискретная передаточная функция. Характеристики линейных дискретных систем. Анализ и преобразование чи-
словых последовательностей. z- и ζ-преобразования. Вычисление изображений. Свойства z-преобразования. Восстановление оригинала. Линейные дискретные системы и их типы. Описание дискретных систем с помощью разностных урав- нений. Передаточные функции дискретных систем. Импульсная характеристика линейной стационарной дискретной системы. Частотная передаточная функция дискретной системы. Амплитудная и фазовая частотные характеристики дис- кретной системы.
Раздел 4. Устойчивость линейных дискретных систем. Оценка каче-
ства цифровых систем управления. Устойчивость дискретных систем. Ус- тойчивость линейных систем. Критерии устойчивости дискретных систем. Ти- повые переходные процессы в дискретных системах. Оценка качества цифро- вых систем управления. Показатели качества системы в переходном режиме. Особенности переходного процесса дискретных систем. Показатели качества в установившемся режиме.
Назначение лекционных занятий по дисциплине «Цифровые системы управления» − получение теоретических знаний студентами по важнейшим разделам дисциплины, а также формирование общего представления по обзор- ным темам (вопросам) дисциплины.
Помимо лекционных занятий, обязательным элементом изучения дисци- плины «Цифровые системы управления» является прохождение студентом ла- бораторного практикума. Согласно Положению о сдаче экзаменов и зачётов в ФГБОУ ВО ВГЛТУ им. Г.Ф. Морозова студент, не выполнивший лабораторный практикум, не допускается к сдаче зачёта.
В соответствии с рабочей программой дисциплины «Цифровые системы управления» предусматривается следующая тематика лабораторных работ (в скобках указано нормативное количество времени, отводимое на выполнение и защиту лабораторной работы):
5
1.Работа с комплексными числами и вычисление корней полиномов в системе Matlab (4 часа).
2.Обработка числовых массивов и матриц в системе Matlab (4 часа).
3.Решение обыкновенных дифференциальных уравнений в системе
Matlab (4 часа).
4.Гармонический анализ периодических сигналов в системе Matlab (4 ча-
са).
5.Квантование и восстановление сигналов управления. Моделирование работы фиксаторов нулевого и первого порядков в среде визуального модели-
рования Simulink (4 часа).
6.Решение разностных уравнений рекуррентным методом и методом z- преобразования в системе Matlab (6 часов).
7.Моделирование цифрового ПИД-регулятора в среде визуального моде- лирования Simulink (6 часов).
8.Исследование устойчивости линейных дискретных систем (4 часа).
Каждая работа лабораторного практикума предполагает выполнение
практической части с использованием компьютера и соответствующего про- граммного обеспечения, подготовку письменного отчёта о выполненной лабо- раторной работе и его защиту. Требования к оформлению отчёта обычно изла- гаются в методических указаниях к лабораторным работам. При защите отчёта студент должен продемонстрировать знание необходимого теоретического ми- нимума по теме лабораторной работы, аргументировано ответить на вопросы преподавателя, касающиеся практической части работы.
В соответствии с учебным планом на самостоятельную работу студента предусматривается 25 % общего времени, отводимого на изучение дисциплины. При этом одну часть времени, планируемого для самостоятельной работы, предполагается использовать для самостоятельного изучения отдельных вопро- сов лекционного курса, другую − для доработки отчётов о выполненных лабо- раторных работах и подготовки к их защите.
2 Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы
При осуществлении самостоятельной работы студент должен руково- дствоваться указаниями преподавателя, данными методическими указаниями, методическими указаниями к лабораторным работам, методическими указа- ниями к выполнению курсовой работы, материалами конспекта лекций, реко- мендованной основной и дополнительной учебной литературой, включая элек- тронные источники информации.
Ниже приведен перечень основной и дополнительной литературы, имеющейся в учебной библиотеке ВГЛТУ.
Основная литература
1. Данилов, А.Д. Цифровые системы управления [Текст] : доп. УМО ву- зов по образованию в обл. автоматизир. машиностроения (УМО АМ) в качестве учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений / А.Д. Данилов, В.Н. Голов- нев; ВГЛТА. − Воронеж, 2007. − 235 с. − Электронная версия в ЭБС ВГЛТУ.
6
Дополнительная литература
1.Гудвин, Г.К. Проектирование систем управления [Текст] / Г.К. Гудвин, С.Ф. Гребе, М.Э. Сальгадо; пер. с англ. А.М. Епанешникова. − М.: БИНОМ. Лаб.
знаний, 2012. − 911 с.
2.Цифровые системы управления [Электронный ресурс] : учеб. пособие /
В.В. Григорьев, С.В. Быстров, В.В. Бойков, Г.И. Болтунов, О.К. Мансурова. − СПб.: СПбГУ ИТМО, 2011. − 133 с. − ЭБС «Единое окно доступа к образователь- ным ресурсам».
3. Ливенцов, С.Н. Цифровые системы управления [Электронный ресурс] : учебно-методическое пособие / С.Н. Ливенцов, Н.В. Ливенцова. − Томск : Изд-во Томского политехнич. университета, 2009. − 45 с. − ЭБС «Единое окно доступа к образовательным ресурсам».
Для качественного освоения дисциплины, возможно, потребуются сле- дующие ресурсы информационно-телекоммуникационной сети «Интернет»:
∙ЭБС «Единое окно доступа к образовательным ресурсам»: http://window.edu.ru/;
∙сайт с учебно-методическими материалами для тех, кто интересуется моделированием в математической системе Matlab: http://matlab.exponenta.ru/;
∙сайт с обширной подборкой научной, учебной и учебно-методической литературы, представленной в виде библиотеки открытых электронных источников: http://www.twirpx.com.
Поскольку лекции читаются не в полном объеме дисциплины, то студен- там на самостоятельное изучение выносится ряд тем (табл. 1). Преподаватель сообщает студентам их общее содержание и организует контроль знаний по за- явленным темам.
|
|
Таблица 1 |
№ п/п |
Тема самостоятельной работы |
Номер источника |
1 |
2 |
3 |
|
Общее понятие и структура систем цифрового управле- |
1; 1-2 (доп.) |
1 |
ния процессами. Примеры цифровых систем управле- |
|
|
ния. |
|
2 |
Квантование и восстановление аналоговых сигналов. |
1; 3 (доп.) |
Методы исследования цифровых систем управления. |
|
|
|
|
|
3 |
Описание работы цифрового регулятора. Линейные за- |
1; 3 (доп.) |
коны цифрового управления. Операторные модели |
|
|
|
цифрового управления. |
|
4 |
z-преобразование. Вычисление изображений. Свойства |
1; 2-3 (доп.) |
z-преобразования. Восстановление оригинала. |
|
|
|
|
|
5 |
Линейные дискретные системы и их типы. Передаточ- |
1; 1-3 (доп.) |
ные функции дискретных систем. |
|
|
|
|
|
6 |
Устойчивость дискретных систем. Типовые переходные |
1; 2-3 (доп.) |
процессы в дискретных системах. |
|
|
|
|
|
7 |
Показатели качества системы в переходном режиме. |
1; 1-2 (доп.) |
Особенности переходного процесса дискретных систем. |
|
|
|
|
7
Также самостоятельно студенты в компьютерном классе кафедры автома- тизации производственных процессов дорабатывают лабораторные работы, го- товят отчёты по ним.
После завершения лекционного курса и выполнения лабораторного прак- тикума студент допускается к сдаче зачёта по дисциплине «Цифровые системы управления». Перечень вопросов для подготовки к сдаче зачёта приведен ниже.
Перечень вопросов для подготовки к сдаче зачёта
1.Понятие и классификация систем управления.
2.Общее понятие и структура систем цифрового управления процессами.
3.Особенности систем цифрового управления.
4.Методы исследования цифровых систем управления.
5.Классификация сигналов систем управления.
6.Квантование аналоговых сигналов в цифровых системах управления.
7.Восстановление непрерывных сигналов.
8.Теорема Котельникова-Шеннона.
9.Методы исследования цифровых систем управления.
10.Решётчатые функции и разностные уравнения.
11.Описание работы цифрового регулятора.
12.Линейные законы цифрового управления.
13.Операторные модели цифрового управления.
14.Понятие экстраполятора.
15.Импульсная характеристика и передаточная функция.
16.Фиксатор нулевого порядка.
17.Фиксатор первого порядка.
18.Другие экстраполяторы.
19.Анализ и преобразование числовых последовательностей.
20.z- и ζ-преобразования. Вычисление изображений.
21.Свойства z-преобразования.
22.Восстановление оригинала.
23.Линейные дискретные системы и их типы.
24.Описание дискретных систем с помощью разностных уравнений.
25.Передаточные функции дискретных систем.
26.Нули и полюса передаточной функции
27.Импульсная характеристика линейной стационарной дискретной системы.
28.Частотная передаточная функция дискретной системы.
29.Амплитудная и фазовая частотные характеристики дискретной системы.
30.Устойчивость дискретных систем.
31.Устойчивость линейных систем.
32.Критерии устойчивости дискретных систем.
33.Типовые переходные процессы в дискретных системах.
34.Оценка качества цифровых систем управления.
35.Показатели качества системы в переходном режиме.
36.Особенности переходного процесса дискретных систем.
37.Показатели качества в установившемся режиме.
38.Структура и физическая реализуемость одноконтурной дискретной системы.
39.Вырожденные (некорректные) системы.
8
Стариков Александр Вениаминович
Цифровые системы управления
Методические указания для самостоятельной работы по направлению подготовки бакалавра 15.03.04 – «Автоматизация технологических процессов и
производств» для очной формы обучения
Редактор С.Ю. Крохотина
Подписано в печать |
Формат бумаги |
Заказ |
|||
Объем |
п.л. |
Усл. п.л. |
Уч-изд. л. |
Тираж |
|
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»