В.А. Старовойтов Управление техническими системами

1

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Целью изучения настоящей дисциплины является формирование у студентов прочных знаний об общих принципах построения и законах функционирования автоматических и автоматизированных систем управления процессами горного производства, а также об основных их методах анализа и синтеза.

Врезультате изучения дисциплины студенты должны знать:

−фундаментальные принципы построения систем управления;

−формы описания статических и динамических характеристик одномерных элементов и систем управления;

−правила составления и преобразования алгоритмических схем;

−сущность понятия устойчивости, критерии устойчивости и приемы их практического использования;

−прямые и косвенные показатели качества процесса управления;

−основные методы и приемы синтеза систем;

−особенности и характеристики нелинейных систем;

−общую характеристику и классификацию задач оптимального управления, а также принципы построения адаптивных систем управления;

−структуру и особенности дискретных систем управления;

−структуру и принципы АСУП и АСУТП горнодобывающих предприятий.

Изучив дисциплину, студент должен уметь:

−составить по несложной принципиальной схеме конкретной автоматической системы управления ее математическую модель в виде алгоритмической структурной схемы, описать уравнение динамики;

−вычислить установившиеся значения ошибок управления;

−определить устойчивость системы;

−выбрать настроечные параметры управляющего устройства;

−провести самостоятельный синтез автоматического управления.

Курс рассчитан на 51 час, из них 43 - самостоятельная работа, 4 часа - обзорные лекции, 4 часа - лабораторные занятия.

Примерное распределение времени, отведенного на изучение отдельных разделов теоретического материала, приведено в таблице.

2

В процессе изучения настоящей дисциплины студент должен выполнить одну контрольную работу по варианту, соответствующему последней цифре номера зачетной книжки, а также несколько лабораторных работ из приведенного ниже перечня:

1)исследование динамических характеристик термоэлектрических преобразователей.

2)АСР давления воздуха;

3)релейная САУ уровнем жидкости;

4)АСР расхода жидкости;

5)непосредственное цифровое управление калорифером;

6)система программного автоматического управления периодическими процессами;

7)трубопроводная арматура.

3

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1.Лукас В.А. Теория автоматического управления / Учеб. для вузов.

–М.: Недра, 1990. – 416 с.

2.Брюханов В.Н. Теория автоматического управления / Под.ред. Ю.М. Соломенцева.- М.: Высш. шк., 1999.-268 с.

3.Подлипенский В.С. Элементы и устройства автоматики / Под.ред. Ю. А. Сабина. – СПб.: Политехника, 1995. – 472 с.

4.Ерофеев А.А. Теория автоматического управления : Учеб. для вузов. – СПб.: Политехника, 1998. – 295 с.

5.Каширских В.Г. Теория автоматического управления. Ч.1. Линейные системы: Учеб. пособие / Кузбас.гос.техн.ун-т. – Кемерово, 1999. – 148 с.

6.Батицкий В.А. Автоматизация производственных процессов и АСУТП в горной промышленности / В.А. Батицкий, В.И. Кудроедов,

А.А. Рыжков. – М.: Недра, 1991. – 303с.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. ВВЕДЕНИЕ

Цели и задачи изучения дисциплины. Понятие системы, в том числе технической, и ее основные признаки. Системный анализ как основа стратегии сложных систем. Иерархия в системе.

(1, с. 3-7; 2, с. 212-214).

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Необходимо четко определиться с понятием «система», а также принципом декомпозиции и иерархии в сложных технических системах, что позволит существенно упростить изучение настоящей дисциплины.

4

2. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Основные понятия и определения: алгоритм, управление, автоматическое устройство, управляющее устройство, система управления. Обобщенная структура автоматической системы управления и виды воздействий. Функциональная и алгоритмическая структуры системы управления на примере горной машины. Характеристика функциональных элементов системы.

Классификация и функциональные структуры систем управления. Принципы управления.

(1, с. 8-28; 2, с. 7-17; 4, с. 6-26; 5, с. 4-24).

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Терминология, используемая в этом разделе, является сквозной для всех последующих тем, и именно поэтому следует обратить на это внимание. Кроме того, здесь рассматриваются внешние и внутренние воздействия в системе. Особое внимание необходимо уделить изучению обратных связей, имеющих место в подавляющем большинстве систем автоматического управления. При этом следует связать воедино необходимость наличия обратной связи и задающего устройства.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Проиллюстрируйте рассматриваемые основные понятия на примере программной системы управления шахтной подъемной установки.

2.Какова роль элемента сравнения в САУ?

3.Какие преимущества и недостатки имеют разомкнутые и замкнутые системы управления?

4.Назовите наиболее распространенные функциональные системы управления.

5.На какие классы разделяются система управления в зависимости от характера изменения задающего воздействия и управляемой величины?

6.Приведите примеры элементарных алгоритмических звеньев.

5

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Общие понятия о передаточных свойствах элементов и систем на примере автоматической системы стабилизации подачи руды. Процедуры и общая форма математического описания (математической модели) элемента или системы в целом. Виды типовых воздействий в системах управления. Статические характеристики элементов и линеаризация нелинейных элементов. Линейные дифференциальные уравнения в натуральной и операторной форме. Временные характеристики. Операционный метод и передаточная функция. Частотные характеристики. Характеристики типовых соединений элементов. Характеристики и модели типовых динамических звеньев систем управления.

(1, с. 30-40; 2, с. 24-30, 31-48).

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Процессы преобразования энергии и информации в автоматической системе, в отличие от многих других технических систем, строго ориентированы, т.е. энергия и воздействия передаются только в определенном направлении (свойство детектирования). В общем случае анализ процессов, происходящих в системах, и эффективное решение задач расчета и их проектирования возможны лишь с применением методов математики. Это прежде всего составление математического описания (математической модели) ее элементов и система в целом, представляющего собой обыкновенные нелинейные или линейные дифференциальные уравнения. В настоящих курсах изучаются последние. Эти уравнения описывают поведение звена (системы) в динамике, поэтому называются уравнениями динамики (движения), или же временными. Помимо дифференциальных уравнений динамические характеристики (свойства) системы могут быть описаны с помощью передаточных функций и частотных характеристик.

Для унификации расчетов различных систем и облегчения сравнения передаточных свойств системы принято использовать ряд стандартных входных сигналов, называемых типовыми воздействиями (скачок, импульс и т.п.). Именно они определяют характер реакции

6

системы (элемента). Независимо от конструктивного исполнения и принципа действия функциональных элементов, образующих систему, все их многообразие можно свести к комбинациям из шести так называемых типовых динамических звеньев с известными характеристиками. Это обстоятельство существенно упрощает анализ систем управления. Следует помнить, что в качестве равноправного элемента системы служит и собственно объект управления.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.В чем заключается свойство однонаправленности передачи воздействий отдельных элементов?

2.Какие типовые воздействия используются при изучении динамики элементов и систем?

3.Поясните понятие переходного и установившегося режима на графике процесса y(t), возникшего на входе статического элемента после ступенчатого воздействия на его вход.

4.Постройте линеаризованную статическую характеристику электродвигателя n = f(U), соответствующую k = 0,05 (об/с)/В, укажите на ней точку номинального режима – U0 = 200 В, n0=10 об/с.

5.Как получить в общем случае переходную функцию h(t) из дифференциального уравнения?

6.Как от передаточной функции элемента перейти к его уравнению динамики в изображениях, а затем в оригиналах?

7.По каким правилам определяются эквивалентные передаточные функции для соединений линейных элементов?

8.Что такое частотные характеристики и какие возможности они

дают?

9.Дайте определение передаточной функции и запишите соответствующее выражение.

10.Что такое собственный и входной операторы?

11.Постройте переходные характеристики известных вам типовых динамических звеньев и приведите их физическую интерпретацию.

12.Приведите график наиболее часто встречающейся переходной характеристики инерционного статического объекта (S - образная характеристика).

13.Напишите передаточную функцию звена запаздывания.

7

4. ПЕРЕДАТОЧНЫЕ ФУНКЦИИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОЧНОСТИ ЗАМКНУТЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Преобразование алгоритмических схем и сигнальных графов. Примеры составления передаточных функций и уравнений динамики систем управления. Передаточные функции типовой одноконтурной системы и типовые алгоритмы управления (закон регулирования). Общие понятия о точности управления (статическая и динамическая).

(1, с. 129 – 127; 2, с. 102133; 4, с. 107 – 110; 5, с. 61 –72)

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ.

Как указывалось выше, система практически любой сложности может быть представлена в виде совокупности типовых динамических звеньев (структурная схема), обычно со множеством перекрестных связей и точек воздействия. Для упрощения схемы и, естественно, расчетов используется метод структурных преобразований, состоящий из нескольких простых правил, справедливых как для алгоритмических схем, так и сигнальных графов. Конечной целью упрощения схем является нахождение общей (эквивалентной) передаточной функции, а затем и соответствующего уравнения динамики. Все это относится и к типовой одноконтурной системе управления, для которой передаточные функции регулятора и объекта служат исходными данными для оценки точности при типовых воздействиях. При этом под точностью системы следует рассматривать мгновенную разность между текущим значением регулируемой величины и ее заданным значением (так называемым сигналом ошибки).

Особое внимание следует обратить на законы регулирования, так как выбор соответствующего им автоматического регулятора (реального блока) часто является едва ли не основной задачей синтеза.

8

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Запишите выражение для эквивалентных передаточных функций типовых соединений из двух элементов.

2.Что такое разомкнутый контур системы и чему равна его передаточная функция?

3.Запишите передаточные функции типовой замкнутой системы по основным каналам.

4.Запишите передаточную функцию ПИ–регулятора и опишите достоинства и недостатки последнего.

5.Из каких составляющих складывается сигнал ошибки в типовой системе? От каких внешних воздействий они зависят?

6.Выведите характеристическое уравнение системы на примере системы управления частотой вращения электродвигателя (по рис. 4.5 (1, с. 137)).

7.Какая система называется астатической?

8.Как влияет передаточный коэффициент разомкнутого контура на статическую и динамическую точность системы?

5.УСТОЙЧИВОСТЬ ЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Понятие, виды и общее условие устойчивости. Алгебраические критерии устойчивости (Гурвиц) и частотные (Михайлов, Найквист). Построение областей устойчивости (Д – разбиение). Влияние структуры и передаточного коэффициента системы на устойчивость.

(1, с. 159 – 194; 2, с. 62 – 82; 4, с. 133-159; 5, с. 72 – 91)

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Устойчивость – это свойство системы возвращаться к состоянию установившегося равновесия после устранения возмущения, нарушившего это равновесие. Именно это свойство в первую очередь определяет способность системы управления (регулирования) нормально функционировать и, следовательно, выполнять поставленную задачу (цель).

9

Поэтому при проектировании новых или совершенствовании уже работающих систем в первую очередь определяют их устойчивость.

Для определения устойчивости в инженерной практике используются специальные правила, с помощью которых можно судить о знаках корней, не решая характеристическое уравнение и не находя числовые значения корней. Эти правила, называемые критериями, условно разделяются на алгебраические и частные.

К первым относят критерии Гурвица, Рауса и др., ко вторым – критерии Михайлова, Найквиста. Некоторые из них позволяют определить не только сам факт устойчивости, но и оценить ряд других факторов, на нее влияющих.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Дайте физическую трактовку понятия «устойчивая система управления».

2.Запишите соответствующее этому физическому определению математическое условие асимптотической устойчивости системы.

3.Сформулируйте общее условие устойчивости.

4.Сформулируйте критерий Михайлова. Объясните, почему характеристическая кривая обязательно начинается на действительной оси? Для анализа каких систем (замкнутых, разомкнутых) он используется?

5.Как влияет общий передаточный коэффициент разомкнутого контура системы на ее устойчивость в замкнутом состоянии?

6.Влияют ли параметры настройки регулятора на устойчивость системы?

6.ОЦЕНКА КАЧЕСТВА УПРАВЛЕНИЯ

Понятия и показатели качества управления (прямые и косвенные). Интегральные показатели качества. Чувствительность систем. Управляемость и наблюдаемость объектов управления.

(1, с. 195 – 224; 2, с. 82 – 87; 4, с. 162 – 204; 5, с. 91 – 106)