2

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ВЯТСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет автоматики и вычислительной техники

Кафедра электропривода и автоматизации

промышленных установок

ТЕОРИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Программа, методические указания и контрольное задание

Для студентов заочного и ускоренного

отделений специальности

140600 " Электропривод и автоматика промышленных установок и

технологических комплексов"

Киров 2007

УДК 621.31111.2.:621.313

Т 33

Рецензент: кандидат технических наук,

профессор кафедры АТ В.В.Куклин

Составитель: кандидат физико-математических наук,

доцент кафедры ЭП и АПУ В.В.Рычков

Методические указания предназначены для студентов заочного отделения специальности 14060 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов». Содержат программу, методические указания и контрольные задания.

Авторская редакция

Подписано в печать Усл. печ. л.

Бумага офсетная. Печать копир Aficio 1022.

Заказ № Тираж 53. Бесплатно.

Текст напечатан с оригинал-макета, предоставленного составителем.

610 000, г. Киров, ул. Московская, 36.

Оформление обложки, изготовление – ПРИП ВятГУ.

© Вятский государственный университет, 2007.

Введение

Важнейшим условием технического прогресса в настоящее время является автоматизация всех отраслей народного хозяйства. Создание современных систем автоматического управления невозможно без знания теории автоматического управления линейными, нелинейными и дискретными системами (САУ) – науки об управлении различными процессами, являющейся базовой инженерной дисциплиной, применяемой для любых систем автоматического управления, независимо от их физической природы, назначения и принципа действия. Теория автоматического управления (ТАУ) – динамичная, интенсивно развивающаяся наука.

Курс базируется и тесно связан с математикой, физикой, теоретическими основами электротехники и является одним из основных специальных курсов, на который опираются профилирующие инженерные курсы, необходимые при подготовке инженеров по специальности 140600 “Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов”.

Изучение курса студентами заочного факультета предполагает:

1. самостоятельную работу с учебниками и учебными пособиями;

2. посещение лекций по основным разделам программ;

3. выполнение одной контрольной работы и одной курсовой работы;

4. выполнение четырёх лабораторных работ.

При самостоятельной работе с учебниками и учебными пособиями необходимо стремиться к полному пониманию изучаемого материала, составлять краткий конспект и уметь давать полные ответы на вопросы самопроверки.

Основные вопросы курса и наиболее сложные темы излагаются студентам на лекциях и во время групповых консультаций.

Контрольная и курсовая работы содержат задачи, решение которых позволит студенту закрепить знания теоретической части курса и получить навыки по практическому использованию методов ТАУ при анализе и синтезе систем автоматического управления.

В лабораторных работах исследуются основные динамические звенья САУ и их соединения.

К экзамену по курсу в целом допускаются студенты, имеющие зачтенные контрольную и курсовую работы и сдавшие зачет по лабораторным работам.

1. Программы курсов

Программа курса «Теория автоматического управления» предусматривает ознакомление студентов с основными понятиями и определениями ТАУ, изучение принципов построения САУ, их математического описания и основных методов анализа и синтеза САУ.

Настоящая программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта высшего и профессионального образования по специальности 140600 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов», утвержденного Государственным Комитетом РФ по высшему образованию от 27.03.2000 г.

Распределение времени при изучении курсов

В соответствии с учебным графиком заочного обучения по специальности 140600, утвержденного проректором ВятГУ по учебной работе в 2001 г. на изучение курса отводится следующее время.

Курс «Теория автоматического управления»:

Очные виды занятий

Летняя сессия (4 семестр): всего 6 часов;

в т.ч. лекции 4 часа;

практических занятий 2 часа;

Зимняя сессия (5 семестр): всего 26 часов;

в т.ч. лекций 8 часов;

практических занятий 6 часов;

лабораторных занятий 12 часов.

Летняя сессия (6 семестр): всего 18 часов:

в т.ч. лекций 6 часов;

практических занятий 4 часа;

лабораторных занятий 8 часов.

Самостоятельная подготовка 231 часов, в т.ч. контрольная работа №1 - 10 часов и курсовая работа - 40 часов.

Зачет – 1, экзамен – 1.

2. Библиографический список

В настоящее время издано достаточно большое количество учебников и учебных пособий по теории автоматического управления, но практически отсутствуют книги, в которых методика изложения материала полностью соответствовала бы потребностям заочного обучения. Для изучения курса рекомендуются учебные пособия, наиболее близкие к программе курса.

Основная литература

1. Теория автоматического управления: учебник для вузов / под ред. А.В. Нетушила. – 2-е изд. - ч.1. - М.: Высш. шк., 1976. – 400 с.

2. Теория автоматического управления: учебник для вузов / под ред. А.В. Нетушила, ч.2. - М.: Высш. шк., 1983. – 432 с.

3. Куропаткин П.В. Теория автоматического управления. - М.: Высш. шк., 1973. – 528 с.

4. Востриков А.С. Теория автоматического регулирования: учеб. пособие / Востриков А.С., Французова Г.А.. - М.: Высш. шк., 2004. - 365c.

5. Ерофеев А.А. Теория автоматического управления: учеб. / Ерофеев А.А. –

2-е изд. , доп. и перераб. - СПб.: Изд-во Политехника, 2003. - 302c.

6. Теория автоматического управления: учеб. / под ред. В. Б. Яковлева. - М.: Высш. шк., 2003. - 567c.

Дополнительная литература

1. Болонкин В.Е., Чинаев П.И. Анализ и синтез систем автоматического управления на ЭВМ. - М.: Радио и связь, 1986.

2. Макаров И.М., Менский Б.Н. Линейные автоматические системы (элементы теории, методы расчёта и справочный материал). - М.: Машиностроение, 1982.

3. Задачник по теории автоматического управления /под ред. А.С.Шаталова.- М.: Энергия, 1979.

4. Протасов А.П., Рычков В.В. Теория автоматического управления. Методические указания и задания к лабораторным работам и самостоятельной работе. - Киров: Изд-во ВятГУ, 2007.- 40 с.

5. Протасов А.П., Рычков В.В. Теория автоматического управления. Задания и методические указания к курсовой работе. - Киров: Изд-во ВятГУ, 2002.- 25 с.

6. Грудинин В.С., Ишутинов Д.В., Рычков В.В. Основы работы в System View. Методические указания для лабораторных работ по курсу "Теория автоматического управления". - Киров: Изд-во ВятГУ, 2002. – 13 с.

7. Рычков В.В. Теория автоматического управления. Методические указания по выполнению курсовой работы. - Киров: Изд-во ВятГУ, 2005. – 27 с.

Рекомендуется один из вариантов использования литературы:

1. 0.1, 0.2, Д.2, Д.3, Д4;

2. 0.3, Д.2, Д.3, Д4;

3. 0.4, 0.5, Д.2, Д.3, Д4;

4. 0.6, Д.2, Д.3, Д4.

Учебное пособие Д.2 содержит примеры расчёта и справочный материал. Поэтому это учебное пособие рекомендовано для изучения тем 3 – 6, 8, 9. Книга Д.3 является сборником задач и содержит подробные примеры их решения.

3. Содержание курса, методические указания

и вопросы самопроверки

Тема 1. Основные понятия и определения систем автоматического управления и регулирования

Предмет и задачи курса ТАУ. Общие понятия об автоматизации и автоматическом управлении. Краткий очерк развития теории автоматического регулирования и управления. Основные понятия и термины: объекты управления, регуляторы, регулируемые величины, обратные связи, системы автоматического регулирования (САР) и управления (САУ). Задающие, возмущающие и управляющие воздействия. Понятия об алгоритмах функционирования и управления.

Принципы управления по отклонению и возмущению. Разомкнутые и замкнутые САУ. Принцип комбинированного управления. Понятия ошибок и отклонений регулируемой величины. Классификация основных элементов автоматических систем по их функциональному назначению. Классификация САУ по характерным различным признакам.

Литература

0.I, стр.5-8, 25 - 34; 0.3, стр.12 - 22; 0.4, стр.12 - 18; 0.5, стр.6 - 27; 0.6, стр.15 - 33.

Методические указания

В результате изучения материала данной темы курса студент должен усвоить сущность теории автоматического управления как науки об управлении динамическими процессами, усвоить особенности и классификацию объектов управления и выяснить постановку задачи регулирования, ознакомиться с фундаментальными принципами построения систем автоматического регулирования, классификацией САУ по различным признакам.

Вопросы для самопроверки

1. Какие вы знаете типы динамических объектов и особенности их реакций на возмущения со стороны внешней среды?

2. В чем состоит различие между регулятором и системой регулирования?

3. Какие виды обратных связей существуют?

4. Чем отличается замкнутая система от разомкнутой?

5. Дайте определения системам стабилизации, программным и следящим системам.

6. Дайте определения задающим, управляющим и возмущающим воздействиям. Каково различие между этими воздействиями? Как правильно спроектированная система должна реагировать на эти воздействия?

7. Объясните принцип действия САУ по отклонению и по возмущающему действию. Приведите примеры этих систем.

8. В чём состоит отличие непрерывных систем от импульсных?

9. В чём отличие многоконтурных систем от одноконтурных?

Тема 2. Линейные динамические системы и их характеристики

Определение динамической системы. Случаи линейной и нелинейной системы. Математическое описание динамической системы с постоянными параметрами. Методы линеаризации нелинейных дифференциальных уравнений и их формы записи. Динамические параметры элементов системы. Прямое и обратное преобразование Фурье и Лапласа. Составление и решение операторных уравнений. Понятие передаточной функции, её определение и основные свойства. Типовые воздействия, применяемые при анализе линейных динамических систем. Временные характеристики линейных динамических систем: а) переходная функция; б) импульсная переходная (весовая) функция.

Частотные характеристики линейных динамических систем: амплитудная и фазовая, вещественная и мнимая. Комплексный коэффициент передачи и амплитудно-фазовая частотная характеристика. Физическая сущность частотных характеристик и способы их экспериментального определения. Связь между различными частотными характеристиками и методика их аналитического определения и графического построения. Понятие о логарифмических частотных характеристиках и о единицах, используемых при их построении.

Литература

0.I, стр.36 - 62; 0.3, стр.32 - 48; 0.4, стр.19 - 46; 0.5, стр.28 - 60; 0.6, стр.34 - 47.

Методические указания

Прежде всего необходимо усвоить, что САУ являются динамическими системами и их свойства определяются статическими и динамическими характеристиками. Для получения этих характеристик необходимо дать математическое описание исследуемой системы. Различают два рода уравнений: установившихся режимов (уравнения статики) и переходных процессов (уравнения динамики). Уравнения динамики являются дифференциальными. Следует усвоить, что установившийся режим есть частный (предельный) случай уравнений динамики.

Обратите внимание на то, что для линейных систем применим принцип суперпозиции и однородности, что облегчает их исследование.

Студент должен восстановить в памяти преобразования Фурье и Лапласа и их свойства, после чего необходимо перейти к изучению передаточных функций, временных и частотных характеристик линейных динамических систем с постоянными параметрами. Необходимо понять физический смысл и методы определения и расчета, построения графиков переходной и весовой функций, а также всех видов частотных характеристик.

Вопросы для самопроверки

1. Какие формы записи уравнений САУ применяют в ТАУ?

2. Что такое статическая характеристика?

3. Как определяются значения коэффициентов усиления по статическим характеристикам элементов?

4. Чему равно прямое преобразование Лапласа для производной, интеграла, единичной и синусоидальной функции?

5. Что такое передаточная функция линейной системы и почему она не зависит от характеристик внешнего воздействия?

6. Что такое временные характеристики? Какие существуют типы этих характеристик и как они связаны с передаточными функциями САУ?

7. Определите понятие амплитудно-фазовой частотной характеристики. Как определяется выражение этой характеристики по заданному выражению передаточной функции?

8. Поясните физический смысл амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристики.