Фгбоу во «мгуту им. к.г. разумовского (пку)»

КАФЕДРА «Системы управления»

Н.И. Шиянова, Каримова Е.Г.

Теория автоматического

Управления

Методические указания по выполнению

Курсового проекта

для бакалавров направления подготовки

15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств»

www.mfmgutu.ru

Мелеуз 2016

УДК 621

ББК 34.5

Шиянова Н.И., Каримова Е.Г. Теория автоматического управления:Методические указания по выполнению курсового проекта. – Мелеуз, БИТУ (филиал) ФГБОУ ВО «МГУТУ им. К.Г. Разумовского (ПКУ)», 2016. – 68 с.

Методические указания по выполнению курсового проекта написаны в соответствии со стандартом и предназначены для бакалавров направления подготовки 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств».

В методических указаниях изложены теоретические положения по курсу «Теория автоматического управления», а также методические рекомендации по выполнению курсового проекта.

Методические указания состоят из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, приложений. В них рассмотрены следующие вопросы:

· Синтез замкнутой САР

· Описание объекта управления

· Построение экспериментальной переходной функции объекта управления.

· Идентификация переходной функции объекта управления

· Выбор закона регулирования и типа регулятора

· Анализ устойчивости САР по критерию Найквиста

· Определение показателей качества управления замкнутой САР.

В приложении приведено примерное содержание курсового проекта, титульный лист, техническое задание к выполнению курсового проекта, лист рецензии и т.д.

Материалы методических указаний обсуждены и утверждены на заседании кафедры «Системы управления» филиала ФГОУ ВПО «МГУТУ им. К.Г. Разумовского» в г. Мелеуз 15 февраля 2011 г., протокол №7.

Печатается по решению редакционно-издательского совета филиала ФГОУ ВПО «Московский государственный университет технологий и управления им. К.Г. Разумовского» в г. Мелеуз.

Рецензенты: Чариков П.Н., к.т.н, доцент кафедры «АТИС»

Стерлитамакский филиал УГНТУ

Содержание

Введение 1 Содержание пояснительной записки 2 Требования к оформлению пояснительной записки 3 Синтез замкнутой системы автоматического управления 4 Описание объекта управления 5 Построение экспериментальной переходной функции объекта управления. 5.1 Определение экспериментальных данных 5.2 Определение параметров передаточной функции 5.3 Идентификация переходной функции объекта управления 6 Выбор закона регулирования и типа регулятора 6.1 Определение параметров настройки регулятора 6.2 Расчеты параметров настройки ПИ- регулятора с учетом типового процесса регулирования 6.3 Расчеты параметров настройки ПИД- регулятора с учетом типового процесса регулирования 7 Анализ устойчивости САР по критерию Найквиста 7.1 Синтез разомкнутой САР с ПИ – регулятором 7.2 Синтез разомкнутой САР с ПИД – регулятором 7.3 Оценка устойчивости САР 7.3.1 Запас устойчивости по амплитуде и по фазе системы с ПИ- регулятором 7.3.2 Запас устойчивости по амплитуде и фазе системы с ПИД – регулятором 8 Определение показателей качества управления замкнутой САР 8.1 Построение переходной функции замкнутой САР с ПИ- регулятором по ее передаточной функции 8.2 Расчет показателей качества управления замкнутой САР с ПИ- регулятором 8.3 Построение переходной функции замкнутой САР с ПИД- регулятором по ее передаточной функции 8.4 Расчет показателей качества управления замкнутой САР с ПИД- регулятором Заключение Список использованных источников Листы технических заданий (10 вариантов) Приложения А-Ж

50-59 60-67

Введение

Курс «Теория автоматического управления» охватывает вопросы анализа и синтеза автоматических систем управления производственными процессами. Изучение этого курса позволяет студентам получить знания по теоретическим основам автоматического управления и практические навыки расчета автоматических систем.

Автоматизация производственных процессов является одним из ведущих направлений технического прогресса, важным фактором повышения эффективности и производительности труда, а также повышения качества выпускаемой продукции во всех сферах производства. При всем многообразии автоматических устройств и автоматизированных систем управления и путей автоматизации процессов в различных отраслях промышленности имеются общие теоретические положения, являвшиеся фундаментальным базисом теории автоматического управления. Этим теоретическим основам автоматизации производственных процессов и посвящен настоящий курс.

Курс охватывает широкий круг вопросов, овладение которыми позволит успешно решать инженерные задачи разработки и эффективной эксплуатации систем автоматического регулирования (АСР), усвоить общие принципы их построения, расчета, математического моделирования, исследования и настройки.

Курсовой проект состоит из расчетно-пояснительной записки (не менее 25 страниц) и графического материала, который выполняется в пакете для инженерных расчетов «Mathcad Professional».

Системы управления создаются для достижения вполне определённых целей. Для того чтобы достичь заданной цели необходимо определить закон управления каким-либо объектом.

Теория автоматического управления – наука о методах определения этих законов для объектов, допускающих их реализацию средствами автоматики.

Разновидность автоматического управления представляет собой автоматическое регулирование, т.е. поддержание постоянными каких-либо величин, характеризующих процесс, или изменение этих величин по определённым законам.

В теории автоматического регулирования основными являются проблемы: устойчивости, качества переходных процессов, статической и динамической точности, автоколебаний, оптимизации, синтеза и отождествления (идентификации).

Задачи общей теории автоматического регулирования заключаются в решении вышеперечисленных проблем. При поиске решений используются:

1 Методы анализа устойчивости замкнутых САР

2 Методы оценки качественных показателей САР

3 Методы повышения точности САР

4 Методы коррекции динамических свойств САР

5 Методы синтеза САР

Разработка методов решения прикладных инженерных задач, стоящих при проектировании САР есть глобальная цель теории систем автоматического регулирования.

Объект управления – место протекания рабочего процесса.

Управление – процесс организации такого целенаправленного воздействия на объект, в результате которого объект переходит в требуемое состояние.

Система автоматического управления – совокупность объекта управления и управляющего устройства, взаимодействие которых приводит к выполнению поставленной цели.

Автоматическими называются устройства, которые управляют различными процессами и контролируют их без непосредственного вмешательства человека.

Автоматизация – процесс совершенствование производства, характеризуемый прежде всего уменьшением потока информации от человека к машине и повышением самостоятельности различных уровней и звеньев.

Автоматизированной называется такая система управления, если часть операций управления выполняется человеком, а остальные машиной.

Система – совокупность элементов или устройств, находящихся в отношениях и связях между собой и образующих определённую целостность, единство.

Элементы системы – простейшая неделимая часть системы.

Структура системы – совокупность элементов и связей между ними, определяемую исходя из распределения функций и целей, поставленных перед системой.

Свойства системы – качества, позволяющие описывать систему и выделять её среди других систем.

Состояние системы – множество существенных свойств, которыми она обладает в данный момент времени.

Регулируемые параметры (регулируемые величины) – параметры процесса, подлежащие стабилизации или заданным изменениям.

Регулирующей величиной называется физическая величина, с помощью которой осуществляется воздействие на объект управления (например, количество подаваемого в объект сырья, топлива, воздуха и т.п.).

Управляющее воздействие ­ это изменение регулирующей величины.

Регулирующий орган – устройство, предназначенное для изменения регулирующей величины (например, вентили, заслонки, ножи тарельчатых питателей и т.п.).

Возмущения – это воздействие некоторых величин, не относящихся на прямую к рабочему процессу, но определяющие условия, в которых протекает рабочий процесс (обычно воздействие окружающей среды).

Рассогласование – разность между требуемым и фактическим значениями регулируемой величины.

Во введении обосновывается актуальность темы работы и приводятся определения основных понятий: цель управления технологическими процессами, объект и устройство управления (регулятор), принципы управления, закон управления, задающее, управляющее и возмущающие воздействия.

Содержание пояснительной записки

Пояснительная записка курсового проекта должна содержать структурные элементы и разделы, которые располагают в следующей последовательности:

- титульный лист (приложение А);

- задание на курсовое проектирование (приложение Б);

- рецензия на КП (приложение В, заполняется руководителем КП)

- содержание (приложение Г);

- введение (является разделом пояснительной записки, но не нумеруется);

- разделы пояснительной записки (ПЗ), раскрывающие содержание курсового проекта (КП), нумеруются арабскими цифрами последовательно: 1, 2, 3 и т.д. и разделяются титульными листами, пример приведен в приложении Е;

- заключение (раздел без нумерации);

- список использованных источников (раздел без нумерации, приложение Д);

- приложения (схемы, спецификации, таблицы, графики и т.д.).

Рассмотрим элементы пояснительной записки подробнее.

Титульный лист – официальный документ, является первым листом ПЗ. Пример его оформления приведен в приложении А.

Задание на курсовое проектирование – второй лист ПЗ, подписанный студентом и руководителем проекта. Пример оформления задания приведен в приложении Б.

Рецензия на курсовой проект –третий лист КП, заполняется руководителем КП. Пример оформления рецензии приведен в приложении В.

Введение (обосновывается актуальность темы курсового проекта, определяется цель и задачи проекта).

Синтез одноконтурной АСР технологического параметра

1. Синтез замкнутой САР (обосновывается выбор одноконтурной, комбинированной или каскадной АСР).

2. Описание объекта управления (ОУ) (математическая модель строится графо - аналитическим методом на основе экспериментальных данных).

3. Идентификация переходной функции ОУ(проводятся имитационные исследования объекта управления на основе математической модели, расчет динамических характеристик объекта управления с целью выявления управляющих воздействий и наиболее существенных возмущений).

4. Выбор закона регулирования и типа регулятора.

5. Анализ устойчивости САР (по критерию Найквиста провести анализ замкнутой САР с ПИ- и ПИД – регулятором).

6. Определение показателей качества управления замкнутой САР (определить показатели качества управления замкнутой САР с ПИ- и ПИД – регулятором).

Заключение

Список использованных источников

Содержание включает название всех разделов и подразделов ПЗ с указанием номера страницы, на которой размещается начало раздела, подраздела. Нумерация страниц документа – сквозная, начиная с титульного листа, на котором номер не проставляется. Страницы ПЗ нумеруются арабскими цифрами, слово «Содержание» записывают в виде заголовка (симметрично тексту) с прописной буквы. Наименования, включенные в содержание, записывают строчными буквами, начиная с прописной. Пример оформления содержания ПЗ приведен в приложении В.

В заключении приводят основные выводы по всем разделам ПЗ, которые должны отражать особенности КП. Кратко формулируют основные результаты (положительные и отрицательные), полученные в ходе выполнения проекта.

В списке использованных источников указываются современная отечественная и зарубежная техническая и патентная литература по теме проекта, а также перечень нормативных документов: государственных и отраслевых стандартов, технических условий и технологических инструкций, методических указаний и рекомендаций, проспекты отечественных и зарубежных фирм. Правила оформления списка приведены в приложении Г.

В приложениях могут быть спецификации оборудования, таблицы с экспериментальными данными и т.д.

2 Требования к оформлению текстовых документов

В данных методических указаниях использованы стандарты из нижеследующих систем стандартов:

· Единая система конструкторской документации (ЕСКД) – ГОСТ 2;

· Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу (СИБИД) – ГОСТ 7;

· Система технической документации на АСУ – ГОСТ 24.

Содержание данных методических указаний по выполнению курсового проекта обеспечивает студентам освоение и закрепление следующих вопросов:

· Уметь составлять и технически грамотно оформлять результаты проделанной работы;

· Уметь выполнять и читать технические документы (схемы, чертежи и т.п.);

· Знать требования государственных стандартов на правила и условности при выполнении технических документов (по специальности).

Текст ПЗ пишут на листах формата А4 с основной надписью по ГОСТ 2.104-68.

Расстояние от рамки до границ текста в начале и в конце строк – не менее 3мм. Расстояние от верхней или нижней строки текста до верхней или нижней рамки должно быть не менее 10 мм. Абзацы в тексте начинают с отступом, равным 1,25 см. Рекомендуемые параметры при использовании текстового редактора WORD: шрифт TimesNewRoman, кегель – 14, абзацный отступ 1,25см, межстрочный интервал – 1,5.

Основная надпись (по ГОСТ 2.104-68 и ГОСТ 21.101-93) первого листа применяется в начале каждого нового раздела.

Текст ПЗ делится на разделы (главы), подразделы (параграфы) и пункты. Разделам присваиваются порядковые номера, обозначенные арабскими цифрами без точки после цифры. При наличии подразделов, пунктов ставятся двух- и трехкратные номера, разделяемые точками. Например, пункт 2 подраздела 3 раздела 1 обозначается 1.3.2 и т.д. Подчеркивать заголовки и переносить слова в заголовках нельзя. Точку в конце заголовка не ставят. Текст каждого подраздела должен быть разбит по смысловому значению на абзацы.

Заголовок каждого раздела пишется на отдельном листе с основной надписью, выполненной по ГОСТ 2.104 – 68* форма 2. Пример оформления заголовка раздела приведен в приложении Д. Заголовок начинается с цифры, затем- пробел и с заглавной буквы наименование раздела, шрифт 26, жирный. Если заголовок не умещается на одной строке, то наименование заголовка переносится на следующую строку и пишется под словами, а не под цифрой, интервал между этими строками – одинарный.

Заголовки подраздела, пункта подпункта пишутся строчными буквами (кроме первой прописной) с абзацного отступа (1,25). Шрифт TimesNewRoman, кегель – 16, жирный, если это заголовок подраздела.

Если это заголовок пункта или подпункта, то шрифт TimesNewRoman, кегель – 14, жирный, с абзацного отступа.

Если в заголовке имеются два или более предложений, их разделяют точкой. Заголовки в содержании ПЗ должны точно соответствовать заголовкам в тексте, не допускается сокращение заголовков.

Расположение заголовков относительно текста.

Заголовок отделяется от предыдущего текста двумя полуторными пробелами, а от последующего текста –полуторным интервалом + 12 пт.

Нумерация страниц документа и приложений, входящих в состав этого документа, должна быть сквозная.

«Содержание», «Введение», «Заключение», «Список использованных источников»записываются в виде заголовка. Располагаются по центру, симметрично тексту с прописной буквы, остальные строчные. Шрифт TimesNewRoman, кегель – 16, жирный, после этих заголовков полуторный интервал + 12 пт.

Лист«Содержание»пишется на листах формата А4 с рамкой и штампом – форма 2а (последующие листы), (ГОСТ 2.104 – 68^*).

Требования к изложению текста

В тексте ПЗ все слова должны быть написаны полностью, за исключением союза т.е. (то есть), и т.п. (и тому подобное), и др. (и другие), и пр. (и прочие). Все принятые сокращения следует оговорить при первом упоминании термина (например, Система автоматизированного проектирования (САПР) состоит…). В последующем тексте принятое сокращение пишется без скобок. Сокращаются термины, принятые в научной и технической литературе: ЭДС, ВЧ-транзистор, КПД, Р-тип и др.

Текст документа должен быть кратким, четким и не допускать различных толкований.

При изложении обязательных требований в тексте должны применяться слова «должен», «следует», «необходимо», «требуется, чтобы», «разрешается только», «не допускается», «запрещается», «не следует». При изложении других положений следует применять слова - «могут быть», «как правило», «при необходимости», «может быть», «в случае» и т.д.

При этом допускается использовать повествовательную форму изложения текста документа, например «применяют», «указывают» и т.п.

Формулы

В формулах в качестве символов следует применять обозначения, установленные соответствующими государственными стандартами. Пояснения символов и числовых коэффициентов, входящих в формулу, если они не пояснены ранее в тексте, должны быть приведены непосредственно под формулой. Пояснения каждого символа следует давать с новой строки в той последовательности, в которой символы приведены в формуле. Первая строка пояснения должна начинаться со слова «где» без двоеточия после него, с абзацного отступа. Формула от основного текста отделяется одинарным интервалом.

Например:

,

(3.1)

где W(p) – передаточная функция объекта управления;

К_оу – коэффициент усиления объекта управления;

Т_ОБ –постоянная времени объекта управления;

τ –время запаздывания.

Формулы, следующие одна за другой и не разделенные текстом, разделяют запятой. Переносить формулы на следующую строку допускается только на знаках выполняемых операций, причем знак в начале следующей строки повторяют. При переносе формулы на знаке умножения применяют знак «´».

Формулы, за исключением формул, помещаемых в приложении, должны нумероваться сквозной нумерацией арабскими цифрами, которые записывают на уровне формулы справа в круглых скобках. Одну формулу обозначают- (1). Ссылки в тексте на порядковые номера формул дают в скобках, например, в формуле (1). Допускается нумерация формул в пределах раздела. В этом случае номер формулы состоит из номера раздела и порядкового номера формулы, разделенных точкой, например (3.1) – первая формула третьего раздела. В многострочной формуле номер формулы ставят против последней строки.

Оформление иллюстраций и приложений

Количество иллюстраций должно быть достаточным для пояснения излагаемого текста. Иллюстрации могут быть расположены как по тексту документа (возможно ближе к соответствующим частям текста), так и в конце его. Иллюстрации должны быть выполнены в соответствии с требованиями стандартов ЕСКД и СПДС. Иллюстрации, за исключением иллюстраций приложений, следует нумеровать арабскими цифрами сквозной нумерацией. Если рисунок один, то он обозначается «Рисунок 1». Иллюстрации каждого приложения обозначают отдельной нумерацией арабскими цифрами с добавлением перед цифрой обозначения приложения. Допускается нумеровать иллюстрации в пределах раздела. В этом случае номер иллюстрации состоит из номера раздела и порядкового номера иллюстрации, разделенных точкой.

Иллюстрации, при необходимости, могут иметь наименование и пояснительные данные(подрисуночный текст), этот текст допускается писать меньшим шрифтом (кегель 12, 11, 10), располагается «по ширине». Подрисуночный текст отделяется от самого рисунка и слова «Рисунок …» одинарным интервалом. После подрисуночного текста точка не ставится. Слово «Рисунок» и наименование помещают после пояснительных данных по центру.

Иллюстрации отделяются от текста сверху и снизу одинарным интервалом. После наименования рисунка точка не ставится. Если наименование рисунка не умещается на одной строке, то текст переносится на другую строчку (слова переносятся полностью, в словах нет переноса), причем, текст располагается под текстом, а не под словом «Рисунок 1.3 - …. .

Приложение оформляют как продолжение данного документа на последующих его листах или выпускают в виде самостоятельного документа. Каждое приложение следует начинать с новой страницы с указанием наверху посередине страницы слова «Приложение» и его обозначения (симметрично относительно текста с прописной буквы отдельной строкой, шрифт TimesNewRoman, кегель – 16, жирный)

Приложения обозначают заглавными, буквами русского алфавита, начиная с А, за исключением букв Ё,З,Й, О, Ч,Ь, Ы,Ъ. После слова «Приложение» следует буква, обозначающая его последовательность. Приложения, как правило, выполняют на листах формата А4.

Построение таблиц

Таблицы применяют для лучшей наглядности и удобства сравнения показателей. Название таблицы, при его наличии, должно отражать ее содержание, быть точным, кратким. Название следует помещать над таблицей.

При переносе части таблицы на ту же или другие страницы название помещают только над первой частью таблицы. Таблицы отделяются от текста сверху и снизу одинарным интервалом.

Цифровой материал, как правило, оформляют в виде таблиц.

Таблицы, за исключением таблиц приложений, следует нумеровать арабскими цифрами сквозной нумерацией. Таблицы каждого приложения обозначают отдельной нумерацией арабскими цифрами с добавлением перед цифрой обозначения приложения. Если в документе одна таблица, она должна быть обозначена «Таблица 1» или «Таблица B.1», если она приведена в приложении В.

Допускается нумеровать таблицы в пределах раздела. В этом случае номер таблицы состоит из номера раздела и порядкового номера таблицы, разделенных точкой. На все таблицы документа должны быть приведены ссылки в тексте документа, при ссылке следует писать слово «таблица» с указанием ее номера.

Заголовки граф и строк таблицы следует писать с прописной буквы, а подзаголовки граф- со строчной буквы, если они составляют одно предложение с заголовком, или с прописной буквы, если они имеют самостоятельное значение. В конце заголовков и подзаголовков таблиц точки не ставят. Заголовки и подзаголовки граф указывают в единственном числе.

Таблицы слева, справа и снизу, как правило, ограничивают линиями.

Таблицу, в зависимости от ее размера, помещают под текстом, в котором впервые дана ссылка на нее, или на следующей странице, а, при необходимости, в приложении к документу. Допускается помещать таблицу вдоль длинной стороны листа документа.

Если строки или графы таблицы выходят за формат страницы, ее делят на части, помещая одну часть под другой или рядом, при этом в каждой части таблицы повторяют ее головку и боковик. При делении таблицы на части допускается ее головку или боковик заменять соответственно номером граф и строк. При этом нумеруют арабскими цифрами графы и (или) строки первой части таблицы.

Слово «Таблица» указывают один раз слева над первой частью таблицы, над другими частями пишут слова «Продолжение таблицы» с указанием номера (обозначения). Если в конце страницы таблица прерывается и ее продолжение будет на следующей странице, в первой части таблицы нижнюю горизонтальную линию, ограничивающую таблицу, не проводят.