Министерство образования Российской Федерации Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

Министерство образования Российской Федерации
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ
(учебная программа)
Виды учебных работ
Выделено на дисциплину
Аудиторная работа
лекции
семинары
лабораторные работы
Самостоятельная работа
домашнее задание № 1
домашнее задание № 2
домашнее задание № 3
домашнее задание № 4
самостоятельная проработка курса и
подготовка к контрольным мероприятиям
Виды отчетности по дисциплине
контрольная работа
рубежный контроль
зачет
экзамен
Всего
204
153
85
34
34
51
18
8 сем.
102
68
34
17
17
34
10 (3-8)
12 (9-15)
12
9 сем.
102
85
51
17
17
17
5 (3-8)
6 (9-15)
6
КР(10)
РК(10)
Зач.
Экз.
2
РАЗДЕЛ 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
Основными целями изучения дисциплины являются получение специалистом знаний в
области автоматического управления и регулирования, освоение методов анализа и синтеза автоматических систем теплоэнергетических установок.
Задачи дисциплины заключаются в освоении студентом основных разделов теории
управления и формировании на их основе навыков по принципам построения систем
управления; методам теоретического и экспериментального исследования и синтеза систем управления; выбору и использованию технических средств автоматических систем
теплоэнергетических установок.
Профессиональные навыки, умения и знания, приобретаемые в результате изучения
дисциплины.
Навыки и умения. Студент должен уметь:
 сформулировать цель управления и разработать техническое задание на проектируемую
систему автоматического управления;
 применить методы теории управления при исследовании и проектировании системы
автоматического управления с использованием современных вычислительных средств;
 выбрать технические средства для реализации конкретной системы управления теплоэнергетической установкой.
Знания. Студент должен знать следующее.
Законы:
 управления техническими объектами;
 построения систем автоматического управления и регулирования;
 устойчивости систем автоматического управления.
Величины, характеризующие:
 статические режимы и динамические процессы систем автоматического управления;
 параметры объектов и систем управления;
 показатели качества работы систем управления;
 параметры частотных характеристик.
Понятия:
 установившиеся и динамические режимы работы; статические, временные и частотные
характеристики;
 передаточная функция, функциональная и структурная схемы;
 динамическое звено, система автоматического управления (регулирования);
 устойчивость и качество процессов управления.
3
Методики:
 линеаризации характеристик элементов систем;
 получения математического описания систем автоматического управления;
 расчета динамических характеристик (переходных процессов, частотных характеристик);
 исследования устойчивости и качества процессов управления;
 анализа линейных, особых линейных, дискретных и нелинейных систем;
 синтеза и оптимизации систем автоматического управления.
Приборы и изделия:
 чувствительные элементы, датчики, преобразовательные и исполнительные устройства
регуляторов теплоэнергетических установок;
 приборы для экспериментального исследования систем автоматического управления;
 электронные цифровые и аналоговые вычислительные машины;
 управляющие микроЭВМ.
РАЗДЕЛ 2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
ЛЕКЦИИ –85 час.
1.Введение. Основные понятия и определения - 4 час.
1.1. Раскрытие сущности
понятий управления и регулирования в технических системах.
Задачи автоматического управления и регулирования в технических системах и основные
типы автоматических систем. Развитие теории и техники автоматического регулирования
и управления. Эволюция идей управления. Сущность и задачи автоматического управления и регулирования (формулировка цели управления, получение математической модели,
идентификация, анализ, оптимизация, синтез).
1.2. Основные понятия
и определения: регулирование, управление, система автоматическо-
го регулирования (САР) и управления (САУ). Функциональная схема САУ. Установившиеся и неустановившиеся режимы работы, статические и динамические характеристики.
Теплофизический процесс как рабочий процесс теплоэнергетической установки или экспериментального стенда. Задачи управления и регулирования для теплоэнергетических
установок: тепловых двигателей, компрессорных и насосных установок, теплообменных
аппаратов, емкостей с газом и жидкостью.
2.
Принципы построения и виды систем автоматического управления - 6 час.
4
2.1. Принципы
регулирования по возмущению и отклонению. Главная отрицательная об-
ратная связь. Типовая схема САУ, основные элементы САУ: объект управления (регулирования), датчик, сравнивающий элемент, преобразователь, исполнительное устройство
(серводвигатель), управляющее устройство. Классификация САУ по наличию главной обратной связи (замкнутые, разомкнутые), назначению (стабилизации, программного управления, следящие), наличию ошибки регулирования на установившихся режимах (статические, астатические), типу регулятора (прямого и непрямого действия), принципу действия
(непрерывные, импульсные, дискретные). Одноконтурные и многоконтурные системы.
2.2. Регулируемые параметры
и объекты регулирования теплоэнергетических установок:
частота вращения вала теплового двигателя, давление газа в компрессоре и емкости, температура в теплообменнике. Статические характеристики. Устойчивость объектов регулирования, самовыравнивание. Качество переходных процессов. Необходимость применения регулирования.
3.
Линейная теория автоматического регулирования - 41 час.
3.1. Метод
получения дифференциальных уравнений элементов САР. Принцип линеариза-
ции. Использование преобразования Лапласа для решения дифференциальных уравнений.
Операторная форма записи дифференциальных уравнений. Понятие передаточной функции. Структурная схема.
3.2. Динамические свойства САР.
Типовые возмущающие воздействия. Переходная и весо-
вая функции. Частотные характеристики. Логарифмические частотные характеристики.
Характерные примеры дифференциальных уравнений, передаточных функций, структурных схем объектов регулирования, датчиков, исполнительных устройств САУ теплоэнергетических установок и их динамические характеристики.
3.3. Типовые звенья
САР. Типы динамических звеньев САР: позиционные, интегрирую-
щие, дифференцирующие. Устойчивые и неустойчивые звенья. Элементы САР как типовые звенья. Характеристики типовых звеньев.
3.4. Типовые соединения
звеньев. Типы соединений звеньев: последовательное; парал-
лельное; звено, охваченное обратной связью. Передаточные функции типовых соединений
звеньев. Преобразование структурных схем.
3.5. Системы
автоматического управления и регулирования.
3.5.1. Виды математического описания САУ: в сигналах вход - выход, в пространстве состояний. Примеры получения математического описания САР теплоэнергетических установок. Понятие об управляемости и наблюдаемости.
5
3.5.2. Методы решения дифференциальных уравнений САУ: непосредственное решение
однородного и неоднородного уравнений, использование преобразования Лапласа, численное решение на ЭВМ, моделирование на аналоговых установках.
3.5.3. Устойчивость САР. Понятие устойчивости по Ляпунову. Типы переходных процессов САР. Комплексная плоскость расположения корней характеристического уравнения.
Критерии устойчивости: Рауза-Гурвица, Михайлова, Найквиста.
3.5.4. Показатели качества работы САР теплоэнергетических установок. Прямые показатели качества переходных процессов: точность, быстродействие, колебательность. Косвенные показатели работы САР: степень устойчивости, интегральные показатели, частотные показатели разомкнутой и замкнутой систем. Диаграмма Вышнеградского.
3.6. Законы регулирования и типы регуляторов теплоэнергетических установок: пропорциональный, интегральный, дифференциальный, пропорционально-интегральный, пропорционально-интегрально-дифференциальный.
3.7. Способы повышения качества процесса регулирования теплоэнергетических установок: подбор общего коэффициента передачи цепи регулирования, повышение порядка
астатизма, использование регулирования по производным, использование методов теории
инвариантности, использование корректирующих устройств. Понятие коэффициентов
ошибок. Комбинированное регулирование. Типы корректирующих устройств.
3.8. Методы синтеза САР. Понятие о синтезе САР. Параметрический синтез. Синтез по
устойчивости. Построение областей устойчивости. Синтез по качеству. Критерии качества. Структурный синтез. Частотный метод синтеза корректирующих устройств.
4. Особые линейные САР - 4 час.
Системы с переменными параметрами. Системы с запаздыванием. Системы с распределенными параметрами. Дифференциальные уравнения, методы оценки устойчивости и качества особых линейных систем. Примеры особых линейных систем в теплоэнергетических установках.
5. Нелинейные САР - 10 час.
5.1. Статические и динамические нелинейности. Типовые нелинейные характеристики.
Особенности процессов в нелинейных САР. Автоколебания. Примеры нелинейных характеристик систем теплоэнергетических установок.
5.2. Устойчивость нелинейных САР. Оценка устойчивости по Ляпунову. Функция Ляпунова. Теоремы Ляпунова. Критерий абсолютной устойчивости Попова.
6
5.3. Методы анализа нелинейных систем. Изображение процессов на фазовой плоскости.
Метод точечных преобразований. Метод припасовывания. Метод гармонической линеаризации.
6. Импульсные и дискретные САР - 4 час.
Процессы квантования непрерывных сигналов по уровню и времени. Методы модуляции:
амплитудно-импульсная, широтно-импульсная, частотно-импульсная. Математические
основы теории импульсных систем. Устойчивость и качество процессов в импульсных и
дискретных системах.
7. Системы оптимального управления - 6 час.
Виды оптимизации САУ. Постановка задачи оптимального управления. Критерии оптимальности, типы ограничений. Использование вариационных методов. Уравнения ЭйлераЛагранжа. Принцип максимума Понтрягина. Метод динамического программирования.
Принцип оптимальности. Сравнительная характеристика методов оптимального управления. Особенности получаемых решений для устойчивых систем с обратной связью. Примеры синтеза оптимального управления теплоэнергетическими установками.
8. Анализ и синтез САУ при случайных воздействиях - 4 час.
Преобразование случайных сигналов в САУ. Понятие об оптимальных системах при случайных воздействиях. Применение фильтров Винера при синтезе оптимальных САУ. Понятие о фильтрах Калмана.
9. Современные методы управления сложными объектами - 6 час.
Понятие об адаптивных САУ. Типы адаптивных САУ: экстремальные системы, системы с
подстройкой на эталон. Возможности использования адаптивных систем для управления
теплоэнергетическими установками. Понятие о нечетком управлении. Нейросетевые системы управления. Иерархические системы управления. Понятие о системах искусственного интеллекта. Использование микропроцессорных устройств в системах управления
теплоэнергетическими установками. Перспективные направления развития САУ теплоэнергетическими установками.
ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ
Семинары – 34 час.
1. Примеры систем управления и регулирования для теплоэнергетических установок.
Принципы регулирования по возмущению и отклонению. Построение функциональных
схем САР для теплоэнергетических установок.
7
2. Примеры объектов регулирования теплоэнергетических установок. Статические характеристики объектов регулирования. Устойчивость (самовыравнивание) объектов регулирования.
3. Получение математического описания (дифференциальных уравнений и передаточных
функций) объектов регулирования и элементов САР теплоэнергетических установок.
4. Переходные процессы и частотные характеристики объектов регулирования и элементов САР теплоэнергетических установок.
5. Математическое описание, переходные процессы и частотные характеристики типовых
звеньев.
6. Типовые соединения звеньев: последовательное, параллельное, звено с обратной связью.
7. Методы математического описания САУ: в сигналах вход-выход, в пространстве состояний. Примеры математического описания САУ теплоэнергетическими установками.
8. Критерии устойчивости САР.
9. Законы регулирования и типы регуляторов в САР теплоэнергетических установок.
10. Методы повышения качества работы САР теплоэнергетических установок: определение общего коэффициента передачи цепи регулирования, повышение порядка астатизма, построение комбинированной САР.
11. Методы синтеза САР теплоэнергетических установок: параметрический синтез методом Д-разбиения по заданной степени устойчивости, частотный метод подбора корректирующих устройств.
12. САР теплоэнергетических установок с запаздыванием. Определение критического
времени запаздывания.
13. САР теплоэнергетических установок с распределенными параметрами.
14. Фазовые портреты нелинейных САР теплоэнергетических установок с реле.
15. Построение переходных процессов нелинейных САР теплоэнергетических установок
методом припасовывания.
16. Расчет параметров автоколебаний нелинейных САР теплоэнергетических установок
методом гармонической линеаризации.
8
17. Определение структуры оптимального регулятора теплоэнергетических установок методами оптимального управления.
Лабораторные работы –34 час.
1. Ознакомление с принципом действия и устройством САУ теплоэнергетическими установками.
2. Исследование типовых звеньев и их характеристик.
3. Экспериментальное исследование и идентификация математических моделей элементов
САР теплоэнергетической установки.
4. Экспериментальное исследование САР теплоэнергетической установки.
5. Исследование САР на аналоговой моделирующей установке.
6. Исследование влияния структуры и параметров регулятора на качество работы САР.
7. Моделирование линейной САР на ЭВМ.
8. Исследование САР с запаздыванием.
9. Параметрическая оптимизация САР.
10. Моделирование нелинейной САР на ЭВМ.
11. Исследование системы с управляющей микроЭВМ.
ВНЕАУДИТОРНАЯ САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА
Домашние задания
1. Анализ статических и динамических свойств теплоэнергетической установки как объекта регулирования - 10 час. Выдать 3 неделя, сдать 8 неделя.
2. Проектирование автоматического регулятора и анализ статических и динамических
свойств САР – 12 час. Выдать 9 неделя, сдать 15 неделя.
3. Повышение качества работы САР – 5 час. Выдать 3 неделя, сдать 8 неделя.
4. Нелинейные САР – 6 час. Выдать 9 неделя, сдать 15 неделя.
Контрольная работа проводится на 10 неделе. Тема – Типовые звенья САР.
Рубежный контроль проводится на 10 неделе. Тема – Особые линейные САР.
РАЗДЕЛ 3. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
3.1. Основная литература
1. Методы классической и современной теории автоматического управления: Учебник.
Под ред. К.А. Пупкова, Т.1, Т.2, Т.3. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000.
2. Основы теории автоматического регулирования: Учебник для машиностр. спец. Вузов/
В.И. Крутов, Ф.М. Данилов, П.К. Кузьмик и др.; Под ред. В.И. Крутова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1984. - 368 с.
9
3. Основы автоматического регулирования и управления: Учебн. пособие. Под ред. В.М.
Пономарева и А.П. Литвинова. - М.: Высшая школа, 1974.- 439 с.
3.2. Дополнительная литература
1. Пупков К.А., Фалдин Н.В., Егупов Н.Д. Методы синтеза оптимальных систем автоматического управления: Учебник. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000.-510 с.
2. Теория автоматического управления. Ч1 и ч2: Учебн. Пособие. Под ред. А.А. Воронова
- М.: Высшая школа, 1977.
3. Солодовников В.В., Плотников В.Н., Яковлев А.В. Теория управления в технических
системах: Учебн. пособие - М.: Машиностроение, 1993.
4. Попов Е.П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления:
Учебн. пособие для втузов. - 2-е изд., перераб. И доп. - М.: Наука, 1989. - 304 с.
5. Попов Е.П. Теория нелинейных систем автоматического регулирования и управления:
Учебн. пособие.- 2-е изд. - М.: Наука, 1988. - 256 с.
6. Сборник задач по теории автоматического регулирования и управления/ Под ред. В.А.
Бесекерского, изд. 5-е. - М.: Наука, 1978. - 512 с.
3.3. Учебные пособия
1. Кузнецов А.Г. Синтез системы автоматического регулирования пневматической камеры. - М.: Изд-во МВТУ, 1988. - 28 с.
2. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Управление в технических
системах»/ Ф.М. Данилов, А.Г. Кузнецов, И.В. Леонов и др.; Под ред. В.И. Крутова. М.: Изд-во МГТУ, 1990. - 64 с.
3. Кузнецов А.Г., Марков В.А., Трифонов В.Л., Фаронов В.В. Методические указания к
лабораторным работам по курсу «Управление в технических системах». - М.: Изд-во
МГТУ, 1997. - 23 с.
4. Кузнецов А.Г., Марков В.А. Методические указания к домашним заданиям по курсу
«Управление в технических системах». - М.: Изд-во МГТУ, 1997. - 23 с
3.4. Экспериментальные лабораторные стенды.
3.5. Портативные аналоговые моделирующие установки, персональные компьютеры, лабораторные стенды с микроЭВМ.
Программа составлена на основании типовой программы «Управление техническими системами», утвержденной 16.05.2001 г.