Анализ и синтез системы автоматического управления с заданной структурной схемой

 

    МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ РОССИИ

    БИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  КОЛЛЕДЖ 
 
 
 
 
 
 

    КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ

«Анализ и синтез системы  автоматического  управления с заданной структурной схемой» 

    ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА 
 
 
 
 
 
 
 

         Выполнил:                                                     ___________

        

         Преподаватель:                                                ___________  
 
 
 
 
 

Бийск 2011г

 

    Содержание

Введение…………………………………………………………………………..…........................................................3                                                                                                                                                                                                                       

1.   Анализ системы  автоматического  управления

1.1.Структурные  схемы систем автоматического  управления…………………...................5

1.2.Основные  сведения об устойчивости систем  автоматического управления….7

1.3.Критерии  устойчивости………………………………………………………..............................................9

1.4. Определение  устойчивости…………………………………………………..........................................15

1.4.1.Преобразование  структурных схем………………………………………..…...................................15

1.4.2.Определение  устойчивости частотным методом…………………………….....................21

1.4.3.Определение  устойчивости с помощью ЛАЧХ  и СФЧХ………………..….......................23

2.  Качество процесса  регулирования

2.1.Основные  показатели качества систем автоматического  регулирования….....24

2.2.Методы  построения переходных процессов в САР………………………….......................27

2.3.Коррекция  САУ………………………………………………………………....................................................39

2.4.Расчет  переходных процессов методом  трапециидальных характеристик….43

2.5.Синтез  САУ на заданные качественные  показатели переходного процесса...46

Заключение……………………………………………………………………….…...................................................48

Список  литературы………………………………………………………………..…............................................49 
 

 
 
 
 
 
 

    

    

    Введение

Современная теория автоматического регулирования  является основной частью теории управления.

Теория  управления это прикладная наука  изучающая общие принципы и методы построения  автоматических систем, т.е систем  которые выполняют  поставленную им задачу без участия  человека.

Для осуществления  автоматического управления создаётся  система, состоящая из управляющего объекта и тесно связанного с ним управляющего устройства. Как и всякое техническое сооружение, систему управления стремятся создать способной выполнять предписанную ей программу действий, несмотря на неизбежные помехи со стороны внешней среды.

Впервые, по-видимому, с необходимостью построения регуляторов столкнулись создатели высокоточных механизмов, в первую очередь - часов. Даже небольшие, всё время действующие в них помехи приводили в конечном итоге к отклонениям от нормального хода, недопустимым по условиям точности. Противодействовать этим помехам чисто конструктивными средствами, например, улучшая обработку деталей, повышая их массу или увеличивая развиваемыми устройствами полезные усилия, не удавалось, и для решения проблемы точности в состав системы стали вводить регуляторы. 
На рубеже нашей эры арабы снабдили поплавковым регулятором уровня водяные часы. Гюйгенс в 1657 году встроил в часы маятниковый регулятор хода.

Развитие  промышленных регуляторов началось лишь на рубеже XVIII и XIX столетий, в эпоху промышленного переворота в Европе. Первыми промышленными регуляторами этого периода являются автоматический поплавковый регулятор питания котла паровой машины, построенный в 1765 г. И.И.Ползуновым, и центробежный регулятор скорости паровой машины, на который в 1784 г. Получил потент Дж. Уатт. Эти регуляторы как бы открыли путь потоку предложений по принципам регулирования и изобретений регуляторов, продолжавшемуся на протяжении XIX в.

В настоящее  время буквально все окружающие нас технические устройства имеют  в своем составе то или иное число автоматических регуляторов. Все многообразие систем автоматического регулирования настолько велико что его трудно перечислить.

Как теория автоматического управления так  и теория управления входят в науку  под общим названием "техническая  кибернетика" которая в настоящее  время получила значительное развитие.

Техническая кибернетика призвана решать задачи теоретического анализа и развития методов технического конструирования элементной базы систем управления. 

    Значение  теории автоматического управления в настоящее время переросло в рамки непосредственно технических систем. Динамически управляемые процессы имеют место в живых организмах, в экономических и организационных человеко-машинных системах. Законы динамики в них не являются основными и определяющими принципы управления, как это свойственно техническим системам, но тем не менее их влияние зачастую существенно и отказ от их учёта приводит к крупным потерям. В автоматизированных системах управления (АСУ) технологическими процессами роль динамики бесспорна, но она становится всё более очевидной и в других сферах действия АСУ по мере расширения их не только информационных, но и управляющих функций. 
 
 

 

    

1. Анализ системы  автоматического  управления 

    1.1. Структурные схемы  систем автоматического  управления

    Автоматическая  система регулирования состоит  из отдельных элементов, функционирующих  таким образом, чтобы поддерживать регулируемую  величину  на заданном значении или изменять ее по заданному  закону.

    Элементы  системы со связями между ними образуют структуру автоматической системы регулирования. В общем  случае под структурой АСР понимают совокупность частей автоматической системы, на которые она может быть разделена  по определенным признакам, и путем  передачи воздействия между ними, образующих автоматическую систему.

    Части системы, на которые она разделяется  по тем или иным признакам принято  графически изображать в виде прямоугольников  с указанием в них условных обозначений представляемых частей системы. Пути передачи воздействий  между частями системы изображают в виде линий со стрелкой в направлении  передачи воздействий.

    Простейшая  составная часть структурной  схемы АСР или автоматического  устройства, отображающая путь и направление  передачи воздействий меду частями  автоматической системы, на которые  эта система разделена в соответствии со структурной схемой, называют связью структурной схемы системы.

    С точки зрения теории автоматического  регулирования представляет интерес  функциональную структурная схема  автоматической системы. В целях  сокращения наименования схемы в  дальнейшем под термином «структурная схема» подразумевается именно функциональная структурная схема. 
 
 

    В теории авторегулирования рассматривается  обобщенная функциональная схема системы  автоматического регулирования, позволяющая  через ее изучение изучить принцип  работы всех существующих систем автоматического  регулирования. Зная принцип работы обобщенной схемы САУ можно легко разобраться в работе конкретных систем автоматического регулирования.

Рисунок №1. Типовая структурная схема САР.

    На  функциональной схеме: ЗЭ – задающий элемент, служит для задания определенного закона (алгоритма) управления выходной величиной. Обычно это потенциометры или другие технические устройства, сигнал на выходе которых можно изменять в желаемом для нас направлении; ЭГОС – элемент главной обратной связи (датчик), служит для измерения текущего значения регулируемой величины и преобразование ее в другую, удобную для технической реализации этой схемы; ЭС – элемент сравнения, служит для выявления разницы между заданным  и текущим значениями регулируемой величины и формирует сигнал рассогласования [Σ (t)]; ППЭ – последовательных преобразующий элемент, служит для преобразования сигнала, поступающего с элемента сравнения, в такой сигнал, который позволяет устройству управления (регулятору) придать системе желаемые динамические свойства; УЭ – усилительный элемент служит для усиления поступающего сигнала до значения, достаточного  для приведения в действия исполнительного механизма; ИЭ – исполнительный элемент, служит для

    

    перемещения регулирующего органа объекта управления в направлении компенсации сигнала  рассогласования, преобразованного регулятором; РО – рабочий регулирующий орган; ОУ – объект управления – техническое устройство, преобразующее один вид энергии в другой и совершающие полезную работу; ПЭВ – преобразовательный элемент возмущения, служит для преобразования основного возмущения в сигнал, воздействующий на устройство управления; ЭМОС – элемент местной обратной связи, служит для придания системе требуемых динамических свойств; ЧЭ – чувствительный элемент, служит для измерения основного возмущения. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.2. Основные сведения  об устойчивости

    Ранее мы отмечали, что при разработке новых систем автоматического управления не все из них оказываются работоспособными (не выполняли предписанные им функции). Работоспособности или неработоспособность  стали обозначать понятием устойчивая или неустойчивая система автоматического  управления. Понятие устойчивости или  неустойчивости системы автоматического  управления рассматривают с двух точек зрения6 физической и математической.

    С физической точки зрения система  автоматического управления считается  устойчивой, если по окончанию внешнего  возмущающего воздействия система  возвращается в первоначальное положение. Из этого следует, что устойчивость или неустойчивость любой системы  определяется внутренними динамическими  процессами, протекающими в системе, при этом их природа (процессов) может  носить различный характер.

    При рассмотрении устойчивости системы  автоматического управления с математической точки зрения необходимо помнить, что  линейные системы 

описываются линейными дифференциальными уравнениями, и от характера решения этого  уравнения будет зависеть график переходного проуесса в системе, то есть ее устойчивость или неустойчивость в процессе работы. Проведенные матемитиками исследования показали, что решение любого дифференциального уравнения иметт в своем составе две составляющие: свободную и вынужденную, которые записываются следующим образом: