Федотов А.В. Анализ и синтез систем автоматического управления с использованием автоматизированных систем MATLAB и CLASSIC

Подождите немного. Документ загружается.

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Омский государственный технический университет"

АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ

"MATLAB" И "CLASSIC"

Сборник заданий

по дисциплине "Теория автоматического управления"

Омск 2006

Составитель Федотов Алексей Васильевич, к.т.н., доцент, проф. кафедры

Печатается по решению редакционно-издательского совета Омского

государственного технического университета

Редактор Т.А. Москвитина

ИД

Сводный темплан 2006 г.

Подписано к печати . Бумага офсетная. Формат 6084 1/16.

Отпечатано на дупликаторе. Усл. печ. л. 4,0. Уч.-изд. л. 4,0.

Тираж 150 экз. Заказ

Издательство ОмГТУ. 544050, г. Омск, пр-т Мира, 11

Типография ОмГТУ

ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

Содержание заданий

При изучении дисциплины "Теория автоматического управления"

рабочей программой дисциплины предусмотрен значительный объём

самостоятельной работы студентов. Одной из составляющих

самостоятельной работы является выполнение индивидуальных заданий по

дисциплине. Эти задания выполняются в третьем семестре изучения "Теории

автоматического управления", когда основной объём учебного материала

уже пройден.

При выполнении индивидуальных заданий у студента вырабатываются

практические навыки анализа и синтеза систем автоматического управления

при проектировании таких систем. Эти навыки необходимы в последующем

для выполнения расчётов систем автоматического управления в курсовом

проектировании по дисциплине "Автоматизация технологических процессов

и производств", а также в дипломном проектировании.

Выполнение индивидуальных заданий предусматривает обязательное

использование таких программных продуктов, как "MATLAB" и "CLASSIC"

для выполнения расчётов автоматических систем. Общие приёмы работы с

этими системами рассматриваются на практических занятиях. Более

подробно работа с этими программными продуктами изучается студентом

самостоятельно.

Студенту выдаётся вариант задания, содержащий исходные данные для

расчёта системы автоматического управления. В исходных данных

указываются состав системы автоматического управления и известные

параметры входящих в систему элементов. Исходные данные для вариантов

задания приведены в табл. 1 и 2 приложения.

На основании полученного варианта исходных данных студент должен

выполнить следующие задания.

Задание 1. Используя программу для анализа и синтеза линейных

систем автоматического регулирования Classic, выбрать регулятор и

определить его настройки с применением логарифмических частотных

характеристик. Оценить качество синтезированной системы.

Задание 2. Выполнить моделирование синтезированной системы в

среде Matlab с использованием пакета Simulink. Получить переходный

процесс и проверить совпадение результатов с результатами предыдущего

исследования. Настройки регулятора в этом исследовании принимаются

такими, какими они были получены в первом задании.

Задание 3. Выбрать регулятор и определить его настройки с

использованием средств линейного анализа пакета Simulink и построения

логарифмических частотных характеристик системы. Оценить качество

полученной системы. Сравнить полученные результаты с результатами

синтеза системы в программе Classic.

Задание 4. Для системы, полученной в ходе выполнения задания 3,

выполнить синтез корректирующего звена, улучшающего быстродействие

системы на 50 %. Задание выполняется с использованием пакета SISO

системы MATLAB. Оценить качество системы.

Задание 5. Для системы, полученной в ходе выполнения задания 4,

заменить аналоговый регулятор на цифровой (программируемый контроллер)

и исследовать влияние на работу системы периода квантования сигнала по

времени. Определить критическое значение периода квантования сигнала,

при достижении которого система становится неустойчивой. Исследование

выполняется в среде Simulink системы MATLAB.

Форма отчётности

По каждому заданию студент составляет индивидуальный отчёт,

который оформляется в соответствии с требованиями к учебной

документации студентов. Отчет защищается студентом на очередном

практическом занятии. Оценка выполненного задания и его защиты входит в

рейтинговую оценку работы студента при изучении дисциплины "Теория

автоматического управления".

Отчет должен содержать следующие материалы:

 цель работы и использованные при ее выполнении технические и

программные средства;

 содержание задания;

 исходные данные для выполнения задания;

 описание хода выполнения задания и полученных результатов;

 функциональные схемы, структурные схемы, математические модели и

их описания;

 описание интерфейса используемой программы с указанием

конкретных параметров и настроек, применённых при исследовании;

 обсуждение полученных результатов и заключение по работе.

При оценке работы студента учитываются качество оформления

отчета, полнота и достоверность приводимых в отчете сведений,

правильность полученных результатов и их адекватная оценка студентом, а

также степень овладения студентом программными средствами,

использованными при выполнении задания.

Указания к выполнению заданий

1. На начальном этапе исследования системы, когда имеются только

исходные данные полученного варианта задания, необходимо составить

функциональную схему исследуемой системы.

2. Для элементов функциональной схемы на основе исходных данных

записываются передаточные функции и определяются параметры

передаточных функций.

3. Составляется структурная схема исследуемой системы, в которой

регулятор не определён и показан без конкретизации передаточной функции.

4. На основе анализа полученной структуры и рекомендаций теории

автоматического управления выбирается тип регулятора и определяется вид

его передаточной функции без конкретизации её параметров.

5. С использованием предусмотренной для выполнения конкретного

задания программы определяются конкретные настройки регулятора,

позволяющие получить устойчивую систему автоматического управления с

хорошим качеством переходных процессов в ней. В ходе исследований

выбор регулятора может уточняться.

6. Определяются показатели качества для системы с настроенным

регулятором. При этом могут использоваться частотные или временные

характеристики исследуемой системы.

Если исследуется система, структура которой была определена в

предыдущем задании, то эта структура принимается в качестве исходных

данных для выполняемого задания и, следовательно, пункты 1–3 в этом

случае выполнять не нужно.

ВЫПОЛНЕНИЕ ЗАДАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

ПРОГРАММЫ CLASSIC

Общая характеристика программы CLFSSIC

Программа CLASSIC предназначена для решения задач анализа и

синтеза систем автоматического регулирования с использованием

обыкновенной линейной модели системы (обыкновенная линейная система

автоматического регулирования). При исследовании система задается в виде

структурной схемы. Каждое звено структурной схемы описывается

передаточной функцией, вид и параметры которой задаются.

Средства программы CLASSIC позволяют исследователю решать

следующие задачи:

 задание структурной схемы системы автоматического регулирования

и ее параметров;

 сохранение введенной схемы на диске для ее повторного

использования;

 анализ частотных характеристик системы, расположения корней ее

характеристического уравнения и переходного процесса в системе;

 синтез корректирующего звена (варьируемого звена) для улучшения

качества переходных процессов в системе.

Ниже рассмотрим в качестве примера вариант программы,

рассчитанный на работу под DOS. Более поздние версии программы

работают под Windows и отличаются более удобным интерфейсом.

Программа, рассчитанная на работу в среде DOS, не поддерживает мышь.

Все управление программой осуществляется с помощью клавиатуры.

Работа с программой Classic

Запуск программы. Для запуска программы необходимо передать на

выполнение файл CLASSIC\MAIN\Classic.bad. На экран выводится заставка

программы. При нажатии клавиши F1 будет выведена справка по программе.

При нажатии любой другой клавиши на экране появляется меню и можно

приступать к работе с программой (рис. 1).

В меню, присутствующем в верхней части экрана, активен первый

пункт. Для раскрытия этого пункта следует нажать клавишу Enter.

Если строка меню отсутствует на экране, то ее всегда можно

вызвать нажатием клавиши F10. При этом будет вызвано контекстное

меню, т.е. меню, содержащее пункты, которые могут выполняться на

данном этапе работы с программой. Поэтому вид меню и его пункты могут

быть различными на разных этапах работы с программой. Для выхода из

текущего режима работы программы следует нажимать клавишу Esc.

Меню содержит следующие пункты:

Файл/модель – работа с файлами, содержащими модели;

Звено – работа со структурными звеньями модели, размещение звеньев

на схеме системы, задание их передаточных функций и параметров;

Рис. 1

Связи – проведение связей между структурными звеньями при вводе

структурной схемы системы;

Расчеты – построение частотных, фазовых и переходных

характеристик исследуемой системы;

Назначить/отменить – определение входов/выходов системы и

варьируемых звеньев системы (звеньев с настраиваемыми параметрами,

которые используются в качестве корректирующих звеньев);

Масштаб – изменение масштаба изображения.

Перемещение по пунктам меню осуществляется клавишами

управления курсором. При выделении пункта меню и нажатии клавиши

Enter пункт меню раскрывается. В момент запуска программы доступен

только первый пункт меню.

Выбор способа ввода структуры. Первый пункт меню позволяет

выбрать способ ввода структуры исследуемой системы (рис. 2).

Для первоначального ввода структуры следует выбрать пункт меню

Ввод/Редактирование. Для выбора пункта он выделяется путем

перемещения на него маркера (с помощью клавиш управления курсором) и

нажимается клавиша Enter. Можно выбрать требуемый пункт меню вводом с

клавиатуры буквы, которая выделена в названии пункта, и последующим

Рис. 2

Рис. 3

нажатием клавиши Enter. После этого открывается экран ввода структуры

исследуемой системы (рис. 3).

Экран разделен на два окна. Верхнее окно служит для размещения

структурной схемы системы, нижнее – для ввода передаточных функций и

названий звеньев, входящих в структурную схему. Переход между окнами

осуществляется клавишей Tab.

Размещение структурных звеньев на схеме. В верхнем правом углу

верхнего экрана имеется изображение структурного звена. Это изображение

можно перемещать по экрану клавишами перемещения курсора. Поместив

изображение звена в нужное место, следует нажать клавишу Enter и

зафиксировать положение звена на схеме. После этого можно разместить

подобным же образом все последующие звенья структурной схемы.

Каждое структурное звено имеет на входе сумматор входных сигналов,

отдельные сумматоры в структурной схеме не используются. Если

необходимо осуществить вычитание сигнала, то этот сигнал следует

инвертировать. Для инвертирования используется дополнительное звено с

передаточной функцией

)s(W





Используя описанные средства, следует ввести структурную схему

исследуемой системы и задать параметры передаточных функций

структурных звеньев.

Возможные операции при размещении и редактировании звеньев

предусмотрены пунктом меню Звено (рис. 4). Например, при необходимости

можно изменить ориентацию звена (поменять местами вход и выход звена),

выделив его курсором и выбрав пункт Изменить ориентацию (или нажав

клавишу пробела Space).

Задание передаточных функций звеньев.Для каждого звена необходимо

задать его передаточную функцию. Для этого нужное звено необходимо

выделить курсором и нажать клавишу Tab. Активным становится нижнее

окно. Передаточная функция задается коэффициентами членов многочлена в

числителе и знаменателе дроби при "s" в соответствующей степени. Первый

член многочлена содержит

. Для перехода к члену многочлена с более

высокой степенью s следует нажимать клавишу PageUp, для перехода к

члену с меньшей степенью s – клавишу PageDown. Окончание ввода

числителя или знаменателя дроби, в виде которой записывается передаточная

функция звена, подтверждается нажатием клавиши Enter.

После ввода знаменателя передаточной функции и нажатия клавиши

Enter курсор перемещается в поле ввода названия звена, в котором можно

Рис. 4

ввести латинскими буквами выбранное название звена (не обязательно). Для

возврата в окно структурной схемы следует нажать клавишу Tab.

Проведение связей между звеньями. Все звенья структурной схемы

следует соединить между собой в соответствии со структурной схемой. Для

задания связей между звеньями используется пункт меню Связи (рис. 5).

Для проведения связи звено-источник выделяется курсором и

выбирается пункт меню Провести связь (или нажимается клавиша F5).

После этого клавишами управления курсором проводится линия связи к

входу звена-приемника.

Примечание. Большинство операций при работе с программой можно

выполнять либо через соответствующие пункты меню, либо с помощью

"горячих клавиш", которые указаны в пунктах меню. Последнее существенно

ускоряет процесс работы с программой.

Назначение входов/выходов системы. Для структурной схемы

необходимо указать входной сигнал и выходной сигнал. При расчетах

входной сигнал будет использован в качестве задающего или возмущающего

воздействия. Для выходного сигнала будет построен переходный процесс.

Частотные характеристики системы также строятся с учетом назначенных

входов и выходов.

Для назначения входов и выходов системы используется пункт меню

Назначить/Отменить (рис. 6).

При назначении звена в качестве входного или выходного его следует

пометить курсором, а затем выбрать нужный пункт меню

Назначить/Отменить. На структурной схеме входное и выходное звенья

будут помечены соответствующим образом. Внешний сигнал (задающее

воздействие или возмущение) будет приложен к входу звена, назначенного

входным. Выходной сигнал звена, назначенного выходом, будет

рассматриваться как выходной сигнал системы.

Рис. 5

Рис. 6

Результат ввода структуры. В результате выполненных действий

вводится графическое изображение структурной схемы исследуемой модели

с описанием каждого звена передаточной функцией (рис. 7).

В качестве примера на рис. 7 изображена структурная схемы системы

автоматического регулирования скорости вращения вала электродвигателя, в

которой имеются следующие звенья: TG – тахогенератор, PR –

пропорциональный регулятор, TPM − тиристорный регулятор мощности,

Objekt – управляемый электродвигатель, OS – отрицательная единичная

обратная связь. В нижнем окне показана передаточная функция

электродвигателя.

Исходная структура системы регулирования скорости

электродвигателя для сравнения показана на рис. 8. Подобная структура

получается в результате описания системы на основе имеющихся исходных

данных.

Рис. 7

Рис. 8