Программное обеспечение компьютерных систем управления: Рабочая программа, методические указания к изучению дисциплины, задание на контрольную работу

Министерство образования Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра автоматизации производственных процессов

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ Рабочая программа Методические указания к изучению дисциплины Задание на контрольную работу Факультет: машиностроительный. Направление, специальность и специализация подготовки дипломированного специалиста: 657900−автоматизированные технологии и производства; 210200−автоматизация технологических процессов и производств (в машиностроении); 210217−компьютерные системы управления в производстве и бизнесе. Направление подготовки бакалавра: 552900−технология, оборудование и автоматизация.

Санкт−Петербург 2003

2

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 681. 31. (076. 5) Программное обеспечение компьютерных систем управления: Рабочая программа, методические указания к изучению дисциплины, задание на контрольную работу.−СПб.: СЗТУ, 2003.−12с. Рабочая программа соответствует требованиям государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования по направлениям подготовки дипломированных специалистов. Направление, специальность и специализация подготовки дипломированного специалиста: 657900−<<Автоматизированные технологии и производства>>; 210200−<<Автоматизация технологических процессов и производств (в машиностроении) >>; 210217−<<Компьютерные системы управления в производстве и бизнесе>>. Направление подготовки бакалавра: 552900−<<Технология, оборудование и автоматизация>>. В рабочей программе рассмотрены современные модели систем управления с применением в их замкнутых контурах промышленных контроллеров, реализующих некоторые функции аппаратных средств программными методами.

Рассмотрено на заседании кафедры АПП методической комиссией машиностроительного факультета

. Одобрено .

Составители: О.А. Готшальк, канд. техн. наук, доц.; А.А. Сарвин, док. техн. наук, проф.; Л.И. Абакулина, канд. техн. наук, доц.

© Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2003

3

ПРЕДИСЛОВИЕ Повышение надежности, быстродействия и функциональной насыщенности, а также уменьшение габаритов современной вычислительной техники и потребляемой ею электроэнергии привело к широкому ее использованию для управления сложными технологическими объектами с большим количеством датчиков физических величин и управляемых агрегатов. Использование вычислительной техники позволяет часть функций системы управления перевести с аппаратных на программные средства, что дает возможность: 1) обеспечить быструю переналадку системы управления за счет смены программы; 2) повысить качество управления за счет применения более сложных алгоритмов управления; 3) шире использовать оптимальное и адаптивное управление. Основным условием нормального функционирования любой компьютерной системы управления является наличие программного обеспечения. При изучении данной дисциплины основной упор делается на анализ физических и математических основ работы компьютерных систем управления с последующим составлением управляющих программ для промышленных контроллеров, используемых в качестве вычислительной техники. 1. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ 1.1. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА (объем дисциплины 190 часов) 1.1.1. Общие принципы построения систем тактического управления [1], c. 4...7; [2], с. 31...105. Общие понятия и определения. Гибкое автоматическое производство. Технологические модули. Собственные устройства программного управления. Производственные ячейки. Три уровня систем управления. Тактическое и стратегическое управление. Промышленные контроллеры. Программное обеспечение: общее, общее специальное и специальное. Общие принципы построения систем тактического управления. Понятия управления и системы управления. Мониторинг и управление в бинарном режиме. Управление в режимах стабилизации (регулирования) и слежения. Составные части структурной схемы системы управления с применением промышленных контроллеров. Перевод части устройств системы управления с аппаратной на программную реализацию. Устройство управления. Объединенный объект управления.

4

1.1.2. Дискретизация контролируемых параметров [1], с. 7...19; [2], с. 179...194. Методы программирования в масштабе реального времени. Два вида программирования: последовательное программирование и программирование в масштабе реального времени. Программирование в масштабе реального времени на базе приоритетного прерывания и циклического опроса. Программные модули. Функциональные части программных модулей. Временные задержки программных модулей. Фоновые программы. Дискретизация контролируемых параметров. Назначение дискретизации. Квантование по времени и по уровню. Период квантования. Зависимость между периодом квантования, временем выполнения программного модуля, временем выполнения функциональной части программного модуля и временем задержки. Команды управления. Несущая частота канала с широтноимпульсной модуляцией выходного сигнала. Код переполнения счетчика. Нахождение предельных значений несущей частоты в зависимости от параметров промышленного контроллера. Выбор величины периода квантования. Факторы, влияющие на выбор величины периода квантования. Нахождение частоты квантования. Нахождение величины периода квантования по частотной передаточной функции системы управления при заданной высшей гармоники задающего воздействия. Управление транзисторным преобразователем мощности. Структурная схема и принцип действия симметричного преобразователя мощности. 1.1.3. Назначение, математические модели и программное обеспечение устройств сравнения [1], с. 20...25; [2], с. 213. Общие задачи, решаемые устройством сравнения в режимах стабилизации и слежения. Поведение сигнала ошибки при режимах стабилизации и слежения. Математическая модель устройства сравнения. Алгоритм работы устройства сравнения. Программное обеспечение устройства сравнения. Нахождение значения кода переполнения счетчика. Нахождение зависимости кода индекса модуляции от величины сигнала отклонения. Программное обеспечение, связанное с сигналом ошибки.

5

1.1.4. Назначение, математические модели и программное обеспечение дискретных регуляторов [1], с. 25...39; [2], с. 217...277. Назначение регуляторов. Пропорциональные регуляторы. Интегральные регуляторы. Пропорционально-интегральные регуляторы. Пропорциональноинтегро-дифференциальные регуляторы. Применение пропорциональных регуляторов. Применение пропорционально-интегральных регуляторов. Применение пропорционально-интегро-дифференциальных регуляторов. Типы алгоритмов дискретных регуляторов. Позиционный алгоритм дискретного регулятора. Математические модели пропорционального, интегрального и дифференциального дискретных регуляторов. Программное обеспечение дискретных регуляторов. Алгоритмы работы дискретных регуляторов. Программное обеспечение дискретных регуляторов. 1.1.5. Назначение, математические модели и программное обеспечение цифровых фильтров [1], с. 39...42; [2], с. 194...209. Назначение электрических фильтров. Применение цифровых электрических фильтров в системах управления. Математические модели цифровых фильтров. Экспоненциальные цифровые фильтры скользящего среднего. Программное обеспечение цифровых фильтров. Алгоритм работы цифрового фильтра. Программное обеспечение цифрового фильтра. 1.2. ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ОЧНО-ЗАОЧНОЙ ФОРМЫ ОБУЧЕНИЯ (24 часа) 1. Общие принципы построения систем тактического управления………2 часа 2. Дискретизация контролируемых параметров …..........……………….....6 часов 3. Назначение, математические модели и программное обеспечение устройств сравнения…………………………………………………………..…….........6 >> 4. Назначение, математические модели и программное обеспечение дискретных регуляторов…………………………………………………...…6 >> 5. Назначение, математические модели и программное обеспечение цифровых фильтров………………………………………………………………………4 часа

6

1.3. ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ (6 часов) 1. Ознакомление с системой MATLAB+SIMULINK ……………...........2 часа 2. Ознакомление с методами построения модели системы управления в наборном поле……………………………………………………………..2 >> 3. Ознакомление с программами CONTROL SYSTEM TOOLBOX и NONLINEAR CONTROL DESIGN………………………………………..2 >> 1.4. ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ (16 часов) 1. Построение модели системы управления в наборном поле………….4 часа 2. Расчет и ввод параметров звеньев системы управления……………..4 >> 3. Использование пакета LTI для анализа системы управления………..4 >> 3. Определение оптимальных значений коэффициентов усиления регуляторов…………………………………………………………………4 >> 2. ЛИТЕРАТУРА 1. Готшальк О.А., Сарвин А.А., Абакулина Л.И. Программное обеспечение компьютерных систем управления: Письменные лекции. Методические указания к практическим занятиям.–СПб.: СЗТУ, 2003, 79с. 2. Олссон Г., Пиани Д. Цифровые системы автоматизации и управления.-СанктПетербург. : Из-во Невский диалект, 2001.-556с. 3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ К оформлению контрольной работы предъявляются следующие требования. 1. Контрольная работа оформляется в ученической тетради или на отдельных скрепленных листках бумаги. 2. На обложке тетради или первом листке указываются наименование дисциплины, специальность (номер), наименование УКП, шифр, имя, отчество и фамилия студента. 3. Номера вариантов контрольной работы соответствуют последней цифре шифра студента. 4. Контрольная работа должна содержать следующие разделы. 4.1. Техническое условие контрольной работы. 4.2. Описание технического объекта, подлежащего автоматизации. 4.3. Вывод передаточных функций устройств и построение структурной схемы исследуемой системы управления.

7

4.4. Создание модели электрической схемы системы управления. 4.5. Получение характеристик системы управления при различных режимах работы. 4.5. Анализ результатов моделирования исследуемой системы управления с представлением электрической схемы и таблиц изменения исследуемых параметров. 4. ЗАДАНИЕ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ Исследовать систему управления при следующих исходных технических параметрах. 1. Напряжение, подаваемое на обмотку возбуждения двигателя UН=62 В. 2. Максимальная частота вращения ротора двигателя n=1100 об/мин. 3. Номинальный ток якоря двигателя I=8 А. 4. Вращающий момент двигателя МД=5 Нм. 5. Активное сопротивление обмотки якоря двигателя R=0,45 Ом. 6. Индуктивность обмотки якоря двигателя L=0,6 Гн. 7. Суммарный момент инерции JЯ=0,11 кг м2. 8. Напряжение питания ТПМ UП=62 В. 9. Постоянная времени ТПМ ТТПМ=0,01 с. B⋅ с 10. Коэффициент усиления тахогенератора KT = 0.1 . об 11. Максимальное значение задающего воздействия Umax=10 B. 12. Активное сопротивление обмотки возбуждения двигателя Rf=250 Ом. 13. Индуктивность обмотки возбуждения двигателя Lf=41 Гн. 14. Суммарная индуктивность двигателя Lф=2 Гн. 15. Момент сопротивления нагрузки М=5 Нм. Произвести исследование системы управления в следующей последовательности. 1. Задавая различные значения задающему воздействию, найти индекс модуляции равный Im=0,5, при котором система управления должна находится в состоянии покоя (или близкая к нему). 2. Изменяя величину задающего воздействия с дискретностью в один Вольт, определить динамический диапазон изменения частоты вращения вала двигателя от нуля до его максимального значения. Все исследования произвести для работы системы управления с PIDрегулятором и без него. Контролю, с последующим построением графиков изменения их величин и анализом полученных результатов, подлежат следующие параметры: 1) частота вращения ротора двигателя; 2) ток якорной обмотки двигателя; 3) момент на валу двигателя;

8

4) сигнал ошибки.

СОДЕРЖАНИЕ Предисловие……………………………………………………….3

9

Редактор А.В. Алехина Сводный темплан 2003г. Лицензия ЛР № 020308 от 14.02.97 Подписано в печать 07. 2003. Формат 60х84 1/16. Б. кн.-журн. П.л. . Б.л. . РТП РИО СЗТУ Тираж . Заказ . Северо−Западный государственный заочный технический университет РИО СЗТУ, член Издательско-полиграфической ассоциации вузов Санкт-Петербурга 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 5