Информационные технологии при изучении основ
теории автоматического управления

В.С. Андык
Томский политехнический университет
E - mail andykvs @ tpu . ru

 

При изучении основ теории автоматического управления важную роль играет лабораторный практикум. Этот практикум может строиться как на физических, так и на виртуальных моделях, реализуемых программным путем.

У физических моделей при всех их достоинствах имеется один существенный недостаток – значительная инерционность. Так, для тепловых объектов управления, постоянная времени составляет обычно около 30 минут. Таким образом, длительность одного переходного процесса в системе управления составит ориентировочно около 1.5 часа, что недопустимо при ограниченном числе часов, отводимых на лабораторный практикум.

Очевидно, что в этом плане, лабораторный практикум по теории автоматического управления должен строится на основе виртуальных моделей, реализуемых программным путем.

С целью создания такого практикума было разработано программное обеспечение – лабораторный практикум по дисциплине «Теория Автоматического Управления».

Программный пакет охватывает разделы классической теории автоматического управления: анализ линейных, нелинейных систем, параметрический синтез систем управления, оценка устойчивости и качества систем.

Пакет оснащен панелью меню, через которую происходит выбор той или иной программы для решения поставленной задачи. п акет программ является универсальным, что позволяет получать результаты для объектов и регулирующих устройств, имеющих различное математическое описание.

Лабораторный практикум обеспечивает, например.

•  Расчет переходных процессов АСР с помощью решения дифференциальных уравнений методом Рунге-Кутта-Мерсона.

Программа осуществляет расчет переходного процесса в системе методом Рунге-Кутта-Мерсона с автоматическим выбором шага путем решения системы дифференциальных уравнений первого порядка.

•   Исследование устойчивости САУ с помощью критериев: Михайлова, Найквиста, Рауса, Гурвица, Льенара-Шипара.

•  Получение фазовых портретов линейных систем.

Программа строит на экране дисплея фазовые траектории и переходные процессы в системе и позволяет реализовать метод припасовывания фазовых траекторий и переходных процессов.

•  Расчет переходных процессов в нелинейных АСР.

Программа определяет переходные процессы в нелинейной системе, состоящей из линейной части и нелинейного элемента, охваченных отрицательной обратной связью. Нелинейный элемент системы является безинерционным и для различных вариантов реализуются статические характеристики различных типовых нелинейностей.

•  Расчет и экспериментальное определение частотных характеристик.

Программа дает возможность аналитического и экспериментального определения АФЧХ системы. При экспериментальном определении АФЧХ моделируется поведение системы при подаче на её вход гармонического сигнала. На экран дисплея выдаются значения частоты, амплитуды и фазы выходного гармонического сигнала, графики входного и выходного сигналов, график АФЧХ.

При аналитическом расчете на экран монитора выдаются таблицы и графики различных форм представления частотных характеристик системы.

•  Расчет переходного процесса в системе по вещественной частотной характеристике.

Программа выполняет расчет переходного процесса в системе по заданным значениям ординат вещественной частотной характеристики.

•  Построение АФХ разомкнутой АСР и определение оптимальных настроек П, И, ПИ, ПИД-регуляторов.

Программа реализует метод В.Я. Ротача по расчету параметров настройки П, И, ПИ и ПИД-регуляторов, обеспечивающих заданный показатель колебательности в одноконтурной системе.

•  Расчет переходных процессов в системах с П, И и ПИ-регуляторами.

Программа осуществляет расчет переходных процессов в одноконтурной системе автоматического регулирования с П, И и ПИ-регуляторами и объектом с передаточной функцией общего вида с выбором соответствующего канала воздействия.

На экран монитора выдаются таблица и график переходного процесса.

•  Расчет параметров настройки регуляторов с типовыми законами регулирования в системах с объектами с различными математическими моделями; расчет настройки цифрового ПИ-регулятора с демодулятором в виде фиксатора нулевого порядка.

Программа позволяет определить параметры настройки типовых регуляторов корневым методом в одноконтурной системе регулирования, а также определить переходные процессы по каналам задания и возмущения, идущего по каналу регулирующего воздействия.

Над полученными с помощью той или иной программы результатами можно применять такие средства обработки, как сохранение графической информации в файл , пропорциональное уменьшение/увеличение графика, получение координаты той или иной точки графика, что существенно снижает погрешность всего эксперимента в целом, а также помещение в буфер обмена, как графических, так и табличных данных и вывод результатов на печать.

С помощью буфера обмена, полученные результаты можно переносить в различного рода офисные программы ( Word , Excel ), для дальнейшей работы с ними.

Лабораторный практикум оснащен справочной системой, вызов которой происходит посредством пункта меню «Справка». В справочной системе находится информация о том, как работать с пакетом программ для лабораторного практикума по ТАУ, с освещением выше перечисленных вопросов, а так же методические указания и задания к выполнению лабораторных работ, описан алгоритмы работы каждой программы.

В лабораторном практикуме так же учтен пятиминутный перерыв с целью снятия напряжения, появляющегося в результате длительной мозговой активности.

Команда меню «Помощь» → «Отдохнуть», открывает окно плеера, позволяющее просмотреть небольшие пятиминутные ролики, после чего можно снова приступать к работе.

Таким образом, подводя итоги, можно сказать, что данный пакет программ является мощным комплексным инструментом моделирования, исследования и параметрического синтеза общепромышленных систем регулирования, как для студентов, так и для инженеров в силу своей универсальности и обеспечивает эффективное проведение лабораторного практикума.