Автомобили методические указания по выполнению контрольных работ для бакалавров направления подготовки 35.03.02 Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств
.pdfМинистерство образования и науки РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени С. М. Кирова»
Кафедра управления, автоматизации и системного анализа
АВТОМАТИКА И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Методические указания по выполнению контрольных работ для бакалавров
направленияподготовки35.03.02 «Технологиялесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств»
Санкт-Петербург
2015
1
Рассмотрены и рекомендованы к изданию Научно-методическим советом
Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета
28 мая 2015 г.
Составитель кандидат технических наук, доцент С. И. Девятов
Отв. редактор кандидат технических наук, доцент В. А. Втюрин
Рецензент
кафедра управления, автоматизации и системного анализа СПбГЛТУ
Автоматика и автоматизация производственных процессов: ме-
тодические указания по выполнению контрольных работ для бакалавров направления подготовки 35.03.02 «Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств » / сост.
C.И. Девятов.– СПб.: СПбГЛТУ, 2015. – 16 с.
Вметодических указаниях приведены задания по дисциплине «Автоматика и автоматизация производственных процессов» для студентов заочной и очной форм обучения направления подготовки
35.03.02 «Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств».
Темплан 2015 г. Изд. № 16.
2
ВВЕДЕНИЕ
Данные методические указания предназначены для бакалавров направления подготовки 35.03.02 «Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств» очной и заочной форм обучения, изучающих дисциплину «Автоматика и автоматизация производственных процессов».
В методических указаниях изложены общие указания по методике выполнения контрольной работы по соответствующим разделам дисциплины «Автоматика и автоматизация производственных процессов».
Контрольная работа состоит из двух заданий. Для выполнения первого задания требуются знания элементной базы автоматики и основ теории автоматического регулирования. Для второго задания – знания по теории алгебры логики и реализации алгоритма управления на электрических контактных и бесконтактных логических элементах автоматики.
1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАНИЯ №1
Выбор варианта для контрольной работы по дисциплине: «Автоматика и автоматизация производственных процессов» для студентов заочной формы обучения производится по первой букве фамилии студента потаблице:
Первая буква |
А, Б |
В, Г |
Д, Е |
Ж, З |
И, К |
Л, М |
фамилии студента |
||||||
Номер варианта |
1/1 |
1/2 |
1/3 |
1/4 |
1/5 |
1/6 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Первая буква |
Н, О |
П, Р |
С, Т |
У, Ф |
Х, Ц, Ш |
Э, Ю, Я |
фамилии студента |
||||||
Номер варианта |
2/1 |
2/2 |
2/3 |
2/4 |
2/5 |
2/6 |
|
|
|
|
|
|
|
В числителе – тип варианта системы автоматического регулирования (САР). В знаменателе – числовые значения параметров К и Т передаточных функций системы автоматического регулирования.
Вариант САР №1
Система автоматического регулирования курса корабля
На рис. 1.1 представлена структурная схема системы автоматического регулирования (стабилизации) курса корабля.
Различают курс корабля (относительно меридиана), заданный φз и действительный φд. Заданный курс корабля задается оператором в виде
3
напряжения U1 изменением угла поворота потенциометрического датчика (ЗЭ), который поступает на вход элемента сравнения (ЭС). Сигнал о дейст-
вительном курсе корабля φд поступает с выхода системы автоматического регулирования на воспринимающий элемент (ВЭ ) – потенциометр (ось которого соединена с компасом корабля). На выходе воспринимающего элемента напряжение U2 пропорционально действительному курсу корабля φд. С выхода элемента сравнения ЭС напряжение, равное U = U1 – U2, называемое ошибкой управления, поступает на вход усилителя электронного (УЭ), где происходит усиление входного сигнала и передача его на исполнительный элемент (ИЭ) – электродвигатель. При этом вращение ротора электродвигателя передается через редуктор на объект управления (ОУ) – рулькорабля, чтоприводиткизменениюдействительногокурсакорабляφд.
При совпадении курса корабля действительного φд с заданным φз ошибка управления U становится равной нулю и ротор электродвигателя (ЭД) останавливается. При возмущающем воздействии на корабль (изменившемся ветре или течении) действительный курс корабля, изменяется, что приводит вновь к появлению ошибки управления U и система автоматического регулирования снова корректирует его, добиваясь равенства
действительного курса корабля φд заданному φз.
ϕ |
|
|
|
|
|
U |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ϕд |
з |
|
W ) |
|
|
|
W ( p) |
|
|
W ( p) |
|
|
W ( p) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
1 |
|
|
|
|
2 |
|
3 |
|
4 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
W5 ( p)
Рис. 1.1. Структурная схема системы автоматического регулирования курса корабля (авторулевой), где W ( p) – передаточныефункции элементов автоматики
САР: W1 ( p) = K1; W2 ( p) = K2 ; W3 ( p) = K3 / p(T1 p +1); W4 ( p) = K4 / (T2 p +1) ; W5(p) = K5
Значения K и T передаточных функций элементов автоматики по вариантам приведены в табл. 1.1
4
Таблица 1 . 1
Значения K и T передаточных функций
Варианты |
K1 |
K2 |
K3 |
T1 |
K4 |
T2 |
K5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
0,4 |
8 |
6 |
1,1 |
1 |
0,12 |
0,4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
0,6 |
6 |
0,5 |
1,2 |
1 |
0,13 |
0,6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
0,8 |
3 |
2,5 |
1,3 |
1 |
0.15 |
0,8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
1,2 |
1,45 |
1,7 |
1,5 |
4,5 |
0,15 |
1,2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
1,4 |
0,75 |
2 |
1,4 |
3 |
0,2 |
1,4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
1,6 |
0,55 |
2,5 |
1,3 |
1,5 |
0,25 |
1,6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Вариант САР №2
Система автоматического регулирования давления в автоклаве
Нарис. 1.2 представленаструктурнаясхемасистемыавтоматическогорегулирования (стабилизации) давления в автоклаве. Необходимое давление в автоклаведляпропиткидревесныхконструкций задаетсяоператоромспультауправления с помощью задающего элемента (ЗЭ) – потенциометрического датчика. Выходной сигнал с задающего элемента в виде напряжения U1 поступает на элемент сравнения (ЭС). Действительное давление в автоклаве Pд измеряется с помощью воспринимающего элемента (ВЭ) – датчика давления, включенного на выход системы автоматического регулирования. Выходной сигнал с воспринимающего элемента в виде напряжения U2 (величина которого пропорциональна действительному давлению в автоклаве) поступает на второй вход элемента сравнения (ЭС). Выходное напряжение с элемента сравнения называется ошибкойуправленияиопределяетсякак U = U1 – U2.
Если действительное давление в автоклаве, ниже заданного ошибка управления U = U1 – U2 в виде напряжения со знаком «+» поступает на вход электронногусилителя (УЭ) и после усиления по мощности на исполнительный элемент (ИЭ) – электродвигатель. Ротор электродвигателя начинает вращаться и приводит в действие насос подачи консерванта, который поступает в объект управления (ОУ) – автоклав, что вызывает повышение в нем действительного давления. При достижении действительного давления заданного ошибка управления U становится равной нулю, что вызывает остановку исполнительного элемента– электродвигателя.
5
PЗ |
|
|
|
|
|
U |
|
|
|
|
|
|
|
|
ОУ |
|
|
Pд |
||
W(p) |
|
|
|
|
W (p) |
|
|
W (p) |
|
|
|
W (p) |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
1 |
U1 |
|
|
|
|
2 |
|
|
3 |
|
|
|
4 |
|
|
|
||
|
|
|
|
U2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
W5 |
(p) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1. 2. Структурная схема системы автоматического регулирования давления в автоклаве, где W ( p ) – передаточные функции элементов автоматики САР:
W1 ( p) = K1; W2 ( p) = K2 ; W3 ( p) = K3 / (T1 p +1)(T2 p +1);
W4 ( p) = K4 / T3 p; W5 ( p) = K5.
Значения K и T передаточных функций элементов автоматики по вариантам приведены в табл. 1. 2.
Таблица 1 . 2
Значения K и T передаточных функций
Варианты |
K1 |
K2 |
K3 |
T1 |
T2 |
K4 |
T3 |
K5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
0,9 |
4 |
2 |
7 |
3 |
1 |
7,5 |
0,9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
1,1 |
1,5 |
2,5 |
7,5 |
4 |
1 |
5 |
1,1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
1,2 |
0,2 |
3 |
8 |
5 |
1 |
0,7 |
1,2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
1,7 |
0,8 |
1,8 |
8,5 |
6 |
1 |
0,8 |
1,7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
1,5 |
0,4 |
2,4 |
9 |
7 |
1 |
0,7 |
1,5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
1,2 |
1,5 |
0,8 |
9,5 |
8 |
1 |
0,6 |
1,2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЗАДАНИЯ № 1
2.1. Составление передаточных функций разомкнутой и замкнутой систем автоматического регулирования
Каждая из заданных систем может быть представлена в виде обобщенной структурной схемы (рис. 2.1), на которой обозначено: ОУ – объект управления; АУУ – автоматическое управляющее устройство; ВЭ – воспринимающий элемент.
6
Рис.2.1. Обобщенная структурная схема замкнутой системы автоматического регулирования
Для составления передаточных функций системы уясним физический смысл символов этой схемы:
U1 – задающее воздействие в виде, удобном для сравнения; Y – выходной параметр системы;
U2 – действительное значение выходного параметра САР; является сигналом обратной связи и приведено к виду, удобному для сравнения; U– ошибка управления (рассогласование), равная: U = U1 – U2;
u – управляющее воздействие на объект;
F – возмущающее воздействие на объект управления (ОУ). Передаточная функция разомкнутой системы W(p) выражает отноше-
ние изображений сигналов Y (р) и X (р) и находится как произведение всех передаточных функций последовательных звеньев W(p), входящих в контур обратной связи:
W ( p) = Y ( p) = ∏n Wi ( p).
X ( p) i =1
Передаточная функция замкнутого контура регулирования Ф(р) устанавливает зависимость выходного параметра от задающего воздействия:
Ф( p) = |
Y ( p) |
− |
W ( p) |
. |
|
X ( p) |
1+W ( p) |
||||
|
|
|
Необходимо получить выражения указанных передаточных функций для заданной структуры САР в известных выражениях передаточных функций звеньев.
2.2. Определение устойчивости заданной системы автоматического регулирования
по алгебраическому критерию устойчивости
Устойчивость системы автоматического регулирования определяется по характеристическому уравнению замкнутой САР, которое, в свою очередь, определяется по передаточной функции замкнутой системы автоматического регулирования, записанной в общем виде:
7
Ф( p) = |
Y ( p) |
= |
|
W ( p) |
. |
|
X ( p) |
1±W ( p) |
|||||
|
|
|
Характеристическое уравнение получается из формулы Ф(р) приравниванием знаменателя к нулю:
a0 p3 + a1 p2 + a2 p + a3 = 0.
Далее из коэффициентов полинома составляется матрица, которая для уравнения третьего порядка имеет вид
a1 a3 a0 a2
Устойчивость системы автоматического регулирования по алгебраическому критерию устойчивости определяется по коэффициентам характеристического уравнения и по матрице.
Система автоматического регулирования считается устойчивой, если выполняются три условия.
Первое условие. Значение коэффициента при p3 больше нуля, т. е. а0 >0. Второе условие. Определитель матрицы первого порядка больше ну-
ля, т. е. 1 = а1 > 0.
Третье условие. Определитель матрицы второго порядка больше нуля,
т. е. 2 = а1а2 –а0а3> 0.
В случае невыполнения хотя бы одного из условий – система автоматического регулирования неустойчива.
3. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАНИЯ № 2
Выбор варианта для задания производится по последней цифре номера зачетки студента по таблице:
Номер |
Формула включения |
Тип логической |
||||||||||||||||
варианта |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
функции |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
y = ab +c( |
|
|
+ |
|
|
|
) |
«И – НЕ» |
|||||||||
a |
b |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
2 |
y = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
«ИЛИ – НЕ» |
ab + c(a +b) |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
«И – НЕ» |
y = ab |
+ c(a +b) |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
y = ac +b( |
|
|
+ |
|
) |
«ИЛИ – НЕ» |
|||||||||||
a |
c |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||||
5 |
y = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
«И – НЕ» |
|
ac +b(a + c) |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Окончание таблицы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Номер |
Формула включения |
Тип логической |
|
|||||||||||||||||
варианта |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
функции |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
«ИЛИ – НЕ» |
|
y = ac |
|
+b(a + c) |
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
y = bc + a( |
|
|
+ |
|
|
|
) |
«И – НЕ» |
|
||||||||||
b |
c |
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
8 |
y = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
«ИЛИ – НЕ» |
|
bc + a(b +c) |
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
9 |
|
|
|
|
+ a(b + |
|
|
|
) |
«И – НЕ» |
|
|||||||||
y = bc |
c |
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
10 |
|
|
|
|
+ |
|
(b + |
|
|
|
) |
«ИЛИ – НЕ» |
|
|||||||
y = bc |
a |
c |
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При выполнении задания №2 используется таблица реализации логических функций на электрических контактных и бесконтактных логических элементах:
Название логических |
Реализация логических |
Реализация логических |
||||||||||||||
|
|
функций |
|
|
функций |
|
|
|
|
функций |
||||||
|
|
|
на электрических |
|
на бесконтактных |
|||||||||||
|
|
|
контактных элементах |
логических элементах |
||||||||||||
«ДА» |
|
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
y = a |
|
|
y |
|
a |
|
|
|
1 |
|
y |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
«НЕ» |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
y = |
|
|
|
a |
|
y |
|
a |
|
|
|
1 |
|
y |
||
a |
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
«ИЛИ» |
|
|
a |
|
|
|
|
a |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
y |
|
|
|
|
1 |
|
|
|||||
y = a + b |
|
|
b |
|
|
|
b |
|
|
|
|
y |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
«И» |
|
a |
|
|
|
b |
|
a |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
y = ab |
|
|
|
|
y |
|
|
|
& |
|
y |
|||||
|
|
|
|
b |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Окончание таблицы |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Название логических |
Реализация логических |
Реализация логических |
|||||||||||||||||||||
|
|
функций |
|
|
функций |
|
|
функций |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
на электрических |
|
на бесконтактных |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
контактных элементах |
логических элементах |
|
||||||||
«И – НЕ» |
|
|
a |
y |
a |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
& |
|
y |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
y =ab=a +b |
|
|
b |
|
b |
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
«ИЛИ – НЕ» |
|
|
|
|
a |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
b y |
|
|
1 |
|
y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
y = a +b = ab |
b |
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
– после применения правила отрицания конъюнкции;– после применения правила отрицания дизъюнкции.
4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЗАДАНИЯ № 2
По заданной формуле включения исполнительного элемента
у = ас + b(а + с)
необходимо выполнить следующие действия:
–раскрыть скобки в формуле включения исполнительного элемента
y= ac + b(a + c) = ac + ba + cb;
–записать формулу включения с двойным отрицанием
у = а с + b a + b с = а с + b а + b с ;
– преобразовать формулу включения в однотипные логические функции, используя правило отрицания дизъюнкции:
у = а +b = аb
или правило отрицания конъюнкции:
y = ab = a +b.
10