книги из ГПНТБ / Лепилов Н.С. Теория автоматического управления учеб. пособие
.pdfН. С. Л ЕП И Л О В
УДК 62-501.13
ТЕОРИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Министерство обороны С С С Р
МОСКВА 1974
Н . С . Л Е П И Л О В
ТЕОРИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Утверждено в качестве учебного пособия
для слушателей академии
Министерство обороны С С С Р
МОСКВА 1974
УДК 62-501.13
Кратко рассмотрены методы анализа и синтеза линейных, нелинейных и дискретных систем автоматического управления с постоянными параметрами при действии детерминированных входных сигналов. Учебное пособие предназначено для инже нерных специальностей, у которых курс теории автоматичес кого управления (ТАУ) не является профилирующим.
Табл. 4 , илл. 9 0 , библ. 15 назв.
Гос. п бличн на - !но-те*нич
библио :ѳк.а Р
З К З Е М^ППГ"1Р
ЧИ ТАЯЬК О>ГО ЗА Л А
—• —Ч. ‘*-1.
f t / f e |
- |
і
I
(G) Миниотеротм обороны СССР, 1974
Принятые сокращения |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
|
6 |
||
|
|
|
||||
Введение |
I . |
Общие сведения о системах |
автоматического |
7 |
||
|
||||||
Глава |
|
|||||
§ I . I . |
|
|
управления |
...... .'st - ......... |
. |
|
|
|
і- ' |
|
|
||
Краткий исторический обзор развития теории |
9 |
|||||
автоматического у п р а в л е н и я ......................... |
.................................................... |
|
||||
§ 1 .2 . |
Состав и принцип действия систем‘ автоматичес |
12 |
||||
кого управления.................. ................................................................................................. |
автоматического |
управления |
||||
§ 1 .3 . |
Типы систем |
18 |
||||
§ 1 .4 . |
Виды входных сигналов................................................................. |
|
|
21 |
||
§ 1 .5 . Процессы в системах автоматического управ |
24 |
|||||
ления.................................................................................................................................................. |
|
Уравнения |
связи между входными и выходными |
|||
Глава П . |
|
|||||
§ 2 .1 . |
|
сигналами линейных |
систем |
27 |
||
Свойства линейных систем ........................ |
управления |
|||||
§ 2 .2 . |
Переходная функция и функция ........................ |
веса |
29 |
|||
§ 2 .3 . |
Уравнение связи в интегральной .....................форме |
30 |
||||
§ 2 .4 . |
Типовые звенья систем и их временные харак |
32 |
||||
теристики....................................................................................................... |
|
|
|
|
............. |
|
Глава |
Ш. Операторный метод исследования линейных |
|
||||
§ 3 .1 . |
|
систем |
непрерывного |
управления |
44 |
|
Преобразование Лапласа и ................. |
его св о й ст в а |
|||||
§ 3 .2 . |
Передаточные функции типовых ................... |
звеньев |
48 |
|||
§ 3 .3 . Построение структурных схем замкнутых систем |
52 |
|||||
управления.................................................................................................................................... |
|
|
|
|
|
|
§ 3 .4 . Передаточные функции типовых соединений |
54 |
|||||
звеньев............................. |
Преобразование структурных схем |
|||||
§ 3 .5 . |
58 |
|||||
3
|
§ |
3 .6 . |
Передаточные функции систем |
у п р а в л ен и я .... |
60 |
|||
|
§ |
3 .7 . Определение ошибки замкнутой системы для |
64 |
|||||
различных точек |
приложения входных воздействий........................... |
|||||||
|
|
Глава ІУ . |
Частотные характеристики |
линейных систем |
|
|||
|
§ |
4 .1 . |
|
автоматического управления |
72 |
|||
|
Виды частотных характеристик |
систем ...................... |
||||||
|
§ |
4 .2 . |
Логарифмические частотные характеристики |
73 |
||||
систем |
................................................................................................................................................ |
|
|
|
|
|
||
|
§ 4 .3 . Логарифмические частотные характеристики |
78 |
||||||
типовых звеньев............................................................................................................... |
|
частотными характеристиками |
||||||
|
§ |
4 .4 . |
Связь между |
85 |
||||
замкнутой и разомкнутой |
систем.......................................................................... |
линейных систем |
||||||
|
|
Глава У . Устойчивость и качество |
|
|||||
|
§ |
5 .1 . |
|
|
управления |
|
|
89 |
|
Понятие об устойчивости линейных систем........... |
|||||||
|
§ |
5 .2 . |
Алгебраические критерии устойчивости.................... |
93 |
||||
|
§ |
5 .3 . |
Частотный критерий устойчивости |
М ихайлова... |
95 |
|||
|
§ |
5 .4 . |
Частотный критерий устойчивости |
Н ай кви ста ... |
97 |
|||
|
§ 5 .5 . Исследование устойчивости замкнутых систем |
|
||||||
по логарифмическим частотным характеристикам разомкнутых |
ЮЗ |
|||||||
с и с т е м ....................................... |
|
|
|
|
|
|||
|
§ 5 .6 . Области устойчивости...................................................................... |
|
|
107 |
||||
|
§ |
5 .7 . |
Основные показатели качествауправления................ |
108 |
||||
|
§ |
5 .8 . |
Обеспечение устойчивости и требуемого качест |
І П |
||||
ва управления систем............ |
Нелинейные................................................................системы |
управления |
||||||
|
§ |
6 .1 . |
Глава У І . |
|
||||
ных |
Особенности процессов управления в нелиней |
ІІ7 |
||||||
системах............................................................................................................................. |
|
|
|
|
||||
|
§ |
6 .2 . Структурная схема нелинейной системы и ста |
|
|||||
тические характеристики |
т и п о в ы х |
н е л и н е й - |
118 |
|||||
ных |
звеньев................................................................................................................................ |
|
|
|
|
|||
|
§ 6 .3 . Метод фазовых траекторий........................................................... |
|
|
122 |
||||
|
§ 6 .4 . Устойчивость нелинейных систем |
|
127 |
|||||
|
§ |
6 .5 . Метод гармонического баланса............................................... |
|
130 |
||||
4
|
Глава УП. Системы дискретного управления |
|
|
§ 7 .1 . Функциональная схема дискретной системы |
136 |
||
управления............................................................................................................................... |
|
|
|
§ 7 .2 . Математический аппарат теории импульсных |
139 |
||
систем.......................................................................................................................................... |
Передаточные функции импульсных с и с т е м |
||
§ 7 .3 . |
14-3 |
||
§ 7 Л . |
Устойчивость импульсных систем................................ |
150 |
|
§ 7 .5 . |
Качество |
импульсных систем........................................... |
156 |
§ 7 .6 . |
Цифровые |
системы............................................ |
160 |
Заключение............................................................................................................................... |
|
|
163 |
Литература.............................................................................................................................. |
|
|
167 |
5
ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
АФХ - |
амплитудно-фазовая частотная характеристика, |
||||
АЧХ- |
|||||
ППЧХ |
- |
амплитудная частотная характеристика, |
|||
ЛЧХ |
логарифмические |
псевдочастотные характеристики, |
|||
|
- |
логарифмические |
частотные характеристики, |
||
ОПФ - |
|||||
СA4 |
- |
операторная передаточная функция, |
|||
TAU |
- - |
система |
автоматического |
управления, |
|
ФУХ |
теория |
автоматического |
управления, |
||
ЦВМ |
- |
фазовая |
частотная характеристика, |
||
|
|
цифровая вычислительная |
машина. |
||
6
ВВЕДЕНИЕ
Современное состояние техники предполагает широкое исполь зование систем автоматического управления. Чтобы знать принци пы построения систем автоматического управления необходимо вна чале изучить теорию автоматического управления. Учебное посо бие предназначено для заочного изучения теории автоматического управления, которую можно выделить как первую часть курса для большинства систем автоматического управления, применяемых на практике. Особенностью построения пособия является включение методических указаний к каждому параграфу и материалов для про
верки усвоения содержания параграфа. В методических указаниях отмечается необходимая глубина проработки материала, что необ ходимо запомнить, и какие навыки следует приобрести. В материа лах для проверки усвоения содержания параграфа приведены вопро сы и задачи, которые составлены таким образом, что охватывают узловые и принципиальные стороны содержания параграфа.
Хотя процесс самостоятельного изучения определяется инди видуальными способностями каждого слушателя, однако мы предла гаем одну из возможных методик осврения курса, которая может быть использована, по нашему мнению, для большинства слушателей, Изучать курс необходимо последовательно, переходя от параграфа к параграфу, так как изложение последующих параграфов основано на знании материала предыдущих параграфов. Вначале читается весь параграф. Далее необходимо перейти к более внимательному чтению, разделяя параграф на законченные по содержанию дозы. При изучении параграфа по дозам составляется конспект. На каж дом листе тетради для конспекта должны быть выделены поля (мож но также писать на одной странице тетради). На полях отмечать неясные вопросы, которые следует выяснить у преподавателя либо путем письменной консультации, либо при очной консультации. Ха рактерной особенностью курса является т о , что в нем слушатели встречаются с большим количеством специальных определений и по нятий. Определения и понятия, которые слушатели должны знать (что отмечается в методических указаниях к параграфу), необхо димо записать в конспект без сокращения, чтобы не исказить
7
сішсл и периодически их повторять. Точное знание определений и понятий диктуется их регулярным применением при последуощем изло жении материала. В конспекте также должны быть отражены все не обходимые математические преобразования с пояснением их сущнос ти. Очень важно для выяснения физических процессов управления разобраться в приведенных в пособии схемах и графиках. На гра фиках следует обращать внимание на то , какие величины отклады ваются по осям координат. После составления конспекта прорабо танного параграфа необходимо ответить на вопросы и решить зада чи , помещенные в материалах для проверки усвоения содержания па раграфа. Если окажется, что степень проработки материала не по зволяет слушателю дать ответы на все вопросы и решить задачи, то необходимо дополнительно изучить и законспектировать (на по лях или на чистой странице) ту часть параграфа, где дано изло
жение соответствующих вопросов. Наличие у каждого слушателя кон спекта принесет значительную пользу при непосредственной подго товке к сдаче зачета или экзамена.
Автор выражает глубокую признательность рецензентам М .Д . Артамонову, Ю.П. Быкову и В .Д . Жигалову за ценные критичес
кие замечания, высказанные при написании и обсуждении рукописи. Автор приносит свою благодарность Г .В . Корастилевой за большой труд, проделанный при подготовке рукописи к печати.
8
Г л а в а |
I |
ПЕШИЕ ПВЕЛЕНИЯ О СИСТЕМАХ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
§ 1 . 1 . КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР РАЗВИТИЯ ТЕОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
Методические указания
В результате изучения параграфа слушатели должны знать кратко историю развития ТАУ, вклад отечественных и советских ученых в ее развитие и роль КПСС в развитии теории и практики систем автоматического управления.
|
Теория |
|
Содержание |
|
||
|
автоматического управления (ТАУ) развивалась вместе |
|||||
с прогрессом |
науки |
и техники. |
Управление |
может распространяться |
||
на |
любые |
объекты: |
социальные, |
физические, |
химические, биологи |
|
|
||||||
ческие. Установлением общих принципов и законов управления раз личными объектами занимается кибернетика, которая является нау кой об управлении и связи в механизмах, организме и обществе.
Вопросами управления в технических системах занимается техничес кая кибернетика, являющаяся разделом общей кибернетики. Ее важ ной составной частью является автоматика. Автоматика - это от расль науки и техники, охватывающая теорию автоматического управления, а также принципы построения автоматических систем. Под автоматическим управлением понимается управление техничес кими системами без непосредственного участия человека. В настоя щее время автоматизация становится одним из самых прогрессив ных направлений в общем развитии науки и техники.
В программе КПСС отмечается, что "в течение двадцатилетия осуществится в массовом масштабе комплексная автоматизация про изводства со все большим переходом к цехам и предприятиям-авто- матам, обеспечивающим высокую технико-экономическую эффектив-
9