Geum.ru

В. Г. Прокошев 20 г. Рабочая программа

Вид материалаРабочая программа

Содержание


Цель освоения дисциплины
Задачи дисциплины
Место дисциплины в структуре ооп впо
Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины (модуля)
Структура и содержание дисциплины (модуля)
Модуль: Теория линейных систем автоматического управления
Модуль: Основы теории нелинейных систем автоматического управления
Модуль: Основы теории линейных импульсных САУ
Модуль: Случайные процессы в системах автоматического управления
Модуль: Оптимальные, адаптивные и робастные САУ
Лекции Введение
Теория линейных систем автоматического управления
Основы теории нелинейных систем
Раздел 2.2. Анализ динамики нелинейных САУ
Раздел 2.3. Синтез и качество нелинейных САУ
Раздел 4.1. Случайные процессы в линейных САУ
Раздел 4.2. Случайные процессы в нелинейных САУ
Оптимальные, адаптивные и робастные сау
Раздел 5.2. Адаптивные системы и робастное управление
Практические занятия
...
Полное содержание
Подобный материал:
  1   2   3


«УТВЕРЖДАЮ»

Проректор по учебной работе
______________ В.Г.Прокошев

«______»_________________20 г.


РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
Теория автоматического управления
(наименование дисциплины


Направление подготовки 220700 – Автоматизация технологических процессов и ____________________________________________производств________________________


Профиль подготовки 220701 – Автоматизация технологических процессов и ____________________________________________производств________________________


Квалификация (степень) выпускника бакалавр

(бакалавр, магистр, дипломированный специалист)

Форма обучения_____________________________очная_______________________________

(очная, очно-заочная ,заочная)


Семестр
Трудоем-кость зач. ед/ час.
Лекций,

час.
Практич. занятий,

час.
Лаборат. работ,

час.
СРС,

час.
КП, КР, РГР, контр.

раб. и др
Форма промежуточного контроля

(экз./зачет)

4















Контр.раб.
зачет

5















Курс.раб.
экзамен

Итого
288/8
51
34
51
152







Владимир, 2010

  1. ЦЕЛЬ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ


Целями освоения дисциплины (модуля) теория автоматического управления являются

ознакомление с многообразием систем автоматического управления (САУ) и изучение современных методов теории управления, формирование целостного математического базиса анализа и синтеза САУ, позволяющего понимать новые направления развития современной теории управления и применять их к решению конкретных задач.


Задачи дисциплины:
  • изучение принципов построения систем автомати­ческого управления и их отдельных элементов;
  • изучение различных форм представления моделей, адекватно отражающих процессы, происходящие в системе;
  • изучение основных методов анализа САУ во временной и частотных областях, способов синтеза САУ;
  • освоение и практическое использование типовых пакетщв прикладных программ анализа динамических систем.



  1. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП ВПО


Дисциплина относится к учебному циклу Б3 - Профессиональный цикл, базовая (общепрофессиональная) часть.

Для успешного освоения учебного курса необходимо знание разделов следующих дисциплин:
  • Математика: линейная алгебра, дифференциальное и интегральное исчисления, гармонический анализ; дифференциальные уравнения; численные методы; функции комплексного переменного; элементы функционального анализа; теория вероятностей и математическая статистика.
  • Математические основы теории систем: модели и моделирование, теория графов и структурный анализ, операторное описание систем, описание систем в пространстве состояний, матрицы и линейные пространства, векторно-матричные дифференциальные уравнения.
  • Основы автоматизации: типовые устройства и средства автоматизации.
  • Дискретная математика: множества, алгебра множеств, булева алгебра, графы.

В ходе вычислительной практики студенты должны освоить пакеты Mathcad, Matlab.

Знания, полученные в результате изучения данной дисциплины, используются при изучении дисциплин «Автоматизация технологических процессов и производств», «Интеллектуальные системы», «Системы приводов», «Проектирование автоматизированных систем», «Компьютерные системы управления» и при выполнении выпускной квалификационной работы.


  1. КОМПЕТЕНЦИИ ОБУЧАЮЩЕГОСЯ, ФОРМИРУЕМЫЕ В РЕЗУЛЬТАТЕ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ (МОДУЛЯ)


ОК-10 - способен использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применяет методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-10);


ПК-17 - способен участвовать в разработке математических и физических моделей процессов и производственных объектов;

ПК-18 - способен выполнять работы по расчету и проектированию средств и систем автоматизации, контроля, диагностики, испытаний, управления процессами, жизненным циклом продукции и ее качеством в соответствии с техническими заданиями и использованием стандартных средств автоматизации расчетов и проектирования.

В результате освоения дисциплины обучающийся должен демонстрировать следующие результаты образования:
  1. Знать: основные положения современной теории управления (ОК-10, ПК-17, ПК-18).
  2. Уметь: самостоятельно разрабатывать математические и физические модели процессов и производственных объектов, выполнять работы по расчету и проектированию средств и систем автоматизации и управления (ОК-10, ПК-17, ПК-18).
  3. Владеть методами математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования и использовать их для решения конкретных задач (ОК-10, ПК-17, ПК-18).
  4. Иметь представление о методах исследования сложных систем.



  1. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ (МОДУЛЯ)

Теория автоматического управления

Общая трудоемкость дисциплины составляет 8 зачетных единиц, 288 часов.

№

Модуля/раздела/темы
Модуль (Раздел)/Тема

дисциплины
Семестр
Неделя семестра
Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов

и трудоемкость (в часах)
Формы текущего контроля успеваемости (по неделям семестра)

Форма промежуточной аттестации (по семестрам)

Всего
Лекции.
Практич.
Лаборат.
СРС
КП, КР, РГР, контр.раб. и др.






Введение
4
1
1
1






1






1.
Модуль: Теория линейных систем автоматического управления
4



124
27



28
69






1.1
Основные понятия и определения



1



1



2









1.2
Статика систем автоматического управления









4



4









1.2.1
Статический режим работы САУ



2



1



2









1.2.2
Линеаризация нелинейных статических характеристик



2



1















1.2.3
Расчет статических характеристик САУ



3



1



2









1.2.4
Статические и астатические САУ



3



1















1.3
Динамика систем автоматического управления









16



16









1.3.1
Уравнения динамики элементов и САУ



4



2



2









1.3.2
Математические модели динамики САУ



5



2



2









1.3.3
Типовые внешние воздействия и временные характеристики САУ



6



2



2






1-й рейтинг-контроль

1.3.4
Понятия о передаточной и частотной функциях и частотные характеристики САУ



7



2



2









1.3.5
Типовые динамические звенья



8



2



2









1.3.6
Структурные схемы САУ и их преобразование



9



2



2









1.3.7
Передаточные функции разомкнутой и замкнутой САУ



10



2



2









1.3.8
Матричные передаточные функции многомерных САУ



11



2



2









1.4
Анализ и синтез линейных непрерывных САУ









6



6









1.4.1
Основные понятия и определения устойчивости САУ



12



2



2









1.4.2
Критерии устойчивости САУ.



13



1















1.4.3
Анализ управляемости, наблюдаемости, инвариантности и чувствительности линейных САУ



13



1



2






2-й рейтинг-контроль

1.4.4
Анализ качества процессов управления



14



1















1.4.5
Синтез и коррекция линейных САУ



14



1



2









2
Модуль: Основы теории нелинейных систем автоматического управления
4



27
6



6
15






2.1
Общая характеристика нелинейных САУ



15



2



2









2.2
Анализ динамики нелинейных САУ



16



2



2






3-й рейтинг-контроль

2.3
Синтез и качество нелинейных САУ



17



2



2






зачет

3
Модуль: Основы теории линейных импульсных САУ

5



68
8
16
8
36






3.1
Общая характеристика импульсных САУ









3
8
4









3.1.1
Определение и классификация импульсных систем.



1



1















3.1.2
Математические модели импульсных САУ.



3



1
4
2









3.1.3
Цифровые системы.



1



1
4
2









3.2
Анализ динамики импульсных и цифровых САУ









3
4
2









3.2.1
Понятие о дискретном преобразовании Лапласа



3



1















3.2.2
Устойчивость импульсных САУ



5



1















3.2.3
Оценка качества линейных импульсных САУ



5



1
4
2









3.3
Синтез и коррекция импульсных САУ









2
4
2









3.3.1
Синтез импульсных САУ по заданным показателям качества



7



1
4
2









3.3.2
Особенности синтеза цифровых САУ



7



1















4
Модуль: Случайные процессы в системах автоматического управления






18
2
4
2
10






.4.1
Случайные процессы в линейных САУ



9



1















4.2
Случайные процессы в нелинейных САУ



9



1
4
2









5
Модуль: Оптимальные, адаптивные и робастные САУ






60
7
14
7
32






5.1
Теория оптимальных систем автоматического управления









4
8
4









5.1.1
Основные понятия об оптимальном управлении



11



1















5.1.2
Методы синтеза оптимальных систем



11



1
4
2









5.1.3
Принципы построения оптимальных по быстродействию систем



13



1















5.1.4
Аналитическое конструирование регуляторов



13



1
4
2









5.2
Адаптивные системы и робастное управление



15,17



3
6
3






экзамен




Итого:






288
51
34
51
152
Курс.р.




Лекции

Введение

Назначение и содержание дисциплины "Теория автоматического управления" (ТАУ) и ее связь с другими дисциплинами направления. Основные этапы развития автоматики и теории автоматического управления. Роль отечественных и зарубежных ученых в развитии ТАУ. Значение ТАУ при решении задач автоматизации производственных и технологических процессов, разработке систем автоматизированного проектирования и создании робототехнических комплексов и гибких автоматизированных производств. Перспективы дальнейшего развития и практического использования ТАУ.

Модуль 1

ТЕОРИЯ ЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ


Раздел 1.1.Основные понятия и определения САУ


Тема 1.1.1. Основные сведения об автоматическом управлении.

Понятия: объект управления и управляемые координаты, управляющие и возмущающие воздействия.

Тема 1.1.2. Принципы управления.

Управление по отклонению, управление по возмущению, комбинированное управление, модальное управление; их достоинства, недостатки и области практического применения.

Тема 1.1.3.Классификация САУ.

Основы классификации САУ. Многомерные и многосвязные САУ. Оптимальные, адаптивные и робастные САУ.


Раздел 1.2. Статика систем автоматического управления


Тема 1.2.1.Статический режим работы САУ.

Статический режим работы САУ. Цель и последовательность статических расчетов. Статические характеристики объектов управления и элементов САУ.

Тема 1.2.2. Линеаризация нелинейных статических характеристик. Линеаризация нелинейных статических характеристик. Коэффициент усиления и статическая ошибка. Расчет статических характеристик САУ при различных соединениях элементов. Методы уменьшения статической ошибки. Статические и астатические САУ.


Радел 1.3. Динамика САУ


Тема 1.3.1. Уравнения динамики САУ

Составление уравнений динамики элементов и САУ. Линеаризация уравнений и приведение их к форме в отклонениях переменных. Приведение уравнения к безразмерной и нормализованной формам.

Тема 1.3.2 Математические модели динамики САУ.

Модели в форме уравнений "вход-выход". Модели в форме уравнений состояния. Способы перехода от одной формы модели к другой и обратно.

Тема 1.3.3. Типовые внешние воздействия и временные характеристики

Единичный ступенчатый сигнал. Единичный импульс. Гармоническое воздействие. Степенные функции времени. Области использования типовых воздействий. Переходная и импульсная характеристики.

Тема 1.3.4.Частотные характеристики САУ.

Понятия о передаточной и частотной функциях. Амплитудно-фазовая частотная характеристика.

Тема 1.3.5. Типовые динамические звенья.

Типовые динамические звенья: безынерционное усилительное звено, апериодические звенья первого и второго порядков, колебательное и консервативное звенья. Интегрирующие и дифференцирующие звенья. Звено с запаздыванием. Неминимально-фазовые звенья. Передаточные функции соединений звеньев.

Тема 1.3.6. Структурные схемы САУ и их преобразование.

Структурные схемы. Правила преобразования структурных схем. Преобразование многоконтурных САУ с перекрестными обратными связями.

Тема 1.3.7. Передаточные функции разомкнутой и замкнутой САУ.

Передаточные функции по управлению, ошибке и возмущению.

Тема 1.3.8. Передаточные функции многомерных САУ.

Матричные передаточные функции многомерных САУ.


Раздел 1.4. Анализ и синтез линейных непрерывных САУ

Тема 1.4.1. Основные понятия и определения устойчивости САУ

Понятия устойчивости САУ. Характеристическое уравнение и способы его определения. Связь устойчивости с корнями характеристического уравнения. Устойчивость линеаризованной системы "в малом" и "в большом". Теоремы А. М. Ляпунова.


Тема 1.4.2. Критерии устойчивости САУ

Признаки устойчивости и неустойчивости САУ. Критерии устойчивости САУ. Алгебраические критерии устойчивости Рауса, Гурвица, Льенара-Шипара; их формулировки и области использования. Частотные критерии устойчивости Найквиста и Михайлова. Запасы устойчивости и их определения. Критический коэффициент усиления и способы его определения. Устойчивость систем с запаздыванием. Критическое запаздывание. Понятие о структурной неустойчивости САУ. Особенности анализа устойчивости многосвязных систем.

Тема 1.4.3. Анализ управляемости, наблюдаемости, инвариантности

и чувствительности линейных

Понятие управляемости и наблюдаемости объекта; их физический смысл. Управляемость по состоянию и по выходу. Критерии полной управляемости и наблюдаемости Р. Калмана и Е. Гильберта; общие и канонические формы критериев. Оценка управляемости и наблюдаемости объектов по их структурным схемам. Структурные признаки неполной управляемости и наблюдаемости. Определение числа неуправляемых и ненаблюдаемых координат объекта. Инвариантность координат объекта. Связь инвариантности с управляемостью. Понятие чувствительности САУ. Функции чувствительности и уравнения чувствительности. Модели чувствительности и оценка их управляемости.

Тема 1.4.4. Анализ качества процессов управления


Характер затухания переходного процесса при ступенчатом воздействии Показатели качества процесса управления: время переходного процесса, колебательность, перерегулирование. Точность управления. Статическая и динамическая ошибки. Коэффициенты ошибок. Косвенные методы оценки качества переходных процессов. Приближенная оценка качества процесса по распределению нулей и полюсов передаточной функции замкнутой САУ. Интегральные оценки. Оценка качества процесса по амплитудно-частотным характеристикам замкнутой САУ. Прямые методы оценки качества по кривым переходных процессов. Построение переходных процессов САУ методом цифрового моделирования на ЭВМ.

Тема 1.3.5. Синтез и коррекция линейных

Назначение коррекции САУ. Методы повышения точности САУ. Увеличение коэффициента усиления. Повышение порядка астатизма. Влияние местных обратных связей на работу САУ. Жесткие, гибкие и смешанные обратные связи и их влияние на характеристики типовых звеньев. Введение производных и интеграла в закон управления. Типовые законы управления и типовые регуляторы. Определение параметров систем из условия минимума обобщенных интегральных оценок. Обеспечение заданного качества переходных процессов методами модального управления. "Стандартные" переходные характеристики и "стандартные" характеристические полиномы замкнутых САУ. Биноминальные полиномы Ньютона и полиномы Баттерворта. Полиномы, минимизирующие интегральные оценки качества. Полиномы, минимизирующие время переходных процессов. Синтез модальных регуляторов для одномерных и многомерных объектов.


Модуль 2

ОСНОВЫ ТЕОРИИ НЕЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ

Раздел 2.1. Общая характеристика нелинейных САУ


Определение и классификация нелинейных САУ. Типовые нелинейные звенья, их характеристики и математические модели. Задачи и особенности исследования нелинейных САУ. Нелинейные дифференциальные уравнения. Математические модели нелинейных САУ в форме уравнений состояния. Последовательное и параллельное соединение нелинейных звеньев. Структурные схемы нелинейных САУ, их преобразование и приведение к расчетной схеме.

Раздел 2.2. Анализ динамики нелинейных САУ

Особенности динамики нелинейных САУ. Устойчивость нелинейных САУ. Устойчивость "в малом", "в большом" и "в целом". Теоремы А.М.Ляпунова. Точные и приближенные методы исследования динамики нелинейных САУ.

Метод фазового портрета. Метод гармонической линеаризации: математический аппарат и физические основы метода. Гармоническая линеаризация типовых нелинейных элементов. Исследование автоколебаний нелинейных САУ. Методы Л.С. Гольдфарба и Е. П. Попова; их сравнительная оценка и область использования. Абсолютная устойчивость нелинейных САУ; критерий В.М.Попова. Вынужденные колебания нелинейных САУ.

Раздел 2.3. Синтез и качество нелинейных САУ


Задачи и способы коррекции нелинейных САУ. Введение неединичных ли­нейных обратных связей. Получение скользящего и оптимального режимов в релейных системах второго порядка. Компенсация влияния нелинейностей. Вибрационная линеаризация Частотные методы синтеза линейных и нелинейных корректирующих устройств для нелинейных САУ.

Косвенная оценка качества переходных процессов нелинейных САУ по ме­тоду гармонической линеаризации. Прямые методы оценки качества.

Модуль 3

Основы теории линейных импульсных САУ

Раздел 3.1. Общая характеристика импульсных САУ

Тема 3.1.1. Определение и классификация импульсных систем

Определение импульсных систем. Виды модуляции сигналов. Классификация импульсных систем.

Тема 3.1.2. Математические модели импульсных САУ.

Разностные уравнения, передаточные и частотные функции импульсных САУ. Составление расчетной структурной схемы импульсной САУ.

Тема 3.1.3.Цифровые системы.

Элементы и узлы цифровых и импульсных систем. Математические модели цифровых САУ.

Раздел 3.2. Анализ динамики импульсных и цифровых САУ


Тема 3.2.1. Понятия о дискретном преобразовании Лапласа

Методы исследования динамики импульсных и цифровых САУ. Понятия о дискретном преобразовании Лапласа, z-преобразовании и w-преобразовании; связь между указанными преобразованиями.

Тема 3.2.2. Устойчивость импульсных САУ.

Анализ устойчивости при использовании z- и w-преобразований. Аналоги алгебраических и частотных критериев устойчивости для импульсных САУ.

Тема 3.2.3. Оценка качества линейных импульсных САУ.

Ошибки при типовых воздействиях. Коэффициенты ошибок и методы их вычисления. Косвенные оценки качества по степени устойчивости и степени колебательности. Аналоги интегральных оценок качества. Построение переходных процессов импульсных САУ.

Раздел 3.3. Синтез и коррекция импульсных САУ

Тема 3.3.1.Синтез импульсных САУ по заданным показателям качества.

Постановка задачи коррекции импульсных САУ. Методы определения параметров непрерывных и дискретных корректирующих устройств в импульсных САУ.

Тема 3.3.2. Особенности синтеза цифровых САУ

Особенности реализации корректирующих устройств на цифровых машинах. Цифровые автоматические регуляторы. Прямое цифровое управление.

Модуль 4

Случайные процессы в системах автоматического управления

Раздел 4.1. Случайные процессы в линейных САУ

Прохождение случайного сигнала через линейную динамическую систему Корреляционные функции и спектральные плотности выходной переменной и ошибки системы при стационарных случайных внешних воздействиях. Способы вычисления среднего значения квадрата ошибки системы при случайных процессах. Методы повышения точности. Синтез системы по минимуму среднеквадратичной ошибки.

Раздел 4.2. Случайные процессы в нелинейных САУ

Прохождение случайного сигнала через нелинейное звено. Статистическая линеаризация нелинейных звеньев. Влияние случайных процессов на работу нелинейных САУ. Оценка точности нелинейных САУ при стационарных случайных воздействиях. Расчет среднеквадратической ошибки. Методы повышения качества САУ при наличии помех.


Модуль 5


ОПТИМАЛЬНЫЕ, АДАПТИВНЫЕ И РОБАСТНЫЕ САУ


Раздел 5.1. Теория оптимальных САУ


Тема 5.1.1. Основные понятия об оптимальном управлении

Общая постановка задачи оптимального управления. Цель управления. Критерии оптимальности: математические формулировки и физический смысл.

Ограничения по управлениям и координатам объекта управления. Примеры элементов с ограничением координат. Формулировки ограничений в виде функционалов. Влияние вариаций параметров и действия внешних воздействий на качество автоматических систем

Тема 5.1.2. Методы синтеза оптимальных систем

Метод классического вариационного исчисления. Область целесообразного использования метода. Метод динамического программирования Р. Беллмана. Область целесообразного использования метода. Принцип максимума Л. С. Понтрягина: математическая формулировка, физическое содержание и область целесообразного использования.

Тема 5.1.3. Принципы построения оптимальных по быстродействию систем

Математическая формулировка задачи синтеза оптимального по быстродействию управления. Синтез закона оптимального управления в разомкнутой форме. Методы расчета моментов переключений реле. Структурная реализация оптимальных по быстродействию разомкнутых систем и область их применения.

Синтез закона оптимального управления в замкнутой форме. Функция переключения реле и методы ее определения. Применение метода фазовых траекторий при синтезе функции переключения. Линии и гиперплоскости переключения реле.

Синтез оптимальных по быстродействию замкнутых систем управления интегральными и апериодическими объектами второго порядка. Структурная реализация замкнутых оптимальных систем.

Квазиоптимальное управление. Неадекватность реальных объектов управления и их математических моделей. Упрощение оптимальных законов управления (уменьшение количества интервалов управления, изменение моментов переключения реле, линеаризация функций переключения).

Совместная задача оптимизации по быстродействию и расходу энергии. Комбинированный критерий оптимальности. Структурная реализация комбинированной системы, оптимальной по быстродействию и расходу энергии.

Тема 5.1.4.Аналитическое конструирование регуляторов

Задачи оптимизации систем по точности при детерминированных сигналах. Принципы построения оптимальных по точности систем.

Критерий оптимальности, минимизирующий отклонение вектора состояния объекта от заданного вектора. Задача синтеза оптимального регулятора состояния и ее решение с использованием уравнения Риккати.

Критерий оптимальности, минимизирующий отклонение вектора выхода объекта от заданного вектора. Задача синтеза оптимального регулятора выхода. Задача об оптимальном по точности управлении объектом при произвольном законе изменения задающего сигнала (задача оптимиального слежения). Структурная реализация оптимальных по точности регуляторов. Квазиоптимальные по точности регуляторы.

Влияние весовых коэффициентов на динамическую ошибку системы. Понятие об особом управлении при квадратичном функционале качества. Реализация особого управления с помощью регулятора с переменной структурой и скользящего режима


Раздел 5.2. Адаптивные системы и робастное управление


Принцип адаптации в природе и технике. Биокибернетические принципы построения адаптивных систем. Основы классификации адаптивных систем: самонастраивающиеся, самоорганизующиеся и самообучающиеся системы.

Критерии самонастройки систем. Функциональные схемы и основные элементы самонастраивающихся систем. Принципы построения самонастраивающихся систем по сигналам внешних воздействий и по динамическим характеристикам объектов. Системы с вычислителем параметров. Системы с моделями динамических характеристик.

Задачи синтеза контура самонастройки. Выбор принципа построения контура самонастройки. Применение эталонных моделей системы и анализаторов характеристик объектов. Применение подстраиваемых моделей.

Управление в условиях неопределенности. Робастные системы. Робастная устойчивость систем. Синтез оптимальных по быстродействию систем с параметрической неопределенностью объектов.


Практические занятия