Программа дисциплины по кафедре Автоматики и системотехники Теория автоматического управления
| Вид материала | Программа дисциплины |
- Программа дисциплины по кафедре Автоматики и системотехники микропроцессорные системы, 453.35kb.
- Программа дисциплины по кафедре Автоматики и системотехники моделирование систем, 250.13kb.
- Рабочая программа учебной дисциплины "теория автоматического управления" Цикл, 168.41kb.
- Программа наименование дисциплины Теория автоматического управления Рекомендуется для, 218.73kb.
- Программа дисциплины по кафедре автоматики и системотехники схемотехника, 375.75kb.
- Программа дисциплины "Теория автоматического управления" Направление, 86.24kb.
- Теория автоматического управления Общая трудоемкость изучения дисциплины составляет, 25.58kb.
- Примерная программа дисциплины теория автоматического управления Рекомендуется Минобразованием, 169.51kb.
- Рабочей программы дисциплины Теория автоматического управления по направлению подготовки, 19.98kb.
- Рабочая программа учебной дисциплины "теория автоматического управления" Цикл, 208.81kb.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Тихоокеанский государственный университет
-
Утверждаю
Проректор по учебной работе
______________ С.В. Шалобанов
“_____” ________________2007_ г.
Программа дисциплины
по кафедре Автоматики и системотехники
Теория автоматического управления
Утверждена научно-методическим советом университета для направлений подготовки (специальностей) в области автоматики и управления
Специальность “Управление и информатика в технических системах”
Хабаровск 2007 г.
Программа разработана в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта, предъявляемыми к минимуму содержания дисциплины и в соответствии с примерной программой дисциплины, утвержденной департаментом образовательных программ и стандартов профессионального образования с учетом особенностей региона и условий организации учебного процесса Тихоокеанского государственного технического университета.
Программу составил
| | Лелянов | | к.т.н. | ||
|---|---|---|---|---|---|
| | Борис | | доцент | ||
| | Николаевич | | Кафедра АИС | ||
| | Ф.И.О. автора | Ученая степень, звание, кафедра | |||
| | | ||||
| Программа рассмотрена и утверждена на заседании кафедры протокол № ______ от «____»__________________ 2007_г | |||||
| Зав.кафедрой__________«__»______ 2007_г | _Чье Ен Ун _______________ | ||||
| Подпись дата | Ф.И.О. | ||||
| | | ||||
| Программа рассмотрена и утверждена на заседании УМК и рекомендована к изданию протокол № ______ от «____»_____________ 2007_г | |||||
| Председатель УМК _______«__»_______ 2007_г | _Фейгин А. В. _______________ | ||||
| Подпись дата | Ф.И.О. | ||||
| Директор института _______«__»_______ 2007_г | Клепиков С. И. __________________ |
| (декан факультета) Подпись дата | Ф.И.О. |
1. Цели и задачи изучаемой дисциплины.
Курс <<Теория автоматического управления >> (ТАУ) является базовой обще профессиональной дисциплиной учебного плана специальности 220201.65 “Управление и информатика в технических системах”, непосредственно и тесно связанной с общеобразовательными и специальными дисциплинами.
- Цель изучения дисциплины.
Целью преподавания ТАУ является подготовка высококвалифицированного специалиста, владеющего основами теории управления и умеющего выполнять исследовательские и расчетные работы по созданию и внедрению в производство линейных и нелинейных автоматических систем непрерывного и дискретного действия. В результате изучения дисциплины специалист должен получить хорошую подготовку по общетеоретическим основам автоматического регулирования и управления и практические навыки выполнения исследовательских и расчетных работ по созданию автоматических систем
1.2 . Задачи изучения дисциплины.
В результате изучения дисциплины студенты должны знать следующее:
- Роль место автоматических систем в задаче автоматизации технических объектов и производства, основные принципы м схемы автоматического управления, историю этой науки, роль российских ученых в ее становлении и развитии;
- Основные типы систем автоматического управления (САУ). их математическое описание и основные задачи исследования, знать роль, содержание и методы линейной и нелинейной теории систем, методы пространства состояний и передаточных функций;
- Владеть методами анализа и синтеза САУ при детерминированных и случайных возмущениях, уметь выполнять расчетные работы по анализу устойчивости, точности и качества систем, синтезу параметров и корректирующих звеньев по заданным требованиям к качеству функционирования систем;
- Знать основы анализа структурных свойств (управляемости и наблюдаемости), проблемы выбора классических регуляторов , модального управления, синтеза следящих систем и наблюдателей состояний;
- Знать основы теории нелинейных систем, методы из математического описания и моделирования, анализа устойчивости, точности и исследования периодических режимов и переходных процессов, выполнять основные расчетные работы по исследованию нелинейных САУ;
- Знать содержание основных задач и принципов оптимального и адаптивного управления;
- знать модели дискретных сигналов и систем, методы их анализа и синтеза;
- Особенности цифровых систем, реализованных на базе управляющих контроллеров;
- Знать содержание основных пакетов системы MATLAB – Simulink и его дополнительные компоненты.
2.ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ОСВОЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ
ДИСЦИПЛИНЫ.
Полученные в ходе изучения дисциплины знания должны позволить студенту уметь:
- использовать полученные знания по ТАУ для проектирования, изготовления и эксплуатации САУ различных по направлениям и применениям ;
- проводить анализ действующих систем с целью улучшения их качественных и эксплуатационных характеристик;
- решать вопросы синтеза регуляторов, обеспечивающих заданное качество процессов управления и позволяющих определить состав, структуру САУ и параметры всех ее устройств из условия удовлетворения заданному комплексу технических требований в классе линейных (стационарных и нестационарных), нелинейных, дискретных и многомерных систем;
- моделировать системы с заданными динамическими свойствами и качественными характеристикам;
- применять основы теории оптимальных систем с целью получения улучшенных качественных и динамических характеристик систем
- осуществлять расчеты и модельные (компьютерные) эксперименты, ориентированные на наглядное подтверждение изучаемых методов и приобретение навыков анализа и синтеза линейных и нелинейных систем.
3.ОБЪЕМ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ.
Таблица 1 – объем дисциплины и виды учебной работы
| Наименование | По учебным планам основной траектории обучения | |
| с максимальной трудоёмкостью | с минимальной трудоёмкостью | |
| Общая трудоёмкость дисциплины | | |
| по ГОС | 360 | 360 |
| по УП | 323 | 323 |
Изучается в семестрах | 5,6 | 5,6 |
| Вид итогового контроля по семестрам | | |
| зачет | 6 | 6 |
| экзамен | 5 | 5 |
| Курсовой проект (КП) | | |
| Курсовая работа (КР) | 6 | 6 |
| Вид итогового контроля самостоятельной работы без отчетностей | | |
| расчетно-графические работы (РГР) | | |
| Реферат (РФ) | | |
| Домашние задания (ДЗ) | | |
| Аудиторные занятия: | | |
| всего | 187 | 187 |
| В том числе: лекции (Л) | 85 | 85 |
| Лабораторные работы (ЛР) | 68 | 68 |
| Практические занятия (ПЗ) | 34 | 34 |
| Самостоятельная работа | | |
| общий объем часов (С2) | 136 | 136 |
| В том числе на подготовку к лекциям | 19 | 19 |
| на подготовку к лабораторным работам | 46 | 46 |
| на подготовку к практическим занятиям | | |
| на выполнение КП | | |
| на выполнение КР | 34 | 34 |
| на выполнение РГР | | |
| на написание РФ | | |
| на выполнение ДЗ | | |
| на экзаменационную сессию | | |
4. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ. 5 семестр . 51 ч.
Содержание дисциплины включает в себя следующие разделы:
4.1. История развития автоматики. Предмет и задачи
дисциплины . Содержание задач управления .
Классификация систем управления.
4.2. Фундаментальные принципы управления, основные виды
автоматического управления. Основные законы
регулирования. Статическое и астатическое
регулирование.
4.3. Структура и функциональные компоненты САУ.
Линеаризация. Преобразование Лапласа и Фурье.
Передаточная функция. Виды типовых воздействий.
4.4 Частотные и временные характеристики. Уравнение
свертки. Диаграмма Боде.
4.5. Элементарные звенья и их характеристики
- Структурные схемы и графы. Правила
эквивалентных преобразований структурных схем.
Передаточные функции разомкнутой и замкнутой
систем.
- Переходные процессы. Процессы автономных систем. Вынужденное и установившееся движения. Статический режим.
- Понятие пространства состояний и модели состояние – выход. Переменные состояния. Модели состояние-выход и переходные процессы. Свойства моделей состояние – выход.
- Модели вход-состояние выход (ВСВ). Передаточная функция (матрица) и структурные схемы моделей ВСВ.
- Фазовые траектории автономной системы второго порядка. Эквивалентные преобразования и канонические представления моделей ВСВ.
- Модели задающих блоков и внешних воздействий. Регуляторы и модели замкнутых систем. Операторные и векторно-матричные модели
- Устойчивость и структурные свойства систем. Техническая и математическая устойчивость. Устойчивость возмущенных систем.
- Критерии устойчивости. Метод Гурвица. Корневые
критерии устойчивости. Первый и второй методы Ляпунова и устойчивые матрицы.
- Критерии устойчивости Михайлова и Найквиста. Запасы
устойчивости по фазе и модулю .
- Области устойчивости в пространстве параметров. D –
разбиение Устойчивость систем с запаздыванием и
систем с иррациональными звеньями .
- Структурные свойства систем управления. Чувствительность, управляемость и наблюдаемость систем управления. Симметричность структурных систем и невырожденные системы.
- Качество систем управления. Показатели качества . Оценка качества по переходным функциям. Установившееся движение и точность. Динамические показатели автономных систем.
- Корневые методы исследования качества. Расположение полюсов и теорема подобия. Анализ быстродействия. Оценки колебательности и быстродействия по норме вектора состояния.
- Метод стандартных переходных функций. Полином Баттерворта и переходные функции.
- Оценка точностных показателей . Точность при постоянных входных воздействиях. Оценка точности в типовых режимах и метод коэффициентов ошибок.
- Методы управления и синтез САУ. Общие принципы управления. Управление выходом и одноконтурные системы.
- Регуляторы и системы управления состоянием. Синтез алгоритма стабилизации и метод модального управления. Стабилизация возмущенного объекта.
- Синтез линейных систем управления. Закон управления, влияние производных и интеграла на свойства процессов управления. Прямые и обратные связи и их влияние на работу САУ.
- Типы коррекции. Последовательные и параллельные корректирующие устройства, неединичная главная обратная связь.
- Корректирующие устройства по внешнему воздействию. Инвариантность. Частотный метод синтеза корректирующих устройств.
- Коррекция в пространстве состояний.
6. СЕМЕСТР . 34 ч.
Нелинейные системы
- Виды и особенности нелинейных систем . Фазовое
пространство и фазовая плоскость. Переходные
процессы и автоколебания на фазовой плоскости. Метод
гармонического баланса .
- Анализ равновесных режимов. Автоколебания в нелинейных системах. Методы линеаризации нелинейных моделей. Вычисление
коэффициентов гармонической линеаризации.
Алгебраический и частотный способы определения
симметричных автоколебаний.
- Исследование устойчивости нелинейных систем.
Первый и второй методы Ляпунова.
Частотный критерий абсолютной устойчивости.
4.30. Процессы управления в автоколебательных системах.
Нелинейные системы с коррекцией.
Дискретные системы
4.31. Дискретные системы. Построение дискретных моделей.
Модели вход – выход. Модели вход- состояние – выход.
Элементарные звенья дискретных систем.
4.32.Основные свойства дискретных систем. Управляемость
и наблюдаемость . Устойчивость дискретных систем
4.33. Качество дискретных систем управления. Динамические
показатели качества. Оценка точностных показателей
4.34. Цифровые системы управления. Аппаратура цифровых
систем. Прохождение сигналов и эквивалентная схема
цифровой системы управления. Особенности цифровых
систем.
4.35. Проблемы дискретизации цифровых моделей .Методы
дискретизации цифровых моделей. Анализ
интервала квантования
Стохастические модели
4.36. Линейные стохастические модели систем управления.
Модели и характеристики случайных сигналов.
4.37. Прохождение случайных сигналов через линейные
Звенья. Анализ и синтез линейных стохастических
систем при стационарных случайных воздействиях.
Оптимальные системы
4.38. Оптимальные системы автоматического управления.
Оптимальное управление, оптимальные передаточные
функции и оптимальные законы управления. Метод
динамического программирования Беллмана.
4.39. Принципы максимума Понтрягина.
4.40.Оптимальные по быстродействию, расходу ресурсов и
и энергии САУ. Теорема об
n – интервалах.
4.41. Аналитическое конструирование
оптимальных регуляторов.
4.42. Робастные системы.
4.43. Адаптивное управление.
Таблица 2 – Разделы дисциплины и виды занятий и работ
| № | Раздел дисциплины | Л | ЛР | ПЗ | КП (КР) | РГР | ДЗ | РФ | С2 |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| 1 | История, фундаментальные принципы управления, законы регулирования | * | * | * | * | | | | |
| 2 | Структура линейных САУ. Преобразование Фурье и Лапласа. Исследования во временной и частотной областях | * | * | * | * | | | | |
| 3 | Устойчивость. Критерии, области устойчивости. | * | * | | | | | | * |
| 4 | Структурные свойства САУ. Качественные характеристики автоматических систем. | * | | | | | | | |
| 5 | Методы управления и синтез САУ | * | | | | | | | |
| 6 | Регуляторы и системы управления состоянием | * | | | | | | | |
| 7 | Типы коррекции. Последовательные и параллельные корректирующие устройства. Коррекция в пространстве состояний | * | * | | | | | | * |
| 8 | Нелинейные системы. Метод гармонического баланса. Равновесные режимы. Автоколебания. | | | | | | | | |
| 9 | Дискретные системы. Свойства. Управляемость, наблюдаемость. Устойчивость. Качество | * | * | * | | | | | * |
| 10 | Цифровые системы автоматического управления, особенности. | * | * | * | | | | | * |
| 11 | Стохастические САУ. Проблемы, прохождение случайных сигналов . | * | * | * | | | | | |
| 12 | Оптимальные САУ. Принцип максимума Понтрягина. Робастные системы. Адаптивное управление. | * | * | * | | | | | * |
5.ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
Перечень лабораторных работ включает в себя следующие поставленные лабораторные работы:
Лабораторная работа 1
Введение в Matlab – Simulink
Цель работы: Ознакомление с моделированием процессов и систем в Matlab - Simulink. Пакеты Signal Processing Tools, Control Toolbox и Simulink
Задание 1. Ознакомиться с общими сведениями об основах визуального моделирования динамических систем. Библиотека Simulink – ядро пакета Simulink запуск и использование Simulink, разделы:
- Sinks;
- Sources;
- Continuous;
- Discrete;
- Math Operations;
- Discontinuities;
- User Defined Functions;
- Signals Attributes;
- Ports & Subsystems;
- Look-Up Tables;
- Model Verification;
- Model-Wide Utilities;
Задание 2. Построение блок схем :
- Выделение объектов;
- Операции с блоками;
- Проведение соединительных линий;
- Метки сигналов;
- Создание подсистем;
- Сохранение и вывод на печать блок-схемы S – модели;
- Примеры создания S – моделей;
Задание 3. Примеры создания S – моделей:
- Моделирование структурных схем статических и астатических систем;
- Моделирование поведения физического маятника;
- Моделирование движения трех тел под действием сил гравитации;