Geum.ru

Рабочая программа по дисциплине Теория автоматического управления Согласовано Утверждаю

Вид материалаРабочая программа

Содержание


1. Цели и задачи изучаемой дисциплины.
Цель изучения дисциплины.
Задачи изучения дисциплины
3.Требования к уровню освоения содержания
4. Содержание дисциплины.
6. СЕМЕСТР . 34 ч.
Дискретные системы
5. Тематический развернутый план лабораторных занятий
Моделирование стационарных нелинейностей
Нелинейные корректирующие устройства
Исследование адаптивной следящей системы с неявной эталонной моделью.
Операции z- преобразования с помощью программного пакета MATLAB
Разработка цифровых фильтров
Разработка КИХ –фильтра с помощью MATLAB
5. Тематический развернутый план практических занятий
Исследование П – регулятора и ПД - регулятора
Исследование устойчивости методом гармонического баланса
Изучение раздела Discrete (Дискретные элементы) MATLAB-Simulink
Поиск Z- преобразований в области сходимости последовательностей дискретного времени
Свойства Z - преобразования
...
Полное содержание
Подобный материал:

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Хабаровский государственный технический университет


Институт информационных технологий

Кафедра автоматики и системотехники

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА



по дисциплине

Теория автоматического управления


Согласовано Утверждаю

Директор института Начальник учебно-методического управления

Клепиков С.И. Иванищев Ю.Г.


_______________ 200 г. _____________________ 200 г.



спец
Изуч в сем
Отчетность по сем
Объем часов

экз
зач
КП
КР
РГР
По ГОС
По УП
Л
ЛР
ПЗ
ауд
См2

УИТС
5
5












180
173
51
34
17
102






6



6



6



180
150
32
32
16
80





Рабочая программа составлена в соответствии с содержанием и требованиями Государственных образовательных стандартов и утвержденной программой дисциплины


Рабочую программу составил Лелянов Б.Н.


Рабочая программа осуждена на заседании кафедры, протокол № ____ от _________

Заведующий кафедрой Чье Ен Ун


Одобрено Учебно-методической комиссией

Председатель УМКС


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.

    1. 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


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.



3.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.


4. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ.


Тематический развернутый план лекционного курса

5 семестр . 51 ч.

Содержание дисциплины включает в себя следующие разделы:

4.1. История развития автоматики. Предмет и задачи 1ч 1

дисциплины . Содержание задач управления .

Классификация систем управления.

4.2. Фундаментальные принципы управления, 2ч

основные виды

автоматического управления. Основные законы

регулирования. Статическое и астатическое

регулирование.

4.3. Структура и функциональные компоненты САУ. 2ч

Линеаризация. Преобразование Лапласа и Фурье.

Передаточная функция. Виды типовых

воздействий.

4.4 Частотные и временные характеристики. 2ч

уравнение

свертки. Диаграмма Боде.

4.5. Элементарные звенья и их характеристики 2ч
    1. Структурные схемы и графы. Правила 2ч

эквивалентных преобразований структурных

схем. Передаточные функции разомкнутой и

замкнутой систем.
    1. Переходные процессы. Процессы автономных 2ч

систем. Вынужденное и установившееся

движения. Статический режим.
    1. Понятие пространства состояний и модели 2ч

состояние – выход. Переменные состояния.
    1. Модели состояние-выход и переходные

процессы. Свойства моделей состояние – выход. 2ч
    1. Модели вход-состояние выход (ВСВ).

Передаточная функция (матрица) и

структурные схемы моделей ВСВ.
    1. Фазовые траектории автономной системы 2ч

второго порядка. Эквивалентные

преобразования и канонические представления

моделей ВСВ.
    1. Модели задающих блоков и внешних 2ч

воздействий. Регуляторы и модели замкнутых

систем.

Операторные и векторно-матричные модели
    1. Устойчивость и структурные свойства систем. 2ч Техническая и математическая устойчивость. Устойчивость возмущенных систем.
    2. Критерии устойчивости. Метод Гурвица. 2ч

Корневые критерии устойчивости. Первый и

второй методы Ляпунова и устойчивые матрицы.
    1. Критерии устойчивости Михайлова и 2ч Найквиста.Запасыустойчивости по фазе и модулю .
    2. Области устойчивости в пространстве параметров. 2ч

D – разбиение Устойчивость систем с

запаздыванием и систем с иррациональными

звеньями .
    1. Структурные свойства систем управления. 2ч Чувствительность, управляемость и наблюдаемость систем управления. Симметричность структурных систем и невырожденные системы.
    2. Качество систем управления. Показатели 2ч

качества . Оценка качества по переходным

функциям.

Установившееся движение и точность.

Динамические показатели автономных систем.
    1. Корневые методы исследования качества. 2ч

Расположение полюсов и теорема подобия. Анализ

быстродействия. Оценки колебательности и

быстродействия по норме вектора состояния.
    1. Метод стандартных переходных функций. 2ч

Полином Баттерворта и переходные функции.
    1. Оценка точностных показателей . Точность при 2ч постоянных входных воздействиях. Оценка

точности в типовых режимах и метод

коэффициентов ошибок.
    1. Методы управления и синтез САУ. Общие

принципы управления. Управление выходом и 2ч

одноконтурные системы.
    1. Регуляторы и системы управления состоянием. 2ч

Синтез алгоритма стабилизации и метод

модального управления. Стабилизация

возмущенного объекта.
    1. Синтез линейных систем управления. Закон 2ч

управления, влияние производных и интеграла на

свойства процессов управления. Прямые и

обратные связи и их влияние на работу САУ.
    1. Типы коррекции. Последовательные и 2ч

параллельные корректирующие устройства,

неединичная главная обратная связь.
    1. Корректирующие устройства по внешнему 2ч воздействию. Инвариантность. Частотный метод синтеза корректирующих устройств.

Коррекция в пространстве состояний.


Всего за семестр 51ч


6. СЕМЕСТР . 34 ч.


Нелинейные системы

    1. Виды и особенности нелинейных систем . Фазовое 2ч

пространство и фазовая плоскость. Переходные

процессы и автоколебания на фазовой плоскости.

Метод гармонического баланса .
    1. Анализ равновесных режимов. Автоколебания в 2ч нелинейных системах. Методы линеаризации нелинейных моделей. Вычисление

коэффициентов гармонической линеаризации.

Алгебраический и частотный способы определения

симметричных автоколебаний.
    1. Исследование устойчивости нелинейных систем. 2ч

Первый и второй методы Ляпунова.

Частотный критерий абсолютной устойчивости.
    1. Процессы управления в автоколебательных 2ч

системах.

Нелинейные системы с коррекцией.


Дискретные системы

    1. Дискретные системы. Построение дискретных 2ч

моделей. Модели вход – выход. Модели

вход- состояние – выход.

Элементарные звенья дискретных систем.

4.32.Основные свойства дискретных систем.

Управляемость и наблюдаемость . Устойчивость 2ч

дискретных систем

4.33.Качество дискретных систем управления. 2ч

Динамически показатели качества. Оценка

точностных показателей

4.34. Цифровые системы управления. Аппаратура 2ч

цифровых систем. Прохождение сигналов и

эквивалентная схема

цифровой системы управления. Особенности

цифровых систем.

4.35. Проблемы дискретизации цифровых моделей . 2ч

Методы

дискретизации цифровых моделей. Анализ

интервала квантования


Стохастические модели


4.36. Линейные стохастические модели систем 2ч

управления.

Модели и характеристики случайных сигналов.

4.37. Прохождение случайных сигналов через линейные 2ч

Звенья. Анализ и синтез линейных стохастических

систем при стационарных случайных воздействиях.


Оптимальные системы

4.38. Оптимальные системы автоматического 2ч

управления. Оптимальное управление,

оптимальные передаточные

функции и оптимальные законы управления.

Метод динамического программирования

Беллмана.

4.39. Принципы максимума Понтрягина. 2ч

4.40.Оптимальные по быстродействию, расходу 2ч

ресурсов и и энергии САУ. Теорема об

n – интервалах.

4.41. Аналитическое конструирование 2ч

оптимальных регуляторов.


4.42. Робастные системы. 2ч


ИТОГО ЗА СЕМЕСТР 34ч

5. Тематический развернутый план лабораторных занятий





Семестр
№
Наименование темы
Кол-во

часов

V
1
Введение в Matlab-Simulink.
4

2
Исследование переходных характеристик типовых динамических звеньев с испольованием Matlab-Simulink. Пакеты Signal Processing Tools, Control Toolbox и Simolink
4

3
Исследование частотных характеристик типовых динамических звеньев с испольованием Matlab-Simulink. Пакеты Signal Processing Tools, Control Toolbox и Simolink

6

4
Исследование устойчивости САУ с звеном чистого запаздывания
2

5
Исследование точности САУ в установившемся режиме
4

6
Обеспечение инвариантности ошибки следящей системы к задающему воздействию
4




7
Коррекция САУ с помощью последовательного включения интегро – дифференцирующего звена
6




8
Улучшение качества работы САР
2







Итого за семестр
34

VI
1
Моделирование стационарных нелинейностей
4

2
Процессы управления в автоколебательных системах
2

3
Нелинейные корректирующие устройства
4

4
Импульсные САР с цифровым регулятором
6

5
Исследование адаптивной следящей системы с неявной эталонной моделью.
4

6
Структуры реализации цифровых фильтров.
4

7
Операции z- преобразования с помощью программного пакета MATLAB
2

8
Разработка цифровых фильтров
4

9
Разработка КИХ –фильтра с помощью MATLAB
2

10
Разработка КИХ –фильтра с помощью MATLAB
2



ИТОГО за семестр
34



ВСЕГО
68












5. Тематический развернутый план практических занятий





Семестр
№
Наименование темы
Кол-во

часов

V
1
Аналитические модели вход-выход
2

2
Построение моделей вход выход
2

3
Модели вход-состояние выход
2

4
Передаточная функция (матрица) и структурные схемы моделей ВСВ
2

5
Канонические представления моделей ВСВ
2

6
Создание и преобразование LTI – моделей в MATLAB - Simulink
3




7
Создание подсистем. Примеры создания S – моделей
2




8
Критерии устойчивости. Алгебраические критерии устойчивости. Корневые критерии устойчивости
2







Итого за семестр
17

VI
1
Исследование П – регулятора и ПД - регулятора
3

2
Исследование систем со скользящим процессом
2

3
Исследование устойчивости методом гармонического баланса
2

4
Исследование устойчивости нелинейной САУ путем разделения на линейную и нелинейную части

2

5
Изучение раздела Discrete (Дискретные элементы) MATLAB-Simulink
2

6
Поиск Z- преобразований в области сходимости последовательностей дискретного времени
2

7
Свойства Z - преобразования
2

8
Оценка частотной характеристики
2









ИТОГО за семестр
17



ВСЕГО
34












6. Тематика курсовых проектов




Студенты, принимающие участие в НИРС, имеющие связи с предприятиями или местами своего будущего распределения могут выполнять курсовые работы, задание на которые сформулированы их научными руководителями, руководителями предприятий или отделов. Курсовая рабоа может выполняться в рамках дипломного проекта как одна из его основных глав. Наряду с этим студентам предлагается типовое задание.

Объем пояснительной записки типового курсовой работы – 20 страниц. Объем пояснительной записки и графического материала курсовых проектов, выполняемых по индивидуальным заданиям, определяет руководитель КР, но объем должен быть не меньше, чем для типового КР Главной целью выполнения курсовой работы является анализ поставленной задачи и синтез системы автоматического управления с заданными качественными характеристиками на основе исходных данных , с применением инструментальных программных средств MATLAB- Simulink.

При выполнении курсовой работы студенту чаще всего ставится практическая задача с выходом на программную реализацию части работы с графическим интерфейсом по данной дисциплине и анализом достигнутых результатов.

Общее время выполнения курсовой работы 34 час.


Основные направления курсовой работы:

  • синтез САУ с последовательной , параллельной и встречно-параллельной коррекцией;
  • анализ и синтез САУ в пространстве состояний;
  • проектирование цифровых КИХ-фильтров и БИХ-фильтров

с применением программных средств MATLAB-Simulink;
  • проектирование цифровых САУ с аналоговыми объектами;
  • проектирование цифровых САУ с цифровыми объектами;
  • проектирование нелинейных САУ;
  • cинтез нелинейных САУ с нелинейными корректирующими устройствами;
  • разработка инструментальных программных средств для анализа и синтеза САУ (например S - функций) ;



7. КОНТРОЛЬ ЗНАНИЙ СТУДЕНТОВ.


Вопросы входного контроля:
  • основные физические законы;
  • законы Ньютона;
  • примеры простейших схемных решений электротехники и электроники;
  • законы линейных и вращательных движений;
  • линейные дифференциальные уравнения;
  • разностные уравнения;
  • преобразования Фурье;
  • преобразования Лапласа;
  • матрицы и действия над ними;


Вопросы текущего и выходного контроля:


-история развития автоматических регуляторов и автоматов;
  • кибернетика как наука об управлении;
  • переход от принципиальной к функциональной и структурной схемам САУ;
  • определение передаточной функции;
  • основные законы управления;
  • классификация САУ;
  • исследование САУ во временной и частотной областях;
  • элементарные звенья и их характеристики, физические модели;
  • правила преобразования структурных схем;
  • вывод структуры УУ – объект;
  • модель вход –состояние – выход;
  • устойчивость;
  • качество;
  • коррекция;
  • синтез линейных САУ;
  • Нелинейные САУ;
  • Характеристики;
  • Физические модели;
  • Устойчивость ;
  • Методы Ляпунова;
  • Критерии устойчивости Попова;
  • Метод гармонической линеаризации;
  • Коррекция нелинейных САУ;
  • Дискретные САУ;
  • Z – преобразования;.
  • Исследования дискретных систем во временной и частотных областях;
  • Устойчивость дискретных САУ;
  • КИХ –фильтры;
  • БИХ – филтры;
  • Цифровая фильтрация;
  • Характеристики случайных сигналов;

- Адаптивные САУ;

.


8. Выходной контроль


Выходной контроль по дисциплине осуществляется в форме устного экзамена после пятого семестра по экзаменационным билетам , содержащих два теоретически вопроса и задачу. После шестого семестра контроль знаний осуществляется при сдаче курсовой работы и собеседования при сдаче зачета по теоретическому курсу предмета.


9.УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

ДИСЦИПЛИНЫ.


Список основной литературы:

1. К.А. Пупков. Методы теории автоматического управления: учебник для студентов маш прибор.-вузов – М. Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, основной. 2000. 3.Т.
  1. И.В. Мирошник. Тория автоматического управления. М., уч. пос. СПб. и др. Доп. Изд. М.О. РФ., 2005 г.
  2. А.Н. Лебедев. Моделирование в научно-технических исследованиях. Основной. 1989 г.
  3. С.В. Шалобанов. Моделирование и идентификация систем управления.Уч. пос., доп., 1999г.
  4. С.В. Шалобанов. Моделирование систем управления. Методические указания к выполнению курсовой работы для студентов специальности 210100. , доп., 2003 г.
  5. С.В. Шалобанов. Моделирование систем управления : Методические указания к лабораторным работам N 1-5 для студентов специальности 210100 “Управление и информатика в технических системах”, доп., 2000 г.
  6. А.И. Солонина и др. Основы цифровой обработки сигналов. Курс лекций. Осн. СПб: БХВ - Петербург, 2003 г.
  7. Э. Айфичер и Б. Джерфис. Цифровая обработка сигналов, М., СПб, К., доп. 2004 г.
  8. В.П. Дъяков. Д 93 Simulink 4. Специальный справочник, доп. СПб: Питер. 2002 г.
  9. В.П. Дъяков. MATLAB 6.5 SP1/7.0 Simulink 5/6. Основы применения. Доп. М. Солон-Пресс., 2005 г.
  10. Ю. Лазарев. Моделирование процессов и систем в МАTLAB. Учебный курс. Доп. М.,СПб., и др. 2005 г.
  11. Г. Олссон и Д. Пиани. Цифровые системы автоматизации и управления. Санкт-Петербург , 2001 г.

23. Фигурнов В. Э. IBM PC для пользователя. Краткий курс. – М.: Инфра-М, 1998. – 480 с. Информатика. Базовый курс / Симонович С. В. и др. – СПб.: Издательство «Питер», 2000. – 640 с.

24. Борланд Р. Знакомство с Windows 98. – М.: Microsoft Press Русская редакция, 1999. – 376 с.

25. Лелянов Б.Н. Лабораторная работа N20 Моделирование стационарных нелинейностей. Хабаровск 2006г.
  1. Лелянов Б.Т. Лабораторная работа Ядро пакета SIMULINK.Хабаровск 2006г.
  2. Чинаев П.И. Беседы по автоматике 1971г. Изд. Технiка.

Киев.
  1. Нетушил А.В. Теория автоматического управления . 1-2 т.

М. Выш. Шк. 1976.
  1. Берлинер М.А. Теория автоматического управления.

МАДИ. М. 1971г.
  1. Попов Е. П. Теория автоматического регулирования и управления. 1-2 Т. М.В.Ш. – 82г.
  2. А.М. Васьковский, Б.Н. Лелянов Локальные системы автоматики. Учебное пособие. Хабаровск 1991.
  3. Б.Н. Лелянов . Методические указания для выполнения курсовой работы по курсу теория управления. Хабаровск . Издательство ХГТУ 2000г.


Список дополнительной литературы:


1.Скотт Мейерс Эффективное использование Си++.ДМК,2000.-220с.
  1. В.А. Бесекерский, Е.П. Попов. Теория систем автоматического управления.
  2. А.А. Воронов. Теория автоматического управления. 1-2т. М. В.Ш. 1972г.


Для проведения лабораторных работ необходимы IBM PC- совместимые компьютеры. Минимальные системные требования: Intel Pentium 5, 3,4 ГГц, 64 Mb RAM, SVGA, ОС- Windows XP.


.




ПЛАН – ГРАФИК САМОСТОЯТЕЛЬНО РАБОТЫ СТУДЕНТОВ



по дисциплине Теория автоматического управления

Институт ИИТ Специальность 210100

Специализация – «Управление и информатика в технических системах

семестр 5

часов в неделю: (лек. – лб. – практ.) 5: 3 – 2 – 1;

Ф. кол-во С2 4;

Таблица 1. Распределение часов на 5 семестр




Распределение часов

учебного плана
Объем

домашних

заданий

Распределение нормативного времени самостоятельной работы студентов по неделям семестра





Вид

заня

тия


Ауд
С2





всего
в том

числе:

страниц

текста

чертежей

формата А0

На изуч. Тео-

рии
выполнение задания
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17

Лек-

ции
51
17
17









1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0

Лаб. занятия
34
34
34









2,0
2,0
2,0
2,0
2,0
2,0
2,0
2,0
2,0
2,0
2,0
2,0
2,0
2,0
2,0
2,0
2,0

Пр.зан
17
17
17









1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1

Итого
102
68
68









4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4


семестр 6

часов в неделю: (лек. – лб. – практ.-к.р.) 6: 0.5 –2- 0.5 - 1

Ф. кол-во С2 4;


Таблица 2. Распределение часов на 6 семестр
Распределение часов

учебного плана
Объем

домашних

заданий

Распределение нормативного времени самостоятельной работы студентов по неделям семестра



Вид

заня

тия


Ауд
С2





всего
в том

числе:

страниц

текста

чертежей

формата А1

На изуч. Тео-

рии
выполнение задания
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16

Лек-

ции
32
8
8









0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5

Лаб. занятия
32
32
32









2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
1,0
1,0
1,0
1,0

ПР.зан
17
8
8






-
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5

К.Р.



17



17
20



1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1

Итого
81
65
48
17






4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4


Лектор Лелянов Б.Н.