Примерная программа дисциплины теория автоматического управления Рекомендуется Минобразованием России для направлений подготовки (специальностей) в области техники и технологии

Вид материалаПримерная программа

Содержание


2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины
3. Объем дисциплины и виды учебной работы
3. Содержание дисциплины 3.1. Разделы дисциплины и виды занятий
3.2. Содержание разделов дисциплины
Раздел 2. Анализ непрерывных линейных САУ; математические модели и характеристики линейных систем.
Раздел 3. Анализ линейных импульсных систем управления; цифровое управление, описание и характеристики цифровых САУ.
Раздел 4. Методы анализа устойчивости линейных объектов и систем.
Раздел 5. Анализ нелинейных объектов и систем управления; устойчивость нелинейных систем.
Раздел 6. Статистические методы исследования динамических систем.
Раздел 7. Методы синтеза детерминированных систем
Раздел 8. Методы синтеза стохастических и адаптивных систем.
5. Лабораторный практикум
6. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
б) дополнительная литература
6.2. Средства обеспечения освоения дисциплины
7. Материально-техническое обеспечение дисциплины
8. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины
Подобный материал:

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ






ПРИМЕРНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ


Теория автоматического управления



Рекомендуется Минобразованием России для направлений
подготовки (специальностей) в области техники и технологии,
сельского и рыбного хозяйства


Москва. 2001г.

1. Цели и задачи дисциплины


Цель изучения дисциплины состоит в овладении методологией управления; общими принципами построения математических моделей объектов и систем автоматического управ-ления (САУ), методами анализа и синтеза САУ.

Задачами изучения дисциплины являются:

a) освоение принципов функционирования и построения математических моделей объектом и систем непрерывного и дискретного управления,

b) знакомство с техническими средствами САУ,

c) овладение классическими методами анализа САУ во временной и частотной областях,

d) освоение способов синтеза САУ,

e) знакомство с современными методами анализа и синтеза динамических систем с использова-нием типовых пакетов прикладных программ.

2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины


В результате изучения дисциплины студент должен

знать:

a) методологические основы функционирования, моделирования и синтеза САУ,

b) основные методы анализа САУ во временной и частотной областях,

c) способы синтеза САУ,

d) типовые пакеты прикладных программ анализа динамических систем;

уметь:

a) построить математическую модель объекта и системы,

b) провести анализ САУ, оценить статические и динамические характеристики,

c) рассчитать основные качественные показатели САУ,

d) выполнить анализ устойчивости системы,

e) провести синтез регулятора.

3. Объем дисциплины и виды учебной работы


Приведено распределение учебной работы для направлений подготовки, имеющих максимальное (360 часов для направления 550200 Автоматизация и управление и соответствую-щих направлений подготовки дипломированных специалистов) и минимальное (85 часов для направления 552900 Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных произ-водств и соответствующих направлений подготовки дипломированных специалистов) число часов.

Максимальный объем часов


Вид учебной работы

Всего часов

Семестры*

Общая трудоемкость дисциплины

360

5

6







Аудиторные занятия:

187

5

6







Лекции

85

5

6







Практические занятия (ПЗ)

68

5

6







Семинары (С)
















Лабораторные работы (ЛР)

34

5

6







и (или) другие виды аудиторных занятий
















Самостоятельная работа

173

5

6







Курсовой проект (работа)

51




6







Расчетно-графические работы

17

5










Реферат
















и (или) другие виды самостоятельной работы

85

5

6







Вид итогового контроля (зачет, экзамен)




зачет

Экз.








* Распределение часов по семестрам устанавливается вузом.


Минимальный объем часов


Вид учебной работы

Всего часов

Семестры

6

Общая трудоемкость дисциплины

85




85







Аудиторные занятия:

51




51







Лекции

27




27







Практические занятия (ПЗ)

12




12







Семинары (С)
















Лабораторные работы (ЛР)

12




12







и (или) другие виды аудиторных занятий
















Самостоятельная работа

34




34







Курсовой проект (работа)
















Расчетно-графические работы

10




10







Реферат
















и (или) другие виды самостоятельной работы

24




24







Вид итогового контроля (зачет, экзамен)

экзамен




экэ.









3. Содержание дисциплины

3.1. Разделы дисциплины и виды занятий





№п/п

Раздел дисциплины

Лекции

ПЗ (или С)

ЛР

1

Понятие объекта и системы автоматического управления; математические модели и классификация САУ.

*







2

Анализ непрерывных линейных САУ; математические модели и характеристики линейных систем.

*

*

*

3

Анализ линейных импульсных систем управления; цифровое управление, описание и характеристики цифровых САУ.

*

*

*

4

Методы анализа устойчивости линейных объектов и систем.

*

*

*

5

Анализ нелинейных объектов и систем управления; устойчивость нелинейных систем.

*

*

*

6

Статистические методы исследования линейных систем.

*

*




7

Методы синтеза детерминированных систем

*

*

*

8

Методы синтеза стохастических и адаптивных систем.

*

*






3.2. Содержание разделов дисциплины

Раздел 1. Понятие объекта и системы автоматического управления; математические модели и классификация САУ.


Автоматическое управление понятие, история создания и развития. Объекты управления и их математическое описание.

Понятие, состав, структура и обобщенная схема автомата. Технические примеры САУ. Информационные аспекты управления техническими системами.

Теория автоматического управления: цели, задачи, современные проблемы. Основные принципы управления и типы САУ. Задачи математического описания (моделирования) САУ. Классификация САУ.

Раздел 2. Анализ непрерывных линейных САУ; математические модели и характеристики линейных систем.


Задачи анализа и описание непрерывной САУ дифференциальным уравнением. Линейные операторы САУ и их классификация. Описание линейных САУ с использованием уравнений состояния (фазовых координат).

Характеристики линейной САУ во временной и частотной областях. Передаточные функции и частотные характеристики. Связь меду частотными и временными характеристиками. Элементарные звенья линейных САУ и их характеристики.

Структурная схема как форма математической модели САУ. Способы построения и преобразования структурных схем. Запись передаточных функций: с использованием структурных схем; с применением сигнальных графов.

Типовые детерминированные воздействия и расчет реакции системы во временной и частотной областях.

Показатели качества (ошибки регулирования); прямые и косвенные методы их оценки. Задачи и методы синтеза линейных САУ. Синтез непрерывных САУ по основным показателям качества методом логарифмических амплитудных и частотных характеристик.

Раздел 3. Анализ линейных импульсных систем управления; цифровое управление, описание и характеристики цифровых САУ.


Понятие импульсного (прерывистого) управления. Особенности описания и классификация дискретных САУ.

Импульсный элемент и его математические модели. Восстановление непрерывного сигнала по дискретной выборке.

Цифровой регулятор и его математические модели. Описание с использованием разностных уравнений состояния. Дискретные преобразования Лапласа и Фурье; передаточная функция и частотные характеристики цифровых устройств, Анализ цифровых регуляторов во временной и частотной областях.

Методы анализа линейной дискретно-аналоговой (цифровой) САУ. Передаточная функция и частотные характеристики разомкнутой и замкнутой цифровой САУ.

Раздел 4. Методы анализа устойчивости линейных объектов и систем.


Основные определения теории устойчивости линейных динамических систем непрерывного времени.

Суждение об устойчивости линейной аналоговой системы по расположению корней характеристического уравнения на комплексной плоскости. Численные методы вычисления корней и их ограничения; методы преобразования матриц системы уравнений.

Аналитические критерии устойчивости. Алгебраические критерии устойчивости Рауса и Гурвица. Принцип аргумента и частотные критерии устойчивости Михайлова и Найквиста. Оценка запаса устойчивости системы. Понятие робастной устойчивости.

Устойчивость цифровых систем для дискретных моментов времени. Корневые признаки устойчивости систем дискретного времени. Аналитический критерий устойчивости Шура-Кона. Использование конформного отображения на основе билинейного преобразования для применения алгебраических критериев устойчивости. Частотные критерии устойчивости цифровых САУ. Способы оценки устойчивости цифровых САУ между моментами дискретизации.

Раздел 5. Анализ нелинейных объектов и систем управления; устойчивость нелинейных систем.


Особенности режимов и анализа нелинейных систем. Типичные нелинейные устройства и их характеристики. Способы аппроксимации нелинейных характеристик.

Уравнения состояния нелинейных систем. Анализ поведения САУ в фазовом пространстве. Численные методы решения уравнений состояния. Применение кусочно-линейных алгоритмов анализа.

Устойчивость положений равновесия. Исследование устойчивости методом линеаризации (первый метод Ляпунова). Прямой метод оценки устойчивости с использованием функций Ляпунова. Частотный метод исследования абсолютной устойчивости.

Анализ фазовых траекторий и особых точек нелинейных систем. Автоколебания и их устойчивость.

Установившиеся режимы в нелинейных системах. Исследование периодических режимов методом гармонического баланса и методом гармонической линеаризации. Метод точечных преобразований исследования процессов в нелинейных системах.

Раздел 6. Статистические методы исследования динамических систем.


Случайные процессы в системах управления и их математическое описание. Оценки математического ожидания случайных процессов в линейных аналоговых САУ. Корреляционные и спектральные методы анализа случайных процессов в линейных системах. Определение установившейся дисперсии выходной величины.

Приближенное исследование процессов в нелинейных системах методом гармонической линеаризации.

Раздел 7. Методы синтеза детерминированных систем


Классификация задач синтеза (программы управления и замкнутой системы, структурный и параметрический и т.д.). Методы построения математической модели объекта по измеренным данным и априорной информации. Понятие теории оптимального эксперимента.

Определение управляемости объектов и систем. Критерий управляемости.

Синтез модальных регуляторов с помощью уравнений состояния или на основе моделей «вход – выход».

Задачи оптимального управления и критерии оптимальности (быстродействие, отклонения от уставки и т.д.). Классические направления теории оптимальных процессов: вариационные методы, динамическое программирование, принцип максимума.

Синтез локально-оптимальных систем. Синтез оптимальных управлений для линейных объектов.

Наблюдаемость объектов и систем. Условия наблюдаемости. Наблюдатели состояния. Синтез САУ с наблюдающими устройствами.

Раздел 8. Методы синтеза стохастических и адаптивных систем.


Задачи оптимального управления стохастическими системами. Управление при неполной информации (в условиях неопределенности). Статистические критерии оптимальности САУ.

Чувствительность динамических систем к вариации параметров. Методы анализа чувствительности во временной и частотной областях. Алгоритмы численного расчета функций чувствительности.

Качественные свойства грубых (робастных) систем; синтез грубых систем.

Методы синтеза стохастических и адаптивных систем. Синтез линейных стохастических систем при стационарных случайных воздействиях. Синтез предельно оптимальных стохастических систем.

5. Лабораторный практикум





№ п/п

№ раздела дисциплины

Наименование лабораторных работ

1

1

Не предусматривается

2

2

Характеристики типовых звеньев САУ и их соединений.

3

2

Характеристики аналоговой системы термостабилизации.

4

2

Характеристики аналоговой следящей системы (электропривода).

5

3

Исследование цифровой системы регулирования температуры.

6

4

Исследование устойчивости линейной САУ

7

5

Характеристики нелинейных элементов САУ

8

5

Исследование нелинейного регулятора температуры

9

6

Не предусматривается

10

7

Исследование САУ с модальным регулятором

11

8

Не предусматривается



6. Учебно-методическое обеспечение дисциплины

а). рекомендуемая литература

  1. Теория автоматического управления: Учебник для машиностроительных специальностей вузов/ В.Н. Брюханов, М.Г. Косов, С.П. Протопопов и др.; Под ред. Ю.М. Соломенцева.- 2-е изд., испр.- М.: Высш. шк., 2000.-268 с.
  2. Афанасьев В.Н., Колмановский В.Б, Носов В.Р. Математическая теория конструирования систем управления: Учеб. для вузов.- 2-е изд., доп.- М.: Высш. шк., 1998.-574 с.
  3. Ерофеев А.А. Теория автоматического управления.- СПб.: «ПОЛИТИКА», 1998.-295 с.

б) дополнительная литература:

  1. Козлов В.Н., Куприянов В.Е., Шашихин В.Н. Вычислительная математика и теория управления. – СПб.: Изд. СПбГТУ, 1996.- 284 с.
  2. Кузовкин В.А., Малицкий М.Ф., Чумаева М.В. Анализ линейных непрерывных систем: Метод. указ. к выполнению лабораторно-вычислительного практикума. – М.: Изд. МГТУ «Станкин»,
    1997 .- 49 с.

6.2. Средства обеспечения освоения дисциплины


Типовые пакеты прикладных программ автоматизированного анализа и проектирования динамических систем и обработки результатов экспериментальных исследований: MATLAB and SIMULINK, LabVIEW, Mathcad.

1. Потемкин В.Г. Система MATLAB.Справочное пособие - М.: ДИАЛОГ- МИФИ, 1997-350 с.

2. Использование виртуальных инструментов LabVIEW. Под ред. К.С. Демирчяна и В.Г. Миронова. М.: Солон-Р, Радио и связь, Горячая линия – Телеком, 1999 – 268 с.

3. Очков В.Ф. Mathcad PLUS для студентов и инженеров.- М.: КомпьютерПресс, 1996 – 238 с

7. Материально-техническое обеспечение дисциплины


Два уровня учебно – исследовательской лаборатории.

1. Лаборатория основ автоматики, включающая типовые аналоговые звенья, регуляторы на базе операционных усилителей, простую разомкнутую и замкнутую систему регулирования (например, температуры) и стандартные электроизмерительные приборы: генератор, осциллограф, вольтметр.

2. Лаборатория систем управления, включающая САУ различных типов и персональные компьютеры для контроля и управления процессами в исследуемом устройстве; как средства измерения характеристик элементов и устройств, построения моделей и их анализа.

(Лаборатория может использоваться для проведения учебно-исследо­вательских работ и вы-полнения проектов).

8. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины


В зависимости от объема дисциплины в часах из полной программы можно исключить ряд разделов и часть материала давать в сокращенном варианте.

Часы

Разделы

200-250

Полностью исключить из рассмотрения материал разделов 6 и 8.

В сокращенном виде рассмотреть разделы 5 и 7.

85

Оставить только разделы 1,2,3,4; причем материал разделов 3 и 4 рассмотреть в несколько сокращенном виде. Из раздела 5 привести только основные свойства и обзор методов расчета нелинейных систем.

В качестве лабораторной базы достаточна первая часть.

Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования для направлений подготовки (специальностей) 550200 – Автоматизация и управление; 552900 -Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств; 553000 – Системный анализ и управление


Программу составили:

Кузовкин В.А.- профессор МГТУ «СТАНКИН»

Козлов В.Н. – профессор СПбГТУ

Программа одобрена на заседании Учебно-методического объединения по образованию в области автоматизированного машиностроения


Председатель совета УМО АМ

ректор МГТУ «Станкин»,

чл-корр. РАН Ю.М. Соломенцев