Примерная программа дисциплины теория автоматического управления Рекомендуется Минобразованием России для направлений подготовки (специальностей) в области техники и технологии
| Вид материала | Примерная программа |
- Примерная программа дисциплины общая электротехника и электроника рекомендуется Минобразованием, 250.81kb.
- Примерная программа дисциплины прикладная механика Рекомендуется Минобразованием России, 231.16kb.
- Примерная программа дисциплины гидравлика (механика жидкости и газа) Рекомендуется, 377.85kb.
- Примерная программа дисциплины материаловедение и технология конструкционных материалов, 374.31kb.
- Примерная программа дисциплины детали машин и основы конструирования Рекомендуется, 287.02kb.
- Примерная программа дисциплины теория механизмов и машин Рекомендуется Минобразованием, 326.52kb.
- Примерная программа дисциплины теоретическая механика рекомендуется Минобразованием, 182.77kb.
- Примерная программа дисциплины Экономика предприятия Рекомендуется Минобразованием, 114.3kb.
- Примерная программа дисциплины материаловедение рекомендуется Минобразованием России, 233.03kb.
- Примерная программа дисциплины теплотехника рекомендуется Минобразованием России для, 537.55kb.
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
- 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.
- 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.
- Ерофеев А.А. Теория автоматического управления.- СПб.: «ПОЛИТИКА», 1998.-295 с.
б) дополнительная литература:
- Козлов В.Н., Куприянов В.Е., Шашихин В.Н. Вычислительная математика и теория управления. – СПб.: Изд. СПбГТУ, 1996.- 284 с.
- 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