Тематика курсовых проектов - Забайкальский институт

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования «Иркутский государственный университет путей сообщения»
ЗАБАЙКАЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА - филиал
федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего
профессионального образования «Иркутский государственный университет путей сообщения»
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
С.3.Б.11. ТЕОРИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 190901.65 «Система обеспечения движения поездов»
СПЕЦИАЛИЗАЦИИ
СОД.1 «Энергоснабжение железных дорог»,
СОД. 2 «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте»,
СОД.3 «Телекоммуникационные сети и системы железнодорожного транспорта»
КВАЛИФИКАЯ ВЫПУСКНИКА специалист
НОРМАТИВНЫЙ СРОК ОБУЧЕНИЯ 5 лет
ФОРМА ОБУЧЕНИЯ очная
ФАКУЛЬТЕТ «Наземные транспортные системы» Забайкальского института
железнодорожного транспорта
КАФЕДРА «Электроснабжение»
ЧИТА
2012 г.
1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ОСВОЕНИЯ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
Целью освоения учебной дисциплины «Теория автоматического управления» 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
Задачи изучения учебной дисциплины «Теория автоматического управления»:
В результате изучения дисциплины студенты должны знать:
- Роль и место автоматических систем в задаче автоматизации технических объектов и производства, основные принципы и 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;
- Основы анализа структурных свойств (управляемости и наблюдаемости), проблемы выбора классических регуляторов, модального
управления, синтеза следящих систем и наблюдателей состояний;
- Основы теории нелинейных систем, методы их математического описания и моделирования, анализа устойчивости, точности и
исследования периодических режимов и переходных процессов, выполнять основные расчетные работы по исследованию нелинейных
САУ;
- Содержание основных задач и принципов оптимального и адаптивного управления;
- Модели дискретных сигналов и систем, методы их анализа и синтеза;
- Особенности цифровых систем, реализованных на базе управляющих контроллеров;
- Содержание основных пакетов системы MATLAB – Simulink и его дополнительные компоненты.
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.
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;
2. МЕСТО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП
Учебная дисциплина «Теория автоматического управления» входит в базовую часть профессионального цикла.
Необходимыми условиями для освоения дисциплины «Теория автоматического управления» являются знания по дисциплинам
естественнонаучного цикла, таким как «Физика», «Теория дискретных устройств», «Электроника», «Математическое моделирование систем и
процессов», по дисциплинам профессионального цикла – «Теоретические основы электротехники», «Электрические машины», «Электрические
измерения», «Метрология, стандартизация и сертификация».
Содержание дисциплины «Теория автоматического управления» служит основой для освоения дисциплин: «Автоматика и телемеханика
на перегонах», «Станционные системы автоматики и телемеханики», «Современные системы интервального регулирования движения поездов»,
«Теоретические основы автоматики и телемеханики», «Электроснабжение железных дорог», «Автоматизация систем электроснабжения».
3. ТРЕБОВАНИЯ К РЕЗУЛЬТАТАМ ОСВОЕНИЯ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
Процесс освоения дисциплины «Теория автоматического управления» направлен на формирование следующих компетенций
Код
компетенции
ПК-10
ПК-25
ПК-26
Наименование компетенции
Способностью применять знания в области электротехники и электроники для разработки и внедрения
технологических процессов, технологического оборудования и технологической оснастки, средств
автоматизации и механизации.
Умением использовать информационные технологии при разработке новых устройств систем обеспечения
движения поездов, ремонтного оборудования, средств механизации и автоматизации производства.
Умением разрабатывать с учетом эстетических, прочностных и экономических параметров технические
задания и проекты устройств электроснабжения, железнодорожной автоматики и телемеханики,
стационарной и подвижной связи, средств защиты устройства при аварийных ситуациях; определять цель
проекта; способностью составлять планы размещения оборудования, технического оснащения и
организации рабочих мест, рассчитывать загрузку оборудования и показатели качества продукции,
проводить сравнительный экономический анализ и экономическое обоснование инвестиционных проектов
при внедрении и реконструкции систем обеспечения движения поездов.
4. ТРУДОЕМКОСТЬ И СТРУКТУРА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
Общая трудоемкость дисциплины составляет 5 зачетных единиц, 144 часа.
Распределение трудоемкости дисциплины по видам аудиторных занятий и самостоятельной работы студентов
Виды аудиторной занятий и самостоятельной работы студента
Аудиторные занятия, в т.ч.
лекции
практические (семинарские) занятия – выполнение курсового проекта
лабораторные занятия
Самостоятельная работа студента, в т.ч.
подготовка к практическим занятиям
подготовка к семинарским занятиям
подготовка к лабораторным занятиям
проработка лекционного материала
изучение теоретического материала, выносимого на самостоятельную работу
выполнение расчетно-графических работ
выполнение домашних заданий
подготовка к текущему контролю
выполнение работы по анализу конкурентной ситуации
подготовка к промежуточной аттестации – экзамен
Итого
.
Трудоемкость
в часах
72
36
18
18
72
36
36
144
4
5 экзамен
5
6
7
8
9
10
ПК-10, ПК-25,
ПК-26
ПК-10, ПК-25,
ПК-26
ПК-10, ПК-25,
ПК-26
ПК-10, ПК-25,
ПК-26
ПК-10, ПК-25,
ПК-26
ПК-10, ПК-25,
ПК-26
ПК-10, ПК-25,
ПК-26
ПК-10, ПК-25,
ПК-26
ПК-10, ПК-25,
ПК-26
Формы текущего контроля
Всего часов
3
ПК-10, ПК-25,
ПК-26
Самостоятельная
работа студентов
2
История развития автоматики. Предмет и задачи дисциплины. Содержание
задач управления. Классификация систем управления.
Фундаментальные принципы управления, основные виды автоматического
управления. Основные законы регулирования. Статическое и астатическое
регулирование.
Структура и функциональные компоненты САУ. Линеаризация.
Преобразование Лапласа и Фурье. Передаточная функция. Виды типовых
воздействий.
Частотные и временные характеристики. Уравнение свертки. Диаграмма Боде.
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.
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.
Качество систем управления. Показатели качества. Оценка качества по
переходным функциям. Установившееся движение и точность. Динамические
показатели автономных систем.
Методы управления и синтез САУ. Общие принципы управления. Управление
выходом и одноконтурные системы. Регуляторы и системы управления
Лабораторные
занятия
1
Наименование раздела (дидактической единицы) дисциплины
2
2
4
8
КНС,
ЗЛР, Т
2
2
4
8
КНС,
ЗЛР, Т
2
2
4
8
КНС,
ЗЛР, Т
4
КНС,
ЗЛР, Т
2
Практические/
семинарские
занятия
Номер
раздела
дисциплины
Распределение трудоемкости
дисциплины по разделам и видам
учебной нагрузки
(в часах)
Лекции
Номер
семестра.
Форма
промежуточной
аттестации
Код компетенции
5. СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
5.1. Распределение трудоемкости дисциплины по разделам и видам аудиторных занятий, формы текущего контроля, лекции
2
2
2
2
2
2
4
10
2
2
2
4
10
2
2
2
2
4
2
4
КНС,
ЗЛР, Т
КНС,
ЗЛР, Т
КНС,
ЗЛР, Т
КНС,
ЗЛР, Т
8
КНС,
ЗЛР, Т
2
КНС,
ЗЛР, Т
11
12
13
14
15
16
17
18
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.
Виды и особенности нелинейных систем. Фазовое пространство и фазовая
плоскость. Переходные процессы и автоколебания на фазовой плоскости.
Метод гармонического баланса.
Исследование устойчивости нелинейных систем. Первый и второй методы
Ляпунова. Частотный критерий абсолютной устойчивости.
Дискретные системы. Построение дискретных моделей. Модели вход – выход.
Модели вход- состояние – выход. Элементарные звенья дискретных систем.
Основные свойства дискретных систем. Управляемость и наблюдаемость.
Устойчивость дискретных систем.
Качество дискретных систем управления. Динамически показатели качества.
Оценка точностных показателей. Цифровые системы управления. Аппаратура
цифровых систем. Прохождение сигналов и эквивалентная схема цифровой
системы управления. Особенности цифровых систем.
Линейные стохастические модели систем управления. Модели и
характеристики случайных сигналов. Прохождение случайных сигналов через
линейные звенья. Анализ и синтез линейных стохастических систем при
стационарных случайных воздействиях.
Итого часов за 5 семестр
Итого часов по дисциплине
ПК-10, ПК-25,
ПК-26
ПК-10, ПК-25,
ПК-26
ПК-10, ПК-25,
ПК-26
ПК-10, ПК-25,
ПК-26
ПК-10, ПК-25,
ПК-26
ПК-10, ПК-25,
ПК-26
ПК-10, ПК-25,
ПК-26
ПК-10, ПК-25,
ПК-26
2
2
2
2
2
КНС,
ЗЛР, Т
2
4
8
КНС,
ЗЛР, Т
2
4
10
КНС,
ЗЛР, Т
2
КНС,
ЗЛР, Т
10
КНС,
ЗЛР, Т
2
2
2
2
2
2
4
КНС,
ЗЛР, Т
2
2
4
КНС,
ЗЛР, Т
2
2
4
КНС,
ЗЛР, Т
36
18
18
36
18
18
4
36
+
36
экз.
72
108
+
36
экз.
144
ЭК
5.2 Лабораторные занятия
№
занятия
Номер
раздела
дисциплины
1
1
2
2
3
3
4,5
6,7,8
6
9
7
12,13
8
13
Лабораторная работа №6. Коррекция САУ с помощью последовательного включения интегро –
дифференцирующего звена
Лабораторная работа №7. Улучшение качества работы САР
9
15
Лабораторная работа №8. Моделирование стационарных нелинейностей
Наименование лабораторной работы
Содержание занятия
Лабораторная работа №1. Введение в Matlab-Simulink.
Лабораторная работа №2. Исследование переходных характеристик типовых динамических
звеньев с использованием Matlab-Simulink.
Лабораторная работа №3. Исследование частотных характеристик типовых динамических звеньев
с использованием Matlab-Simulink.
Лабораторная работа №4. Исследование устойчивости САУ со звеном чистого запаздывания
Лабораторная работа №5. Исследование точности САУ в установившемся режиме
Методы обучения
Учебнометодическое и
информационное
обеспечение
дисциплины
Исследовательский и
частично поисковый
Исследовательский и
частично поисковый
Исследовательский и
частично поисковый
Исследовательский и
частично поисковый
Исследовательский и
частично поисковый
Исследовательский и
частично поисковый
Исследовательский и
частично поисковый
Исследовательский и
частично поисковый
5.3. Практические (семинарские) занятия
№
занятия
Номер
раздела
дисциплины
1
4
2
6,7,8
3
13
Критерии устойчивости. Алгебраические критерии устойчивости. Корневые критерии
устойчивости
Исследование П – регулятора и ПД - регулятора
4
15
Исследование устойчивости методом гармонического баланса
5,6
15
Исследование устойчивости нелинейной САУ путем разделения на линейную и нелинейную части
7
16,17
Наименование лабораторной работы
Содержание занятия
Аналитические модели вход-выход. Построение моделей вход выход
Изучение раздела Discrete (Дискретные элементы) MATLAB-Simulink
Методы обучения
Исследовательский и
частично поисковый
Исследовательский и
частично поисковый
Исследовательский и
частично поисковый
Исследовательский и
частично поисковый
Исследовательский и
частично поисковый
Исследовательский и
частично поисковый
Учебнометодическое и
информационное
обеспечение
дисциплины
8
17
Поиск Z- преобразований в области сходимости последовательностей дискретного времени
9
18
Свойства Z - преобразования
Исследовательский и
частично поисковый
Исследовательский и
частично поисковый
6. САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА СТУДЕНТОВ (СРС)
6.1. Курсовой проект
Основные направления курсовой работы:
-
синтез САУ с последовательной, параллельной и встречно-параллельной коррекцией;
анализ и синтез САУ в пространстве состояний;
проектирование цифровых 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);
Тематика курсовых проектов:
Студенты, принимающие участие в НИРС, имеющие связи с предприятиями или местами своего будущего распределения могут выполнять
курсовые работы, задание на которые формулируются их научными руководителями, руководителями предприятий или отделов. Курсовая работа
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 курсового проекта 18 час.
6.2. Другие виды СРС, предусмотренные рабочей программой
Номер
раздела
дисциплины
№
1
1.
2
2.
3
3.
6,7,8
4.
9
5.
12,13
6.
13
7.
15
8.
1,2,3,4,
5,6,7,8
9.
Виды и наименования СРС
Подготовка к выполнению и защите лабораторной работы «Введение в MatlabSimulink».
Подготовка к выполнению и защите лабораторной «Исследование переходных
характеристик типовых динамических звеньев с использованием MatlabSimulink».
Подготовка к выполнению и защите лабораторной «Исследование частотных
характеристик типовых динамических звеньев с использованием MatlabSimulink».
Подготовка к выполнению и защите лабораторной «Исследование
устойчивости САУ со звеном чистого запаздывания».
Подготовка к выполнению и защите лабораторной «Исследование точности
САУ в установившемся режиме».
Подготовка к выполнению и защите лабораторной «Коррекция САУ с
помощью последовательного включения интегро – дифференцирующего
звена».
Подготовка к выполнению и защите лабораторной «Улучшение качества
работы САР».
Подготовка к выполнению и защите лабораторной «Моделирование
стационарных нелинейностей».
Подготовка к экзамену
Итого часов на СРС
Трудоемкость СРС в
часах
Сроки выполнения
СРС
Выдача
СРС,
неделя
Сдача
СРС,
неделя
4
1
3
4
3
5
4
5
7
4
7
9
4
9
11
4
11
13
4
13
15
4
15
17
36
17
18
Источник
задания
на СРС
72
7. ФОРМЫ КОНТРОЛЯ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Текущий контроль студентов производится в следующих формах: готовность к выполнению лабораторной работы; отчет по выполненной
лабораторной работе, тестирование в интерактивном виде, защита курсового проекта.
Рубежная аттестация проходит четыре раза в семестр по текущей успеваемости каждые четыре-пять недель (заполнение успеваемости в АСУВУЗ» - процентовка).
Фонды оценочных средств, включающие типовые задания, тесты и методы контроля, позволяющие оценить результаты обучения по данной
дисциплине, включены в состав УМКД.
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;
Выходной контроль
Выходной контроль по дисциплине осуществляется в форме устного экзамена после пятого семестра по экзаменационным билетам,
содержащих два теоретически вопроса и задачу.
8. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Основная литература
1.
К.А. Пупков. Методы теории автоматического управления: учебник для студентов – М. Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. 3.Т.
1.
2.
3.
Э. Айфичер и Б. Джерфис. Цифровая обработка сигналов, М., СПб, К., 2004 г.
В.П. Дъяков. Д 93 Simulink 4. Специальный справочник, СПб: Питер. 2002 г.
В.П. Дъяков. MATLAB 6.5 SP1/7.0 Simulink 5/6. Основы применения. М. Солон-Пресс., 2005 г.
Дополнительная литература
1.
2.
3.
Ю. Лазарев. Моделирование процессов и систем в МАTLAB. Учебный курс. М.,СПб., и др. 2005 г.
Г. Олссон и Д. Пиани. Цифровые системы автоматизации и управления. Санкт-Петербург , 2001 г.
Лелянов Б.Т. Лабораторная работа Ядро пакета SIMULINK.Хабаровск 2006 г.
9. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
1. Лекционные и лабораторные занятия
1.1. комплект электронных презентаций/слайдов;
1.2. презентационная техника (проектор, экран, компьютер/ноутбук, телевизор, видеомагнитофон);
2. Лабораторный практикум осуществляется в компьютерном классе ауд. 4.24.
1. Персональный компьютер - 14 шт.;
2. Программа MATLAB 6.5, Simulink 5.6 лицензионная.
Программа по учебной дисциплине «Теория автоматического управления»
составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО специальности 190901.65
«Системы обеспечения движения поездов»
Специализация:
СОД.1 «Энергоснабжение железных дорог»,
СОД. 2 «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте»,
СОД.3 «Телекоммуникационные сети и системы железнодорожного транспорта».
Рабочую программу составили к.т.н., доцент Менакер К.В.
ЛИСТ РЕГИСТРАЦИИ ИЗМЕНЕНИЙ
в рабочей программе учебной дисциплины «ТЕОРИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО
УПРАВЛЕНИЯ»
Часть текста, подлежащая
изменению в документе
№
№
раздела
№
пункта
№
подпункта
Общее количество
страниц
до
внесения
изменений
после
внесения
изменений
Основание для
внесения изменения,
документ
Подпись
отв. исп.
Дата