знать - Калининградский государственный технический

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Калининградский государственный технический университет»
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебнометодической работе
__________А.Л. Гудков
«___» ____________ 2014 г.
Рабочая программа дисциплины
ТЕОРИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
Профессиональный цикл, вариативная часть
Специальность
180407 - Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики
Квалификация (степень) выпускника
специалист
Форма обучения
очная, заочная
Факультет автоматизации производства и управления
Кафедра-разработчик – кафедра автоматизации производственных процессов
Калининград 2014
1. Цели и задачи дисциплины
Целью освоения дисциплины «Теория автоматического управления» является
формирование у студентов знаний и умений анализа и синтеза судовых систем
автоматизации и управления (САУ).
Задачи дисциплины:
- рассмотрение основных задач теории автоматического управления (ТАУ):
информационной, устойчивости, точности, грубости (робастности), оптимизации,
адаптации.
Информационная проблема обычно решается методом декомпозиции, те
снижения общесистемных задач до уровня локальных решений, что согласуется с
иерархическим подходом к построению систем управления и одним из основных
принципов системного подхода - принципом рекуррентного объяснения, согласно
которому поведение рассматриваемого уровня системы объясняется свойствами
подсистем нижележащего уровня и особенностями их взаимосвязей.
На этих локальных решениях и отрабатывается аппарат ТАУ. Анализу и синтезу
проектируемой САУ предписывают задачи построения математической модели объекта
управления и выбора технических элементов неизменяемой и изменяемой частей
системы. Математическая модель системы формируется путем аналитического
описания физических процессов, происходящих в объекте. Коэффициенты моделей
обычно определяют по экспериментальным данным. Совокупность уравнений, знаний
диапазонов изменений коэффициентов уравнений, входных и выходных переменных
позволяет составить структурную схему объекта с помощью передаточных функций,
графов или матриц. Структурные схемы с передаточными функциями элементов
позволяют не только выявить внутренние связи, но и определить возможные места
включений различных устройств компенсации.
Упрощение полученных моделей достигается линеаризацией уравнений в
приращениях относительно опорной траектории движения или методом наименьших
квадратов. При наличии ступенчатых или разрывных функций применяют методы
гармонической или статистической линеаризации.
Принятый порядок анализа САУ состоит в последовательном выполнении
следующих действий: исследовании устойчивости, качеств и точности, а также
чувствительности свойств системы к относительно малым изменениям характеристик
ее отдельных элементов.
Задача синтеза в простом случае сводится к выбору типа и параметров
корректирующих устройств (регуляторов), обеспечивающих наиболее точное
воспроизведение регулярных сигналов управления.
Задача синтеза оптимальных систем управления с учетом ограничений,
накладываемых на управляющие воздействия или фазовые координаты, в основном
решают с использованием принципа максимума Понтрягина или метода
динамического программирования Беллмана. Корректирующие устройства,
синтезированные этими методами, являются существенными нелинейными
2. Место дисциплины в структуре основной образовательной программы
(ООП) специалиста
Дисциплина «Теория автоматического управления» входит в состав
вариативной части профессионального цикла ООП и изучается в пятом семестре
Дисциплина «Теория автоматического управления» является дисциплиной в области
проектирования и использования судовых систем автоматизации и управления.
Дисциплина опирается на знания, полученные при освоении курсов и дисциплин
«Математика», «Теоретические основы электротехники», «Судовая электроника».
Результаты освоения дисциплины используются при изучении последующих
дисциплин профессионального цикла ООП, обеспечивающих дальнейшую подготовку
в указанной области, - «Элементы и функциональные устройства судовой автоматики»,
«Судовые
автоматизированные
электроэнергетические
системы»,
«Основы
технической эксплуатации судового электрооборудования и средств автоматики» а
также в профессиональной деятельности.
3. Компетенции обучающего, формируемые в результате освоения
дисциплины
В результате освоения дисциплины «Теория автоматического управления » у
обучающегося формируются следующие профессиональные (ПК) компетенции (или
их элементы), предусмотренные ФГОС ВПО:
- способность и готовность осуществлять безопасное техническое
использование, техническое обслуживание судового электрооборудования и средств
автоматики в соответствии с требованиями международных и национальных
нормативно-технических документов (ПК-7);
- способность осуществлять техническое наблюдение за безопасной
эксплуатацией судового электрооборудования и средств автоматики, проведение
экспертиз, сертификации судового электрооборудования и средств автоматики и
услуг (ПК-11);
способность
применять
базовые
знания
фундаментальных
и
профессиональных дисциплин, проводить технико-экономический анализ,
обосновывать
принимаемые
решения
по
использованию
судового
электрооборудования и средств автоматики, решать на их основе практические
задачи профессиональной деятельности (ПК-15).
В результате изучения дисциплины студент должен:
знать:
-
Фундаментальные принципы, основные виды и законы управления;
-
Методы математического описания, анализа и
непрерывных и дискретных систем;
-
Основные методы анализа нелинейных и стохастических систем;
-
Постановку задач синтеза оптимальных и адаптивных систем, сущность
эффективных методов оптимизации алгоритмов управления.
синтеза линейных
уметь:
-
составлять математические описания систем автоматизации и управления;
-
осуществлять анализ устойчивости и качества систем автоматизации и
управления;
-
выбирать структуры и схемы автоматизации систем регулирования и
управления;
-
выполнять параметрический синтез систем автоматизации;
-
синтезировать
объектами.
законы
и
алгоритмы
управления
технологическими
владеть:
- навыками
управления;
проектирования
и
эксплуатации
систем
автоматизации
и
4. Структура и содержание дисциплины
4.1 Структура дисциплины
Общая трудоемкость дисциплины «Теория автоматического управления»
составляет 4 зачетных единицы (ЗЕТ), т. е. 144 академических часа в пятом семестре
(144 часа, из них 60 часов – аудиторные занятия (АЗ), 84 часа – самостоятельная
работа студента (СРС). Итоговая аттестация по дисциплине (пятый семестр) –
экзамен. Также в пятом семестре предусматривается курсовая работа, по результатам
которой также выставляется оценка. Более подробные сведения о структуре
дисциплины, видах, трудоемкости и формах контроля учебной работы студентов
приведены в нижерасположенной таблице.
Нелинейные модели САУ
Линейные
дискретные
модели САУ
Линейные
стохастические модели
САУ
Оптимальные
и
адаптивные САУ
7.
8.
Выполнение курсовой работы
Подготовка к экзамену и его
сдача в период экзаменационной
сессии
Всего по дисциплине
Всего
СРС
5.
6.
5
ПЗ
Синтез линейных САУ
ЛЗ
4.
2.
АЗ
Формы текущего
контроля
успеваемости и
итоговой
аттестации по
дисциплине
ЛК
3.
Основные понятия
теории, принципы
построения и
классификация систем
автоматического
управления (САУ)
Линейные непрерывные
модели и характеристики
САУ
Анализ линейных САУ
1.
Неделя
семестра
№ п/п
Тема дисциплины
Семестр
Трудоемкость
учебной
работы по ее видам (час.)
1
2
2
2
2
8
Тестирование
Защита лаб.работы
2-3
4
2
4
2
12
Защита лаб.работы
Контроль на ПЗ
4-6
8
4
4
4
18
7-9
8
4
4
4
18
10-12
13
4
2
4
-
-
4
2
10
4
Защита лаб.работ
Контроль на ПЗ
Защита лаб.работ
Контроль на ПЗ
Защита лаб.работ
Защита лаб.работы
14
1
-
-
2
1
Тестирование
15-16
1
-
-
2
1
Тестирование
7-17
-
-
-
26
26
-
-
-
36
36
Защита
курсовой
работы
Экзамен
30
16
60
14
84
144 Экзамен
4.2 Теоретические занятия (лекции)
№
п/п
1
2
3
Тема
дисциплины
Содержание
Понятия: объект управления и его координаты
(переменные),
цель
и
критерии
качества
функционирования объекта, управление как способ
достижения цели, закон управления, орган управления
и система управления.
Основные
Поведение объектов и САУ. Основные задачи
понятия теории,
управления технологическими объектами.
принципы
Информация
и
принципы
управления.
построения и
Функциональные схемы автоматического регулятора
классификация
(АР) систем автоматического регулирования (САР) и
систем
управления (САУ).
автоматического
Классификация
систем
управления.
управления (САУ)
Автоматизированные
системы
управления
технологическими процессами, их структура, виды
обеспечения.
Примеры
САУ
техническими,
экономическими и организационными объектами.
Интеллектуальные системы. Задачи ТАУ.
Пространство состояний и число степеней свободы
системы. Модели вход-выход и их линеаризации.
Типовые
входные
воздействия.
Временные
характеристики. Связь выходного и входного сигналов
системы на основании интеграла свертки. Понятие о
Линейные
передаточной функции. Частотные характеристики.
непрерывные
Логарифмические частотные характеристики. Понятие
модели и
и минимально и неминимально фазовых системах.
характеристики
Условие физической реализуемости.
САУ
Типовые звенья и их характеристики. Типовые
соединения звеньев и преобразование структурных
схем. Аппроксимация экспериментальных переходных
характеристик типовыми звеньями.
Устойчивость линейной системы: понятие
устойчивости состояния, необходимое и достаточное
условие устойчивости состояния, алгебраические и
частотные
критерии
устойчивости
(Гурвица,
Михайлова, Найквиста); запасы устойчивости; влияние
параметров модели на запас устойчивости; структурная
устойчивость
и
неустойчивость.
Определение
устойчивости
по
логарифмическим
частотным
Анализ линейных характеристикам. Частотные критерии устойчивости
для систем с запаздыванием.
САУ
Понятие и показатели качества управления.
Аналитические
и
экспериментальные
методы
построения переходных процессов. Приближенное
построение переходных процессов по частотным
характеристикам
системы.
Прямые
показатели
качества. Корневые, частотные и интегральные
показатели качества. Понятие об астатизме системы.
Точность автоматических систем, коэффициенты
Кол-во
часов
2
4
8
4
Синтез линейных
САУ
5
Нелинейные
модели САУ
ошибок.
Чувствительность линейной системы: понятие
функции
чувствительности,
уравнения
чувствительности,
чувствительность
типовых
соединений звеньев; понятие робастности системы.
Инвариантность линейных систем: понятие
инвариантности выходной координаты к возмущению,
условие инвариантности, принцип двухканальности,
условия физической реализуемости инвариантных
систем.
Задачи и основные методы синтеза САУ.
Стабилизация неустойчивых объектов.
Синтез САУ, инвариантных к возмущениям.
Синтез статических систем. Синтез астатических
систем по требованию к точности подавления
степенных и гармонических возмущений. Синтез
следящих систем из условия требуемой точности
воспроизведения.
Синтез систем минимальной (максимальной)
чувствительности.
Коррекция
САУ.
Принцип
динамической
компенсации и анализ его эффективности. Идеальный
регулятор. Регулятор Ресвика.
Типовые законы регулирования. Определение
настроечных
параметров
типовых
регуляторов
технологических
объектов.
Регулятор
Смита.
Регуляторы с внутренней моделью объекта с
запаздыванием.
Структурно-параметрическая оптимизация систем
без запаздывания в классе низкочастотных фильтров
Баттерворта.
Частотный метод коррекции. Метод минимизации
квадратичного функционала в частотной области.
Повышение качества переходных процессов
путем использования дополнительной информации о
состоянии объекта. Последовательная оптимизация
контуров
подчиненного
регулирования.
Многокритериальная оптимизация.
Понятие нелинейной системы: нелинейный
объект,
нелинейный
регулятор.
Особенности
нелинейных систем. Модели нелинейных элементов.
Анализ равновесных режимов. Анализ поведения
систем на фазовой плоскости. Метод фазовой
плоскости;
фазовые портреты
устойчивых и
неустойчивых систем второго порядка; приближенные
и точные методы построения фазовых траекторий;
связь фазовых траекторий со временем; особенности
фазовых портретов нелинейных систем.
Устойчивость нелинейных систем: понятие
устойчивости движения и состояния; уравнения
первого
приближения,
их
линеаризация
и
использование для исследования устойчивости в малом
8
4
6
Линейные
дискретные
модели САУ
7
Линейные
стохастические
модели САУ
8
Оптимальные и
адаптивные САУ
(первый метод Ляпунова); второй метод Ляпунова для
исследования устойчивости движения в большом.
Частотный
метод
определения
абсолютной
устойчивости В.М. Попова.
Исследование периодических режимов методом
гармонического баланса: основные положения метода,
гармоническая линеаризация нелинейного элемента;
определение
параметров,
устойчивости
и
чувствительности периодических режимов.
Нелинейные алгоритмы управления.
Понятие квантования непрерывного сигнала по
времени и по уровню. Теорема Котельникова и
получение импульсных сигналов. Преобразование
Лапласа и z -преобразование для импульсных
сигналов; классификация дискретных систем по виду
квантования. Понятие об импульсных системах,
обобщенные структурные схемы импульсных систем.
Модели
линейных
дискретных
систем.
Решетчатые функции и разностные уравнения.
Частотные
характеристики.
Представление
импульсных систем в пространстве состояния.
Передаточные функции импульсных разомкнутой
и замкнутой систем регулирования.
Переходные процессы в линейных импульсных
системах, критерии качества и их зависимость от
параметров квантователя и регулятора. Переходные
процессы конечной длительности, их чувствительность
и физическая реализуемость. Оценка точности
импульсных систем.
Устойчивость линейной импульсной системы:
необходимое и достаточное условие устойчивости,
критерии устойчивости, специфика устойчивости
импульсных систем. Синтез импульсных систем.
Сущность статистического подхода к расчету
систем управления. Модели и характеристики
случайных сигналов. Преобразование случайного
сигнала линейным звеном. Вычисление и минимизация
дисперсии сигнала ошибки замкнутой системы.
Определение оптимальной передаточной функции
системы управления. Оптимальная фильтрация
векторных случайных сигналов.
Общая характеристика и классификация задач
оптимального управления, критерии оптимальности.
Постановка задачи синтеза оптимальных систем.
Задача определения условного максимума
функции.
Необходимое
условие
экстремума
функционала, уравнение Эйлера, принцип максимума и
метод динамического программирования. Системы,
оптимальные по быстродействию, оптимальные по
расходу ресурсов и расходу энергии.
Робастные системы и адаптивное управление.
2
1
1
4.3. Практические занятия (семинары)
Объем практических занятий – 14 часов
№
п/п
1
2-3
Кол-во
часов
Тема дисциплины
Содержание
Основные понятия
теории, принципы
построения и
классификация систем
автоматического
управления (САУ)
Линейные
непрерывные модели и
характеристики САУ
Динамические характеристики элементов и систем и
их линеаризации
4-5
Анализ линейных САУ
6-7
Синтез линейных САУ
2
Характеристики типовых динамических звеньев
Структурные схемы и их преобразования
4
Точность линейных систем при типовых
воздействиях
Устойчивость линейных систем
Показатели качества переходных процессов
Чувствительность систем
Линейные корректирующие устройства и схемы их
включения
Определение типа и параметров настройки типового
линейного регулятора для объектов с запаздыванием
Выбор типа и параметров настройки регулятора по
модульному (техническому) оптимизму
Частотный метод синтеза
Модальный метод синтеза
Системы регулирования с компенсатором
запаздывания
Системы связанного регулирования
4
4
4.4. Лабораторные занятия (работы)
№
п/п
Номер темы
дисциплины
1
1
2
2
3
3
4
5
4
4-5
6
4-5
7
4-5
ИТОГО
Наименование лабораторной работы
Методика моделирования САУ с использованием
пакетов прикладных программ СИАМ, Vissim.
Исследование характеристик типовых звеньев
линейных САУ
Исследование влияния структуры и параметров
линейной САУ на ее статические и динамические
характеристики
Исследование многосвязной САУ
Анализ и синтез каскадной САР
Синтез САУ методом логарифмических частотных
характеристик
Исследование позиционной СА, Исследование
одноконтурной цифровой САУ
Кол-во
часов
2
2
4
2
2
2
2
16
4.5 Самостоятельная работа студента
№
п/п
1
2
3
4
Вид (содержание) СРС
Освоение теоретического учебного материала,
подготовка к практическим занятиям
Подготовка к выполнению лабораторных
работ, оформление отчетов по ним
Выполнение курсовой работы по дисциплине
Подготовка к экзамену, сдача его (в период
экзаменационной сессии)
Итого
Кол-во
часов
Форма контроля
Контроль на ПЗ
12
10

26
36
Защита лабораторных
работ
Защита курсовой
работы
Экзамен
84
5. Образовательные технологии
В процессе образовательной деятельности используются традиционные
образовательные технологии, направленные на достижение целей и решение задач
подготовки специалистов:
- проведение лекционных занятий;
- проведение практических занятий;
- выполнение лабораторных работ;
- проведение консультаций преподавателем в установленное время;
- самостоятельная работа студентов.
6. Оценочные
средства
для
текущего
контроля
промежуточной и итоговой аттестации по дисциплине.
успеваемости,
6.1. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости студентов (задания для
тестирования) и итоговой аттестации по дисциплине (экзаменационные вопросы и
задания) провидятся в качестве отдельных материалов УМКД.
6.2. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов определено
в разделе 7.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
7.1. Основная литература
1. Сердобинцев С.П. Теория автоматического управления: оптимальные и
адаптивные системы. Учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по
направлению
подготовки
«Технологии,
оборудование
и
автоматизация
машиностроительных производств»/С.П.Сердобинцев.; ФГОУ ВПО «КГТУ». –
Калининград: ФГОУ ВПО «КГТУ», 2010.-207с.
7.2 Дополнительная литература
1. Ротач В.Я. Теория автоматического управления./В.Я Ротач, – М.:
Издательский дом МЭИ, 2008. – 396с.
2. Шишмарев В.Ю. Теория автоматического управления/В.Ю. Шишмарев –
М.:Академия, 2012.-352с.
7.3 Программное обеспечение и интернет-ресурсы
1. Программный комплекс для моделирования динамических систем Vissim.
2. Интернет-ресурсы (ссылки на учебники и учебно-методические пособия):
- http://window.edu.ru/resource/358/54358
- http://window.edu.ru/resource/389/25389
- http://window.edu.ru/resource/619/47619
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Лабораторные работы проводятся
автоматизации производственных процессов.
в
компьютерном
классе
кафедры
9. Особенности изучения дисциплины по заочной форме обучения
Цели и задачи освоения дисциплины по заочной форме обучения аналогичны целям и
задачам освоения дисциплины по очной форме. Отличие заключается в количестве
часов, отведенных на аудиторные занятия и самостоятельную работу обучающихся
Общая трудоёмкость дисциплины составляет 4 зачётных единицы, 144 часов.
Итоговой аттестацией по дисциплине является экзамен
Более подробные сведения о структуре дисциплины; видах, трудоемкости и формах
контроля учебной работы студентов приведены в таблице ниже.
№
п/п
Форма обучения
Показатели
Заочная
5-й
семестр
Заочная ( сокр.)
Очно-заочная
6-й
семестр
1
Общая трудоемкость
(час)
2
Переаттестовано
3
Подлежит изучению
36
108
4
АЗ (час), в том числе:
10
10
4.1
Лекции
8
2
4.2
Практические занятия
2
4
4.3
Лабораторные работы
-
4
5
СРС (час), в том числе:
26
98
5.1
Подготовка к
аудиторным занятиям
26
63
5.2
Контрольная работа (во
внеаудиторное время)
-
-
5.3
Зачет
-
-
5.4
Курсовая работа
-
26
5.5
Экзамен
-
9
144
-
Лист согласования рабочей программы дисциплины
Рабочая программа дисциплины разработана в соответствии с федеральным
государственным образовательным стандартом высшего профессионального
образования по направлению подготовки 180407 Эксплуатация судового
электрооборудования и средств автоматики (квалификация (степень) «специалист»)
(утвержден 23.12.2010г. №2026).
Автор программы – Будченко Наталья Сергеевна, к.т.н., доцент
Рабочая программа рассмотрена и одобрена на заседании кафедры автоматизации
производственных процессов (рецензент – доцент Н.А.Долгий, протокол №
от
.2014)
Заведующий кафедрой _____________
к.т.н., доцент
№
п/п
1
1
2
А.Н.Румянцев
Учебно-методическое обеспечение дисциплины
Наименование литературы
Наличие в
учебном
абонементе
НТБ (кол-во)
Основная литература
Сердобинцев С.П. Теория автоматического
управления: оптимальные и адаптивные системы.
63
Учебное пособие для студентов вузов, обучающихся
по направлению подготовки «Технологии,
оборудование и автоматизация
машиностроительных
производств»/С.П.Сердобинцев.; ФГОУ ВПО
«КГТУ». – Калининград: ФГОУ ВПО «КГТУ»,
2010.-207с
Дополнительная литература
1. Ротач В.Я. Теория автоматического
управления./В.Я Ротач, – М.: Издательский дом
МЭИ, 2008. – 396с.
2. Шишмарев В.Ю. Теория автоматического
управления/В.Ю. Шишмарев – М.:Академия, 2012.352с.
Директор НТБ
Наличие в
электронной
библиотеке
Есть
Полный
текст
2
-
1
-
_________ Вареницына М.В. «____ » _______ 2014 г.
Рабочая программа рассмотрена и одобрена на заседании методической комиссии
факультета судостроения и энергетики ,
протокол
№ _______ от «____» ______ 2014 г.
Председатель комиссии
____________________ Б.И.Пименов
Согласовано:
Зам. начальника учебно – методического управления _______________ В.Е.Огнев
«______»____________2014г.