Раб. прог. ТАУ бакалавры

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
по дисциплине «Теория автоматического управления»
Номер специальности -
220400 бакалавры
Факультет - Автоматики и вычислительной техники
Кафедра - Управление и информатика в технических системах
Москва 2009
2
1. Цели и задачи дисциплины
В результате изучения дисциплины студент должен:
 знать основные положения теории управления, модели и
методы исследования автоматических систем различной
природы.
 иметь представление об использовании основных положений
теории управления в науке и технике, в информатике.
2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины.
Студент должен уметь решать конкретные задачи расчёта систем и
владеть современной информацией в области автоматизации.
3. Объём дисциплины и виды учебной работы.
Вид учебной работы
Общая трудоёмкость дисциплины
Аудиторные занятия
Лекции
Семинары
Лабораторные работы
Самостоятельная работа
Курсовая работа
Вид итогового контроля
Всего
часов
396
198
119
17
34
198
18
Семестры
5
215
90
36
18
18
130
18
зач.кр
6
145
108
54
18
18
68
экз
3
4. Содержание дисциплины.
4.1 Разделы дисциплины и виды занятий.
Аудиторные занятия
№
п.п
Разделы дисциплины
1
2
3
4
5
6
Введение
Раздел 1
Раздел 2
Раздел 3
Раздел 4
Раздел 5
7
8
9
10
11
Раздел 6
Раздел 7
Раздел 8
Раздел 9
Раздел 10
№ Лекции
Семестр №5
1
2-10
11-13
14-16
17-20
21-25
Семестр №6
1-10
11-15
16-20
21-25
26-34
№ ПЗ
№ ЛР
1,2
3-6
7-10
11-13
14-17
1
2
3
4
5
6
7
8
4.2 Содержание разделов дисциплины.
ВВЕДЕНИЕ.
Общая характеристика объектов и систем управления.
Общее понятие о Теории Автоматического Управления (ТАУ) и
системах автоматического управления (САУ).
1. Лекция 1.
Основные понятия о системах управления (СУ).
Типовые структуры (СУ). Исторический обзор развития теории
автома-тического регулирования и
управления. Связь теории с
другими разделами математики и техники: с теорией
дифференциальных уравнений, операторным исчислением. Типовые
задачи анализа и синтеза СУ, составные части СУ, связь с другими
фундаментальными объектами специальности 2101: датчиками,
измерителями, приводами, каналами связи, методами цифровой
обработки сигналов.
Принципы регулирования.
Регулирование программное, по
возмущению, по отклонению (с обратной связью), комбинированное.
Задачи получения и обработки информации при различных
принципах регулирования. Информация о самом объекте
управления, задача построения адекватной модели объекта
управления.
Основные задачи теории управления. Классификация СУ.
4
РАЗДЕЛ 1. Математические модели СУ с непрерывным временем.
2. Лекция 2.
Способы получения дифференциальных уравнений объекта
регулирования. Линеаризация нелинейных уравнений объекта и
систем уравнений. Вырожденная и невырожденная линеаризация.
Стационарные СУ с одним входом и выходом. Передаточные
функции и типовые входные воздействия.
3. Лекция 3.
Частотный метод исследования СУ. Частотные характеристики.
АФЧХ, ЛАЧХ. Связь преобразования Фурье с преобразованием
Лапласа. Непрерывный и дискретный спектры сигналов.
4. Лекция 4.
Дробно-рациональные передаточные функции. Типовые звенья ТАУ.
Приведение произвольной передаточной функции к виду соединения
типовых звеньев. Физическая реализуемость передаточной функции.
5. Лекции 5-7.
Рассмотрение типовых передаточных фукнций (звеньев ТАУ) со
стандартными характеристиками. Примеры реализации типовых
звеньев ТАУ.
6. Лекция 8.
Трансцендентные передаточные функции на примере звена чистого
запаздывания. Распределённые САУ.
7. Лекция 9.
Многомерные САУ.
Передаточные матрицы и описание в пространстве состояний.
Нецелесообразность использования многомерных частотных
характерис-тик, целесообразность матричных методов исследования
многомерных СУ с использованием ЭВМ. Канонические формы.
Управляемость и наблюдаемость.
8. Лекция 10.
Структурные схемы САУ. Преобразования структурных схем.
Частные передаточные функции.
РАЗДЕЛ II. Устойчивость САУ.
9. Лекция 11.
Понятие об устойчивости САУ, как о критерии и методе
проектирова-ния СУ. Определение устойчивости асимптотической
и по Ляпунову А.М.. Устойчивость линейных систем - вопрос о
расположении корней характеристического уравнения. Получение
характеристического уравнения для передаточной функции,
передаточной матрицы, системы линейных д.у. с постоянными
5
коэффициентами. Теоремы Ляпунова А.М. о связи устойчивости
нелинейной и линеаризованной систем.
10.Лекции 12-13.
Критерии устойчивости. Необходимые и достаточные условия
устойчивости. Алгебраические и частотные критерии устойчивости.
Критерии Гурвица, Михайлова, Найквиста. Устойчивость по ЛАЧХ
и ФЧХ. Запас устойчивости по амплитуде и фазе. Влияние звена
чистого запаздывания на запас устойчивости.
РАЗДЕЛ III. Точность и качество САУ. Методы повышения точности.
Классические методы синтеза корректирующих устройств.
11.Лекция 14.
Передаточная функция по ошибке и коэффициенты ошибок в
стандартной следящей САУ. Астатизм САУ и методы повышения
порядка астатизма. Связь устойчивости и точности СУ. Обеспечение
заданной точности и устойчивости с помощью стандартного ПИДрегулятора. Принцип инвариантности и метод комбинированного
управления.
12.Лекция 15.
Синтез последовательных и параллельных корректирующих
устройств. Метод диаграмм Солодовникова - классический метод
последовательной коррекции с использованием частотных
характеристик.
13.Лекция 16.
Модальный регулятор- метод синтеза САУ в пространстве
состояний. Управление объектом при косвенном измерении
состояния, задача построения “наблюдателя” - восстановлении
состояния объекта. Теорема о разделении задачи построения
“наблюдателя” и задачи построения модального регулятора.
РАЗДЕЛ IV. Помехи в САУ. Случайные процессы в САУ.
14.Лекции 17-18.
Линейные СУ при действии случайных помех. Восстановление
полезного сигнала на фоне шума- задача фильтрации. Оптимальный
фильтр Н.Винера. Частотный метод построения стационарного
фильтра Винера.
15.Лекции 19-20.
Фильтрация в нестационарных системах. Оптимальный и
квазиоптимальный фильтр Р. Калмана. Теорема разделения в задаче
фильтрации совместной с управлением.
6
РАЗДЕЛ V. Оптимальное управление в линейных системах.
16.Лекции 21-23.
Общая постановка задачи линейного оптимального управления.
Линейно-квадратичный регулятор. Квазиоптимальный регулятор упрощённый способ реализации оптимальной системы.
17.Лекция 24.
Задача оптимального быстродействия. Теорема Фельдбаума о числе
переключений регулятора. Необходимость рассмотрения релейных
систем.
РАЗДЕЛ VI. Импульсные САУ. Аппарат Z - преобразования.
18.Лекция 1.
Дискретные и импульсные системы. Квантование по уровню и по
времени. Погрешности квантования по уровню в современных
условиях.
19.Лекции 2-4.
Понятие идеального квантователя. Теорема Котельникова-Шеннона
о выборке сигнала (квантование по времени). Спектр квантованного
сигнала. Фиксатор.
20.Лекции 5-6.
Дискретное преобразование Лапласа и Z - преобразование.
Импульсная передаточная функция, её вычисление. Импульсная
система в пространстве состояний. Аналого-цифровые САУ.
Введение фиктивных квантователей в САУ. Передаточная функция
замкнутой импульсной системы.
21.Лекция 7.
Определеление устойчивости импульсной САУ. Критерии
устойчивости.
22.Лекции 8-9.
Точность и методы коррекции импульсных систем.
23.Лекция 10.
Реализация импульсной передаточной функции на ЭВМ.
РАЗДЕЛ VII. Метод гармонической линеаризации для исследования
нелинейных САУ.
24.Лекция 11.
Необходимость рассмотрения нелинейных САУ. Чисто нелинейные
эффекты в САУ. Типовые нелинейности.
7
25.Лекция 12.
Суть метода гармонической линеаризации. Гипотеза фильтра для
линейной части САУ. Вычисление коэффициентов гармонической
линеаризации. Эквивалентная передаточная функция нелинейного
элемента.
26.Лекции 13-15.
Вычисление параметров автоколебаний с помощью гармонической
линеаризации. Колебания в системах без гистерезиса и с
гистерезисом. Устойчивость автоколебаний.
РАЗДЕЛ VIII. Метод фазового пространства для нелинейных систем.
27.Лекции 16-20.
Фазовое пространство нелинейной системы. Фазовая плоскость.
Особые точки на фазовой плоскости. Классификация особых точек и
построение фазового портрета по особым точкам. Понятие линии
переключения на фазовой плоскости. Скользящие режимы.
РАЗДЕЛ IX. Устойчивость нелинейных систем. Теория функций А.М.
Ляпунова и теория абсолютной устойчивости Попова.
28.Лекция 21.
Функция Ляпунова и её построение. Использование функции
Ляпунова в синтезе устойчивых систем. Экспоненциальная
устойчивость.
29.Лекции 22-25.
Теория абсолютной устойчивости нелинейных систем. Критерий
абсолютной устойчивости Попова и его обобщения- критерии
Гелига, Чо-Нареандры. Абсолютная устойчивость релейных систем.
Теорема Лурье об устойчивости нелинейных систем, её
использование для синтеза многомерных нелинейных систем.
РАЗДЕЛ X. Оптимальные и адаптивные САУ
30.Лекции 26-28.
Задача адаптации САУ. Адаптивные системы и алгоритмы
адаптации.
Нелинейный
характер
адаптивных
систем.
Самонастраивающиеся системы, как подкласс адаптивных систем.
Задача идентификации параметров СУ.
31.Лекции 29-34.
Нелинейные
оптимальные
системы.
Принцип
максимума
Понтрягина, как общий метод решения вариационных задач с
ограничениями. Метод динамического программирования и
уравнение Р.Беллмана.
8
4.3 Понедельный план проведения занятий.
Аудиторные занятия
№ недели
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
№
№ ПЗ
Лекции
Семестр 5
1,2
1
3
4,5
2
6
7,8
3
9
10,11
4
12
13,14
5
15
16,17
6
18
19,20
7
21
22,23
8
24
23,24
9
Семестр 6
1,2
3,4
5,6
7,8
9,10
11,12
13,14
15,16
17,18
19,20
21,22
23,24
25,25
27,28
29,30
31,32
33,34
№ ЛР
1
2
3
4
5
6
7
8
9
5. Лабораторный практикум.
№ п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
№ раздела
Наименование лабораторных работ
дисциплины
1
Исследование типовых звеньев ТАУ.
4 часа
2
Исследование частотных характеристик. 4 часа
3
Устойчивость линейной замкнутой САУ. 4часа
Исследование качества линейной замкнутой
2,3
САУ с ПИД-регулятором.
4часа
3
Исследование влияния запаздывания. 4 часа
Исследование нелинейной следящей системы с
7,8,9
ПИД-регулятором.
4часа
7,8,9
Изучение автоколебаний.
4часа
6
Исследование импульсной системы.
4часа
6. Учебно-методическое обеспечение дисциплины.
6.1. Рекомендуемая литература.
а) основная литература:
1. Алексеев А.А., Имаев Д.Х., Кузьмин Н.Н., Яковлев В.Б. Теория
управления. СПб "Лэти", 1999.
2. Дорф Р., Бишоп Р. Современные системы управления. -М. ЛБЗ.
2002
3. Попов Е.П. Теория нелинейных систем автоматического
регулирования и управления. -М.: Наука, 1988.
4. Иванов В.А., Ющенко А.С. Теория дискретных систем автоматического управления. -М.: Наука, 1983.
б) дополнительная литература:
1. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического
регулирования. -М.: Наука, 1975.
2. Попов Е.П. Теория линейных систем автоматического
регулирования и управления. -М.: Наука, 1989.
3. Ройтенберг Я.Н. Автоматическое управление. -М.: Наука, 1990.
4. Справочник по теории автоматического управления. (под
редакцией А.А.Красовского) . -М.: Наука, 1987.
5. Топчеев Ю.И.
Атлас для проектирования САУ. -М.:
Машиностр.,1989.
6. Острём К., Виттенмарк Б. Системы управления с ЭВМ. -М.: Мир,
1987.
10
6.2. Средства обеспечения дисциплины.
В процессе изучения дисциплины используется специальный комплекс
программного обеспечения, созданный в МИЭМ на кафедре УиИТС,
программные генератор Siggen, спектроанализатор Spectralab а также
среда Matlab.
7. Материально-техническое обеспечение дисциплины.
Практические (лабораторные) занятия и выполнение курсовой работы
проводится в специально оборудованном дисплейном классе ЭВМ уровня
Р-1000Мгц
с
предварительно
установленным
программным
обеспечением.
Также
используются
элементы
промышленной
автоматизации.
Рабочая программа составлена в соответствии с Государственным
образовательным стандартом высшего профессионального образования по
направлению подготовки 651900 - «Автоматизация и управление».
Программу составил
доцент, к.т.н Туманов М. П.
Настоящая рабочая программа рассмотрена на заседании кафедры
«Управление
и
информатика
в
технических
системах»
«_____»__________200__г. протокол
№________ и рекомендована к
применению в учебном процессе.
Зав.кафедрой
«Управление и информатика в технических система»
/д.т.н., профессор Каперко А.Ф. /
«____» ________________200__г.
11
Срок действия программы продлен на:
200__/200__уч. год________________________________.
(подпись зав. кафедрой)
200__/200__уч. год________________________________.
(подпись зав. кафедрой)
200__/200__уч. год________________________________.
(подпись зав. кафедрой)
200__/200__уч. год________________________________.
(подпись зав. кафедрой)
12
СОДЕРЖАНИЕ СЕМИНАРСКИХ ЗАНЯТИЙ
Семинарские занятия в объёме 17 часов посвящены решению
теоретических и практических задач, укрепляющих теоретические знания
лекционного курса. Кроме того, рассмотрены некоторые более мелкие
теоретические вопросы, не вошедшие в лекции. Имеется сборник задач к
семинарам.
КУРСОВАЯ РАБОТА
Курсовая работа на тему “Расчёт САУ динамическим режимом
технологического оборудования” проводится на 6 семестре.
Курсовая работа по дисциплине “Теория автоматического управления”
посвящена изучению методики расчета САУ по экспериментальным
данным, полученным в ходе специально проведенного эксперимента над
объектом управления, в котором получена переходная функция этого
объекта. По этим данным и требуемым показателям качества
производится:
 идентификация (определение параметров передаточной функции
 объекта);
 расчет параметров вредных помех;
 расчет фильтра для борьбы с помехами;
 выбор структуры регулятора;
 расчет коэффициентов регулятора;
 моделирование замкнутой системы с помехами;
 дискретизация уравнений регулятора и фильтра для цифровой
 реализации рассчитанной системы;
 написание программы для цифрового контроллера.

САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА
В качестве самостоятельной работы студент получает задание
изучить современную научную литературу по тематике СУ и обобщить
полученные знания в виде отчёта (письменного или усного). Материал
подбирается индивидуально, исходя из склонностей и уровня студента.
ДРУГИЕ ФОРМЫ КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ
- в 5 семестре - 3 контрольные работы на решение типовых задач;
- в 6 семестре - коллоквиум на контроль усвоения теоретического
материала; домашнее задание на решение усложнённой задачи.