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.