Учебная программа для высших учебных заведений по специальности і-53 01 07 Информационные технологии и управление в технических системах



страница10/10
Дата11.11.2016
Размер1.15 Mb.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10



ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ

  1. Андриевский Б.Р., Фрадков А.Л. Элементы математического моделирования в программных средах MATLAB–5 и Scilab. – СПб.: Наука, 2000.

  2. Каток А.Б., Хасселбат Б. Введение в современную теорию динамических систем. –М.: Факториал.1999.


Утверждена

УМО вузов Республики

Беларусь по образованию в области

информатики и радиоэлектроники

« 03 » июня 2003 г.

Регистрационный № ТД-53-024/тип.




ТЕОРИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
Учебная программа для высших учебных заведений

по специальностям

І-53 01 03 Автоматическое управление в технических системах,

І-53 01 07 Информационные технологии и управление в технических системах

Согласована с Учебно-методическим управлением БГУИР

« 28 » мая 2003 г.



Составители:

С.В. Лукьянец, доцент кафедры автоматического управления Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники», доцент, кандидат технических наук;

А.Т. Доманов, доцент кафедры автоматического управления Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники», кандидат технических наук

Рецензенты:

В.П. Кузнецов, проректор по научной работе и международным вопросам Учреждения образования «Минский институт управления», профессор, доктор технических наук;

Кафедра автоматизации технологических процессов и электротехники Учреждения образования «Белорусский государственный технологический университет» (протокол № 8 от 23.05.2000 г.)

Рекомендована к утверждению в качестве типовой:

Кафедрой автоматического управления Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники» (протокол № 1 от 02.09.2002 г.);


Научно-методическим советом по направлению І-53 Автоматизация УМО вузов Республики Беларусь по образованию в области информатики и радиоэлектроники (протокол № 1 от 16.09.2002 г.)

Разработана на основании Образовательного стандарта РД РБ 02100.5.115-98.







    Пояснительная записка

Типовая программа «Теория автоматического управления» разработана в соответствии с Образовательным стандартом РД РБ 02100.5.115-98 по специальностям І-53 01 03 Автоматическое управление в технических системах и І-53 01 07 Информационные технологии и управление в технических системах. Она предусматривает теоретическую подготовку современного поколения специалистов, владеющих наиболее важными достижениями в области автоматического управления и способных использовать вычислительную технику для решения практических задач автоматизации производственных процессов в различных отраслях хозяйственной деятельности.

В связи с этим программа ставит своей целью ознакомление студентов с общими принципами построения, методами анализа, синтеза и расчета систем автоматического управления, привитие навыков по созданию на базе ЭВМ систем, обладающих свойствами поддерживать оптимальные режимы работы оборудования в непрерывно меняющихся условиях производства.

Основное внимание в программе уделяется решению следующих задач:



  • изучение принципов построения современных систем автоматического управления; общих требований, предъявляемых к системам; задач, решаемых устройствами управления в технических системах;

  • ознакомление со статическими и динамическими характеристиками систем, приобретение навыков по определению характеристик, составлению и преобразованию структурных схем;

  • изучение методов анализа качества процессов управления и устойчивости систем, закрепление умения самостоятельно решать задачи анализа;

  • изучение способов, обеспечивающих заданные требования к системам управления, овладение методами структурного синтеза регуляторов и алгоритмов управления;

  • ознакомление с особенностями динамики нелинейных систем и методами исследования, задачами и способами коррекции систем;

  • изучение задач современной теории автоматического управления, принципов построения оптимальных и адаптивных систем, методов расчета и синтеза законов управления.

В результате изучения дисциплины студенты должны:

знать принципы регулирования и управления в технических системах, способы анализа технических систем, законы управления и методы их синтеза;

уметь анализировать динамические свойства технических систем с автоматическим управлением, обоснованно принимать решения о реализации выбранных законов управления, планировать и осуществлять проверку принятых решений;

владеть навыками проектирования регуляторов и устройств управления, вопросами их аппаратной программной реализации.

Дисциплина «Теория автоматического управления» базируется на фундаментальных положениях физики и математики, на знаниях студентов, полученных при изучении дисциплин учебного плана: «Математические основы теории систем», «Электротехника», «Информационное обеспечение систем управления», «Метрология и измерения», «Элементы и устройства автоматики».

Программа рассчитана на объем 198 часов аудиторных занятий, в том числе: 115 часов лекций, 50 часов лабораторных и 33 часа практических занятий. Предусмотрено выполнение курсовой работы.
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Введение

Автоматическое управление как одна из форм автоматизации. Основные этапы развития автоматических систем и их теории. Современное состояние теории и практики. Требования к специалистам по управлению.


Раздел 1. Основные понятия теории автоматического управления
Тема 1.1. Общие сведения

1.1.1. Базовые определения теории: объект управления, управление, устройство управления, система автоматического управления, воздействия и сигналы, понятие о регулировании и управлении.

1.1.2. Принципы регулирования и управления. Функциональные схемы и основные элементы систем. Установившиеся и динамические режимы работы. Задачи, решаемые системами автоматического управления. Принципы классификации систем. Задачи теории автоматического управления.
Тема 1.2. Уравнения динамических режимов

и структурные схемы систем

1.2.1. Составление уравнений динамики, их линеаризация и преобразование к уравнениям в безразмерной форме. Классический и современный подходы к исследованию уравнений динамики.

1.2.2. Структурные схемы, назначение схем и методика их составления. Основные формулы и правила преобразования структурных схем. Основные виды структурных схем и их типовые звенья.

1.2.3. Передаточные функции разомкнутых и замкнутых систем по задающему и возмущающему воздействиям, по ошибке управления. Определение передаточных функций по структурным схемам.

1.2.4. Частотные характеристики разомкнутых и замкнутых систем. Методы построения характеристик.

1.2.5. Переменные состояния и уравнения состояний систем управления. Методы вычисления переходной матрицы. Матричная передаточная функция. Определение понятий управляемости и наблюдаемости. Показатели управляемости и наблюдаемости, их дуальность. Значение понятий управляемости и наблюдаемости. Управляемость и наблюдаемость подсистем управления.


Раздел 2. Линейные непрерывные системы
Тема 2.1. Общие сведения

Область применения систем. Примеры. Требования, предъявляемые к качеству процессов управления и к устойчивости систем. Типовые переходные процессы и основные критерии (показатели) качества процессов: максимальное отклонение управляемой переменной, перерегулирование, время переходного процесса, точность управления и ошибки системы.


Тема 2.2. Анализ устойчивости

Методы оценки устойчивости систем. Характеристическое уравнение замкнутой системы, необходимые и достаточные условия устойчивости ее поведения. Алгебраические критерии устойчивости. Итерационный критерий Раусса. Частотные критерии Михайлова и Найквиста. Запасы устойчивости. Критический коэффициент усиления. Матричные критерии устойчивости.


Тема 2.3. Анализ качества

2.3.1. Прямые и косвенные методы оценки. Точность управления. Ошибки управления. Коэффициенты ошибок. Добротность астатических систем. Интегральные оценки. Квадратичные интегральные оценки. Итерационный метод вычисления. Минимизация ошибки при интегральных оценках. Приближенная оценка качества по распределению нулей и полюсов передаточной функции. Условия апериодичности и монотонности переходного процесса. Диаграмма Вышнеградского.

2.3.2. Анализ качества переходного процесса по амплитудной частотной характеристике замкнутой системы. Оценка качества переходного процесса по логарифмическим частотным характеристикам разомкнутой системы.

2.3.3. Анализ переходных процессов с помощью вычислительных средств. Методы математического моделирования.


Тема 2.4. Обеспечение заданного качества переходного процесса

2.4.1. Методы повышения точности управления. Коррекция входного сигнала, введение дополнительной информации в контур управления, компенсация возмущающих воздействий.

2.4.2. Стандартные передаточные функции и желаемые логарифмические частотные характеристики. Запретные области по заданному показателю колебательности.

2.4.3. Синтез корректирующих устройств – последовательных, параллельных и смешанного типа. Введение производных с помощью прямых параллельных связей. Введение интеграла в закон управления. Типовые ПИ- и ПИД-законы управления. Особенности синтеза систем управления многомерными объектами.


Тема 2.5. Линейные многоканальные системы

Системы компенсационного типа, итерационные системы, системы с общей отрицательной обратной связью и системы программного управления. Примеры систем и области их применения. Иерархический принцип построения многоканальных систем. Функции уровней управления. Ошибки управления и работоспособность многоканальных систем. Синхронизация управляющих воздействий.


Раздел 3. Дискретные системы
Тема 3.1. Общие сведения

Преимущества дискретных систем. Примеры систем. Специфические элементы систем (модуляторы, АЦП, ЦАП) и их математическое описание. Структурная схема системы и ее преобразование к виду, удобному для исследования.


Тема 3.2. Описание динамики

Дискретные процессы, решетчатые функции и Z-преобразование. Вычисление Z-преобразований. Импульсная передаточная функция быстродействующих элементов. Модифицированное Zσ–преобразование. Импульсная передаточная функция медленнодействующих элементов. Передаточные функции типовых соединений звеньев дискретных систем. Определение импульсных передаточных функций по аналоговым прототипам.


Тема 3.3. Анализ систем при детерминированных воздействиях

3.3.1. Способы определения реакции системы на регулярное воздействие. Сравнение переходных характеристик непрерывных и дискретных систем. Анализ установившихся ошибок дискретных систем. Условия устойчивости систем.

3.3.2. Анализ дискретных систем по частотным характеристикам, W- и λ-преобразования. Анализ качества переходного процесса: степени устойчивости и колебательности, интегральные оценки качества систем. Анализ качества по логарифмическим характеристикам. Определение полосы пропускания.

3.3.3. Способы вычисления периода квантования. Зависимость периода квантования от требований к качеству систем. Управляемость и наблюдаемость. Определения и связь управляемости и наблюдаемости с передаточными функциями. Зависимость управляемости и наблюдаемости от периода квантования.




Тема 3.4. Синтез систем

Виды коррекции дискретных систем и схемы их включения. Коррекция с помощью аналоговых регуляторов и аналоговых корректирующих обратных связей. Импульсные корректирующие фильтры и условие их физической реализуемости. Цифровые регуляторы. Синтез регуляторов для быстродействующих систем методом билинейного преобразования. Программная реализация регуляторов. Цифровые ПИД- и ПД-регуляторы. Особенности синтеза цифровых регуляторов для медленнодействующих систем.


Раздел 4. Нелинейные системы
Тема 4.1. Общие сведения

Особенности динамики нелинейных систем в режиме свободного и вынужденного движения. Типовые нелинейные характеристики функциональных элементов и классификация нелинейных систем. Методы аппроксимации и линеаризации нелинейных характеристик. Методика описания динамики систем. Методы исследования.


Тема 4.2. Метод фазовой плоскости

Фазовые траектории и их свойства. Фазовые портреты нелинейных систем. Оценка качества иерархического процесса по данным фазового портрета. Методы построения фазовых портретов. Определение параметров и устойчивости свободных колебаний. Анализ динамики нелинейных систем с насыщением. Влияние обратных связей на поведение нелинейных систем с насыщением. Анализ динамики релейных систем. Условие возникновения скользящих режимов. Влияние возмущений на устойчивость систем. Понятие о срыве управления.


Тема 4.3. Метод гармонической линеаризации

4.3.1. Комплексные коэффициенты усиления и передаточные функции нелинейных звеньев. Уравнение динамики гармонически линеаризованной нелинейной системы. Аналитический и графоаналитический методы определения параметров свободных колебаний. Оценка устойчивости свободных колебаний. Исследование абсолютной устойчивости нелинейных систем.

4.3.2. Вынужденные колебания. Задача Дуффинга. Явление скачкообразного резонанса. Графоаналитические методы исследования вынужденных колебаний. Способы построения частотных характеристик замкнутых систем.
Тема 4.4. Коррекция систем

Задачи и способы коррекции нелинейных систем. Синтез линейных корректирующих устройств методом разделения частотных характеристик. Применение комплектующих нелинейных элементов. Вибрационная компенсация нелинейностей. Введение дополнительной информации о задающем воздействии в систему для улучшения качества управления.


Раздел 5. Оптимальные и адаптивные системы
Тема 5.1. Общие сведения

Развитие теории автоматического управления. Современные требования к качеству управления. Основные показатели (критерии) качества. Постановка задач оптимального управления. Оптимальное управление в условиях неопределенности и непредсказуемости изменения воздействий и характеристик объектов управления. Оценки изменений. Противоречивость процессов оценивания и управления. Адаптивные системы.


Тема 5.2. Оптимальные системы автоматического управления

5.2.1. Классификация оптимальных систем. Системы управления, оптимальные по быстродействию. Назначение систем. Законы управления. Функциональная схема системы. Уравнения динамики. Структура регулятора максимального быстродействия. Особенности синтеза многомерных систем максимального быстродействия. Наблюдатели и устройства синхронизации.

5.2.2. Методы расчета оптимальных параметров и синтеза законов управления оптимальных систем: вариационные методы. Метод динамического программирования Р.Беллмана, принцип максимума Понтрягина. Оптимальные системы с комплексной обработкой информации. Устойчивость и работоспособность оптимальных систем.
Тема 5.3. Адаптивные системы

5.3.1. Понятие адаптации. Типы адаптивных систем и их основные элементы. Особенности динамики. Системы с адаптацией к характеристикам объектов управления. Использование эталонных моделей динамических характеристик. Применение устройств идентификации характеристик объекта и системы управления.

5.3.2. Системы с адаптацией к сигналам внешних воздействий и переменным состояния.
Тема 5.4. Экстремальные системы управления

Понятие об экстремальных системах. Статические и динамические характеристики экстремальных систем. Организация процессов поиска экстремума и управления движением. Классификация систем. Основные показатели, характеризующие качество экстремальных систем. Методы анализа и синтеза экстремальных систем. Многомерные экстремальные системы.


Примерный перечень практических занятий


  1. Порядок составления структурных схем типовых объектов управления и функционально необходимых элементов системы.

  2. Порядок составления структурных схем замкнутых систем и правила преобразования их к типовому виду.

  3. Частотные характеристики разомкнутых систем. Методика построения характеристик по преобразованным структурным схемам.

  4. Анализ воздействий на систему и вычисление установившихся значений ошибок на типовые воздействия. Зависимость ошибок от параметров частотных характеристик.

  5. Выбор коэффициента усиления разомкнутой системы по требованиям к точности управления.

  6. Анализ устойчивости систем. Вычисление запасов устойчивости по фазе и модулю. Определение критического коэффициента усиления разомкнутой системы по условиям устойчивости. Построение областей устойчивости.

  7. Переходные процессы в области устойчивого управления. Оценка времени переходного процесса, показателя колебательности, перерегулирования по частотным характеристикам разомкнутой системы.

  8. Формулировка требований к частотным характеристикам разомкнутых систем по условиям устойчивости и по заданным показателям переходного процесса. Методика построения желаемых частотных характеристик.

  9. Синтез последовательных корректирующих устройств. Определение частотных характеристик и выбор структурной схемы. Расчет параметров последовательных регуляторов.

  10. Синтез корректирующих обратных связей. Методика синтеза. Особенности корректирующих обратных связей.

  11. Синтез импульсных корректирующих фильтров.

  12. Математическое моделирование систем. Задачи моделирования. Определение уравнений в безразмерной форме. Планирование экспериментальных исследований. Обработка данных моделирования и правила оформления результатов моделирования.


Примерный перечень тем лабораторных занятий


  1. Исследование характеристик типовых звеньев структурных схем.

  2. Анализ влияния параметров структурной схемы на устойчивость замкнутой системы управления.

  3. Экспериментальная оценка показателей качества систем в переходном и установившемся режимах.

  4. Сравнительный анализ влияния различных видов коррекции на динамику линейной системы.

  5. Исследование устойчивости нелинейной системы и зависимости параметров автоколебаний от начальных условий, уровня воздействий на систему и параметров линейных звеньев.

  6. Исследование динамики релейных систем управления.

  7. Исследование влияния периода квантования на устойчивость и качество управления в импульсных системах.

  8. Изучение принципа работы и оценка качественных характеристик двухотсчетной следящей системы.

  9. Изучение методики и настройка параметров квазиоптимальной системы позиционного управления.

  10. Исследование условий помехоустойчивости экстремальной системы.


Примерная тематика курсовых работ


  1. Следящие системы приборного типа на постоянном и переменном токе, применяемые в измерительной и навигационной технике.

  2. Радиотехнические следящие системы: угломерные, фазовой и частотной автоподстройки, слежения за временным положением импульсов.

  3. Системы непрерывного, импульсного и цифрового управления двигателями постоянного и переменного тока.

  4. Системы управления с электромагнитными муфтами и вариаторами скорости.

  5. Системы числового программного управления приводами подач станков и промышленных роботов.

Курсовая работа выполняется с целью выработать у студента умение самостоятельно анализировать исходные данные, рассчитывать статические и динамические характеристики системы, строить ее структурную схему, рассматривать варианты коррекции, обеспечивающие требуемые показатели качества системы, обоснованно принимать решение о реализации выбранного варианта коррекции, планировать и осуществлять проверку принятого решения с использованием современных вычислительных средств и пакетов программ математического моделирования.


Примерный перечень компьютерных программ
Пакеты прикладных программ для моделирования динамических систем: MODS –2, MATLAB 4.5, MATLAB 5.0.
Литература
Основная

  1. Андриевский Б.Р., Фрадков А.Л. Избранные главы теории автоматического управления с примерами на языке MATLAB. – СПб.: Наука, 1999.

  2. Бесекерский В.А., Изранцев В.В. Системы автоматического управления с микроЭВМ. – М.: Наука, 1987.

  3. Первозванский А.А. Курс теории автоматического управления: Учеб. пособие. – М.: Наука, 1986.

  4. Теория автоматического управления: Учебник для вузов: В 2 ч. /Под ред. А.А. Воронова . 2-е изд.  – М.: Высш. шк., 1986.

  5. Шаров С.Н. Приближенные методы анализа нелинейных систем автоматического управления: Учеб. пособие. – СПб.: БГТУ, 1993.

  6. Шульце К.П., Реберг К.Ю. Инженерный анализ адаптивных систем. –М.: Мир,1992.



    Дополнительная

  1. Андриевский Б.Р., Фрадков А.Л. Элементы математического моделирования в программных средах MATLAB–5 и Scilab. – СПб.: Наука, 2000.

  2. Дроздов В.Н. и др. Системы автоматического управления с микроЭВМ. – Л.: Машиностроение, 1989.

  3. Каток А.Б., Хасселбат Б. Введение в современную теорию динамических систем. –М.: Факториал, 1999.

  4. Куо Б. Теория и проектирование цифровых систем управления: Пер. с англ. – М.: Машиностроение, 1986.

  5. Новогранов Б.Н. Расчет частотных характеристик нелинейных автоматических систем. – М.: Машиностроение, 1986.

  6. Потемкин В.Г. MATLAB–5 для студентов. – М.: Диалог-МИФИ, 1998.


СОДЕРЖАНИЕ

Введение в специальность…………………………………………………………3


Информационные технологии и проектирование систем управления………….9
Современные технологии программирования……………………………………17
Элементы и устройства систем управления……………………………………...27
Электроника и микросхемотехника в системах управления……………………33
Вычислительные машины и системы……………………………………………..43
Микропроцессорные системы управления……………………………………….51
Основы систем автоматизированного проектирования………………………….59
Телемеханика……………………………………………………………………….67
Локальные системы автоматики ………………………………………………….77
Расчет систем управления при случайных воздействиях………………………..85
Теория автоматического управления……………………………………………...91




1   2   3   4   5   6   7   8   9   10


База данных защищена авторским правом ©bezogr.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница