Боровков Ю.Г. Теория автоматического управления - файл n1.doc

приобрести
Боровков Ю.Г. Теория автоматического управления
скачать (2723.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc2724kb.10.06.2012 21:22скачать

n1.doc

  1   2   3   4   5   6   7


ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

(МИИТ)

УТВЕРЖДЕНО:

Проректором по учебно-методической работе – директором РОАТ

«_29_»_____10____ 2010 г.
Кафедра____Железнодорожная автоматика, телемеханика и связь__________

(название кафедры)

Автор____________Боровков Юрий Геннадьевич________________________

(ф.и.о.)

Учебно-методический комплекс по дисциплине


Теория автоматического управления

(название)

_____________________________________________________________________

Специальность/направление 220201.65 Управление и информатика (код, наименование специальности / направления)

_________в технических системах ______




Утверждено на заседании

Учебно-методической комиссии РОАТ

Протокол №____1_____

«__26__» ______10_______ 2010 г.


Утверждено на заседании кафедры
Протокол №____2___

«_19_» __октября_________ 2010 г.



Москва 2010 г.
БОРОВКОВ ЮРИЙ ГЕННАДЬЕВИЧ

канд. техн. наук, доцент, профессор кафедры ЖАТС
Учебно-методический комплекс по дисциплине «Теория автоматического управления» составлен в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования/основной образовательной программой по специальности/направлению

220201.65 Управление и информатика в технических системах (зУИ)/ ______


Автоматизация_и управление ________________________________________
Дисциплина входит в федеральный компонент цикла общепрофессиональных дисциплин специализации и является обязательной для изучения.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

(МИИТ)


СОГЛАСОВАНО:

УТВЕРЖДЕНО:

Выпускающая кафедра ____ЖАТС_____

Проректором по учебно-методической работе – директором РОАТ










«_29_»_____10_____ 2010 г.


Кафедра__Железнодорожная автоматика, телемеханика_и связь___________

(название кафедры)

Автор __Боровков Юрий Геннадьевич, к.т.н., доцент_____________________

(ф.и.о., ученая степень, ученое звание)

РАБОЧАЯ УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА ПО ДИСЦИПЛИНЕ


Теория автоматического управления

(название)

_____________________________________________________________________

Специальность/направление 220201.65 Управление и информатика (код, наименование специальности / направления)


_______в технических системах (зУИ)/Автоматизация_и управление


Утверждено на заседании

Учебно-методической комиссии института

Протокол №____1____

«__26__» _____10______ 2010 г.


Утверждено на заседании кафедры
Протокол №_______

«___» _____________ 2010 г.


Москва 2010 г.

Разработана на основании примерной учебной программы данной дисциплины, составленной в соответствии с государственными требованиями к минимуму содержания и уровню подготовки инженера по специальностям 220201.65 «Управление и информатика в технических системах (зУИ)».

Составители – кандидат технических наук, проф. Ю.Г. Боровков,

кандидат технических наук, доц. О.П. Ермакова

Рецензент – кандидат технических наук, доцент Орлов А.В.
Московский государственный технический университет путей сообщения. Российская открытая академия транспорта, 2009
1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
Цель преподавания дисциплины состоит в изложении основных положений теории автоматического управления и принципов построения на ее основе систем автоматического управления, методов анализа и синтеза технических систем, использующих автоматическое управление при решении задач железнодорожного транспорта.

Во время обучения студенты должны получить теоретические знания и практические навыки по расчету динамических и частотных характеристик систем автоматического управления (САУ), ознакомиться с современными методами оценки и коррекции основных показателей качества САУ. С помощью лекций, практических занятий в лабораториях с использованием современных методов и технических средств обучения, выполнения контрольной работы и курсового проекта, включая самоподготовку, студент получает знания в объеме, достаточном для их успешного практического применения, грамотной эксплуатации и постановки задач по проектированию и модернизации систем управления в различных отраслях железнодорожного транспорта.
2. ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ОСВОЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Изучив дисциплину, студент должен;

2.1. Знать

- основные положения теории автоматического управления, принципы и методы построения моделей систем автоматического управления (САУ);

- методы анализа и синтеза САУ;

- методы расчета и оптимизации САУ при детерминированных и случайных воздействиях.

2.2. Уметь

- применять принципы и методы построения моделей, методы анализа и синтеза САУ при создании, исследовании и эксплуатации технических систем и средств автоматизации и управления;

- производить расчет и применять на практике различные методы коррекции динамических характеристик САУ с целью их оптимизации.

2.3. Иметь представление

- о правилах построения АФЧХ (годографов) и логарифмических АЧХ, ФЧХ передаточных функций динамических звеньев различной сложности систем автоматического управления:

- об основных показателях качества САУ и методах их коррекции;

- о современных методах исследования и тенденциях развития теории автоматического управления;

- об областях применения теории автоматического управления.

3. ОБЪЕМ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ



Вид учебной работы

Количество часов

Всего по

уч. плану

В т. ч. по семестрам

1

2

3

4

Аудиторные занятия

52

16




36




Лекции

24

8




16




Практические занятия

16

4




12




Лабораторный практикум

12

4




8




Индивидуальные занятия

60




20




40

Самостоятельная работа

248




80




168

ВСЕГО ЧАСОВ НА ДИСЦИПЛИНУ

360

16

100

36

208

Текущий контроль

(количество и вид текущего контроля)




Контр. раб., 1




Курс.

пр.

Виды промежуточного контроля

(экзамен, зачет)




Зачет,

экзамен




Зачет,

экзамен



4. СОДЕРЖАНИЕ КУРСА

4.1. Распределение часов по темам и видам учебной работы

Форма обучения заочная



Название разделов и тем


Всего часов

по учебному плану

Виды учебных занятий


Индив. занятия

Самостоят. работа

Аудиторные занятия, в том числе

лекции

Практ.

занятия,

семинары

Лаб. Работы

(практикумы)

Раздел 1. Основные понятия и определения

1.1. Основные понятия теории управления

1.1.1. Назначение и задачи теории автоматического управления.

1.1.2. Виды управления.

1.1.3.Классификация САУ.

1..1.4. Функциональ-ные схемы САУ.

1

1













Раздел 2. Математическое описание автоматических систем управления

2.1. Динамические и частотные характеристики САУ.

2.1.1. Математичес-кие модели и

свойства статических и астатических САУ.

2.1 2. Формы записи линейных дифференциальных уравнений.

2.1.3. Передаточные функции.

2.1.4. Временные характеристики.

2.1.5. Частотные характеристики.

2.1.6. Элементарные звенья и их характеристики.

2.1.6. Электрические и механические аналоги типовых

динамических звеньев САУ и их параметры.

5

2

2

1







Раздел 3. Устойчивость линейных САУ

3.1. Условия и критерии устойчивости САУ.

3.1.1. Переходные процессы в САУ.

3.1.2. Понятие устойчивости.

3.1.3. Условия устойчивости линейных САУ.

3.1.4. Алгебраичес- кие критерии устойчивости.

3.1.5. Частотные критерии устойчивости.

3.1.6. Анализ устойчивости по логарифмическим частотным характеристикам.

4

2

1

1







Раздел 4. Качество регулирования САУ

4.1. Методы оценки качества регулирования линейных САУ

4.1.1. Показатели качества регулирования.

4.1.2. Оценка качества регулирования в установившемся режиме.

4.1.3. Оценка качества переходного процесса при воздействии

ступенчатой функции.

4.1.4. Оценка качества регулирования при гармонических воздействиях.

4.1.5. Корневые методы оценки качества регулирования.

4.1.6. Частотные методы оценки качества регулирования.

4

2




2







Раздел 5. Синтез систем автоматического управления

5.1. Обеспечение устойчивости и повышение качества регулирования линейных САУ.

5.1.1. Последователь- ные и параллельные корректирующие

устройства САУ.

5.1.2. Повышение точности в установившихся режимах.

5.1.3. Обеспечение устойчивости и повышение запаса устойчивости.

5.1.4. Синтез корректирующих устройств по ЛАЧХ.

5.1.5. Математические модели автоматических систем и особенности реализации их на ЭВМ

1

1













Раздел 6. Дискретные системы управления




6.1. Обшие сведения о дискретных системах управления

6.1.1. Классификация

дискретных систем управления.

6.1.2. Понятия об импульсных и цифровых системах управления.

6.1.3. Линейные модели дискретных систем управления.

8

4

2

2







Раздел 7. Импульсные системы управления

7.1Анализ импульсных систем управления.

7.1.1. Математическое описание идеального импульсного элемента.

7.1.2. Уравнения и импульсная передаточная функция разомкнутой импульсной системы управления.

7.1.3. Частотные характеристики импульсных систем.

7.1.4. Передаточные функции замкнутых импульсных систем.

7.1.5. Устойчивость импульсных систем.

7.2. Синтез импульсных систем

управления.

7.2.1. Общие сведения о синтезе импульсных систем.

7.2.2. Способы коррекции показателей качества импульсных систем.

7.2.3. Синтез корректирующих устройств.

5
5


2
2

2
2

1
1







Раздел 8. Нелинейные модели САУ




8.1. Нелинейные элементы САУ.

8.1.1. Понятие о нелинейных моделях.

8.1.2. Безынерцион-ные нелинейные элементы.

8.1.3. Динамические нелинейные элементы.

8.1.4. Методы линеаризации нелинейных моделей.

8.2. Устойчивость положений равновесия САУ.

8.2.1. Понятие об устойчивости невозмущенного движения.

8.2.2. Методы Ляпунова для исследования устойчивости.

8.2.3. Необходимое и достаточное условия абсолютной устойчивости.

6

6

2

2

2

2

2

2







Раздел 9. Современные методы управления




9.1. Методы теории оптимального управления.

9.1.1. Постановка задачи оптимального управления.

9.1.2. Критерии оптимальности.

9.1.3. Методы оптимального управления.

9.2. Методы адаптивного управления.

9.2.1. Алгоритмы адаптивного управления.

9.2.2. Содержание этапов синтеза адаптивных систем управления.

3

2

1










ИТОГО:

52

24

16

12























4.2. Содержание дисциплины

Введение. Общие сведения об управлении и системах управления (СУ). Задачи и область применения теории автоматического управления.[1, введение].

Раздел 1. Понятие об объектах управления. Поведение объектов и СУ. Информация и принципы управления. Классификации СУ. Математические модели СУ. Способы построения моделей. Особенности структурных моделей СУ. [1, введение; 2, гл.1].

Раздел 2. Модели вход-выход: дифференциальные уравнения; передаточные функции; временные и частотные характеристики. Модели вход-состояние-выход. Формы представления математических моделей. Преобразование форм представления моделей. Построение математических моделей СУ. Характеристики СУ с ?последовательным и параллельным соединением звеньев, соединением звеньев с обратной связью. Построение структурных схем по передаточной функции. Типовые звенья. Составление уравнений динамики типовых звеньев. [1, гл.2; 2, гл.2].

Раздел 3. Задачи анализа. Анализ устойчивости. Методы оценки устойчивости. Алгебраические критерии устойчивости. Критерий Михайлова. Критерий Найквиста.

Инвариантность СУ. Формы инвариантности. Селективная инвариантность к степенным воздействиям. Селективная инвариантность к гармоническому воздействию. Инвариантность систем с типовой структурой.

Чувствительность СУ. Чувствительность систем с типовой структурой. Чувствительность систем со сложной структурой.

Показатели качества переходных процессов в линейных СУ.

Управляемость и наблюдаемость СУ. Алгебраические критерии управляемости и наблюдаемости. Принцип дуальности. [1, гл.2, 3, 4, 5; гл.2, гл.3, 4, 5].

Раздел 4. Общие сведения о синтезе СУ. Задачи и методы синтеза линейных СУ. Аналитическое конструирование регуляторов. Синтез наблюдателя состояния. Синтез СУ, инвариантных к возмущениям. Синтез следящих систем. Коррекция СУ. Расчет передаточных функций корректирующих устройств. Параметрический синтез СУ. Методы синтеза оптимальных и адаптивных СУ. [1, гл. 7; 3, гл.6, 7, 11].

Раздел 5. Классификация дискретных систем по виду квантования. Понятия об импульсных и цифровых СУ. Обобщенные структурные схемы дискретных СУ. Использование микропроцессоров и микроЭВМ в СУ. [3, гл.8].

Раздел 6. Решетчатые функции и разностные уравнения. Математическое описание идеального импульсного элемента. Уравнения и импульсная передаточная функция разомкнутой импульсной СУ. Частотные характеристики импульсных систем. Логарифмические частотные характеристики импульсных систем. Представление дискретных СУ в форме пространства состояний. [3, гл.8].
Раздел 7. Структурные схемы и передаточные функции замкнутых импульсных СУ. Процессы в импульсных системах. Оценка точности импульсных СУ в установившемся режиме. Устойчивость импульсных систем. [3, гл.8].
Раздел 8. Общие сведения о синтезе импульсных систем. Построение желаемых частотных характеристик. Способы коррекции. Синтез дискретных корректирующих устройств.[3, гл.8].
Раздел 9. Понятие о нелинейных моделях. Безынерционные нелинейные элементы. Динамические нелинейные элементы. Нейронные сети как многомерные нелинейные элементы. Нелинейные модели с раскрытой структурой. Расчетные формы нелинейных моделей. Методы линеаризации нелинейных моделей. [3, гл.9].
Раздел 10. Понятие об устойчивости невозмущенного движения. Первый метод Ляпунова. Применение метода для исследования устойчивости. Второй (прямой) метод Ляпунова. Применение второго метода. Частотный метод исследования абсолютной устойчивости. Необходимое и достаточное условия абсолютной устойчивости. [1, гл. 12; 4, гл.II, VIII].
Раздел 11. Постановка задачи оптимального управления. Критерии оптимизации. Методы теории оптимального управления: классическое вариационное исчисление, принцип максимума, динамическое программирование. [1, гл. 11; 3, гл.10; 5, гл. 1].
Раздел 12. Целевые условия и уравнения адаптивных СУ. Алгоритмы адаптивного управления. Системы с алгоритмами прямого адаптивного управления. Системы идентификационного типа. Содержание этапов синтеза адаптивных СУ. Тенденции и перспективы развития методов исследования систем автоматического управления. [1, гл. 12; 5, гл. 3 и 4]
4.3. Темы практических занятий
Раздел 1. Математическое описание автоматических систем управления.

Тема 1. Построение асимптотических ЛАЧХ и временных характеристик

элементарных динамических звеньев [1, глава 2, §2.3 – 2.6].

Вопросы к теме:

1. Чем отличается переходная характеристика от импульсной (весовой) характеристики?

2. Чем определяется длительность переходного процесса?

3. Сколько сопрягающих частот имеет асимптотическая ЛАЧХ динамического звена, передаточная функция которого имеет две постоянных времени?
Раздел 2. Устойчивость линейных САУ.

Тема 2. Анализ алгебраических критериев устойчивости линейных САУ [1, главы 3 и 5].

Вопросы к теме:

1. Условия обеспечения устойчивости САУ.

2. Условия применимости алгебраических критериев устойчивости.

Раздел 3. Исследование методов синтеза линейных систем управления.

Тема 3. Синтез САУ с использованием частотных методов [1, ч. 1, §5.7].

Вопросы к теме:

1. Задачи синтеза САУ.
Раздел. 4. Импульсные системы управления

Тема 4. Логарифмические и частотные характеристики импульсных СУ.

Вопросы к теме:

1. В чем заключается отличие импульсных СУ от цифровых СУ?

2. Перечислить основные характеристики и параметры импульсных СУ.

Тема 5. Построение статических характеристик СУ с произвольной структурой.

Вопросы к теме:

1. Что понимается под произвольной структурой СУ?

2. Что понимается под статическими характеристиками СУ?

Раздел 5. Нелинейные модели систем управления

Тема 6. Методы линеаризации нелинейных моделей.

Вопросы к теме:

1. Что такое нелинейный элемент?

2. Что такое нелинейная САУ?

3. Что такое нелинейная модель?

Тема 6. Расчетные формы нелинейных моделей.

Вопросы к теме:

1. Какие расчетные формы существуют для описания нелинейных моделей?

Раздел 7. Модели случайных процессов

Тема 8. Анализ статистических характеристик и моделей случайных процессов.

Вопросы к теме:

1. Что такое случайный процесс?

2. Что такое стохастические системы управления?

3. Перечислить основные характеристики случайных процессов.

4. Какие расчетные формы существуют для описания случайных процессов?
4.4. Лабораторные работы (лабораторный практикум)


№№ и названия разделов и тем

Цель и содержание

лабораторной работы

Результаты лабораторной

работы

Лабораторная работа № 1: Исследование на ПЭВМ временных и частотных

характеристик элементарных динамических звеньев

Раздел. 1. Математическое описание автоматических систем управления.

Тема 1. Динамические и частотные характеристики САУ.

Цель работы: изучение основных характеристик и параметров линейных систем автоматического управления (САУ).

Содержание работы:

1. Используя метод неопределенных коэффициентов, найти аналитические выражения для весовой g(t) и переходной h(t) функций САУ.

2. Построить при помощи компьютерной программы MATLAB и вывести на печать графики найденных при выполнении п. 1 временных зависимостей.

3. Вывести аналитические выражения для частотных характеристик САУ по пункту 1.

4. Задаваясь характерными точками на оси частот построить примерные графики полученных частотных зависимостей при выполнении п. 3.

5. Оформить отчет по результатам выполнения лабораторной работы.

Отчет должен содержать:

- название и цель работы;

- основные определения и расчетные формулы;

- графики зависимостей g(t) и h(t);

- графики частотных зависимостей;

- выводы.

Лабораторная работа № 2: Исследование на ПЭВМ устойчивости линейных САУ

с использованием частотных критериев Найквиста

Раздел 2. Устойчивость линейных САУ.

Тема 2. Условия и критерии устойчивости САУ.

Цель работы: изучение особенностей практического использования алгебраических и частотных критериев устойчивости для анализа динамики линейных САУ 2-го и 3-го порядков.

Содержание работы:

1. Для каждого блока, входящего в структурную схему линейной САУ, выбрать вариант типового динамического звена, соответствующего номеру данного блока.

2. Задать параметры выбранных динамических звеньев.

3. Провести исследование на устойчивость замкнутой САУ по критерию Найквиста с использованием АФЧХ разомкнутой системы.

4. Провести исследование на устойчивость замкнутой САУ по критерию Найквиста с использованием ЛАЧХ разомкнутой системы.

5. Оформить отчет по результатам выполнения лабораторной работы.

Отчет должен содержать:

- название и цель работы;

- основные определения и расчетные формулы;

- выводы с результами оценки устойчивости замкнутой линейной САУ по двум частотным критериям Найквиста.

Лабораторная работа № 3: Исследование на ПЭВМ показателей качества САУ.

Раздел 3. Качество регулирования линейных САУ.

Тема 3. Методы оценки качества регулирования САУ.

Цель работы: определение основных показателей качества регулирования САУ.

Содержание работы:

1. Для замкнутой линейной САУ из лабораторной работы № 2 построить переходную характеристику и на ее основе определить основные показатели качества системы.

2. Для замкнутой линейной САУ из лабораторной работы № 2 построить ЛАЧХ и ЛФЧХ и на их основе определить основные показатели качества системы.

3. Оформить отчет по результатам выполнения лабораторной работы.


Отчет должен содержать:

- название и цель работы;

- основные определения и расчетные формулы;

- выводы с результатами оценки качества регулирования исследуемой САУ.


Лабораторная работа № 4: Исследование на ПЭВМ простейших импульсных систем.

Раздел 4. Импульсные системы управления.

Тема 4. Временные и частотные характеристики импульсных систем.







Лабораторная работа № 5: Исследование на ПЭВМ статических характеристик нелинейных элементов и их соединений.

Раздел 5. Нелинейные системы управления.

Тема 5. Статические характеристики нелинейных систем.







Лабораторная работа № 6: Исследование на ПЭВМ поведения системы управления при случайных воздействиях.

Раздел 6. Стохастические системы управления.

Тема 6. Модели случайных процессов.







Лабораторная работа № 7: Исследование на ПЭВМ имитационной модели адаптивной системы управления.

Раздел 7. Современные методы управления.

Тема 7. Методы адаптивного управления.






  1   2   3   4   5   6   7


ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации