2886_teoriya avtomaticheskogo regulirovaniya i upravleniya_kpmii_56sem_68_chasov
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Московский физико-технический институт (государственный университет)»
«УТВЕРЖДАЮ Проректор по учебной и методической работе
Д.А. Зубцов
|
Рабочая программа дисциплины (модуля) |
по дисциплине: |
Теория автоматического регулирования и управления |
по направлению: |
Прикладная математика и информатика (бакалавриат) |
профиль подготовки: |
Прикладная математика и информатика (общий) |
факультет: |
аэромеханики и летательной техники |
кафедра: |
прикладной механики и информатики |
курс: |
3 |
квалификация: |
бакалавр |
Семестры, формы промежуточной аттестации:
5(Осенний) - Дифференцированный зачет 6(Весенний) - Дифференцированный зачет
Аудиторных часов: 68 всего, в том числе: лекции: 17 час.
практические (семинарские) занятия: 51 час. лабораторные занятия: 0 час.
Самостоятельная работа: 40 час.
Всего часов: 108, всего зач. ед.: 3
Программу составил: |
А.М. Кузнецов, к.т.н, доцент, доцент |
|
Программа обсуждена на заседании кафедры |
|
|
СОГЛАСОВАНО: |
|
|
Декан факультета аэромеханики и летательной техники |
В.В. Вышинский |
|
Начальник учебного управления |
И.Р. Гарайшина |
|
1. Цели и задачи
Цель дисциплины
Целью данного курса является знакомство студентов 3-го курса ФАЛТ МФТИ с основами классической теории автоматического регулирования и управления, некоторыми разделами современной теории управления, а также приобретение необходимых навыков и умений.
Задачи дисциплины
Задачей курса является создание в базе знаний студентов ФАЛТ МФТИ необходимой основы для восприятия ими общефакультетских курсов «Динамика полета», «Введение в механику полета» и «Техника и методика аэрофизического и динамического эксперимента», а также специальных курсов на базовых кафедрах (таких как «Системы управления летательных аппаратов» и др.).
2. Место дисциплины (модуля) в структуре образовательной программы
Дисциплина Основы теории автоматического регулирования и управления базируется на материалах курсов бакалавриата по дисциплинам «Высшая математика» (математический анализ, высшая алгебра, дифференциальные уравнения и методы математической физики, блока «Общая и теоретическая физика».
3. Перечень планируемых результатов обучения по дисциплине (модулю), соотнесенных с планируемыми результатами освоения образовательной программы
Освоение дисциплины направлено на формирование следующих общекультурных, общепрофессиональных и профессиональных компетенций:
способность использовать базовые знания естественных наук, математики и информатики, основные факты, концепции, принципы теорий, связанных с прикладной математикой и информатикой (ОПК-1); способность приобретать новые научные и профессиональные знания, используя современные
образовательные и информационные технологии (ОПК-2); способность к разработке алгоритмических и программных решений в области системного и
прикладного программирования, математических, информационных и имитационных моделей, созданию информационных ресурсов глобальных сетей, образовательного контента, прикладных баз данных, тестов и средств тестирования систем и средств на соответствие стандартам и исходным требованиям (ОПК-3);
способность решать |
стандартные |
задачи профессиональной деятельности |
на основе |
|||
информационной |
и |
библиографической |
культуры |
с |
применением |
|
информационно-коммуникационных |
технологий |
и с учетом |
основных |
требований |
||
информационной безопасности (ОПК-4); |
|
|
|
|||
способность собирать, обрабатывать и интерпретировать данные современных научных исследований, необходимые для формирования выводов по соответствующим научным исследованиям (ПК-1); способность понимать, совершенствовать и применять современный математический аппарат
(ПК-2);
способность критически переосмысливать накопленный опыт, изменять при необходимости вид и характер своей профессиональной деятельности (ПК-3); способность работать в составе научно-исследовательского и производственного коллектива и решать задачи профессиональной деятельности (ПК-4).
В результате освоения дисциплины обучающиеся должны
знать:
место и роль общих вопросов науки в научных исследованиях;
современную проблематику теории управления;
постановку проблем физико-математического моделирования;
о взаимосвязях и фундаментальном единстве естественных наук.
уметь:
эффективно использовать на практике теоретические основы науки об управлении;
абстрагироваться от несущественных влияний при моделировании реальных управленческих задач;
владеть:
методологией решения задач анализа и синтеза систем автоматического управления;
навыками самостоятельной работы на программном комплексе MATLAB;
4.Содержание дисциплины (модуля), структурированное по темам (разделам) с указанием отведенного на них количества академических часов и видов учебных занятий
4.1. Разделы дисциплины (модуля) и трудоемкости по видам учебных занятий
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Виды учебных занятий, включая самостоятельную |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
работу |
|
|
№ |
Тема (раздел) дисциплины |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
Практич. |
Лаборат. |
Задания, |
Самост. |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Лекции |
(семинар.) |
курсовые |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
задания |
работы |
работы |
работа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Основные |
|
понятия |
|
|
теории |
|
|
|
|
|
||
1 |
автоматического |
|
|
управления. |
|
4 |
|
|
2 |
||||
Преобразования Лапласа, основные |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
теоремы. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Преобразования |
Лапласа, |
основные |
|
|
|
|
|
|||||
2 |
теоремы. |
Передаточная |
функция. |
|
6 |
|
|
2 |
|||||
Временные |
|
|
и |
|
частотные |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
характеристики. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Типовые звенья и их классификация. |
|
|
|
|
|
|||||||
3 |
Основные |
характеристики |
систем |
|
6 |
|
|
2 |
|||||
автоматического |
|
управления |
(САУ). |
|
|
|
|||||||
|
Передаточные функции |
и |
частотные |
|
|
|
|
|
|||||
|
характеристики системы. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
4 |
Устойчивость САУ. Алгебраические и |
|
4 |
|
|
2 |
|||||||
частотные критерии устойчивости. |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
Точность |
САУ. |
Статические |
и |
|
|
|
|
|
||||
5 |
астатические системы. Коэффициенты |
|
4 |
|
|
2 |
|||||||
|
ошибок. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Качество |
переходного |
|
процесса. |
|
|
|
|
|
||||
6 |
Основные |
показатели |
переходного |
|
4 |
|
|
2 |
|||||
|
процесса, их оценка. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
7 |
Задача синтеза |
(области |
низких |
и |
|
6 |
|
|
2 |
||||
средних частот). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
8 |
Метод корневого годографа. Свойства |
2 |
2 |
|
|
2 |
|||||||
и построение корневых годографов. |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
Нелинейные |
системы. |
|
Основные |
|
|
|
|
|
||||
9 |
понятия, |
виды |
нелинейностей. |
2 |
2 |
|
|
2 |
|||||
|
Методы анализа нелинейных систем. |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
Линеаризация |
|
существенных |
|
|
|
|
|
|||
|
нелинейностей. |
|
Метод |
|
|
|
|
|
|||
10 |
гармонического |
|
баланса. |
4 |
2 |
|
|
2 |
|||
Устойчивость |
автоколебательного |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||
|
режима. Вынужденные колебания в |
|
|
|
|
|
|||||
|
нелинейных системах. |
|
|
|
|
|
|
||||
|
Статистическое описание |
случайных |
|
|
|
|
|
||||
|
процессов. |
|
|
Характеристики |
|
|
|
|
|
||
|
случайных |
|
процессов |
Векторные |
|
|
|
|
|
||
11 |
случайные |
процессы. Классификация |
3 |
3 |
|
|
2 |
||||
|
случайных |
процессов. Спектральная |
|
|
|
|
|
||||
|
плотность |
стационарных |
случайных |
|
|
|
|
|
|||
|
процессов. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
12 |
Методы |
статистического |
анализа и |
2 |
2 |
|
|
2 |
|||
оценка точности линейных систем. |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||
|
Методы |
статистического |
анализа |
|
|
|
|
|
|||
13 |
нелинейных |
систем. |
Статистическая |
3 |
3 |
|
|
2 |
|||
|
линеаризация. |
|
|
|
|
|
|
|
|||
14 |
Синтез |
САУ |
на |
основе фильтра |
1 |
3 |
|
|
14 |
||
Калмана. |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Итого часов |
|
|
|
|
|
17 |
51 |
|
|
40 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Подготовка к экзамену |
|
|
0 час. |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Общая трудоёмкость |
|
|
108 час., 3 зач.ед. |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4.2.Содержание дисциплины (модуля), структурированное по темам (разделам)
Семестр: 5 (Осенний)
1. Основные понятия теории автоматического управления. Преобразования Лапласа, основные теоремы.
Основные понятия теории автоматического управления. Преобразования Лапласа, основные теоремы.
2. Преобразования Лапласа, основные теоремы. Передаточная функция. Временные и частотные характеристики.
Передаточная, импульсная переходная, переходная функции. Связь между ними. Правила преобразования структурных схем. Приведение многоконтурных систем к одноконтурным.
Частотные характеристики. Различные формы представления частотных характеристик: амплитудные, фазовые, логарифмические, асимптотические логарифмические характеристики
3. Типовые звенья и их классификация. Основные характеристики систем автоматического управления (САУ). Передаточные функции и частотные характеристики си
Типовые звенья и их классификация (позиционные, интегрирующие и дифференцирующие звенья). Основные характеристики типовых звеньев Основные характеристики систем автоматического управления (САУ). Замкнутая и
разомкнутая системы. Передаточные функции и частотные характеристики системы.
4. Устойчивость САУ. Алгебраические и частотные критерии устойчивости.
Устойчивость САУ. Алгебраические и частотные критерии устойчивости. Критерий Михайлова. Робастная устоцйчивость.
Критерий Найквиста. Определение устойчивости по логарифмическим частотным характеристикам. Запасы устойчивости.
5. Точность САУ. Статические и астатические системы. Коэффициенты ошибок.
Точность САУ. Статические и астатические системы, порядок астатизма. Коэффициенты ошибок
6. Качество переходного процесса. Основные показатели переходного процесса, их оценка.
Качество переходного процесса. Основные показатели переходного процесса, их оценка с использованием нулей и полюсов замкнутой системы. Доминирующие корни. Приближенный способ нахождения нулей и полюсов замкнутой системы по логарифмическим частотным характеристикам разомкнутой системы.
7. Задача синтеза (области низких и средних частот).
Построение желаемых частотных характеристик (синтез) в области низких и средних частот.
Семестр: 6 (Весенний)
8. Метод корневого годографа. Свойства и построение корневых годографов.
Метод корневого годографа. Свойства корневых годографов.
9. Нелинейные системы. Основные понятия, виды нелинейностей. Методы анализа нелинейных систем.
12. Нелинейные системы. Основные понятия, виды нелинейностей. Методы анализа нелинейных систем. Метод фазовой плоскости. Автоколебания. Определение предельных циклов методом точечных преобразований. Особые точки и особые прямые.
10. Линеаризация существенных нелинейностей. Метод гармонического баланса. Устойчивость автоколебательного режима. Вынужденные колебания в нелинейных сист
Гармоническая линеаризация нелинейностей. Метод гармонического баланса. Устойчивость автоколебательного режима.
Вынужденные колебания в нелинейных системах. Вибрационная линеаризация.
11. Статистическое описание случайных процессов. Характеристики случайных процессов Векторные случайные процессы. Классификация случайных процессов. С
Статистическое описание случайных процессов. Характеристики случайных процессов Векторные случайные процессы. Классификация случайных процессов. Спектральная плотность стационарных случайных процессов. Белый шум. Формирующий фильтр
12. Методы статистического анализа и оценка точности линейных систем.
Статистический анализ и оценка точности линейных систем. Соотношения между математическими ожиданиями и корреляционными функциями входа и выхода. Преобразование стационарной случайной функции стационарной линейной системой. Соотношения между спектральными плотностями.
Корреляционная система уравнений
13. Методы статистического анализа нелинейных систем. Статистическая линеаризация.
Методы статистического анализа нелинейных систем. Одномерная и многомерная статистическая линеаризация. Нормальное распределение. Анализ точности
14.Синтез САУ на основе фильтра Калмана.
5.Описание материально-технической базы, необходимой для осуществления образовательного процесса по дисциплине (модулю)
b.Необходимое оборудование для лекций и практических занятий: компьютерный класс.
c.Необходимое программное обеспечение: MATLAB.
d.Обеспечение самостоятельной работы – наличие PC, выход в Интернет.
6.Перечень основной и дополнительной литературы, необходимой для освоения дисциплины (модуля)
Основная литература
1.Теория автоматического управления. Под ред. Яковлева В.Б. «Высшая школа», 2005г.
2.Дорф Р., Бишоп Р. Современные системы управления. М., БИНОМ – Лаборатория базовых знаний, 2002 г.
3.Ким Д.П. Теория автоматического управления. Т.1, 2. М., Физматлит, 2007.
4.Ким Д.П., Дмитриева Н.Д. Сборник задач по теории автоматического управления. Линейные системы. М. Физматлит, 2008.
5.Ким Д.П., Дмитриева Н.Д. Сборник задач по теории автоматического управления. Многомерные, нелинейные, оптимальные и адаптивные системы. М. Физматлит, 2008.
6.Санковский Е.А. Вопросы теории автоматического управления. «Высшая школа», 1971 г.
7.Пантелеев А.В., Бортаковский А.С. Теория управления в примерах и задачах. «Высшая школа», 2003 г.
8.Л. Д. Певзнер Практикум по теории автоматического управления, М., Высшая школа, 2006г.
9.Дорф Р., Бишоп Р. Современные системы управления. М., БИНОМ – лаборатория базовых знаний, 2004 г.
Дополнительная литература
10.Попов Е.П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления. М., Наука, 1978 г.
11.Кузовков Н.Т. Теория автоматического регулирования, основанная на частотных методах. М., Оборонгиз.
12.Удерман Э.Г. Метод корневого годографа и теории автоматических систем. «Наука».
13.Попов Е.П., Пальтов И.П. Приближенные методы исследования нелинейных автоматических систем. М., Физматгиз.
14.Топчеев Ю.И., Цыпляков А.П. Задачник по теории автоматического регулирования. М., Машиностроение.
15.Сборник задач по теории автоматического управления, Под редакцией В.А. Бессекерского,
М., «Наука», 1978 г.
16.Росин М.Ф., Булыгин В.С. Статистическая динамика и теория эффективности систем управления. «Машиностроение», 1981 г.
7.Перечень информационных технологий, используемых при осуществлении образовательного процесса по дисциплине (модулю), включая перечень программного обеспечения и информационных справочных систем (при необходимости)
Необходимое оборудование для лекций и практических занятий: компьютерный класс. Необходимое программное обеспечение: MATLAB.
Обеспечение самостоятельной работы – наличие PC, выход в Интернет.
8. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины
Студент, изучающий дисциплину " Теория автоматического регулирования и управления", должен с одной стороны, овладеть общим понятийным аппаратом, а с другой стороны, должен научиться применять теоретические знания на практике.
В результате изучения дисциплины студент должен знать основные определения, понятия, аксиомы.
Успешное освоение курса требует напряжённой самостоятельной работы студента. В программе курса приведено минимально необходимое время для работы студента над темой. Самостоятельная работа включает в себя:
–чтение и конспектирование рекомендованной литературы;
–проработку учебного материала (по конспектам лекций, учебной и научной литературе), подготовку ответов на вопросы, предназначенных для самостоятельного изучения, доказательство отдельных утверждений, свойств;
–выполнение лабораторных работ, для осознание связей между теорией и практическими навыками;
–подготовку к дифференцированному зачету и экзамену.
Руководство и контроль за самостоятельной работой студента осуществляется в форме индивидуальных консультаций.
Важно добиться понимания изучаемого материала, а не механического его запоминания. При затруднении изучения отдельных тем, вопросов, следует обращаться за консультациями к лектору.
9. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации по итогам обучения
Приложение
ПРИЛОЖЕНИЕ
ФОНД ОЦЕНОЧНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ОБУЧАЮЩИХСЯ
ПО ДИСЦИПЛИНЕ
по направлению: |
Прикладная математика и информатика (бакалавриат) |
профиль подготовки: |
Прикладная математика и информатика (общий) |
факультет: |
аэромеханики и летательной техники |
кафедра (название): |
прикладной механики и информатики |
курс: |
3 |
квалификация: |
бакалавр |
Семестры, формы промежуточной аттестации:
5(Осенний) - Дифференцированный зачет 6(Весенний) - Дифференцированный зачет
Разработчик: А.М. Кузнецов, к.т.н, доцент, доцент
1. Компетенции, формируемые в процессе изучения дисциплины
Освоение дисциплины направлено на формирование у обучающегося следующих общекультурных (ОК), общепрофессиональных (ОПК) и профессиональных (ПК) компетенций:
способность использовать базовые знания естественных наук, математики и информатики, основные факты, концепции, принципы теорий, связанных с прикладной математикой и информатикой (ОПК-1); способность приобретать новые научные и профессиональные знания, используя современные
образовательные и информационные технологии (ОПК-2); способность к разработке алгоритмических и программных решений в области системного и
прикладного программирования, математических, информационных и имитационных моделей, созданию информационных ресурсов глобальных сетей, образовательного контента, прикладных баз данных, тестов и средств тестирования систем и средств на соответствие стандартам и исходным требованиям (ОПК-3);
способность решать |
стандартные |
задачи профессиональной деятельности |
на основе |
|||
информационной |
и |
библиографической |
культуры |
с |
применением |
|
информационно-коммуникационных |
технологий |
и с учетом |
основных |
требований |
||
информационной безопасности (ОПК-4); |
|
|
|
|||
способность собирать, обрабатывать и интерпретировать данные современных научных исследований, необходимые для формирования выводов по соответствующим научным исследованиям (ПК-1); способность понимать, совершенствовать и применять современный математический аппарат
(ПК-2);
способность критически переосмысливать накопленный опыт, изменять при необходимости вид и характер своей профессиональной деятельности (ПК-3); способность работать в составе научно-исследовательского и производственного коллектива и решать задачи профессиональной деятельности (ПК-4).
2. Показатели оценивания компетенций
Врезультате изучения дисциплины «Теория автоматического регулирования и управления» обучающийся должен:
знать:
место и роль общих вопросов науки в научных исследованиях;
современную проблематику теории управления;
постановку проблем физико-математического моделирования;
о взаимосвязях и фундаментальном единстве естественных наук.
уметь:
эффективно использовать на практике теоретические основы науки об управлении;
абстрагироваться от несущественных влияний при моделировании реальных управленческих задач;
владеть:
методологией решения задач анализа и синтеза систем автоматического управления;
навыками самостоятельной работы на программном комплексе MATLAB;
3.Перечень типовых контрольных заданий, используемых для оценки знаний, умений, навыков
Промежуточная аттестация по дисциплине «Теория автоматического регулирования и управления» осуществляется в форме экзамена (зачета). Экзамен (зачет) проводится в письменной (устной) форме.
Перечень контрольных (типовых) вопросов для сдачи дифференцированного зачёта в 5-ом семестре;
БИЛЕТ №1.
1.Классификация типовых звеньев. Примеры.
2.Нарисовать корневые траектории замкнутой системы, если передаточная функция разомкнутой системы имеет вид:
.
3. Пример расчёта и исследования устойчивости автоколебаний. БИЛЕТ №2.
1.Показатели качества переходного процесса. Доминирующие корни
2.Нарисовать корневые траектории замкнутой системы, если передаточная функция разомкнутой системы имеет вид:
.
3. Нелинейные системы. Основные понятия. Виды нелинейностей. БИЛЕТ №3.
1.Логарифмические характеристики звена.
2.Нарисовать корневую траекторию замкнутой системы, если передаточная функция разомкнутой системы имеет вид:
.
3. Вынужденные колебания в нелинейных системах. Пример. БИЛЕТ №4.
1.Частотные характеристики звена.
2.Нарисовать корневые траектории замкнутой системы, если передаточная функция разомкнутой системы имеет вид:
.
3. Гармоническая линеаризации нелинейностей. БИЛЕТ №5.
1.Временные характеристики звена.
2.Нарисовать корневые траектории замкнутой системы, если передаточная функция разомкнутой системы имеет вид:
.
3. Определить коэффициенты гармонической линеаризации для релейной нелинейности БИЛЕТ №6.
1.Синтез САУ методом ЛАЧХ в низкочастотной части.
2.Нарисовать корневые траектории замкнутой системы, если передаточная функция разомкнутой системы имеет вид:
.
3. Метод гармонического баланса. БИЛЕТ №7.
1.Синтез САУ методом ЛАЧХ в среднечастотной части.
2.Нарисовать корневые траектории замкнутой системы, если передаточная функция разомкнутой системы имеет вид:
.
3. Методы анализа нелинейных систем. Метод припасовывания. БИЛЕТ №8.
1.Критерий Найквиста.
2.Нарисовать корневые траектории замкнутой системы, если передаточная функция разомкнутой системы имеет вид:
.
3. Нелинейные системы. Основные понятия. Виды нелинейностей БИЛЕТ №9.