TAU_OsipovaEA

1.Информация из ФГОС, относящаяся к дисциплине

1.1. Вид деятельности выпускника

Дисциплина охватывает круг вопросов относящихся к виду деятельности выпускника:

проектно-конструкторская деятельность:

-осваивать методики использования программных средств для решения практических задач (ПК-2);

-разрабатывать интерфейсы «человек – электронно-вычислительная машина» (ПК-3);

проектно-технологическая деятельность:

- разрабатывать компоненты программных комплексов и баз данных, использовать современные инструментальные средства и технологии программирования (ПК-5);

научно-исследовательская деятельность:

-обосновывать принимаемые проектные решения, осуществлять постановку и выполнять эксперименты по проверке их корректности и эффективности (ПК-6);

-готовить презентации, научно-технические отчеты по результатам выполненной работы, оформлять результаты исследования в виде статей и докладов на научно-практических конференциях (ПК-7).

1.2. Задачи профессиональной деятельности выпускника

В дисциплине рассматриваются указанные в ФГОС задачи профессиональной деятельности выпускника:

проектно-конструкторская деятельность:

-сбор и анализ исходных данных для проектирования;

-проектирование программных и аппаратных средств (систем, устройств, программ, баз данных и т.п.) в соответствии с техническим заданием с использованием средств автоматизации проектирования;

проектно-технологическая деятельность:

-применение современных инструментальных средств при разработке программного обеспечения;

-использование стандартов и типовых методов контроля и оценки качества программной продукции;

-освоение и применение современных программно-методических комплексов исследования и автоматизированного проектирования объектов профессиональной деятельности;

научно-исследовательская деятельность:

-изучение научно-технической информации, отечественного и зарубежного опыта по тематике исследования;

-математическое моделирование процессов и объектов на базе стандартных пакетов

автоматизированного проектирования и исследований;

-проведение экспериментов по заданной методике и анализ результатов;

-проведение измерений и наблюдений, составление описания проводимых исследований, подготовка данных для составления обзоров, отчетов и научных публикаций.

1.3. Перечень компетенций, установленных ФГОС

Освоение программы настоящей дисциплины позволит сформировать у обучающегося следующие компетенции:

Общекультурные компетенции:

-владеет культурой мышления, способен к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей её достижения (ОК-1);

-умеет логически верно, аргументировано и ясно строить устную и письменную речь

(ОК-2);

-умеет критически оценивать свои достоинства и недостатки, наметить пути и выбрать средства развития достоинств и устранения недостатков (ОК-7);

-использует основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применяет методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-10);

-осознает сущность и значение информации в развитии современного общества; владеет основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации (ОК-11);

-имеет навыки работы с компьютером как средством управления информацией (ОК-12);

-способен работать с информацией в глобальных компьютерных сетях (ОК-13);

Профессиональные компетенции:

проектно-конструкторская деятельность:

-осваивать методики использования программных средств для решения практических задач (ПК-2);

-разрабатывать интерфейсы «человек – электронно-вычислительная машина» (ПК-3);

проектно-технологическая деятельность:

- разрабатывать компоненты программных комплексов и баз данных, использовать современные инструментальные средства и технологии программирования (ПК-5);

научно-исследовательская деятельность:

-обосновывать принимаемые проектные решения, осуществлять постановку и выполнять эксперименты по проверке их корректности и эффективности (ПК-6);

-готовить презентации, научно-технические отчеты по результатам выполненной работы, оформлять результаты исследования в виде статей и докладов на научно-практических конференциях (ПК-7).

1.4. Перечень умений и знаний, установленных ФГОС

После освоения программы настоящей дисциплины студент должен: знать:

-основные положения теории управления,

-принципы и методы построения моделей систем управления,

-методы расчета линейных непрерывных и дискретных систем,

-области применения и тенденции развития теории управления. уметь:

-логически верно, аргументировано и ясно строить устную и письменную речь на

профессиональные темы,

-применять принципы построения моделей,

-применять методы анализа и синтеза при создании, исследовании и эксплуатации автоматизированных систем обработки информации и управления,

-применять методы теоретического и экспериментального исследования,

-использовать современные математические программные средства для решения фундаментальных и прикладных задач теории управления.

владеть:

-терминологией в области теории управления,

-современными методами численного моделирования в области теории управления техническими системами,

-навыкам работы с компьютером как средством управления информацией,

-навыками использования основных законов естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности,

-навыками практического применения полученных знаний в профессиональной деятельности.

2.Цели и задачи освоения программы дисциплины

Целью преподавания дисциплины является обучение студентов основам теории управления, необходимых при создании, исследовании и эксплуатации автоматизированных систем обработки информации и управления.

Задачей изучения дисциплины является освоение базовых принципов построения систем управления, форм представления и преобразования моделей систем, методов анализа и синтеза линейных непрерывных и дискретных систем управления.

3.Место дисциплины в структуре ООП

Для изучения дисциплины необходимо освоение содержания дисциплин: «Математика» (ОК-1,ОК-2,ОК-10), «Информатика» (ОК-2,ОК-6,ОК-8,ОК-10,ОК-

11,ОК-12,ПК-2,ПК-4,ПК-7), «Программирование» (ОК-11,ОК-12,ПК-2,ПК-3,ПК-5,ПК-6), «Вычислительная математика» (ОК-10,ОК-11,ОК-12,ПК-2), «Электротехника, электроника и схемотехника» (ОК-1,ОК-6,ОК-10,ОК-11,ОК-12,ПК-2,ПК-3,ПК-5,ПК-6,ПК-

7,ПК-9,ПК-10).

Знания и умения, приобретаемые студентами после освоения содержания дисциплины, будут использоваться при выполнении бакалаврской выпускной квалификационной работы (ОК-1,ОК-2,ОК-10,ПК-2,ПК-5,ПК-7), при изучении дисциплины «Теория оптимального управления» (ОК-10,ОК-11), а также при прохождении производственной практики (ОК-2,ОК-6,ОК-10,ОК-12,ПК-3,ОК-3,ПК-1,ПК- 5,ПК-6,ПК-9,ПК-10,ПК-11) и выполнении НИРС (ПК-6,ПК-7).

4.Основная структура дисциплины

Общая трудоемкость дисциплины составляет 5 ЗЕТ

5.Содержание дисциплины

5.1. Перечень основных разделов и тем дисциплины

Раздел 1. Основные понятия теории управления Тема 1.1. Предмет теории автоматического управления и историческая справка

(лекция проблемного характера, ОК-1, ОК-2, ОК-7, ОК-10, ПК-6)

Тема 1.2. Основные понятия и определения (установочная (вводная) лекция с высоким уровнем взаимодействия студентов между собой и/или с преподавателем, ОК-1, ОК-7, ОК-10, ПК-2)

Тема 1.3. Принципы автоматического управления (лекция проблемного характера, ОК-1, ОК-2, ОК-7, ОК-10, ПК-6)

Тема 1.4. Классификация систем автоматического управления (лекция - визуализация, ОК-1, ОК-2, ОК-11, ОК-12, ПК-7)

Раздел 2. Линейные модели систем управления и их характеристики Тема 2.1. Понятие о линейных системах (установочная (вводная) лекция, ОК-1, ОК-

7, ОК-10, ПК-2)

Тема 2.2. Динамические звенья и их характеристики (установочная (вводная) лекция высоким уровнем взаимодействия студентов между собой и/или с преподавателем, ОК-1, ОК-7, ОК-10, ПК-2)

Тема 2.3. Типовые динамические звенья (лекция с заранее запланированными ошибками, ОК-1, ОК-10, ПК-6)

Тема 2.4. Алгебра передаточных функций (лекция с заранее запланированными ошибками, ОК-1, ОК-10, ПК-6)

Тема 2.5. Получение уравнений состояний по математической модели «вход-выход» Раздел 3. Анализ систем управления

Тема 3.1. Задачи анализа систем управления (лекция проблемного характера, ОК-1, ОК-2, ОК-7, ОК-10, ПК-6)

Тема 3.2. Понятие устойчивости. Устойчивость возмущенного и невозмущенного движения по А.М. Ляпунову (установочная (вводная) лекция с высоким уровнем взаимодействия студентов между собой и/или с преподавателем, ОК-1, ОК-7, ОК-10,

ПК-2)

Тема 3.3. Корни характеристического уравнения и устойчивость линейной динамической системы (установочная (вводная) лекция с высоким уровнем взаимодействия студентов между собой и/или с преподавателем, ОК-1, ОК-7, ОК-10,

ПК-2)

Тема 3.4. Алгебраические критерии устойчивости. Критерии Гурвица и Рауса (лекция проблемного характера, ОК-1, ОК-2, ОК-7, ОК-10, ПК-6)

Тема 3.5. Частотные критерии устойчивости. Критерии Михайлова и Найквиста (лекция проблемного характера, ОК-1, ОК-2, ОК-7, ОК-10, ПК-6)

Тема 3.6. Качество процессов управления и методы его исследования (лекция, ОК-1,

ОК-10)

Тема 3.7. Инвариантные системы. Комбинированное управление (лекция проблемного характера, ОК-1, ОК-2, ОК-7, ОК-10, ПК-6)

Тема 3.8. Управляемость и наблюдаемость систем управления (самостоятельная работа студента с учебной литературой, ОК-1, ОК-13)

Раздел 4. Синтез систем управления Тема 4.1. Оптимальные системы (лекция - визуализация, ОК-1, ОК-2, ОК-11, ОК-12,

ПК-7)

Тема 4.2. Метод логарифмических частотных характеристик (лекция - визуализация, ОК-1, ОК-2, ОК-11, ОК-12, ПК-7)

Тема 4.3. Параметрический синтез систем управления (лекция - визуализация, ОК-1, ОК-2, ОК-11, ОК-12, ПК-7)

Раздел 5. Общие сведения о дискретных системах управления Тема 5.1. Понятия об импульсных и цифровых системах управления (лекция - визуализация, ОК-1, ОК-2, ОК-11, ОК-12, ПК-7)

Тема 5.2. Использование микропроцессоров и микро-ЭВМ в системах управления (лекция - визуализация, ОК-1, ОК-2, ОК-11, ОК-12, ПК-7)

Раздел 6. Линейные модели дискретных систем управления Тема 6.1. Решетчатые функции и разностные уравнения (установочная (вводная)

лекция с высоким уровнем взаимодействия студентов между собой и/или с преподавателем, ОК-1, ОК-7, ОК-10, ПК-2)

Тема 6.2. Применение преобразования Лапласа для анализа дискретных функций времени (установочная (вводная) лекция с высоким уровнем взаимодействия студентов между собой и/или с преподавателем, ОК-1, ОК-7, ОК-10, ПК-2)

Тема 6.3. Дискретная передаточная функция (установочная (вводная) лекция с высоким уровнем взаимодействия студентов между собой и/или с преподавателем, ОК-1, ОК-7, ОК-10, ПК-2)

Тема 6.4. Полюса дискретной передаточной функции и анализ устойчивости (установочная (вводная) лекция с высоким уровнем взаимодействия студентов между собой и/или с преподавателем, ОК-1, ОК-7, ОК-10, ПК-2)

Раздел 7. Анализ импульсных систем управления Тема 7.1. Устойчивость импульсных систем. Критерии устойчивости Гурвица,

Михайлова и Найквиста (самостоятельная работа студента с учебной литературой с подготовкой презентаций и докладов в установленные сроки, ОК-1, ОК-13, ПК-7) Тема 7.2. Оценка точности импульсных СУ в установившемся режиме (самостоятельная работа студента с учебной литературой с подготовкой презентаций и докладов в установленные сроки, ОК-1, ОК-13, ПК-7)

Раздел 8. Синтез импульсных систем управления Тема 8.1. Способы коррекции (самостоятельная работа студента с учебной литературой, ОК-1, ОК-13)

Тема 8.2. Специальные виды цифровых корректирующих устройств (самостоятельная работа студента с учебной литературой, ОК-1, ОК-13)

Заключение. Тенденции и перспективы развития теории управления (обобщающая лекция по дисциплине, ОК-1)

5.2 Краткое описание содержания теоретической части разделов и тем дисциплины

Раздел 1. Основные понятия теории управления Тема 1.1. Предмет теории автоматического управления и историческая справка

Теория автоматического управления – это научная дисциплина, предметом изучения которой являются свойства, методы расчета и конструирования систем автоматики.

Неотъемлемой частью систем автоматики являются управляющие устройства, или регуляторы.

Впервые, как предполагают ученые, с необходимостью построения регуляторов столкнулись создатели высокоточных механизмов, в первую очередь - часов. Даже небольшие, но все время действующие в них помехи приводили в конечном итоге к отклонениям от нормального хода, недопустимым по условиям точности. Противодействовать этим помехам (возмущениям) чисто конструктивными средствами, например, улучшая обработку деталей, повышая их массу или увеличивая развиваемые устройствами полезные усилия, не удавалось, и для решения проблемы точности в состав системы стали вводить регуляторы. На рубеже нашей эры арабы снабдили поплавковым регулятором уровня водяные часы. Гюйгенс в 1675 г. встроил в часы маятниковый регулятор хода.

Эпоха точных методов в теории управления пришла тогда, когда появилась необходимость дать точное количественное описание процессов, происходящих в системах автоматического управления – т.е. в технических системах, работающих без участия человека. Первой важной технической задачей, на решении которой были разработаны и отточены количественные математические методы теории управления, стала задача обеспечения постоянства частоты вращения паровой машины (двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу) при изменениях ее нагрузки. Итак, в результате первого промышленного переворота в Европе конца XVIII столетия началось развитие промышленных регуляторов. Первыми промышленными регуляторами являются автоматический поплавковый регулятор питания котла паровой машины, построенный в 1765 г. И.И. Ползуновым, и центробежный регулятор скорости паровой машины, на который в 1784 г. получил патент Джемс Уатт.

Данные изобретения показали эффективность использования принципа обратной связи по отклонению, который до сих пор является основой автоматического управления.

Несмотря на то, что к 70-м годам XIX века в Англии работало уже примерно 75 тысяч регуляторов Уатта, ощущалась острая необходимость в теоретическом исследовании. Необходимо было понять причины склонности машин, снабженных регуляторами, к самораскачиванию, которые могли перейти в самопроизвольно возрастающие колебания, неминуемо приводившие к аварии. Такие исследования впервые выполнены английским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом (1866 г.) и русским механиком Иваном Алексеевичем Вышнеградским (1876г.). Ученые рассмотрели машину и регулятор как единую динамическую систему, обосновали общий методологический подход к исследованию самых разнородных по физике и конструкции систем, заложили основы теории устойчивости, установили ряд важных общих закономерностей регулирования по принципу обратной связи.

Активное развитие современной теории началось с появлением электротехнических систем. Впоследствии оказалось, что методы теории автоматического управления позволяют объяснить работу объектов различной физической природы: в механике, энергетике, радио- и электротехнике. Перечислим некоторые типичные классы технических задач.

А. Управление движением механических объектов. Цель обычно формулируется через задание желаемых значений координат и скоростей в определенные моменты времени или на определенных участках траектории.

Б. Управление электротехническими (или электронными) объектами. Здесь управляемыми являются процессы изменения напряжений, токов, мощностей, а управляющими воздействиями являются внешние электродвижущие силы (ЭДС) или токи от внешних источников, или сопротивления, емкости, индуктивности элементов с варьируемыми характеристиками. Целью управления может быть, например, обеспечение постоянства напряжения между различными узлами системы или достижение максимальной мощности, выделяемой на определенном элементе.

В. Управление теплотехническими объектами. Управляемыми являются процессы изменения температур в различных точках объекта, а воздействие осуществляется путём подвода тепловой энергии. Цель управления может состоять в желании поддерживать некоторое распределение температур или не допускать превышения температурой некоторого предельного уровня.

Г. Управление химической или биологической технологией. Здесь управляемым является как изменение температур, так и изменение концентраций различных веществ. Управляющими воздействиями являются изменение подхода энергии (топлива, освещения) или вещества, а целью – обеспечение желаемого количества выходного продукта (желаемой продуктивности) или/ и постоянства качественных физикохимических характеристик.

Эти проблемы зачастую переплетаются, поскольку объекты современной техники являются сложными системами.

Тема 1.2. Основные понятия и определения

Управление состоит в том, чтобы, оказывая на какой-либо объект воздействие, изменять протекающие в нём процессы для достижения определенной цели при соблюдении заранее обусловленных требований и ограничений.

Так, например, управление автомобилем заключается в организации её движения из одного пункта в другой при соблюдении правил дорожного движения, условий безопасности водителя и пассажиров, выполнении требований минимизации количества израсходованного горючего или минимизации времени нахождения в пути и т. д.

Рис. 1 – Функциональная схема объекта управления

- управляющие воздействия u - это такие переменные, с помощью которых можно влиять на поведение объекта. Управляющие воздействия вырабатываются управляющим устройством, иначе говоря, контроллером или регулятором.

Для реализации управляющих воздействий всякий объект снабжается управляющими органами. Так, в автомобиле предусматриваются: для управления скоростью – педали изменения подачи топлива в двигатель и педаль тормоза, а также ручка переключения редуктора коробки передач; для управления направлением её движения – рулевая колонка, для управления температурой в кабине – ручки включения отопителя и вентилятора и т.п. Соответственно управляющими воздействиями для

автомобиля являются манипуляции с педалями подачи топлива и тормозов, ручкой переключения передач, повороты руля, изменение положения ручек отопителя и т.п.

-переменные состояния x - это внутренние и часто недоступные измерению величины, которые однозначно характеризуют состояние объекта в каждый момент времени и меняются из-за внешних воздействий.

-выходные переменные y (управляемые величины объекта) - это доступные

измерению величины (контролируемые переменные), отражающие реакцию объекта на управляющие воздействия. Отдельные координаты векторов x и y могут совпадать.

При управлении автомобилем управляемыми величинами объекта являются направление и скорость движения автомобиля, температура двигателя, температура в кабине и т.п.

- возмущения g и f - воздействия, получаемые объектом со стороны внешней среды и приводящие к нежелательным отклонениям управляемых величин. Здесь g - контролируемые возмущения, f - неконтролируемые возмущения.

Так, возмущениями, действующими на автомобиль в процессе её движения, которые приводят к нежелательным отклонениям её от избранного пути и нежелательным отклонениям скорости, являются всякого рода неровности дороги, порывы ветра и т.п. Возмущения, как правило, являются случайными функциями времени.

Объект управления и контроллер во взаимодействии друг с другом образуют систему автоматического управления (САУ).

При проектировании САУ особую роль играет её математическая модель системы, поскольку она позволяет прогнозировать поведение объекта управления, возможность достижения поставленных целей при различных внешних условиях.

Объекты и системы управления состоят из элементов, имеющих различную природу. Описание каждого элемента обычно дается на языке соответствующей научной дисциплины (механики, электротехники, гидравлика и т. д.). Для анализа их взаимодействия удобно перейти к единообразному описанию. В практике наибольше распространение получил следующий способ:

а) каждый реальный элемент рассматривается как устройство, звено системы, в котором осуществляется преобразование одного процесса, называемого входным воздействием, в другой, называемый выходной реакцией, или просто преобразование «вход-выход»;

б) взаимодействие между звеньями задается путем описание связей между их входами и выходами, определяющих структуру системы.

Универсальным языком теоретического естествознания, служащим для математического моделирования взаимосвязей процессов в природе и технике, является язык уравнений – алгебраических и, в особенности, дифференциальных.

Тема 1.3. Принципы автоматического управления

Выбор используемого принципа автоматического управления зависит от характера информации, получаемой об объекте в процессе его работы, степени полноты его математического описания, статических характеристик объекта и задачи, поставленной перед САУ.

Например, в задачах стабилизации требуется с указанной точностью поддерживать на определенном уровне те или иные управляемые величины, причем решить эту задачу можно различными путями.

Если основные возмущения на объект могут быть измерены, а свойства объекта и его динамические характеристики известны, то управление может вестись по