ipmash@ipme.ru | +7-812-321-47-78
пн-пт 10.00-17.00
ИПМаш РАН ИПМаш РАН

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт проблем машиноведения Российской академии наук

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт проблем машиноведения Российской академии наук

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ «ТЕОРИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ»

Дисциплина «Теория автоматического управления» реализуется в рамках Блока 1 основной профессиональной образовательной программы высшего образования – программы подготовки научно-педагогических кадров в аспирантуре Федерального государ-ственного бюджетного учреждения науки Института проблем машиноведения Российской академии наук (ИПМаш РАН) для аспирантов очной и заочной форм обучения по направлению подготовки 27.06.01 «Управление в технических системах», направление программы 05.11.16 «Информационно-измерительные и управляющие системы» (Машиностроение).
Рабочая программа разработана в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом высшего образования (ФГОС ВО) по направлению подго-товки 27.06.01 «Управление в технических системах» (уровень подготовки кадров высшей квалификации), утвержденного приказом Министерства образования и науки Российской Федерации от 30 июля 2014 года № 866, зарегистрированного в Минюсте Российской Фе-дерации 25 августа 2014 года № 33837, с изменениями и дополнениями от 30 апреля 2015 года и учебным планом программы подготовки научно-педагогических кадров в аспиран-туре по направлению подготовки кадров высшей квалификации 27.06.01 «Управление в технических системах», направление программы 05.11.16 «Информационно-измерительные и управляющие системы» (Машиностроение).
Общая трудоемкость дисциплины «Теория автоматического управления» по учеб-ному плану составляет 3 зачетные единицы (108 часов), из них лекций – 36 часов, практи-ческих (семинарских) занятий – 36 часов, в том числе аудиторных занятий в интерактив-ной форме – 18 часов, лабораторных занятий – 0 часов, самостоятельной работы – 36 часов, в том числе творческой проблемно-ориентированной самостоятельной работы – 18 часов. Текущая аттестация проводится в соответствии с заданиями и формами контроля, преду-смотренными настоящей программой. Промежуточная аттестация осуществляется в период зачетно-экзаменационной сессии в форме экзамена.

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ

  • Цель дисциплины «Теория автоматического управления» - научить аспирантов методам анализа и синтеза систем автоматического управления. Привить аспирантам навыки синтеза систем управления линейными и нелинейными объектами.

Для успешного освоения дисциплины предполагается предварительное изучение аспирантами дисциплин «Математический анализ», «Линейная алгебра», «Теория функций комплексной переменной». В преподавании дисциплины активно применяются взаимно дополняющие друг друга подходы пространства состояний и частотных характеристик.

Практические занятия по дисциплине «Теория автоматического управления» имеют цель подготовить аспирантов к формализации и решению типовых задач управления системами, поставленными на вербальном языке.

Основными задачами дисциплины «Теория автоматического управления» являются приобретение аспирантами знаний о разнообразных методах построения математических моделей сложных объектов и процессов как непрерывного, так и дискретного типа, о способах перехода от одной формы математического описания к другой, о важнейших качественных показателях объектов и систем, о методах построения замкнутых систем управления при заданных условиях функционирования объекта, о современных проблемно ориентированных пакетах прикладных программ. Аспиранты должны уметь самостоятельно выбирать форму записи математической модели, адекватную поставленной задаче, переходить от одной формы записи модели к другой, анализировать устойчивость объектов и систем управления, разрабатывать системы управления с учетом всех условий функционирования объекта управления.

На основании этих знаний аспирант должен уметь:

достаточно свободно оперировать основными теоретическими понятиями курса;

применять основы теории управления к линейным и нелинейным системам;

выполнять необходимые расчетные задания при помощи определенного набора специальных методов.

Курс «Теория автоматического управления» формирует у аспиранта следующие навыки:

формализации задач управления системами;

работы с научной литературой.

Изучение данной учебной дисциплины обеспечит:

формирование навыков математической формализации вербально поставленных задач управления механическими системами;

формирование умения использовать математические методы расчета;

формирование умения логически мыслить;

формирование умения правильно интерпретировать результаты расчетов и формулировать рекомендации по совершенствованию режимов работы управляемых систем.

2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ОПОП

2.1. Учебная дисциплина «Теория автоматического управления» входит в обязательную часть ОПОП по направлению подготовки научно-педагогических кадров в аспирантуре по направлениям, реализуемым ИПМаш РАН.

2.2. Для изучения данной дисциплины необходимы знания, умения и навыки в области математики, сформированные у обучающихся в процессе освоения программы в бакалавриате или специалитете.

2.3. Дисциплина «Теория автоматического управления» служит основой для написания выпускной квалификационной работы, а также для осуществления дальнейшей профессиональной деятельности.

3. ТРЕБОВАНИЯ К РЕЗУЛЬТАТАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Освоение дисциплины «Теория автоматического управления», направлено на формирование следующих компетенций в соответствии с ОПОП по направлениям подготовки, реализуемым ИПМаш РАН.

3.1. Универсальные компетенции:

- способность к критическому анализу и оценке современных научных достижений, генерированию новых идей при решении исследовательских и практических задач, в том числе в междисциплинарных областях (УК-1);

- способность планировать и решать задачи собственного профессионального и личностного развития (УК-5).

3.2. Общепрофессиональные компетенции:

- способность самостоятельно осуществлять научно-исследовательскую деятельность в соответствующей профессиональной области с использованием современных методов исследования и информационно-коммуникационных технологий (ОПК-1);

- готовность к преподавательской деятельности по основным образовательным программам высшего образования (ОПК-2).

3.3. Профессиональные компетенции:

- владеть культурой мышления, иметь способности к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей ее достижения (ПК-8);

- уметь логически верно, аргументированно и ясно строить устную и письменную речь (ПК-9);

- использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического и компьютерного моделирования в теоретических и расчетно-экспериментальных исследованиях (ПК-10);

- владеть основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации, иметь навыки работы с компьютером как средством управления информацией (ПК-11);

- уметь использовать фундаментальные законы природы, законы естественнонаучных дисциплин и механики в процессе профессиональной деятельности (ПК-12);

- быть способным выявлять сущность научно-технических проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, и привлекать для их решения соответствующий физико-математический аппарат (ПК-13);

- применять физико-математический аппарат, теоретические, расчетные и экспериментальные методы исследований, методы математического и компьютерного моделирования в процессе профессиональной деятельности (ПК-14);

- быть готовым выполнять расчетно-экспериментальные работы в области прикладной механики с использованием современных вычислительных методов, высокопроизводительных вычислительных систем и наукоемких компьютерных технологий, широко распространенных в промышленности систем мирового уровня, и экспериментального оборудования для проведения механических испытаний (ПК-15);

- выполнять расчетно-экспериментальные работы по многовариантному анализу характеристик конкретных механических объектов с целью оптимизации технологических процессов (ПК-16);

- участвовать в работах по поиску оптимальных решений при создании отдельных видов продукции с учетом требований динамики и прочности, долговечности, безопасности жизнедеятельности, качества, стоимости, сроков исполнения и конкурентноспособности (ПК-17).

В результате изучения данной дисциплины аспирант должен:

знать основные принципы управления и способы их использования в управляемых системах;

уметь свободно оперировать теоретическими положениями дисциплины, формализовать вербально поставленные задачи управления системами на уровне расчетных схем и математических моделей, использовать математические методы анализа и синтеза управляемых систем, правильно интерпретировать результаты расчетов и формулировать рекомендации по совершенствованию режимов работы управляемых систем;

владеть навыками использования современных программных средств для расчета управляемых систем.

4. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

Дисциплина «Теория автоматического управления» осваивается в 1-м семестре. Приводимая ниже таблица показывает распределение бюджета учебного времени, отводимого на освоение основных разделов курса согласно учебному плану на первый семестр. Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 з.е. (108 часов).

4.1. Виды учебной работы

Виды учебной работы Трудоемкость
ач/нед ач/сем
Лекции 2 36
Лабораторные занятия - -
Практические занятия, семинары 2 36
в том числе аудиторные занятия в интерактивной форме - 18
Самостоятельная работа 2 36
в том числе творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа - 18
Экзамены (подготовка, сдача) - -
Общая трудоемкость освоения дисциплины в академических часах в зачетных единицах 108 3
4.2. Разделы дисциплины и виды учебной работы
Наименование разделов и тем: Всего учебных занятий (в академических часах)
Лекции Практические занятия Самостоятельная работа
1 1 2 3
Тема 1. Математическое описание автоматических систем управления 4 4 6
Тема 2. Устойчивость динамических систем 5 5 5
Тема 3. Классические методы регулирования линейными системами 5 5 5
Тема 4. Нелинейные системы автоматического управления 5 5 6
Тема 5. Методы теории оптимальных систем управления 4 4 3
Тема 6. Случайные процессы в автоматических системах управления 5 5 5
Тема 7. Дискретные системы автоматического управления 8 8 6
Итого по видам учебной работы, а. ч. 36 36 36
Итого по видам учебной работы, з. ед. 1 1 1
Общая трудоемкость освоения, а. ч./з. ед. 108 а. ч./ 3 з. ед.
Вид контроля: экзамен
4.3. Краткое содержание разделов и тем
Темы, разделы Результаты освоения дисциплины
1.Математическое описание автоматических систем управления
1.1.Математическое описание автоматических систем управления. Уравнения динамики и статики. Передаточные функции. Частотные и временные характеристики. Многомерные системы. Знать особенности систем как объектов управления. Уметь составлять и анализировать расчетные схемы систем как объектов управления. Владеть основными понятиями дисциплины.
2. Устойчивость динамических систем
2.1.Устойчивость динамических систем. Понятие устойчивости. Устойчивость по Ляпунову. Алгебраические критерии устойчивости. Частотные критерии устойчивости. Знать основные способы математического описания управляемых систем. Уметь составлять и анализировать математические модели систем как объектов управления. Владеть основными понятиями дисциплины.
3. Классические методы регулирования линейными системами
3.1.Классические методы регулирования линейными системами. Корректирующие устройства. ПИД-регулирование. Знать методы анализа управляемых систем. Уметь синтезировать алгоритмы управления. Владеть основными понятиями дисциплины.
4. Нелинейные системы автоматического управления
4.1. Нелинейные системы автоматического управления. Метод фазовой плоскости. Системы с переменной структурой. Метод гармонического баланса. Метод эквивалентной линеаризации. Абсолютная устойчивость. Знать возможности метода фазовых траекторий при анализе систем. Уметь исследовать управляемые системы методом фазовых траекторий. Владеть основными понятиями дисциплины.
5. Методы теории оптимальных систем управления
5.1. Методы теории оптимальных систем управления. Общая постановка задачи оптимального управления. Применение методов вариационного исчисления (задача Лагранжа). Основная теорема принципа максимума. Задача оптимального быстродействия. Принцип оптимальности Беллмана. Метод динамического программирования. Знать особенности периодических режимов в управляемых системах. Уметь использовать методы приближенного анализа периодических режимов систем. Владеть основными понятиями дисциплины.
6. Случайные процессы в автоматических системах управления
6.1. Случайные процессы в автоматических системах управления. Характеристики случайных процессов. Преобразование случайных процессов в линейных системах (уравнение Винера-Хопфа). Преобразование случайных процессов в нелинейных системах. Метод статистической линеаризации. Знать свойства случайных процессов в управляемых механических системах. Уметь осуществлять преобразование случайных процессов. Владеть основными понятиями дисциплины.
7. Дискретные системы автоматического управления
7. Дискретные системы автоматического управления. Исследование устойчивости дискретных систем. Синтез алгоритмов управления дискретными системами. Знать постановки задач управления дискретными системами. Уметь использовать методы управления дискретными системами. Владеть основными понятиями дисциплины.
4.4. Самостоятельная работа аспирантаСамостоятельная работа аспирантов направлена на закрепление и углубление освоения учебного материала и развитие практических умений. Традиционная самостоятельная работа аспирантов включает такие виды самостоятельной работы, как

работа с лекционным материалом и рекомендованной учебной литературой;

выполнение домашних заданий.

Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа аспирантов направлена на развитие комплекса интеллектуальных универсальных (общекультурных) и профессиональных умений, повышение творческого потенциала аспирантов.

Примерное распределение времени самостоятельной работы студентов

Вид самостоятельной работы Примерная трудоемкость, а.ч.
Текущая самостоятельная работа аспирантов (СР)
Работа с лекционным материалом, с учебной литературой 18
Опережающая самостоятельная работа 18
Итого текущей СР: 18
Творческая проблемно-ориентированная СР
Творческая проблемно-ориентированная СР: 18
Итого творческой СР: 18
Общая трудоемкость СР 36
5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИВ преподавании дисциплины используются преимущественно традиционные образовательные технологии:

лекции по теоретическому материалу;

практические занятия с решением тестовых расчетных заданий;

самостоятельная работа с рекомендованной учебной и научной литературой.

Одной из особенностей образовательных технологий, используемых при изучении дисциплины, состоит в параллельном использовании для решения задач метода пространства состояний и операторного метода. Другая особенность заключается в рассмотрении реальных задач управления системами.

Занятия в интерактивной форме Объем, а. ч.
Интерактивные проблемные лекции по анализу устойчивости и управлению линейными и нелинейными системами 4
Интерактивные практические занятия-семинары по методам решения типовых задач 6

6. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Не предусмотрен

7. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ

Программой предусмотрено углубленное рассмотрение основных теоретических положений дисциплины, а также решение типовых задач общей аудиторной трудоемкостью 36 часов.

Темы практических занятий:

1.Расчетные схемы нелинейных систем как объектов управления.

2.Математические модели нелинейных систем.

3.Управление нелинейными системами с помощью линейных ПИД-регуляторов. Построение переходных процессов.

4.Релейные регуляторы. Анализ возможности появления автоколебаний.

5.Исследование автоколебаний методом гармонического баланса.

6.Исследование вынужденных колебаний методом гармонического баланса.

7.Характеристики случайных процессов. Преобразование случайных процессов в линейных системах.

8.Преобразование случайных процессов в нелинейных системах.

9.Оптимальные по быстродействию системы управления. Принцип максимума Понтрягина.

10.Оптимизация систем управления методом динамического программирования.

8. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

8.1. Рекомендуемая литература

Основная литература

1.В.А. Бесекерский, Е.П. Попов, Теория систем автоматического управления. Учеб. пособие. Санкт-Петербург, Профессия, 2003.

2.А.А. Курс теории автоматического управления, 2-е изд. Лань, 2010.

3.Б.Р. Андриевский, Ф.Л. Фрадков. Избранные главы теории автоматического управления. СПБ: Наука, 1999.

4.Б.Т. Поляк, М.В. Хлебников, Л.Б. Рапопорт. Математическая теория автоматического управления: учебное пособие. М.: ЛЕНАНД, 2019.

5.Андриевский Б.Р., Балашов М.В., Бахтадзе Н.Н., Галяев А.А., Глумов В.М., Губко М.В., Емельянова Ю.П., Карабутов Н.Н., Коргин Н.А., Кудинов Ю.И., Кушнер А.Г., Лотоцкий В.А., Макаренко А.В., Матвеев А.С., Пакшин П.В., Новиков Д.А., Пащенко Ф.Ф., Рубинович Е.Я., Тремба А.А., Чеботарев П.Ю., Честнов В.Н., Ядыкин И.Б., Петросян Л.А. Теория управления (дополнительные главы). – М.: Издательская группа URSS, ООО «ЛЕНАНД», ИПУ РАН, 2019.

Дополнительная литература

1.И.В. Мирошник, В.О. Никифоров, А.Л. Фрадков, Нелинейное и адаптивное управление сложными динамическими системами, Спб., Наука, 2000.

2.Х.К. Халил. Нелинейные системы. М.-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Институт компьютерных исследований, 2009.

8.2. Технические средства обеспечения дисциплины

Программное обеспечение персональных компьютеров; информационное, программное и аппаратное обеспечение локальной компьютерной сети; информационное и программное обеспечение глобальной сети ИНТЕРНЕТ. Лицензионное программное обеспечение для решения задач теории управления.

9. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

В ИПМаш РАН имеются специальные помещения для проведения занятий лекционного типа, занятий семинарского типа, групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации, а также помещения для самостоятельной работы и помещения для хранения и профилактического обслуживания оборудования. Специальные помещения укомплектованы специализированной мебелью и техническими средствами обучения, служащими для представления информации большой аудитории.

Перечень материально-технического обеспечения включает в себя персональные компьютеры, оснащенные лицензионным ПО для осуществления учебной работы. Все компьютеры имеют возможность выхода в Интернет и доступ к электронным библиотечным системам (ЭБС). Лекционные аудитории оснащены мультимедийным и проекционным оборудованием, необходимым для демонстрации презентационных материалов.

10. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ

И ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ

10.1.Критерии оценивания

Оценка качества освоения дисциплины определяется устным экзаменом. Текущий контроль успеваемости, т.е. проверка усвоения учебного материала, регулярно осуществляемая на протяжении семестра.

10.2.Оценочные средства

1.Структуры систем автоматического управления.

2.Принципы управления.

3.Классификация САУ.

4.Основные задачи ТАУ.

5.Способы математического описания САУ и их элементов.

6.Линеаризация дифференциальных уравнений САУ.

7.Типовые входные воздействия.

8.Передаточные функции линейных динамических звеньев и их основные свойства.

9.Переходная функция и функция веса.

10.Частотные характеристики линейных звеньев. Формы представления частотных характеристик.

11.Передаточные функции замкнутой САУ в режимах управления и стабилизации.

12.Правила эквивалентных преобразований структурных схем.

13.Частотные характеристики для различных соединений звеньев.

14.Понятия устойчивости линейных систем.

15.Необходимое и достаточное условие устойчивости линейных САУ.

16.Критерий устойчивости Гурвица.

17.Критерий устойчивости Рауса.

18.Частотный критерий устойчивости Михайлова.

19.Критерий Найквиста.

20.Анализ устойчивости по логарифмическим частотным характеристикам.

21.Понятие запасов устойчивости по модулю и по фазе.

22.Построение областей устойчивости методом D-разбиения по двум комплексным параметрам.

23.Задача анализа качества процессов управления. Прямые оценки качества САУ по виду переходного процесса.

24.Корневые оценки качества процессов в САУ.

25.Частотные оценки качества процессов в САУ.

26.Интегральные оценки качества.

27.Анализ точности САУ при произвольном воздействии методом коэффициентов ошибок.

28.Понятие астатизма. Способы повышения статической точности САУ.

29.Задача синтеза САУ. Виды корректирующих устройств.

30.Основные способы коррекции динамических свойств САУ.

31.Последовательные корректирующие устройства и их влияние на динамику САУ.

32.Корректирующие обратные связи и их влияние на динамику САУ.

33.Определение коэффициентов характеристического уравнения по заданному распределению корней. Стандартные коэффициенты характеристического уравнения.

34.Аналитический метод синтеза САУ.

35.Синтез последовательного корректирующего устройства методом ЛАХ. Выбор желаемой ЛАХ.

36.Особенности нелинейных систем.

37.Методы исследования нелинейных систем.

38.Метод фазового пространства. Общие понятия.

39.Фазовые траектории линейных систем второго порядка.

40.Фазовые траектории нелинейных систем.

41.Расчет движения изображающей точки на фазовой траектории.

42.Понятие устойчивости по Ляпунову.

43.Абсолютная устойчивость.

44.Метод гармонической линеаризации.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОРГАНИЗАЦИИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Все этапы изучения дисциплины сопровождаются как групповыми, так и индивидуальными консультациями. Рекомендуется основной объем базовых знаний преподнести на лекциях и практических занятиях, а указанную литературу использовать для закрепления и расширения полученных знаний. Также рекомендуется больше внимания уделять самостоятельной работе аспирантов с тем, чтобы, ознакомившись на практических занятиях с методами решения типовых задач, они имели возможность закрепить практические навыки в области применения методов математического и компьютерного моделирования в задачах управления механическими системами, работая при этом в удобном режиме времени и пользуясь консультациями преподавателя.

Файл документа:
11:20
Используя этот сайт, вы соглашаетесь с тем, что мы используем файлы cookie.