6. самостоятельная работа - Основные образовательные

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
«УТВЕРЖДАЮ»:
Проректор по учебной работе
/Л.М. Волосникова/
«
»
2009 г.
ОСНОВЫ ТЕОРИИ УПРАВЛЕНИЯ
Учебно-методический комплекс
Рабочая программа для студентов специальности 230200 –
Информационные системы и технологии
«ПОДГОТОВЛЕНО К ИЗДАНИЮ»:
Автор работы
« 30 » сентября 2009г.
/М.С. Цыганова/
Рассмотрено на заседании кафедры информационных систем
02.10.09 г. протокол № 2
Соответствует требованиям к содержанию, структуре и оформлению.
«РЕКОМЕНДОВАНО К ЭЛЕКТРОННОМУ ИЗДАНИЮ»:
Объем 12 стр.
Зав.кафедрой
/А.Г. Ивашко/
« 6 » октября 2009 г.
Рассмотрено на заседании УМК Института математики и
компьютерных наук 22.09.2009 протокол №1
Соответствует ФГОС ВПО и учебному плану образовательной
программы.
«СОГЛАСОВАНО»:
Председатель УМК
/Н.М. Гаврилова/
«
»
2009 г.
«СОГЛАСОВАНО»:
Зав. методическим отделом УМУ
«
»
2009 г.
/С.А. Федорова/
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ОСНОВЫ ТЕОРИИ УПРАВЛЕНИЯ
Учебно-методический комплекс
Рабочая учебная программа для студентов специальности
230200 – Информационные системы и технологии
Тюмень 2009
М. С. Цыганова. ОСНОВЫ ТЕОРИИ УПРАВЛЕНИЯ. Учебнометодический комплекс. Рабочая учебная программа для студентов
очной формы обучения специальности «Информационные системы и
технологии».
Рабочая учебная программа дисциплины опубликована на сайте
ТюмГУ: Основы теории управления [электронный ресурс] / Режим
доступа: http://www.umk.utmn.ru, свободный.
Рекомендовано к изданию кафедрой информационных систем.
Утверждено
проректором
по
учебной
работе
Тюменского
государственного университета.
ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: А.Г. Ивашко , д.т.н., профессор
© ГОУ ВПО Тюменский государственный университет, 2009.
© Цыганова М.С., 2009.
1. ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Программа составлена на основании учебного плана специальности
230201 - Информационные системы и технологии от 2005г. и в
соответствии с требованиями Государственного образовательного
стандарта высшего профессионального образования, № гос. Рег. 768
гум/сп от 27.12.2005г.
Требования ГОС к содержанию курса.
Управление и информатика; общие принципы системной организации;
устойчивость, управляемость и наблюдаемость; инвариантность и
чувствительность систем управления; математические модели
объектов и систем управления; формы представления моделей;
методы анализа и синтеза систем управления. Цифровые системы
управления; использование микропроцессоров и микро-ЭВМ в
системах управления; особенности математического описания
цифровых систем управления, анализа и синтеза систем управления с
ЭВМ в качестве управляющего устройства; программная реализация
алгоритмов управления в цифровых системах.
1.1 Цели и задачи дисциплины
Цель изучения данной дисциплины – ознакомление с основными
положениями современной теории управления; формирование у
студентов представления о связи фундаментальных проблем теории
управления с задачами получения, передачи и обработки
информации, анализа и организации вычислений, принятия решений.
Задачи дисциплины:
- познакомить студентов с основными понятиями теории
управления;
- рассмотреть основные математические модели объектов и
систем управления, математические методы, используемые в
анализе и синтезе систем управления;
- рассмотреть особенности цифровых систем управления, их
математического описания, анализа и синтеза;
- дать представление о
направлениях использования
микропроцессоров и микро-ЭВМ в системах управления.
4
1.2 Требования к уровню освоения содержания дисциплины
В результате изучения дисциплины студенты должны
знать:
 основные положения теории управления, принципы и методы
построения моделей динамических систем управления;
уметь:
 применять основные методы получения и преобразования
моделей динамических систем, анализа и синтеза систем
управления, в том числе систем с цифровыми управляющими
устройствами;
иметь представление:
 о направлениях использования микропроцессоров и микро-ЭВМ
в системах управления,
 об особенностях использования ЭВМ в качестве управляющих
устройств,
 об областях применения теории управления;
иметь навыки:
 расчета линейных непрерывных и цифровых систем.
2. ОБЪЕМ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ
Вид занятий
Общая трудоемкость
Аудиторные занятия
Лекции
Практические занятия
Самостоятельная
работа
Вид итогового контроля
Всего
часов
68
54
36
18
Семестры
5
68
54
36
18
14
14
экзамен
5
3. ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
Наименование темы
Общие понятия об
управлении и системах
управления.
Математические модели
объектов и систем
управления.
Анализ линейных
непрерывных систем
управления: устойчивость,
критерии устойчивости,
робастная устойчивость.
Анализ линейных
непрерывных систем
управления: показатели
качества управления.
Инвариантность системы
управления.
Управляемость и
стабилизируемость,
наблюдаемость и
восстанавливаемость
линейных стационарных
систем управления.
Синтез линейных
непрерывных систем
управления.
Основные понятия и
методы теории
оптимального управления.
Цифровые системы
управления.
Всего:
Лекции
Практич. Самост.
занятия работа
4
6
4
2
4
4
2
4
2
2
2
4
2
4
4
2
2
8
4
2
36
18
14
4. СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛОВ ДИСЦИПЛИНЫ
ТЕМА 1. Общие понятия об управлении и системах управления.
Понятие управления. Кибернетический подход. Управление как
информационный процесс; управление и информатика. Общие
6
принципы системной организации. Понятие об управляемости,
системах управления. Основные принципы управления. Основные
задачи систем управления. Классификация систем управления по
различным признакам. Особенности задач управления в технических и
организационно-экономических системах.
ТЕМА 2. Математические модели объектов и систем управления.
Операторы систем управления. Линейные и нелинейные модели.
Линеаризация. Линейные модели непрерывных систем, формы их
представления:
дифференциальные
уравнения;
передаточные
функции; временные функции; частотные функции и характеристики,
их физический смысл. Типовые динамические звенья и их
характеристики. Представление модели системы управления в
пространстве состояний. Структурные схемы систем управления,
преобразования структурных схем. Вычисление передаточных
функций одноконтурной и многоконтурных систем. Графы систем
управления. Формула Мейсона.
ТЕМА 3. Анализ линейных непрерывных систем управления:
устойчивость, критерии устойчивости, робастная устойчивость.
Асимптотическая устойчивость линейных непрерывных систем
управления. Основное условие устойчивости. Теоремы Ляпунова об
устойчивости по линейному приближению. Необходимое условие
устойчивости. Алгебраические и частотные критерии устойчивости:
критерий Гурвица, критерий Михайлова, критерий Найквиста.
Устойчивость систем с чистым запаздыванием. Определение области
устойчивости. Робастная устойчивость. Необходимое и достаточное
условие робастной устойчивости.
ТЕМА 4. Анализ линейных непрерывных систем управления:
показатели качества управления. Инвариантность системы
управления.
Основная характеристика качества системы управления. Типовые
воздействия. Показатели качества управления в переходном режиме:
прямые и косвенные показатели. Показатели качества в
установившемся режиме. Коэффициенты ошибок. Статические и
астатические системы. Инвариантность системы управления. Принцип
двухканальности.
7
ТЕМА 5. Управляемость и стабилизируемость, наблюдаемость и
восстанавливаемость
линейных
стационарных
систем
управления.
Управляемость
системы.
Матрица
управляемости,
критерий
управляемости линейных стационарных систем. Стабилизируемость
линейных стационарных систем. Критерий стабилизируемости.
Наблюдаемость и восстанавливаемость управляемой системы.
Критерий наблюдаемости линейных стационарных систем. Принцип
двойственности управляемости и наблюдаемости.
ТЕМА 6. Синтез линейных непрерывных систем управления.
Постановка задачи синтеза системы управления. Типовые законы
управления, устойчивость и качество управления при типовых
законах. Синтез систем управления по максимальной степени
устойчивости. Синтез системы управления по желаемой передаточной
функции. Определение желаемой передаточной функции по заданным
требованиям к качеству управления. Метод обратной задачи
динамики. Синтез систем управления при наличии чистого
запаздывания.
ТЕМА 7. Основные понятия и методы теории оптимального
управления.
Общая постановка задачи оптимального управления. Примеры.
Классификация задач оптимального управления. Метод множителей
Лагранжа. Принцип максимума Понтрягина. Понятие о методах
динамического
программирования.
Принцип
оптимальности.
Необходимое и достаточное условие оптимальности. Экстремальные
автоматические системы управления.
ТЕМА 8. Цифровые системы управления.
Цифровые системы управления. Системы с ЭВМ в качестве
управляющего
устройства.
Микропроцессорные
системы
автоматического управления. Особенности цифровых систем. Методы
исследования цифровых систем. Квантование непрерывных сигналов
по времени и по уровню. Теорема Котельникова, эффект поглощения
частот. Цифровые законы управления. Восстановление непрерывных
сигналов. Уравнения, передаточные и временные функции, частотные
8
характеристики
линейных
дискретных
систем.
Устойчивость
дискретных систем, критерии устойчивости. Анализ цифровых систем:
дискретизация непрерывных процессов; аналоговые модели
дискретных сигналов; передаточные функции цифровых систем;
устойчивость и показатели качества цифровых систем управления.
Синтез цифровых регуляторов. Дискретные алгоритмы управления и
их программная реализация в цифровых системах.
5. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ
ТЕМА 2. Математические модели объектов и систем управления.
Построение
структурной
схемы,
передаточной
функции,
дифференциального уравнения, временных функций и частотных
характеристик по заданной схеме системы управления.
ТЕМА 3. Анализ линейных непрерывных систем управления:
устойчивость, критерии устойчивости, робастная устойчивость.
Исследование устойчивости системы управления с помощью
алгебраических и частотных критериев устойчивости; определение
области устойчивости; исследование робастной устойчивости системы
в заданной области.
ТЕМА 4. Анализ линейных непрерывных систем управления:
показатели качества управления. Инвариантность системы
управления.
Исследование качества управления в переходном и установившемся
режиме: определение показателей качества для заданной системы
управления.
ТЕМА 6. Синтез линейных непрерывных систем управления.
Синтез системы управления, оптимальной а) по степени устойчивости,
б) по желаемой передаточной функции. Определение желаемой
передаточной функции по заданным требованиям к качеству
управления. Определение алгоритма управления.
ТЕМА 8. Цифровые системы управления.
9
Определение показателей качества заданной цифровой системы
управления. Синтез дискретной системы управления по заданным
требованиям к качеству управления.
6. САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА
Самостоятельная работа студентов включает проработку и
закрепление изученного материала, а также выполнение заданий в
соответствии с темами практических занятий.
7. ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ
1. Управление. Управление как информационный процесс. Объект,
субъект, система управления. Цель управления. Управляемые
переменные.
2. Основные
принципы
управления:
принцип
программного
управления, принцип компенсации, принцип обратной связи,
комбинированное управление.
3. Основные задачи систем управления. Классификация систем
управления по различным признакам.
4. Оператор системы управления. Линейные и нелинейные модели.
Линеаризация.
5. Стандартная и операторная форма уравнения звена системы
управления. Собственный оператор системы и операторы
воздействия. Принцип суперпозиции.
6. Преобразование Лапласа. Передаточные функции в операторной
форме и в изображениях Лапласа.
7. Временные функции: переходная и импульсная переходная
функции, связь между ними. Связь между передаточной и
временными функциями.
8. Частотная передаточная функция. Амплитудно-фазовые частотные
функции и характеристики.
9. Логарифмические частотные характеристики, их свойства.
10. Элементарные динамические звенья.
11. Структурная схема системы управления. Основные типы
соединений, вычисление их передаточных функций. Вычисление
передаточной функции замкнутой одноконтурной системы.
10
12. Граф системы управления. Построение графа системы управления
по ее структурной схеме. Определитель графа. Формула Мейсона.
13. Определение асимптотической устойчивости системы управления.
Асимптотическая устойчивость линейных стационарных систем
управления.
14. Характеристическое уравнение системы управления. Основное
условие устойчивости. Теоремы Ляпунова об устойчивости по
линейному приближению.
15. Необходимое условие устойчивости. Алгебраические критерии
устойчивости.
16. Частотные критерии устойчивости.
17. Устойчивость систем с чистым запаздыванием. Критическое
запаздывание.
18. Робастная устойчивость системы управления. Полиномы
Харитонова. Необходимое и достаточное условие робастной
устойчивости.
19. Основная
характеристика
качества
системы
управления.
Показатели качества и типовые воздействия.
20. Прямые показатели качества управления в переходном режиме.
21. Косвенные показатели качества управления в переходном режиме
(корневые и частотные).
22. Показатели качества в установившемся режиме. Статические и
астатические системы.
23. Инвариантность системы управления. Принцип двухканальности.
24. Управляемость системы. Матрица управляемости, критерий
управляемости линейных стационарных систем.
25. Стабилизируемость линейных стационарных систем. Критерий
стабилизируемости.
26. Наблюдаемость и восстанавливаемость управляемой системы.
Критерий наблюдаемости линейных стационарных систем. Принцип
двойственности управляемости и наблюдаемости.
27. Типовые законы управления, устойчивость и качество управления
при типовых законах.
28. Синтез систем управления максимальной степени устойчивости:
постановка задачи, метод решения.
29. Синтез системы управления по желаемой передаточной функции.
30. Определение желаемой передаточной функции по заданным
требованиям к качеству управления.
11
31. Метод обратной задачи динамики.
32. Синтез систем управления при наличии чистого запаздывания.
33. Общая
постановка
задачи
оптимального
управления.
Классификация задач оптимального управления.
34. Метод множителей Лагранжа.
35. Принцип максимума Понтрягина.
36. Понятие о методах динамического программирования. Принцип
оптимальности.
Необходимое
и
достаточное
условие
оптимальности.
37. Особенности цифровых систем управления. Методы исследования
цифровых систем.
38. Квантование непрерывных сигналов по времени и по уровню.
Теорема Котельникова, эффект поглощения частот.
39. Цифровые законы управления.
40. Восстановление непрерывных сигналов.
41. Уравнения, передаточные и временные функции, частотные
характеристики линейных дискретных систем.
42. Устойчивость линейных дискретных систем, алгебраические
критерии устойчивости.
43. Частотные критерии устойчивости линейных дискретных систем.
44. Дискретизация непрерывных процессов.
45. Аналоговые модели дискретных сигналов.
46. Передаточные функции цифровых систем.
47. Устойчивость цифровых систем управления. Устойчивость
одноконтурной цифровой системы.
48. Показатели качества цифровых систем управления.
49. Синтез дискретных систем управления: постановка задачи,
типовые законы управления.
50. Синтез цифровых регуляторов: переоборудование непрерывных
регуляторов.
51. Метод полиномиальных уравнений.
8. ЛИТЕРАТУРА
Основная литература:
1. Егоров А.И. Основы теории управления. – М.: Физматлит, 2004.
2. Ким Д.П. Теория автоматического управления. Т. 1, 2. – М.:
Физматлит, 2007.
12
3. Ким Д.П., Дмитриева Н.Д. Сборник задач
автоматического управления. – М.: Физматлит, 2007.
по
теории
4. Алексеев А.А., Имаев Д.Х., Кузьмин Н.Н., Яковлев В.Б. Теория
управления: Учебник. – СПб: Изд-во СПбГЭТУ « ЛЭТИ», 1999.
5. Ерофеев А.А. Теория автоматического управления: Учебник для
вузов. – СПб: Политехника, 1998.
6. Михайлов В.С. Теория управления. – Киев: Выща школа, 1988.
7. Микропроцессорные
системы
автоматического
//Бесекерский В.А. и др. – Л.: Машиностроение, 1989.
управления
Дополнительная литература:
1. Мирошник И.В. Теория автоматического управления. Линейные
системы. – СПб.: Питер, 2005.
2. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического
управления. 4-е изд. – СПб.: Профессия, 2003.
3. Дорф Р., Бишоп Р. Современные системы управления – М.: Бином,
Лаборатория базовых знаний, 2004.
4. Бесекерский В.А. Цифровые автоматические системы. – М.: Наука,
1976.
5. Куо Б. Теория и проектирование цифровых систем управления. –
М.: Машиностроение, 1986.
13
9.
Изменения к рабочей программе
В связи с изменением учебного плана по специальности
«Информационные системы и технологии» в рабочую программу
вносятся следующие изменения.
9.1. Объем дисциплины и виды учебной работы
Вид занятий
Всего часов
Семестры
4
Общая трудоемкость 68
68
Аудиторные занятия 34
34
Лекции
17
17
Практические занятия
17
17
Самостоятельная работа 34
34
Вид итогового контроля
экзамен
9.2. Тематический план изучения дисциплины
№
Тема недели семестра
Виды учебной работы и самостоятельная
работа, в час. из них в интерактивной форме, в час. Итого часов по
теме Итого количество баллов
Лекции
Практические занятия
Самостоятельная работа
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Модуль 1
1.1
Общие понятия об управлении и системах управления.
2
1
3
0-5
1
1.2
Математические модели объектов и систем управления.
2
4
3
2
9
0-10
2-4
1.3 Анализ линейных непрерывных систем управления:
устойчивость, критерии устойчивости, робастная устойчивость. 5-6
2
2
4
1
8
0-15
Всего
6
6
8
3
20
0-30
14
Модуль 2
2.1 Анализ линейных непрерывных систем управления: показатели
качества управления. Инвариантность системы управления.
7-8
2
2
4
1
8
0-10
2.2 Управляемость и стабилизируемость, наблюдаемость и
восстанавливаемость линейных стационарных систем управления.
9
2
0
2
4
0-5
2.3
Синтез линейных непрерывных систем управления. 10-13
3
5
4
2
12 0-15
Всего
7
7
10
3
24
0-30
Модуль 3
3.1
Основные понятия и методы теории оптимального управления.
14-17
0
0
8
1
8
0-10
3.2
Цифровые системы управления.
2
16 0-30
14-17
Всего
3
24
0-40
17
17
34
4
4
Итого (часов, баллов):
16
из них часов в интерактивной форме
1
4
6
4
8
68
0-100
2
9
9.3. Планирование самостоятельной работы студентов
№
Модули и темы Виды СРС Неделя семестра
Кол-во баллов
Объем часов
обязательные дополнительные
Модуль 1 Проработка лекций; чтение обязательной и
дополнительной литературы
1-6 2,5 0-7
1.1
1.2
Общие понятия об управлении и системах управления.
Анализ ситуаций; упражнения на решение проблем
0,5 0-3
1
Математические модели объектов и систем управления.
Решение задач;
разработка моделей; выполнение практических заданий
Самоконтроль и взаимоконтроль выполненных заданий
2
0-8
2-4
1.3 Анализ линейных непрерывных систем управления:
устойчивость, критерии устойчивости, робастная устойчивость.
Решение задач;
15
разработка моделей; выполнение практических заданий
Самоконтроль и взаимоконтроль выполненных заданий
3
0-12
Всего по модулю 1:
8
5-6
0-30
Модуль 2 Проработка лекций; чтение обязательной и
дополнительной литературы
7-13 3
0-7
2.1 Анализ линейных непрерывных систем управления: показатели
качества управления. Инвариантность системы управления.
Решение задач;
разработка моделей; выполнение практических заданий
Самоконтроль и взаимоконтроль выполненных заданий
3
0-8
7-8
2.2 Управляемость и стабилизируемость, наблюдаемость и
восстанавливаемость линейных стационарных систем управления.
Решение задач
9
1
0-3
2.3 Синтез линейных непрерывных систем управления. Решение
задач;
разработка моделей; выполнение практических заданий
Самоконтроль и взаимоконтроль выполненных заданий
3
0-12
Всего по модулю 2:
10
10-13
0-30
Модуль 3 Проработка лекций; чтение обязательной и
дополнительной литературы
14-17
8
0-10
Основные понятия и методы теории оптимального управления.
Решение задач Знакомство с содержанием электронных
источников
14-17
4
0-10
3.1
3.2
Цифровые системы управления.
Решение задач;
разработка моделей; выполнение практических заданий
Самоконтроль и взаимоконтроль выполненных заданий
4
0-20
Всего по модулю 3:
ИТОГО:
34
16
14-17
0-40
0-100
9.4. Литература
Основная литература:
16
1.
Цыганова М.С. Основы теории управления. Часть 1. Учебнометодический комплекс. Методические указания к выполнению
практических заданий для студентов специальности
«Информационные системы и технологии». Тюмень: Издательство
ТюмГУ, 2011.
2.
Цыганова М.С. Основы теории управления. Часть 2. Учебнометодический комплекс. Методические указания к выполнению
практических заданий для студентов специальности
«Информационные системы и технологии». Тюмень: Издательство
ТюмГУ, 2011.
3.
Пантелеев А.В. Обыкновенные дифференциальные уравнения в
примерах и задачах: учеб. пособие для студ. втузов/ А. В. Пантелеев,
А. С. Якимова, А. В. Босов. – М.: Высшая школа, 2001.
Дополнительная литература:
1.
Ким Д.П. Теория автоматического управления. Т. 1, 2. – М.:
Физматлит, 2007.
2.
Ким Д.П., Дмитриева Н.Д. Сборник задач по теории
автоматического управления. – М.: Физматлит, 2007.
3.
Алексеев А.А., Имаев Д.Х., Кузьмин Н.Н., Яковлев В.Б. Теория
управления: Учебник. – СПб: Изд-во СПбГЭТУ « ЛЭТИ», 1999.
4.
Мирошник И.В. Теория автоматического управления. Линейные
системы. – СПб.: Питер, 2005.
5.
Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического
управления. 4-е изд. – СПб.: Профессия, 2003.
6.
Дорф Р., Бишоп Р. Современные системы управления – М.:
Бином, Лаборатория базовых знаний, 2004.
Рабочая программа пересмотрена и одобрена на заседании кафедры
протокол №
от
2011 г.
Заведующий кафедрой
/ Ивашко А.Г. /
17