УТВЕРЖДАЮ
Директор ИК
__________
«___» ____________2015 г.
БАЗОВАЯ РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
ТЕОРИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ 2
Направление ООП: 15.03.06 «Мехатроника и робототехника»
Профиль подготовки: «Интеллектуальные робототехнические
и мехатронные системы»
Квалификация (степень): бакалавр
Базовый учебный план приема: 2015 г.
Курс 3 семестр 6
Количество кредитов 4
Код дисциплины Б1.ВМ5.1.4.1
Виды учебной деятельности | Временной ресурс по очной форме обучения |
Лекции, ч | 32 |
Практические занятия, ч | 48 |
Лабораторные занятия, ч | - |
Аудиторные занятия, ч | 80 |
Самостоятельная работа, ч | 136 |
ИТОГО, ч | 216 |
Вид промежуточной аттестации: экзамен
Обеспечивающее подразделение: кафедра интегрированных компьютерных
систем управления (ИКСУ)
Заведующий кафедрой ИКСУ __________
(ФИО)
Руководитель ООП ___________
(ФИО)
Преподаватель ___________
(ФИО)
2015 г.
1. Цели освоения дисциплины
Цели освоения дисциплины: формирование у обучающихся современ-ных знаний по теории автоматического управления, принципам построения, методам анализа и синтеза систем автоматического управления (САУ) и подготовки студентов к практической деятельности по проектированию, разработке, исследованию и эксплуатации систем этого класса.
Успешно изучивший дисциплину «Теория автоматического управле-ния» студент должен
иметь представление:
- об основных принципах управления и тенденциях развития систем автоматического управления техническими объектами и их элементной базы;
- о принципах математического и имитационного моделирования автомати-ческих систем управления; развитых к настоящему времени методов анализа и синтеза САУ;
знать и уметь использовать:
- классификацию систем автоматического управления; их модели и основные характеристики точностных и динамических свойств;
- методы анализа и синтеза систем автоматического управления;
- средства вычислительной техники и численные методы для решения задач анализа и синтеза систем автоматического управления;
- методы расчетов статических и динамических характеристик функциональных устройств систем автоматического управления;
иметь опыт:
- создания и реализации моделей САУ и их исследования;
- использования систем автоматизированного проектирования и исследования современных систем управления;
- использования пакетов прикладных программ по моделированию и расчету линейных и нелинейных автоматических систем;
- экспериментальных исследований автоматических и автоматизиро-ванных систем управления;
- анализа основных типов схем систем автоматического управления;
Вышеуказанные цели преподавания и задачи изучения дисциплины «Теория автоматического управления» достигаются за счет совместной работы с преподавателями и другими студентами, а также индивидуальной познавательной деятельности студентов. С этой целью используется полный набор современных способов и средств обучения: лекции, лабораторные и практические занятия, самостоятельная работа студентов по курсу; персональные ЭВМ и специальное лабораторное оборудование; учебники, учебные пособия, автоматизированные обучающие системы и методические указания к лабораторным работам и практическим занятиям; комплекты домашних заданий и контрольных заданий для проверки знаний студентов и другие методические разработки обеспечивающей данный курс кафедры интегрированных компьютерных систем управления (ИКСУ) и других вузов страны.
Практические навыки при изучении «Теории автоматического управления» студент приобретает во время практических занятий, при выполнении лабораторных работ, домашних заданий и двух курсовых работ.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина «Теория автоматического управления» (ТАУ) входит в базовую часть цикла профессиональных дисциплин.
Дисциплине «Теория автоматического управления» предшествует освоение дисциплин (ПРЕРЕКВИЗИТЫ):
· Введение в инженерную деятельность,
· Высшая математика,
· Математические основы кибернетики.
Содержание разделов дисциплины ТАУ согласовано с содержанием дисциплин, изучаемых параллельно (КОРЕКВИЗИТЫ):
· Электроника,
· Электронные устройства мехатронных и робототехнических систем,
· Основы мехатроники.
3. Результаты освоения дисциплины (модуля)
В соответствии с требованиями ООП освоения дисциплины «Теория автоматического управления» направлено на формирование у студентов следующих компетенций, в том числе в соответствии с ФГОС:
общекультурные (формируются не только в дисциплине ТАУ):
▪ способностью к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей её достижения, владение культурой мышления (ОК-1);
▪ способностью к кооперации с коллегами, работе в коллективе (ОК-2);
▪ способностью к саморазвитию, повышению своей квалификации и мастер-ства (ОК-3);
▪ способностью осознавать социальную значимость своей будущей профессии, обладание высокой мотивацией к выполнению профессиональной деятельности (ОК-4);
▪ способностью использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы матема-тического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-5);
▪ способностью применять основные методы, способы и средства получе-ния, хранения, переработки информации, навыки работы с компьютером как средством управления информацией (ОК-6);
▪ способностью работать с информацией в глобальных компьютерных сетях (ОК-7);
▪ готовностью к самостоятельной, индивидуальной работе, принятию решений в рамках своей профессиональной компетенции (ОК-8);
общепрофессиональные (формируются не только в дисциплине ТАУ):
▪ способностью демонстрировать базовые знания в области естественно-научных дисциплин и готовностью использовать основные законы в своей профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального иссле-дования (ОПК-1);
▪ готовностью выявить естественнонаучную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, и способность привлечь для их решения соответствующий физико-математический аппарат (ОПК-2);
▪ способностью собирать, обрабатывать, анализировать и систематизировать научно-техническую информацию по тематике исследования, использовать достижения отечественной и зарубежной науки, техники и технологии (ОПК-3);
▪ способностью участвовать в разработке математических и физических моделей процессов и объектов с элементами и устройствами, основанными на различных физических принципах действия (ОПК-4).
▪ способностью к использованию методов математического моделирования отдельных стадий и всего технологического процесса, к проведению теоретического анализа и экспериментальной проверке адекватности модели (ОПК-5).
▪ способностью проводить исследования, обрабатывать и представлять экспериментальные данные (ОПК-6);
▪ способностью использовать прикладные программные средства при решении практических задач профессиональной деятельности (ОПК-7);
▪ способностью участвовать в разработке обобщенных вариантов решения проблем, связанных с автоматизацией производств, в выборе на основе анализа вариантов оптимального, прогнозировании последствий решения (ОПК-8);
▪ способностью собирать и анализировать исходные информационные данные для проектирования технологических процессов изготовления продукции, средств и систем автоматизации, контроля, технологического оснащения, диагностики, испытаний, управления процессами, жизненным циклом продукции и ее качеством (ОПК-9);
▪ способностью выбирать средства автоматизации технологических процессов и производств (ОПК-10);
▪ способностью разрабатывать проектную и рабочую техническую доку-ментацию в области автоматизации объектов, технологических процессов и производств, оформлять законченные проектно-конструкторские работы (ОПК-11);
▪ способностью к профессиональной эксплуатации современного оборудова-ния и приборов (ОПК-11);
профессиональные:
в научно-исследовательской деятельности:
▪ готовностью формулировать цели, задачи научных исследований и пути их решения, выбирать методы и средства достижения поставленных целей (НИД-1);
▪ готовностью применять перспективные методы разработки математических и имитационных моделей исследуемых объектов, процессов и явлений, относящихся к профессиональной деятельности по направлению подготовки (НИД-2);
▪ готовностью к решению профессиональных задач на основе новых технологий, современных методов теории систем и средств их реализации, IT-технологий и технических средств сбора и обработки информации (в соответствии с профилем направления) (НИД-3);
в проектно-конструкторской деятельности:
▪ способностью и готовностью разрабатывать функциональные схемы систем автоматического управления (САУ), проводить синтез алгоритмов управлении, проводить расчет и выбор информационных, исполнительных элементов и регуляторов для САУ (ПКД-1);
▪ способностью и готовностью вести анализ устойчивости, точности и качества процессов управления в САУ; проводить синтез корректирующих устройств и разрабатывать средства их реализации (ПКД-2);
в сервисно-эксплуатационной деятельности:
▪ способностью проводить расчет и настройку промышленных регуляторов (СЭД–1);
▪ способностью проводить настройку систем автоматического управления, обеспечивать их эксплуатацию (СЭД-2).
В результате освоения дисциплины ТАУ студентом должны быть достигнуты следующие результаты (см. таблицу 1).
Таблица 1
Планируемые результаты освоения дисциплины
№ п/п | Результат |
РД1 | способность студентов демонстрировать глубокие естественно-научные, математические и технические знания в области анализа, синтеза и проектирования систем автоматического управления, достаточные для решения научных и инженерных задач на мировом уровне, демонстрировать всестороннее понимание используемых современных методов, алгоритмов, моделей и технических решений, используемых при разработке систем автоматического управления |
РД2 | способность студентов воспринимать, обрабатывать, анализи-ровать и обобщать научно-техническую информацию, передо-вой отечественный и зарубежный опыт в области теории систем автоматического управления, принимать участие в фундаментальных и прикладных исследованиях по созданию новых методов и алгоритмов синтеза и анализа систем автоматического и автоматизированного управления, включая мехатронных и робототехнических систем управления, а также участвовать в командах по разработке таких устройств и систем. |
РД3 | способность студентов применять полученные знания для решения инженерных задач при разработке современных систем автоматизации и управления, использовать творческий подход для разработки и проектирования систем автомати-ческого управления нового поколения с использованием технологий мирового уровня, инструментальных программных средств, включая продукты корпорации Microsoft. |
РД4 | способность студентов планировать и проводить аналитиче-ские, имитационные и экспериментальные исследования систем автоматического управления с использованием новей-ших достижений науки и техники, передового отечественного и зарубежного опыта, уметь критически оценивать полученные теоретические и экспериментальные данные и делать выводы. |
4. Структура и содержание дисциплины
Раздел 1. Основные понятия, определения и классификация
систем управления
Автоматические устройства и системы, их классификация по назначению. Управление и регулирование. Управляемые объекты и их клас-сификация. Управляемые величины, управляющие и возмущающие воздействия в объектах управления. Системы неавтоматического, автомати-ческого и автоматизированного управления. Обобщенная структурная схема систем управления.
Типовые задачи автоматического управления и регулирования: управление структурными связями в объекте, его алгоритмическим обеспечением, координатами, параметрами и свойствами. Автоматическая стабилизация, программное управление, автоматическое слежение, экстремальное регулирование, терминальное, финитное, противоаварийное и восстанавливающее управления. Формализованное описание задач управления и регулирования.
Основные принципы управления, используемые в САУ. Управления жесткое, по возмущению, по отклонению, игровое, дуальное, адаптивное, с моделью желаемого процесса; сферы их применения и сопоставительный анализ.
Классификация систем управления. Системы прямого и непрямого управления, непрерывного и дискретного действия, с одномерными и многомерными по входам и выходам объектами управления. Системы связанного и несвязанного, зависимого и независимого управления. Системы с избыточной размерностью вектора управления. Обыкновенные, адаптивные и игровые системы.
Перечень лабораторных работ по разделу:
1. Моделирование линейных динамических систем с использованием MatLab и Simulink.
Раздел 2. Математические модели и типовые характеристики
элементов и систем управления
Возможные виды математических моделей элементов и систем управления. Непрерывные и дискретные; стационарные и нестационарные; линейные и нелинейные; статические и динамические; обыкновенные, логические и логико-обыкновенные системы; детерминированные и стохастические устройства и системы и их математические модели.
Обобщенное состояние и его использование для типизации математических моделей элементов и систем управления.
Типовые математические модели состояний и процессов в элементах и системах управления: в упорядоченной канонической форме; в форме «вход–выход»; в форме «вход-состояние-выход»; в форме передаточных функций и матриц. Типовые операторные, временные и частотные характеристики линейных обыкновенных стационарных систем. Построе-ние и преобразование операторно-структурных схем САУ. Типовые звенья САУ.
Перечень лабораторных работ по разделу:
1. Исследование временных и частотных характеристик линейных систем управления.
Раздел 3. Фундаментальные свойства управляемых объектов
и систем
Инерционность объектов и систем управления. Каузальность и память вход-выходных динамических систем, их квалиметрия и способы определения их количественных мер.
Управляемость, достижимость, наблюдаемость, восстанавливаемость и возмущаемость управляемых объектов и систем и их количественные меры.
Устойчивость динамических систем «в малом», «в большом» и «в целом». Асимптотическая устойчивость. Методы оценки устойчивости систем по . Алгебраические и частотные критерии устойчивости линейных стационарных непрерывных систем. Критерии Гурвица, Рауса, Михайлова, Найквиста. Запасы устойчивости. Критические коэффициенты передачи систем. Выделение областей устойчивости в пространстве параметров системы. Критерии устойчивости систем с интервально-определенными параметрами.
Перечень лабораторных работ по разделу:
1. Анализ устойчивости линейных САУ с использованием MatLab
и Simulink.
6. Организация и учебно-методическое обеспечение
самостоятельной работы студентов
6.1. Виды и формы самостоятельной работы
Самостоятельная работа студентов включает текущую и творческую проблемно-ориентированную самостоятельную работу (ТСР).
Текущая СРС направлена на углубление и закрепление знаний студента, развитие практических умений и включает[1]:
− работа с лекционным материалом, поиск и обзор литературы и электронных источников информации по индивидуально заданным курсовым работам;
− выполнение домашних заданий, домашних контрольных работ;
− опережающая самостоятельная работа;
− изучение тем, вынесенных на самостоятельную проработку;
− подготовка к лабораторным работам, к практическим и семинарским занятиям;
− подготовка к контрольной работе и коллоквиуму, к зачету, экзамену.
Творческая самостоятельная работа включает:
− выполнение домашних расчетно-графических работ;
− поиск, анализ, структурирование и презентация информации по заданным курсовым работам;
− выполнение и защита курсовой работы;
− исследовательская работа и участие в научных студенческих конференциях, семинарах и олимпиадах по ТАУ.
6.3. Контроль самостоятельной работы
Оценка результатов самостоятельной работы организуется следующим образом:
▪ проверкой готовности к проведению заданных лабораторных работ перед их проведением;
▪ на практических занятиях;
▪ при проведении контрольных работ;
▪ при защите курсовой работы;
▪ на экзаменах.
7. Средства текущей и промежуточной оценки качества освоения дисциплины
Оценка качества освоения дисциплины производится по результатам контролирующих мероприятий, представленных в таблице 2.
Таблица 2
Контролирующие мероприятия | Результаты обучения по дисциплине |
выполнение и защита лабораторных работ и заданий на расчетно-графические работы | РД1, РД2, РД3, РД4 |
презентации по тематике курсовой работы во время проведения конференц-недели | РД1, РД2, РД3, РД4 |
защита курсовой работы | РД1, РД2, РД3, РД4 |
две контрольные работы | РД1, РД2, РД3, РД4 |
экзамены в пятом и шестом семестрах | РД1, РД2, РД3, РД4 |
Для оценки качества освоения дисциплины при проведении контролирующих мероприятий предусмотрены следующие средства (фонд оценочных средств):
- вопросы входного контроля;
- контрольные вопросы, задаваемые при выполнении и защитах лабораторных работ;
- контрольные вопросы, задаваемые при проведении практических занятий,
- вопросы для самоконтроля;
- вопросы, выносимые на контрольные работы;
- Сборник тестовых задач по теории автоматического управления: учебное пособие / , . – Томск: Изд-во ТПУ, 2008. – 368 с.;
- вопросы, выносимые на экзамены.
8. Рейтинг качества освоения дисциплины
Оценка качества освоения дисциплины в ходе текущей и промежуточной аттестации обучающихся осуществляется в соответствии с «Руководящими материалами по текущему контролю успеваемости, промежуточной и итоговой аттестации студентов Томского политехнического университета», утвержденными приказом ректора № 77/од от 29.11.2011 г.
В соответствии с «Календарным планом изучения дисциплины»:
- текущая аттестация (оценка качества усвоения теоретического материала (ответы на вопросы и др.) и результаты практической деятельности (решение задач, выполнение заданий, решение проблем и др.) производится в течение семестра (оценивается в баллах (максимально 60 баллов), к моменту завершения семестра студент должен набрать не менее 33 баллов);
- промежуточная аттестация (экзамен, зачет) производится в конце семестра (оценивается в баллах (максимально 40 баллов), на экзамене (зачете) студент должен набрать не менее 22 баллов).
Итоговый рейтинг по дисциплине определяется суммированием баллов, полученных в ходе текущей и промежуточной аттестаций. Максимальный итоговый рейтинг соответствует 100 баллам.
В соответствии с «Календарным планом выполнения курсового проекта (работы)»:
- текущая аттестация (оценка качества выполнения разделов и др.) производится в течение семестра (оценивается в баллах (максимально 40 баллов), к моменту завершения семестра студент должен набрать не менее 22 баллов);
- промежуточная аттестация (защита проекта (работы)) производится в конце семестра (оценивается в баллах (максимально 60 баллов), по результатам защиты студент должен набрать не менее 33 баллов).
Итоговый рейтинг выполнения курсового проекта (работы) определяется суммированием баллов, полученных в ходе текущей и промежуточной аттестаций. Максимальный итоговый рейтинг соответствует 100 баллам.
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
Основная литература:
1. Ким автоматического управления: учебник для вузов. Кн. 1 и 2. – М.: Машиностроение, 2006, 2007.
1. Теория автоматического управления. Ч. 1, 2. / Под ред. -нова. – М.: Высшая школа, 1986.
2. Теория автоматического управления. Ч. 1, 2. / Под ред. -шила.– М.: Высшая школа, 1983.
3. , , Яковлев управления: Учеб. для вузов. – СПб.: Изд-во СПбГТУ «ЛЭТИ», 1999.
4. , Вадутов тестовых задач по теории автоматического управления: учебное пособие. – Томск: Издательство ТПУ, 2008.
5. , Цыплаков по теории автоматического регулирования. – М.: Машиностроение, 1977.
6. Топчеев для проектирования систем автоматического регулирования. – М.: Наука, 1987.
Дополнительная литература:
7. Юревич автоматического управления. – Л.: Энергия, 1975.
8. Первозванский теории автоматического управления. – М.: Наука, 1986.
9. Метод пространства состояний в теории дискретных линейных систем управления. – М.: Наука, 1985.
10. Бесекерский автоматические системы.- М.: Наука, 1976.
11. Попов линейных систем автоматического регули-рования и управления. – М.: Высшая школа, 1989.
12. , , Яковлев автомати-ческого управления. – Киев: Вища школа, 1992.
13. Справочник по теории автоматического управления / под ред. . – М.: Наука, 1987.
14. Малышенко основы теории систем: учебник для вузов. – Томск: Томск: Издательство ТПУ, 2008.
Используемое программное обеспечение:
1. Интегрированный пакет математического моделирования MATLAB + Simulink.
2. Пакет прикладных программ «РЕМОС».
3. Пакет прикладных программ «CLASSiC».
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Указывается материально-техническое обеспечение дисциплины: технические средства, лабораторное оборудование и др.
№ п/п | Наименование (компьютерные классы, учебные лаборатории, оборудование) | Корпус, ауд., количество установок |
1 | Компьютерный класс | 10 учеб. корпус, ауд. 106 |
2. | Учебная аудитория, оснащенная компьютером и мульти-медиа средствами | 10 учеб. корпус, ауд. 415 |
Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с требованиями ФГОС ВО по направлению 15.03.06 «Мехатроника и робототехника» и профилю подготовки «Интеллектуальные робототехнические и мехатронные системы».
Программа одобрена на заседании кафедры ИКСУ
(протокол от «21» мая 2015 г.).
Автор: доктор технических наук, профессор
Рецензент: доктор технических наук, профессор
