|
1. Цели освоения дисциплины
В результате освоения данной дисциплины специалист приобретает знания, умения и навыки, обеспечивающие достижение целей Ц2 и Ц3 основной образовательной программы «Электроника и автоматика физических установок».
Целью данного курса является формирование у обучающихся знаний, умений и приобретение опыта применения методов описания цифровых систем с использованием аппарата Z – преобразования и пространства состояний, влияния дискретизации по времени и уровню на качество и устойчивость цифровых систем управления, методов структурного и параметрического синтеза, получение практических навыков синтеза цифровых алгоритмов управления и исследования цифровых систем управления.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина «Цифровые системы управления» относится к базовым дисциплинам профессионального цикла (С3.Б21) основной образовательной программы по специальности 140801 «Электроника и автоматика физических установок».
Дисциплина опирается на материал следующих дисциплин, читаемых студентам физико-технического института:
- математика (С2.Б1);
- информатика (С2.Б2);
- математическое моделирование (С2.Б6);
- теория вероятностей и математическая статистика (С3.Б11).
Изучение дисциплины «Цифровые системы управления» необходимо для освоения следующих учебных дисциплин:
- автоматизированные системы управления и их применение в атомной промышленности (С3.Б22);
- телеконтроль и телеуправление (С3.Б23);
- методы контроля технологических переменных ядерных энергетических установок (С3.Б1.3)
- методы контроля технологических переменных в производствах ядерного топливного цикла (С3.Б2.3)
3. Результаты освоения дисциплины
В результате освоения дисциплины студент должен/будет:
знать:
- математический аппарат Z – преобразования;
- методы структурного и параметрического синтеза цифровых регуляторов.
уметь:
- получать рекуррентные соотношения из передаточных функций с целью реализации цифровых регуляторов на ЭВМ для промышленных объектов управления.
владеть (методами приемами)
– методами дискретно-аналогового получения рекуррентных соотношений из передаточных функций;
– методами синтеза цифровых регуляторов;
– методами моделирования цифровых систем управления на ЭВМ, анализа качества и устойчивости ЦСУ.
В процессе освоения дисциплины у студентов приобретаются знания, умения и опыт, соответствующие результатам основной образовательной программы:
Профессиональные: Р8, Р9, Р10
4. 
Структура и содержание дисциплины
4.1 Содержание разделов дисциплины:
Раздел 1. Введение и общие положения – 2 часа.
Лекции:
1.1. Предмет и задачи курса. Развитие управляющей вычислительной техники и возможностей реализации ЦСУ разного уровня.
Раздел 2. Представление сигналов в цифровом виде и эффекты, возникающие при квантовании сигналов по уровню и времени – 4 часа.
Лекции:
2.1. Представление сигналов в цифровом виде
2. 2. Эффекты, возникающие при квантовании сигналов по уровню и времени.
Раздел 3. Описание цифровых систем управления – 3 часа.
Лекции:
3.1. . Z – преобразование.
3.2. Экстраполяторы.
3.3. Дискретные передаточные функции компьютерного моделирования ЦСУ.
Раздел 4. Устойчивость ЦСУ, компенсация полюсов и нулей, влияние недокомпенсации – 2 часа.
Лекции:
4.1. Устойчивость ЦСУ, компенсация полюсов и нулей, влияние недокомпенсации.
Раздел 5. Параметрически оптимизируемые регуляторы ЦСУ – 4 часа.
Лекции:
5.1. Использование цифровых методов для непрерывных систем с последующим использованием в стандартных регуляторах П, ПИ, и ПИД ЦСУ.
5.2. Использование метода цифровой параметрической оптимизации.
Раздел 6. Компенсационные регуляторы – 4 часа.
Лекции:
6.1. Метод динамической компенсации непрерывных систем.
6.2. Цифровой метод динамической компенсации.
6.3. Разновидности компенсационных регуляторов (Далина, Острёма, Калмана).
Раздел 7. Апериодические регуляторы – 4 часа.
Лекции:
7.1. Без запаздывания.
7.2. Повышенного порядка.
7.3 С запаздыванием.
Раздел 8. Метод пространства состояний и его использование в ЦСУ – 2 часа.
Лекции:
8.1. Метод пространства состояний и его использование в ЦСУ.
Раздел 9. Результаты моделирования и внедрения на производстве ЦСУ – 2 часа.
Лекции:
9.1. Результаты моделирования и внедрения на производстве ЦСУ.
Тематика лабораторных работ (27 часов):
| 1. | Цифровое моделирование промышленных объектов с использованием метода дискретно-аналогового моделирования. | ауд. | – 7 час. |
| ||||
| 2. | Цифровое моделирование параметрически оптимизируемого регулятора с использованием метода дискретно-аналогового моделирования. | ауд. | – 8 час. |
| ||||
| 3. | Цифровое моделирование замкнутой системы управления с использованием метода дискретно-аналогового моделирования. Применение различных методов настройки регулятора. | ауд. | – 6 час. |
| ||||
4. | Исследование влияния параметров дискретизации по уровню и времени регулятора на качество управления | ауд. | – 6 час. | |
Тематика практических занятий (9 часов):
1. | Использование различных экстраполяторов и Z – преобразования для описания цифровых систем управления. | ауд. | – 2 часа |
2. | Методика получения рекуррентных соотношений ЦСУ. | ауд. | – 2 часа |
3. | Методика синтеза цифровых регуляторов. | ауд. | – 3 часа |
4. | Методика моделирования ЦСУ. | ауд. | – 2 часа |
4.2 Структура дисциплины «Цифровые системы управления» по разделам, формам организации и контроля обучения приводиться в таблице 1.
Таблица 1
Структура дисциплины по разделам и формам организации обучения
№ | Название раздела/темы | Аудиторная работа (час) | СРС (час) | Итого | Формы текущего контроля и аттестации | ||
Лекции | Лаб. зан. | Пр. зан. | |||||
1. | Введение и общие положения | 2 | 2 | 4 | Устный отчет | ||
2. | Представление сигналов в цифровом виде и эффекты, возникающие при квантовании сигналов по уровню и времени | 4 | 6 | 2 | 10 | 18 | Промежуточный отчет |
3. | Описание цифровых систем управления | 3 | 8 | 3 | 20 | 32 | Отчеты по лабораторным работам |
4. | Устойчивость ЦСУ, компенсация полюсов и нулей, влияние недокомпенсации | 2 | 6 | 1 | 10 | 19 | Отчеты по лабораторным работам |
5. | Параметрически оптимизируемые регуляторы ЦСУ | 4 | 12 | 2 | 14 | 26 | Отчеты по лабораторным работам |
6. | Компенсационные регуляторы | 4 | 4 | 1 | 14 | 31 | Отчеты по лабораторным работам |
7. | Апериодические регуляторы | 4 | 1 | 14 | 23 | Отчеты по лабораторным работам | |
8. | Метод пространства состояний и его использование в ЦСУ | 2 | 6 | 8 | |||
9. | Результаты моделирования и внедрения на производстве ЦСУ | 2 | 2 | ||||
10. | Промежуточная аттестация | Экзамен | |||||
Итого | 27 | 27 | 9 | 90 | 153 |
При сдаче отчетов и письменных работ проводится устное собеседование.
4.3 Распределение компетенций по разделам дисциплины приводиться в таблице 2.
Таблица 2
Распределение по разделам дисциплины планируемых результатов обучения
№ | Формируемые компетенции | Разделы дисциплины | ||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | ||
1. | З.9.10 | + | + | + | + | |||||
2. | З.10.15 | + | + | + | + | |||||
3. | У.9.10 | + | + | + | + | |||||
4. | В.8.7 | + | + | + | ||||||
5. | В.9.10 | + | + | + | ||||||
6. | В.10.15. | + | + | + |
5. Образовательные технологии
При освоении дисциплины используются следующие сочетания видов учебной работы с методами и формами активизации познавательной деятельности специалистов для достижения запланированных результатов обучения и формирования компетенций.
Специфика сочетания методов и форм организации обучения отражается в матрице (таблица 3).
Таблица 3
Методы и формы организации обучения (ФОО)
ФОО Методы | Лекц. | Лаб. раб. | Пр. раб. | Тр.*, Мк** | СРС |
IT-методы | |||||
Работа в команде | + | + | |||
Саsе-study | |||||
Игра | |||||
Методы проблемного обучения | + | + | |||
Обучение на основе опыта | + | ||||
Опережающая самостоятельная работа | + | ||||
Проектный метод | |||||
Поисковый метод | + | ||||
Исследовательский метод | + | + |
* - Тренинг, ** - мастер-класс.
Для достижения поставленных целей преподавания дисциплины реализуются следующие средства, способы и организационные мероприятия:
- изучение теоретического материала дисциплины на лекциях с использованием компьютерных технологий;
- самостоятельное изучение теоретического материала дисциплины с использованием Internet-ресурсов, информационных баз, методических разработок, специальной учебной и научной литературы;
- закрепление теоретического материала при проведении лабораторных работ с использованием учебного и научного оборудования и приборов, выполнения проблемно-ориентированных, поисковых, творческих заданий.
6. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов (СРС)
6.1 Текущая самостоятельная работа студента, направленная на углубление и закрепление знаний студента, развитие практических умений, осуществляется при проработке материалов лекций и соответствующей литературы, выполнение индивидуальных заданий, подготовке к рубежному и итоговому контролям, подготовке к выполнению лабораторных работ, их выполнению и написанию отчетов.
Для улучшения качества и эффективности самостоятельной работы студентов предлагаются методическое пособие по курсу, методические указания к лабораторным работам и индивидуальному заданию, списки основной и дополнительной литературы. Все методические материалы предоставляются как в печатном, так и в электронном видах.
Текущая и опережающая СРС, заключается в:
- работе студентов с лекционным материалом, поиск и анализ литературы и электронных источников информации по заданной проблеме и выбранной теме выпускной квалификационной работы,
- переводе материалов из тематических информационных ресурсов с иностранных языков,
- изучении тем, вынесенных на самостоятельную проработку,
- изучении теоретического материала к лабораторным занятиям,
- подготовке к экзамену.
6.2 Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа, направленная на развитие интеллектуальных умений, комплекса профессиональных компетенций, повышение творческого потенциала студентов заключается
- в анализе научных публикаций по каждому разделу курса их структурированию и представлении материала для презентации на рубежном контроле, а также анализе статистических и фактических материалов;
- поиске, анализе, структурировании и презентации информации, анализе научных публикаций по определенной теме исследований;
- анализе статистических и фактических материалов по заданной теме, проведении расчетов, составлении схем и моделей на основе статистических материалов;
- выполнении расчетно-графических работ;
- исследовательской работе и участии в научных студенческих конференциях, семинарах и олимпиадах.
6.3 Содержание самостоятельной работы студентов по дисциплине
1. Перечень научных проблем и направлений научных исследований:
- разработка методик настройки цифровых регуляторов;
- разработка комбинированных цифровых регуляторов для многомерных технологических объектов;
- разработка комплексного критерия оценки качества цифровых систем управления.
2. Темы индивидуальных заданий:
- использовать различные экстраполяторы и метод Z – преобразования для получения описания заданного объекта управления;
- рассчитать заданный цифровой регулятор согласно методике получения рекуррентных соотношений;
- синтезировать ЦСУ для заданного технологического объекта управления.
3. Темы, выносимые на самостоятельную проработку:
В разделе "Описание цифровых систем управления" на самостоятельное изучение выносятся вопросы:
–Теоремы Z – преобразования и их физический смысл;
–Метод Фаулера для получения рекуррентных соотношений;
которые изучаются по литературе:
o Смит, и цифровое моделирование для инженеров и исследователей : пер. с англ. / Дж. М. Смит. — М. : Машиностроение, 1980. — 271 с.
o Изерман, Р. Цифровые системы управления : пер. с англ. / Р. Изерман. — М. : Мир, 1984. — 541 с.
В разделе "Компенсационные регуляторы" самостоятельно изучается вопрос "Цифровые регуляторы Острема, Далина, Ципкина, Калмана" по литературе:
o Куо, и проектирование цифровых систем управления : пер. с англ. / . — М. : Машиностроение, 1986. — 447 с.
o Краснов, системы управления в пищевой промышленности : учебное пособие / , , . — М. : Высшая школа, 2007. — 671 с.
6.4 Контроль самостоятельной работы
Оценка результатов самостоятельной работы организуется как единство двух форм: самоконтроль и контроль со стороны преподавателей.
Формы контроля со стороны преподавателя включают:
- контрольные работы по результатам изучения каждого раздела курса;
- индивидуальные задания;
- лабораторные занятия;
- практические занятия;
- экзамен.
6.5 Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
Учебные и методические пособия, справочники:
1. , Ливенцова системы управления. Учебно-методическое пособие, Томск: Изд-во ТПУ, 2009, С. 45. Рег. .
Internet-ресурсы:
1. http://www. /patents
2. http://scholar. /
3. http://www. /
7. Средства (ФОС) текущей и итоговой оценки качества освоения дисциплины
Средства (ФОС) оценки текущей успеваемости и промежуточной аттестации студентов включают: защиту отчетов по выполняемым лабораторным и практическим работам; контрольные работы на лекционных занятиях, завершающих изучение раздела. Итоговый (промежуточный) контроль – экзамен.
7.1 Вопросы текущего контроля
Темы контрольных работ
КТ1: Особенности ЦСУ. Математический аппарат создания ЦСУ.
КТ2: Цифровые параметрические регуляторы.
КТ3: Цифровые компенсационные регуляторы.
Тематика вопросов 1 контрольной работы:
- Развитие управляющей вычислительной техники и возможностей реализации ЦСУ разного уровня.
- Представление сигналов в цифровом виде.
- Эффекты, возникающие при квантовании сигналов по уровню и времени.
- Свойства Z – преобразования.
- Типы экстраполяторов и их особенности.
- Дискретные передаточные функции компьютерного моделирования ЦСУ.
- Устойчивость ЦСУ, компенсация полюсов и нулей.
- Влияние недокомпенсации.
Тематика вопросов 2 контрольной работы:
- Типы параметрически оптимизируемых регуляторов.
- Использование цифровых методов для непрерывных систем.
- Использование цифровых методов для стандартных регуляторов.
- Использование цифровых методов для П регулятора в ЦСУ.
- Использование цифровых методов для ПИ регулятора в ЦСУ.
- Использование цифровых методов для ПИД регулятора в ЦСУ.
- Использование метода цифровой параметрической оптимизации.
Тематика вопросов 3 контрольной работы:
-Типы компенсационных регуляторов.
-Метод динамической компенсации непрерывных систем.
-Цифровой метод динамической компенсации.
-Регулятор Далина.
-Регулятор Острёма.
-Регулятор Калмана.
-Апериодический регулятор без запаздывания.
-Апериодический регулятор повышенного порядка.
-Апериодический регулятор с запаздыванием.
-Метод пространства состояний и его использование в ЦСУ.
7.2. Вопросы выходного контроля
1. Развитие управляющей вычислительной техники и возможностей реализации ЦСУ разного уровня.
2. Представление сигналов в цифровом виде.
3. Эффекты, возникающие при квантовании сигналов по уровню и времени.
4. Z - преобразование, его основные свойства и область применения, дискретные передаточные функции цифровых систем управления и их свойства, полюса дискретной передаточной функции и анализ устойчивости ЦСУ..
5. Преобразование цифрового сигнала в непрерывный, экстраполяторы их физический смысл, виды и свойства.
6. Дискретные передаточные функции компьютерного моделирования ЦСУ.
7. Устойчивость ЦСУ, компенсация полюсов и нулей.
8. Влияние недокомпенсации.
9. Параметрически - оптимизируемые регуляторы их особенности и правила настройки.
10. Использование цифровых методов для непрерывных систем.
11. Использование цифровых методов для стандартных регуляторов.
12. Использование цифровых методов для П регулятора в ЦСУ.
13. Использование цифровых методов для ПИ регулятора в ЦСУ.
14. Представление непрерывного ПИД регулятора в цифровом виде, реакция цифрового ПИД регулятора на единичное воздействие, модификации цифрового ПИД регулятора.
15. Использование метода цифровой параметрической оптимизации.
16. Компенсационные регуляторы, методика синтеза и особенности.
17. Метод динамической компенсации непрерывных систем.
18. Цифровой метод динамической компенсации.
19. Регулятор Далина.
20. Регулятор Острёма.
21. Регулятор Калмана.
22. Апериодический регулятор без запаздывания.
23. Апериодический регулятор повышенного порядка.
24. Апериодические регуляторы при наличии запаздывания, методика синтеза и особенности.
25. Метод пространства состояний и его использование в ЦСУ.
26. Преобразование непрерывного сигнала в цифровой, основные свойства цифрового сигнала (влияние дискретизации по времени и уровню, эффект транспонирования частот).
27. Получение рекуррентных соотношений методом дискретно-аналогового моделирования.
28. Регуляторы с конечным временем установления (апериодические), методика синтеза и особенности.
29. Проблема выбора интервалов дискретизации в ЦСУ и методы ее решения.
30. Особенности компьютерного моделирования ЦСУ.
31. Цифровые фильтры и их применение в ЦСУ.
32. Особенности использования ИМ постоянной скорости в ЦСУ.
33. Особенности использования ИМ пропорциональной скорости в ЦСУ.
ПРИМЕРЫ ЭКЗАМЕНАЦИОННЫХ БИЛЕТОВ
Томский политехнический университет
Экзаменационный билет № 3
по дисциплине Цифровые системы
управления
факультет физико-технический
курс 5
1. Развитие управляющей вычислительной техники и возможностей реализации ЦСУ разного уровня.
2. Представление сигналов в цифровом виде.
Составил профессор
Утверждаю: Зав. кафедрой ЭАФУ
“_____” __________20___г.
Томский политехнический университет
Экзаменационный билет № 8
по дисциплине Цифровые системы
управления
факультет физико-технический
курс 5
1. Эффекты, возникающие при квантовании сигналов по уровню и времени.
2. Свойства Z – преобразования.
Составил профессор
Утверждаю: Зав. кафедрой ЭАФУ
“_____” __________20___г.
Томский политехнический университет
Экзаменационный билет № 16
по дисциплине Цифровые системы
управления
факультет физико-технический
курс 5
1. Типы экстраполяторов и их особенности.
2. Дискретные передаточные функции компьютерного моделирования ЦСУ.
Составил профессор
Утверждаю: Зав. кафедрой ЭАФУ
“_____” __________20___г.
Томский политехнический университет
Экзаменационный билет № 18
по дисциплине Цифровые системы
управления
факультет физико-технический
курс 5
1. Эффекты, возникающие при квантовании сигналов по уровню и времени.
2. Устойчивость ЦСУ, компенсация полюсов и нулей.
Составил профессор
Утверждаю: Зав. кафедрой ЭАФУ
“_____” __________20___г.
Томский политехнический университет
Экзаменационный билет № 20
по дисциплине Цифровые системы
управления
факультет физико-технический
курс 5
1. Использование цифровых методов для непрерывных систем.
2. Использование цифровых методов для стандартных регуляторов.
Составил профессор
Утверждаю: Зав. кафедрой ЭАФУ
“_____” __________20___г.
Эти средства в целом позволяют однозначно оценить степень усвоения теоретических и фактических знаний; приобретенные студентами практические умения на репродуктивном уровне и когнитивные умения на продуктивном уровне; а также профессиональные компетенции студентов.
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
Используемые информационные продукты
1. Программа - Microsoft Office Excel.
Рекомендуемая литература
Основная учебная литература
1. Изерман, Р. Цифровые системы управления : пер. с англ. / Р. Изерман. — М. : Мир, 1984. — 541 с.
2. Острём, К. Системы управления с ЭВМ : пер. с англ. / К. Острём, Б. Виттенмарк. — М. : Мир, 1987. — 480 с.
3. Гурецкий, Х. Анализ и синтез систем управления с запаздыванием : пер. с польск / Х. Гурецкий. — М. : Машиностроение, 1974. — 327 с.
4. Смит, и цифровое моделирование для инженеров и исследователей : пер. с англ. / Дж. М. Смит. — М. : Машиностроение, 1980. — 271 с.
5. Дроздов, автоматического управления с микроЭВМ / , , . — Л. : Машиностроение, 1989. — 284 с.
6. Бесекерский, систем автоматического управления / , . — 4-е изд., перераб. и доп. — СПб. : Профессия, 2004. — 747 с.
7. Куо, и проектирование цифровых систем управления : пер. с англ. / . — М. : Машиностроение, 1986. — 447 с.
Дополнительная учебная литература
1. , Линейная теория цифрового управления в непрерывном времени, М.: Наука, 1994.
2. Трофимов, теории автоматического управления, ориентированные на применение ЭВМ. Линейные стационарные и нестационарные модели : учебник для вузов / , , . — М. : Энергоатомиздат, 1997. — 656 с.
3. Олссон, Г. Цифровые системы автоматизации и управления / Г. Олссон, Д. Пиани. — 3-е изд., перераб. и доп. — СПб. : Невский Диалект, 2001. — 557 с.
4. Цыпкин, теория идентификации / . — М. : Наука : Физматлит, 1995. — 336 с.
5. Джури, Э. Импульсные системы автоматического регулирования : пер. с англ. / Э. Джури. — М. : Физматгиз, 1963. — 455 с.
6. Ту, и импульсные системы автоматического управления : пер. с англ. / Ю. Т. Ту ; Под ред. . — М. : Машиностроение, 1964. — 703 с.
7. Плютто, по теории автоматического управления химико-технологическими процессами. Цифровые системы : учебник для вузов / , , . — М. : Химия, 1989. — 168 с.
8. Краснов, системы управления в пищевой промышленности : учебное пособие / , , . — М. : Высшая школа, 2007. — 671 с.
9. 
Материально-техническое обеспечение дисциплины
Технические средства обеспечения освоения дисциплины:
Компьютерный класс на 10 рабочих мест со следующим установленным программным обеспечением: Microsoft Word 2007; Microsoft Excel 2007; Matlab R2008.
Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с требованиями ФГОС по специальности 140801 «Электроника и автоматика физических установок»
Программа одобрена на заседании кафедры «Электроника и автоматика физических установок» ФТИ
(протокол № ____ от «___» _______ 2011 г.).
Автор:
Проф каф. ЭАФУ ФТИ_______________
Рецензент(ы)______________
