Теорія автоматичного керування-2. Теорія цифрових систем керування

Робоча програма навчальної дисципліни (Силабус)

Реквізити навчальної дисципліни

Програма навчальної дисципліни

Опис навчальної дисципліни, її мета, предмет вивчання та результати навчання

Так Великі дані, Інтернету речей, Інтернету сервісів – з цим, рано чи пізно доведеться зіткнутися не тільки підприємствам високотехнологічних країн світу, а й у тій чи інших формах й нашим вітчизняним. Але щоб підготувати ґрунт для такої інформатизації, необхідно навчитися плануванню та прогнозуванню виробничих процесів, реалізації не тільки моделі єдиного інформаційного простору, але й цифрової моделі фізичних об'єктів та процесів.

Мета дисципліни : формування у студентів здатності виконувати аналіз та синтез цифрових систем керування на базі математичної платформи передавальних функцій та структурних схем

Предмет дисципліни: Математичні основи теорії цифрового керування. Методи аналізу стійкості та якості цифрових систем. Методи синтезу цифрових регуляторів. Цифровий ПВД-регулятор. Методи реалізації цифрових регуляторів.

Основні завдання навчальної дисципліни

Програмні результати навчання

Компетентність:

• Здатність до абстрактного мислення, аналізу та синтезу;

• Здатність виконувати аналіз та синтез цифрових систем керування на базі математичної платформи передавальних функцій та структурних схем

Знання:

• Типових функціональнихі схем цифрових систем;

• Математичного опису цифрових систем;

• Особливостей аналізу цифрових систем у частотній області;

• Методи аналізу стійкості та якості

• Методів синтезу цифрових регуляторів

• Методів створення моделей реалізаціі цифрових регуляторів

Уміння:

• Створювати математичні моделі цифрових систем керунвання;

• Виконувати аналіз систем у частотній області;

• Виконувати аналіз стійкості безперерних систем керування;

• Визначати показникі якості перехідного процесу та помилку в установленому;

• Виконувати аналіз доцільності проведення синтезу;

• Виконувати синтез цифрових регуляторів

• Виконувати реалізацію цифрових регуляторів, як програмну модель контролера;

• Використовувати прикладний пакет Matlab/Simulink для моделювання та дослідження систем керування.

Пререквізити та постреквізити дисципліни (місце в структурно-логічній схемі навчання за відповідною освітьою програмою)

пререквізити: знати спеціальні розділи математики (рішітчасту функцію, різнецеві рівняння, пряму та обернену різниці), квантування сигналів, теорію автоматичного керування, розуміння предметної області та професійної діяльності.

Постреквізити:

Розроблення систем керування, як складових інформаційно-керуючих систем

Зміст навчальної дисципліни

Розділ 1. Математичний апарат дослідження цифрових систем

Тема 1.1. Загальні положення теорії дискретних систем

Тема 1.2. Характеристика імпульсних систем

Тема 1.3. Математичний апарат дослідження ЦС

Тема.1.4. Аналіз елементів цифрової системи

Тема 1.5. Передавальні функції системи

Розділ 2. Аналіз цифрових систем

Тема 2.1. Аналіз цифрових систем у частотній області

Тема 2.2. Загальний алгоритм аналізу стійкості цифрових систем

Тема 2.3. Критерії стійкості

Тема 2.4. Аналіз ЦС в часовій області

Тема 2.5. Аналіз сталої помилки цифрової системи

Розділ 3. Синтез цифрових систем

Тема 3.1 Загальний метод формування бажаної передавальної функції

Тема 3.2. Синтез цифрової системи оптимальної за швидкодією

Тема 3 4. Цифровий ПІД-регулятор

Тема 3.5. Синтез цифрових систем з аперіодичним перехідним процесом

Тема 3.6. Види програмування цифрових регуляторів

Навчальні матеріали та ресурси

4.1. Базова

1. Лучко С.В. Расчет импульсных и цифровых автоматических систем. Л.: ВИКИ им. Можайского А.Ф., 1976,149с.

2. Зайцев Г.Ф. Теория автоматического управления и регулирования/ Г.Ф.Зайцев.-Киев, Вища школа, 1988.-431

3. Куо Б. Теория и проектирование цифрових систем управления. Перевод с анг. – М.: Машиностроение, 1986, 448 с.

4. Изерман Р. Цифровые системы управления. Пер. с анг.- М.: Мир, 1984, 541 с.

4.2. Допоміжна

1. Краснопрошина А.А. Современный анализ систем управления с применением Matlab/Simulink. Учебное пособие /. А.А. Краснопрошина, Н.Б. Репникова, А.А. Ильченко. Киев: «Корнийчук», 1999.

Навчальний контент

Методика опанування навчальної дисципліни (освітнього компонента)

5.1. Лекційні заняття

5.2. Лабораторні заняття (комп’ютерний практикум)

Основним завданням циклу лабораторних занять є проведення експериментальних досліджень за відповідною тематикою на моделях цифрових систем керування, які розроблені з використанням прикладного пакету Matlab з відповідними аналітичними розрахунками за варіантною системою

5.3. Самостійна робота

Самостійна робота студентів включає:

• підготовка до виконання 9 лабораторних робіт (комп’ютерного практикума) з проведенням аналітичних розрахунків за варіантною системою з конкретної теми -18 год;

• Підготовка до 2 тестів (1МКР) – 2 год.;

• Підготовка до екзамену – 36 год.

• Самостійне опрацювання тем:

Політика та контроль

Політика навчальної дисципліни (освітнього компонента)

Система вимог, які ставляться перед студентом:

• відвідування лекційних та лабораторних занять є обов’язковою складовою вивчення матеріалу;

• кожна тема лекції будується за схемою: викладання теоретичного матеріалу (доведення формул, теорем та інш); обов’язкове вирішення практичної задачі за темою лекції; обговорення рішення задачі за допомогою моделювання з використання прикладного пакетуMatlab/Simulink$

• лабораторні роботи захищаються у два етапи – перший етап: студенти виконують завдання на допуск до лабораторної роботи (аналітичне рішення етюду конкретної задачі), другий етап – виконання моделювання. Бали за лабораторну роботу враховуються лише за наявності електронного звіту;

• модульні контрольні роботи пишуться на лекційних заняттях без застосування допоміжних засобів (мобільні телефони, планшети та ін;

• штрафні бали виставляються за: невчасну здачу лабораторної роботи. Штрафні бали є як за теотеричну частину (1бал), так і за практичну (1 бал).

• заохочувальні бали виставляються за: додаткові дослідження у рамках виконання лабораторних робіт, які не регламентовані змістом роботи. Кількість заохочуваних балів не більше 4 (замість одної лабораторної роботи);

• в кінці семестру назначаються додаткові заняття для здачі лабораторних робіт, тести не перескладаються

Види контролю та рейтингова система оцінювання результатів навчання (РСО)

Рейтинг студента з дисципліни складається з балів, що він отримує за:

1. виконання та захист 9 лабораторних робіт;

2. виконання 2 тестів ( 1МКР);

3. заохочувальні та штрафні бали.

1. Проходження тестів.

• «відмінно», повне обґрунтоване рішення задачі – 7 балів;

• «добре» - не обґрунтоване рішення задачі –6 балів;

• «задовільно» - не обґрунтоване рішення, є помилки у рішенні – 5-балів;

• «незадовільно» - немає відповіді, суттєві помилки – 0 балів.

1. Виконання лабораторних робіт.

• «відмінно» - своєчасно та на високому рівні захищена теоретична на дослідницька частини лабораторної роботи- 4 балів;

• «добре» - не достатній рівень захисту однієї з частин лабораторної роботи-3 бали;

• « задовільно» - не своєчасний або низький рівень захисту теоретичної або дослідницької частини лабораторної роботи – 2 бали;

• «незадовільно» - не своєчасний, низький рівень захисту теоретичної або дослідницької частини лабораторної роботи, помилки у дослідженнях – 0 балів.

Календарний контроль

За результатами навчальної роботи за перші 7 тижнів «ідеальний студент» має набрати 14 балів. На першій атестації (8-й тиждень) студент отримує «зараховано», якщо його поточний рейтинг не менше 10 балів.

За результатами 13 тижнів навчальної роботи «ідеальний студент» має набрати 31 балів. На другій атестації (14-й тиждень) студент отримує «зараховано», якщо його поточний рейтинг не менше 25 балів.

Семестровий контроль

Максимальна сума балів стартової складової дорівнює 50 балів. Необхідною умовою допуску до екзамену є зарахування всіх лабораторних робіт, і стартовий рейтинг не менше 30 балів.

На екзамені студенти готоються до усного екзамену. Кожен білет містить два теоретичних і одне практичне завдання.

Одне теоретичне питання оцінюється у 10 балів, друге (складніше) з доведенням аналітичних виразів - 20 балів та практичне – 20 балів.

Система оцінювання теоретичного питання у 10 балів:

• «відмінно», повна відповідь 9-10 балів;

• «добре», повна відповідь, незначні неточності 7-8 балів;

• «задовільно», неповна відповідь, помилки 6 балів;

• «незадовільно», незадовільна відповідь 0 балів.

Система оцінювання теоретичного питання у 20 балів:

• «відмінно», повна відповідь з доведенням аналітичних виразів 18-20 балів;

• «добре», повна відповідь, незначні неточності 15-17 балів;

• «задовільно», неповна відповідь, помилки 12-14 балів;

• «незадовільно», незадовільна відповідь 0 балів.

Система оцінювання практичного запитання:

• «відмінно», повне обґрунтоване безполмилкове рішення задачі 18-20 балів;

• «добре», повне рішення без обгрунтування 15-17 балів;

• «задовільно», рішення задачі з помилками 12-14 балів;

• «незадовільно», рішення не виконано 0 балів.

Сума стартових балів і балів за екзаменаційну контрольну роботу переводиться до екзаменаційної оцінки згідно з таблицею:

Додаткова інформація з дисципліни (освітнього компонента)

• Перелік екзаменаційних питань, які виносяться на семестровий контроль наведено у Додатку 1

Робочу програму навчальної дисципліни (силабус):

Складено доцентом кафедри АУТС, к.т.н., доцентом Репніковою Наталиєю Борисівною

Ухвалено кафедрою АУТС (протокол № 1 від 27.08.2020 р.)

Погоджено Методичною комісією факультету (протокол № 1 від 02.09.2020 р.)

Додаток 1

Перелік питань, які виносяться на семестровий контроль

1. Визначення цифрової системи. Функціональні схеми ЦС.

2. Характеристика імпульсного елемента. Передавальна функція фіксатора нульового порядку.

3. Методи дослідження цифрових систем. Основні напрямки проектування.

4. Решітчаті функції. Різниці решітчатих функції.

5. Z-перетворення. Обмеження методу.

6. Передавальні функції елементів ЦС – аналогово-цифровий перетворювач.

7. Передавальні функції елементів ЦС – цифро-аналоговий перетворювач.

8. Передавальні функції елементів ЦС – цифро обчислюваний пристрій (без операцій інтегрування)

9. Передавальні функції елементів ЦС – цифро обчислюваний пристрій (з операцією інтегрування)

10. Передавальна функція приведеної безперервної частини.

11. Характеристика гранично імпульсної системи.

12. Передавальні функції замкнутої та розімкненої цифрової системи. Особливості типових з’єднань цифрової системи.

13. Передавальні функції цифрової системи із запізненням (ціле число тактів квантування).

14. Передавальні функції цифрової системи із запізненням (дробове число тактів квантування).

15. Частотно передавальні функції цифрової системи (відносно дійсної частоти).

16. Частотно передавальні функції цифрової системи (відносно псевдо частоти).

17. Білінійне перетворення.

18. Теорема зображення суми. Галузь застосування цієї теореми.

19. Особливості побудови логарифмічно частотних характеристик.

20. Дискретні системи (класифікація, переваги, недоліки).

21. Приближений метод побудови логарифмічно частотних характеристик.

22. Аналіз стійкості ЦС (загальні умови стійкості)

23. Аналіз стійкості з використанням критеріїв Гурвіца.

24. Аналіз якості ЦС.

25. Аналіз точності ЦС.

26. Синтез цифрових систем методом бажаних передавальних функції замкнутої системи.

27. Синтез цифрового ПІД-регулятора.

28. Синтез цифрового ПІ-регулятора.

29. Синтез цифрового ПД-регулятора.

30. Синтез цифрових систем оптимальних по швидкодії.

31. Реалізація цифрових регуляторів на ЕОМ (метод безпосередньої декомпозиції).

32. Реалізація цифрових регуляторів на ЕОМ (метод безпосереднього програмування).

33. Реалізація цифрових регуляторів на ЕОМ (метод паралельного програмування).

34. Реалізація цифрових регуляторів на ЕОМ (метод послідовного програмування).

35. Постановка задачі синтезу цифрових систем з аперіодичним законом регулювання.

36. Критерії синтезу – нульова стала помилка.

37. Критерії синтезу – мінімальний час перехідного процесу.

38. Синтез цифрової системи при наявності полюсів або нулів керованого процесу на одиничному колі або поза ним.

39. Методи визначення сталої помилки цифрової системи.

40. Стала помилка при різних типах вхідних дій.

41. Вплив квантування на сталу помилку цифрової системи

42. Вплив періоду квантування на стійкість цифрових систем. Приклади

43. . Факторизація приведеної безперервної частини

44. Решітчаста функцція (РФ) в абсолютному масштабі часу и відносному масштабі часу. Зміщена РФ. Приклади решітчастих функцій. Прямя та зворотня різниці.Форми запису різницевих рівнянь. Рішення різницевих рівнянь.

45. Дискретне перетворення Лапласу. Z-перетворення. Теореми Z-перетворення. Модифіковане Z-перетворення.

46. Поняття про імпульсні системи. Характеристика імпульсного елемента. Спрощена схема квантователя та фіксатора нульового порядку.

47. Часові процеси в фіксаторі нульвого порядку. Приведена безперервна частина системи

48. Побудова частотних характеристик з використанням прикладного пакету Matlab/Simulink

49. Перехід до цифрової моделі системи керування з використанням прикладного пакету Matlab/Simulink

50. Перехід до цифрової моделі системи керування (з запізненням) з використанням прикладного пакету Matlab/Simulink