Теорія автоматичного керування - Робоча програма навчальної дисципліни (Силабус)

Реквізити навчальної дисципліни

Рівень вищої освіти Перший (бакалаврський)

Програма навчальної дисципліни

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

Опис дисципліни. «Теорія автоматичного управління» (ТАУ) – це дисципліна, що вивчає процеси автоматичного управління об’єктами різної фізичної природи. За допомогою математичних засобів виявляються властивості систем автоматичного управління і розробляються рекомендації по їх проектуванню. При вивченні навчальної дисципліни «ТАУ -2 «Цифрові системи управління»» розглядаються і вивчаються поняття та застосування теорії: цифрових систем керування, математичні основи теорії цифрового керування, методи аналізу стійкості та якості цифрових систем, методи синтезу цифрових регуляторів, методи реалізації цифрових регуляторів. Під час вивчення курсу передбачено контроль якості отриманих знань у вигляді контрольних тематичних опитувань, модульної контрольної роботи (3 частини).

Предмет навчальної дисципліни: Застосовування методів сучасної теорії автоматичного управління для дослідження, аналізу та синтезу цифрових систем управління, оптимальних та адаптивних систем, інтелектуальних та робастних систем, систем автоматики та управління а також методи системного аналізу, моделювання, ідентифікації та числові методи для розроблення математичних та імітаційних моделей окремих елементів та систем автоматизації в цілому, для аналізу якості їх функціонування із використанням новітніх комп’ютерних технологій.

Міждисциплінарні зв’язки. Базові знання з дисциплін: теорія автоматичного управління (неперервні системи), моделювання систем, математичний аналіз, дискретна математика, теорія ймовірностей.

Мета навчальної дисципліни. Метою викладання навчальної дисципліни «ТАУ - «Цифрові системи управління»» є отримання знань про сучасні напрями розвитку теорії управління, освоєння дисциплінарних компетенцій завдань, пов’язаних з аналізом, синтезом систем управління отримання досвіду застосування математичного апарату для вирішення практичних задач цифрового управління. Основні завдання навчальної дисципліни є

Дисципліна «ТАУ - 2 «Цифрові системи управління»» формує та закріплює у студентів наступні компетентності: (ЗК01) здатність до: абстрактного мислення, аналізу та синтезу в області цифрових систем управління, математичного опису цифрових систем, використання принципів побудови безперервних і дискретних регуляторів різного типу, використання методів ідентифікації об’єктів керування та їх стану; (ЗК02) здатність спілкуватися іноземною мовою, вільно користуватись сучасними комп’ютерними та інформаційними технологіями для вирішення професійних завдань, програмувати та використовувати прикладні та спеціалізовані комп’ютерно-інтегровані середовища для вирішення задач управління. що формує наступні програмні результати навчання: (РН01) застосовувати знання у практичних ситуаціях, використовувати інформаційно комунікаційні технології, створювати математичні моделі цифрових систем управління, виконувати аналіз систем у частотній області, виконувати аналіз стійкості безперерних систем управління, визначати показникі якості перехідного процесу та помилку в установленому режимі, 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 управління; (РН05) вільно користуватись сучасними комп’ютерними та інформаційними технологіями для вирішення професійних завдань, програмувати та використовувати прикладні та спеціалізовані комп’ютерно-інтегровані середовища для вирішення задач управління, визначати технічні вимоги до ІСТ на основі аналізу бізнеспроцесів та аналізу потреб зацікавлених сторін, розробляти технічні завдання.

2. Пре реквізити та пост реквізити дисципліни (місце в структурно-логічній схемі навчання за відповідною освітньою програмою)

Пре реквізити: для успішного засвоєння дисципліни необхідно мати теоретичну базу з теорії автоматичного управління, математичного аналізу, дискретної математики, теорії алгоритмів та мат. статистики, програмування, проектування гнучких комп’ютеризованих систем.

Пост реквізити: результати навчання даної дисципліни використовують у дипломному проектуванні та у спеціалізованих дисциплінах подальшого курсу підготовки магістрів, зокрема курсів нейротехнології та нейрокомп’ютері системи, теорія нечітких множин та прийняття рішень,

3. Зміст навчальної дисципліни Лекційні заняття

Тема 1. Загальні відомості, основні поняття та визначення цифрових систем управління

Тема 2. Функціональні схеми ЦСУ. Математичний опис процесу квантування Тема 3. Особливості цифрового управління.

Тема 4. Функціональні схеми ЦСУ

Тема 5. Математичний аппарат дослідження цифрових систем.

Тема 6. Фіксатор нульового порядку Тема 7. Імпульсні передавальні функції Тема 8. Метод простору станів.

Тема 9. Аналіз цифрових систем управління

Тема 10. Керованість і спостережність ЦСАУ

Тема 11. Методи побудови і корекції ЦСУ

Тема 12. Методи оптимізації цифрових систем

Розділ 13. Синтез оптимального лінійно-квадратичного цифрового регулятора

Розділ 14. Цифровий спостерігач стану ЦСУ

Лабораторний практикум

1. Дослідження процесів квантування сигналів в цифровій системі.

2. Дослідження цифрової системи з фіксатором нульового порядку.

3.

1. Частотні методи аналізу цифрових систем.

2. Дослідження стійкості цифрової системи загальним алгоритмом.

3. Дослідження стійкості цифрової системи за критеріями стійкості.

4. Навчальні матеріали та ресурси Базова література ela.kpi.Теорія цифрових систем управління - https://ela.kpi.ua/handle/123456789/37767

Допоміжна література

1. Олссон Г. Цифровые системы автоматизации и управления / Г. Олссон, Д. Пиани. – СПб.: Издательство: Невский Диалект, 2001. – 557 с.

2. Деменков М. П. Управление в технических системах: учебник / М. П. Деменков, Е. А. Микрин. – М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017. – 452 с.

3. Цифровые системы управления / [В. В. Григорьев, С. В. Быстров, В. И. Бойков та ін.]. – СПб:: СПбГУ ИТМО, 2011. – 133 с.

4. Ким Д. П. Теория автоматического управления : учебник и практикум для академического бакалавриата / Д. П. 4. Ким. – М.: Издательство Юрайт, 2015. – 276 с.

5. Куо Б. Теория и проектирование цифровых систем управления / Б. Куо. – М.: Машиностроение, 1986. – 448 с.

6. Точчи Р. Д. Цифровые системы. Теория и практика. Учебник. 8-е издание. / Р. Д. Точчи, Н. С. Уидмер. – М.: Изд-во Вильямс, 2004. – 1024 с.

7. Основы цифровых систем / [І. П. Барбаш, М. П. Благодарная, В. Я. Жихарев та ін.]. –

Харків: Нац. аерокосмічннй ун-т "Харк, aвіац. інс-т", 2002. – 672 с

Навчальний контент

5. Методика опанування навчальної дисципліни (освітнього компонента) Лекційні заняття (денна форма навчання)

Лекційні заняття (заочна форма навчання)

6. Самостійна робота студента Денна форма навчання:

Заочна форма навчання:

Контрольне розрахункове завдання Розрахунок дискретної САУ другого порядку

Структурна схема системи

Завдання:

1. Складання математичної моделі системи:

1.1. у z формі

1.2. у формі дискретного керування

1. Побудова перехідного процесу

2. Дослідження ДСАУ на стійкість критеріями:

3.1. Шур-Кона

3.2. Гурвіца

3.3. Михайлова

3.4. Найквіста

Параметри САУ

7. Теми рефератів

Тема 1. Цифрові засоби обробки інформації

1. Аналогові ЕОМ

   1. Визначення

   2. Будова та принципи роботи

2. Цифрові ЕОМ

   1. Визначення та основні складові частини

   2. Застосування та принципи роботи

3. Відмінності аналогових та цифрових комп’ютерів

4. Мікро ЕОМ та мікроконтролери

   1. Визначення та складові частини

   2. Застосування

   3. Особливості побудови

Тема 2. Цифрові системи управління

1. Поняття ЦСУ

2. Особливості ЦСУ

   1. Переваги

   2. Недоліки

3. Сфера застосування ЦСУ

4. Сучасний стан, проблеми й перспективи розвитку

Тема 3. «Цифрове моделювання та переобладнання систем на базі ЕВМ.

1. Цифрове моделювання і фіксація

2. Цифрова модель, чисельне інтегрування

   1. Методи чисельного інтегрування

   2. Метод прямокутників

   3. Метод трапецій

   4. Умови стійкості

3. Цифрове моделювання за допомогою Z-форм

4. Переобладнання систем управління на базі ЕВМ

Політика та контроль 8. Політика навчальної дисципліни (освітнього компонента)

Система вимог, які ставляться перед студентом:

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

• на лекції викладач користується власним презентаційним матеріалом; використовує інформаційні ресурси для викладання: матеріалу поточної лекції, додаткової інформації, завдань до практичних, лабораторних робіт та інше;

• питання на лекції задаються у відведений для цього час;

• модульні контрольні роботи, тематичні опитування (тематичні контрольні роботи) пишуться на лекційних заняттях без застосування допоміжних засобів (мобільні телефони, планшети та ін.); для перевірки робіт результат завантажується у файлі через гугл-форму до відповідної директорії гугл-диску або роботи групи надсилаються старостою (координатором) групи викладачу на його ел. адресу;

• семінарські заняття з обговорення зазначених темп проводяться на лекційних заняттях; - заохочувальні бали виставляються за: виконання індивідуальних і творчих робіт з кредитного модуля, наприклад: участь у факультетських та інститутських олімпіадах з навчальної дисциплін, підготовка наукових праць (наукових статей, тез на конференції), доповіді на семінарських заняттях, тощо. Кількість заохочуваних балів не більше 10;

• штрафні бали виставляються за: несвоєчасну здачу контрольних заходів без поважних причин; переписування модульної контрольної роботи. Кількість штрафних балів не більше 10.

Види контролю та рейтингова система оцінювання результатів навчання (РСО)

Рейтинг студента складається з балів, що він отримує за:

1. виконання тематичних контрольних робіт;

2. виконання 3 –х частин модульної контрольної роботи (МКР);

3. реферати;

4. заохочувальні та штрафні бали;

За лабораторний практикум наприкінці семестру виставляється оцінка «зараховано», що дозволяє отримати з іспиту оцінку автоматично, відповідно до набраного рейтингу або скласти іспит. Без зданого лабораторного практикуму студент до іспиту не допускається.

Система рейтингових балів та критерії оцінювання

Денна форма навчання:

Модульні контрольні роботи:

«відмінно», повна відповідь на питання (не менш ніж 90% потрібної інформації), завдання виконано без помилок, дії обґрунтовано – 12 балів;

«добре», достатньо повна відповідь на питання (не менш ніж 75% потрібної інформації), завдання виконано без значних помилок – 9-11 балів;

«задовільно», неповна відповідь на питання, але не менше 60% в деяких завданнях можуть бути присутні значні помилки, але не менше 60% виконано правильно – 7-8 балів;

«незадовільно», незадовільна відповідь, неправильне виконання завдань, потребує обов’язкового повторного написання в кінці семестру – 0 балів.

Тематичні контрольні роботи ( тематичні контрольні опитування):

«відмінно», повна відповідь на питання (не менш ніж 90% потрібної інформації), повне виконання контрольного заходу – 10 балів;

«добре», достатньо повна відповідь (не менш ніж 75% потрібної інформації), повне виконання завдання контрольного заходу– 8-9 балів;

«задовільно», неповна відповідь на питання (не менш ніж 60% потрібної інформації), незначні помилки у виконанні контрольного заходу – 6 -7 балів;

«незадовільно», незадовільна відповідь на питання та/або значні помилки у виконання контрольного заходу – 0 балів.

Реферати:

«відмінно», тема розкрита повністю і по суті, згідно плану, (не менш ніж 90% потрібної інформації) має вступ, заключення, список використаних джерел, виконана і оформлена у належному стані. Робота здана у встановлені терміни. Повне виконання заходу – 8 балів;

«добре», достатньо повне розкриття теми (не менш ніж 75% потрібної інформації), робота виконана і оформлена у належному стані. Робота здана у встановлені терміни–

6-7 балів;

«задовільно», неповне розкриття теми (не менш ніж 60% потрібної інформації), незначні помилки у виконанні і оформленні. Робота здана у встановлені терміни – 4-5 балів;

«незадовільно», тема не розкрита або зміст роботи не відповідає темі, робота виконана і оформлена у неналежному стані, а також робота – плагіат ( двійник) – 0 балів.

За роботу, яка здана невчасно без поважних причин, впроваджуються штрафні санкції.

Заохочувальні бали студент може отримати за виконання з кредитного модуля: індивідуальних завдань і творчих робіт таких наприклад, як участь у факультетських та інститутських олімпіадах з навчальної дисципліни, підготовка наукових праць (наукових статей, тез на конференції), доповідей на семінарських заняттях, тощо, але в сумі не більше 10.

Міжсесійна атестація

За результатами навчальної роботи за перші 7 тижнів максимально можлива кількість балів – 40 (2 тематичні контрольні роботи, перша частина модульної контрольної роботи, реферат №1, 3 лабораторні роботи здані з оцінкою «зараховано» ). На першій атестації (8-й тиждень) студент отримує «атестовано», якщо його поточний рейтинг не менший ніж 23 бали.

За результатами навчальної роботи наступних 8 тижнів навчання максимально можлива кількість балів – 60 балів (2 тематичні контрольні роботи, 2 модульні контрольні роботи, 2 реферати та здані з оцінкою «зараховано» лабораторні роботи). На другій атестації (14-й тиждень) студент отримує «атестовано», якщо його поточний рейтинг не менший ніж 34 бали.

Максимальна сума вагових балів контрольних заходів протягом семестру складає:

RD = 3*r_мкр +4*r_то +3*r_{реф\ +} (r_з - r_ш)= 3*14+4*10+3*9 + (r_з - r_ш)=100 + (r_з - r_ш),

де

r_мкр – бал за написання частини МКР (0…12); r_то.. – бал за тематичне опитування (0…10); r_реф.. – бал за реферат (0…8);

r_з – заохочувальні бали (0…10); r_ш – штрафні бали (0…10).

Іспит (залік):

Студенти, які виконали всі умови допуску до семестрової атестації (написали всі модульні контрольні, виконали і захистили всі контрольні заходи, отримали оцінку «зараховано» з лабораторного практикуму (6 лабораторних робіт)) та набрали протягом семестру необхідну кількість балів (RD ≥ 60), отримують з іспиту оцінку автоматично відповідно до набраного рейтингу (табл. 1, що наведена нижче). У такому разі до заліково-екзаменаційної відомості вносяться бали RD та відповідні оцінки.

Студенти, які набрали протягом семестру менше ніж 60 балів та не мають заборгованостей, зобов’язані здати іспит.

Іспит (підсумкова контрольна робота) містить 8 питань і дві задачі. Кожне питання оцінюється у 5 балів, задача 30 балів.

Студентам, які протягом семестру набрали більш ніж 60 балів та виконали всі умови допуску, надається можливість здавати іспит (підсумкову контрольну роботу) з метою підвищення оцінки. В такому разі, попередній рейтинг студента з кредитного модуля скасовується і він отримує оцінку з урахуванням результатів іспиту (підсумкової контрольної роботи) (табл. 1, що наведена нижче).

Система оцінювання питань:

«відмінно», повна відповідь (не менше 90% потрібної інформації) – 5 балів;

«добре», достатньо повна відповідь (не менше 75% потрібної інформації, або незначні неточності) – 3-4 бали;

«задовільно», неповна відповідь (не менше 60% потрібної інформації та деякі помилки)

1-2 бали;

«незадовільно», незадовільна відповідь – 0 балів.

Сума набраних балів RD або балів за іспит переводиться до оцінки з іспиту згідно з таблицею:

Таблиця 1 — Переведення рейтингових балів до оцінок за університетською шкалою

Додаткова інформація з дисципліни (освітнього компонента)

Робочу програму навчальної дисципліни (Силабус):

Складено ст. викладач, Польшакова Ольга Михайлівна

Ухвалено кафедрою ІСТ (протокол № 1 від 30.08.2023 р.)

Погоджено Методичною комісією факультету (протокол № 1 від 30.08.2023 р.)