Дисципліна: Теорія автоматичного управління

Обсяг дисципліни, годин (кредитів ЄКТС): 6 (180).

Мета дисципліни: надати майбутнім інженерам знання з базових елементів теорії і техніки автоматичного регулювання та керування, принципів і методів сучасної теорії керування та формування у студентів системи здатностей: уміння експлуатувати технічні засоби та системи автоматизації; вміння використовувати комп’ютерно-інтегровані технологічні та інформаційні системи.

Завдання дисципліни: підготовка студентів для творчої участі в розробці, проєктуванні та експлуатації автоматичних систем управління технологічними процесами.

Попередні умови для вивчення даної дисципліни: «Вища математика», «Дискретна математика» та «Теорія ймовірності».

Навчальні цілі дисципліни полягають у формуванні у студентів:

інтегративної компетентності: застосовувати сучасні технології розрахунку систем автоматичного керування параметрів хіміко-технологічних процесів;

загальних компетентностей:

ЗК 1. здатність застосовувати знання у практичних ситуаціях.

ЗК 4. здатність використання інформаційних та комунікаційних технологій.

фахових компетентностей:

ФК 3. здатність виконувати аналіз об’єктів автоматизації на основі знань про процеси, що в них відбуваються та застосовувати методи теорії автоматичного керування для дослідження, аналізу та синтезу систем автоматичного керування.

ФК 6. здатність використовувати для вирішення професійних завдань новітні технології у галузі автоматизації та комп’ютерно-інтегрованих технологій, зокрема, проєктування багаторівневих систем керування, збору даних та їх архівування для формування бази даних параметрів процесу та їх візуалізації за допомогою засобів людино-машинного інтерфейсу.

ФК 7. здатність обґрунтовувати вибір технічної структури та вміти розробляти прикладне програмне забезпечення для мікропроцесорних систем керування на базі локальних засобів автоматизації, промислових логічних контролерів та програмованих логічних матриць і сигнальних процесорів.

Програмні результати навчання:

ПРН 5. Вміти застосовувати методи теорії автоматичного керування для дослідження, аналізу та синтезу систем автоматичного керування.

В результаті вивчення дисципліни студент повинен

знати:

-    призначення, структуру та класифікацію систем керування;

-    методи математичного опису систем автоматичного керування (САК);

-    поняття стійкості, статизму та астатизму САК;

-    методи аналізу впливу параметрів САК на показники якості функціонування;

-    принципи керування розподіленими об’єктами;

-    принципи завадостійкого кодування повідомлень;

-    способи селекції об’єктів;

-    принципи побудови і функціонування типових елементів і вузлів систем автоматичного керування; їх характеристики, методи визначення та розрахунку.

вміти:

-    складати математичні моделі функціональних блоків та систем автоматичного керування;

-    оцінювати стійкість та показники якості сак в перехідному та усталеному режимах;

-    розв’язувати задачі синтезу завадостійких кодів;

-    користуватись методами і програмним забезпеченням моделювання сак.

Зміст дисципліни (тематика):

Змістовний модуль 1.

Теорія лінійних систем автоматичного управління

Тема 1. Основні поняття та визначення в теорії автоматичного керування.

Визначення системи автоматичного керування. Фундаментальні принципи керування.

Класифікація систем автоматичного керування.

Тема 2. Математичний опис систем автоматичного керування.

Рівняння динаміки систем у просторі сигналів та у просторі станів. Поняття про режими роботи систем. Статичні характеристики. Лінеаризація нелінійних характеристик.

Тема 3. Динамічні характеристики ланок і систем автоматичного керування.

Поняття динамічної ланки. Перетворення Лапласа. Визначення передатної функції. Визначення функції ваги та перехідної функції ланки, системи. Типи динамічних ланок: позиційні, інтегруючі, диференціюючі; їх динамічні характеристики. Структурні схеми систем автоматичного керування. Передатні функції типових з`єднань динамічних ланок. Передатні функції систем автоматичного керування.

Тема 4. Точність автоматичних систем в усталених режимах.

Поняття та передатні функції статичної та астатичної систем. Усталені похибки за довільних вхідних дій. Усталені похибки статичних та астатичних систем за типових збурень; похибки за гармонічного збурення.

Тема 5. Частотні характеристики ланок та систем автоматичного керування.

Поняття комплексної передатної функції; визначення амплітудно-частотної, фазочастотної та амплітудно-фазо-частотної характеристик ланки (системи). Частотні характеристики елементарних динамічних ланок: позиційних; інтегруючих; диференціюючих. Частотні характеристики розімкненої та замкненої системи автоматичного керування. Поняття та визначення логарифмічних частотних характеристик. Логарифмічні частотні характеристики динамічних ланок; розімкненої системи.

Тема 6. Стійкість систем автоматичного керування.

Поняття та умови стійкості лінійної системи. Алгебраїчний критерій стійкості Гурвіца. Частотні критерії стійкості. Критерій Михайлова. Методика побудови годографа Михайлова. Критерій стійкості Михайлова-Найквіста (амплітудно-фазо-частотний критерій). Логарифмічний частотний критерій стійкості. Запаси стійкості.

Тема 7. Перехідні процеси в системах автоматичного керування.

Вимоги до перехідного процесу. Прямий метод побудови перехідної характеристики, прямі показники якості перехідного процесу. Типи перехідних процесів. Непрямі показники якості перехідного процесу: частотні, кореневі, інтегральні.

Тема 8. Корекція та основи синтезу систем автоматичного керування.

Корекція систем керування. Послідовні корегувальні ланки: введення похідної від похибки; введення інтегралу від похибки. Паралельні корегувальні ланки: жорсткий зворотній зв‘язок; гнучкий зворотній зв‘язок. Корекція систем за зовнішніми впливами.

Змістовний модуль 2.

Оптимальні та цифрові системи керування

Тема 1. Основи теорії цифрових систем керування.

Перетворення даних і квантування. Математичний опис цифро-аналогового перетворення, аналого-цифрового перетворення. Математичний опис процесу квантування. Імпульсна теорема. Фіксатор нульового і першого порядку.

Тема 2. Математичний опис та характеристики дискретних систем.

Визначення z-перетворення. Обчислення z-перетворень. Відповідність між s і z-площинами. Зворотне z-перетворення. Теореми z-перетворень. Імпульсна передатна функція. Імпульсна передатна функція з фіксатором нульового порядку. Поняття про приведену передатну функцію. Білінійне перетворення. Методи розв'язання білінійних рівнянь.

Тема 3. Аналіз та синтез дискретних систем.

Алгебраїчні критерії стійкості цифрових систем керування. Годограф Найквіста. Логарифмічні частотні характеристики. Запаси стійкості за фазою і амплітудою. Амплітудно-частотна діаграма Нікольса. Визначення смуги пропускання. Трансформація сталих часу в цифрових системах керування з довільним порядком астатизму неперервної частини. Послідовна корекція цифрових систем керування за допомогою аналогових регуляторів в ланцюгу зворотного зв’язку. Цифрові регулятори. Синтез цифрових систем керування за допомогою білінійного перетворення. Синтез цифрових систем регуляторів з використанням кореневих годографів на z-площині.

Тема 4. Синтез оптимальних систем.

Принцип максимуму Понтрягіна. Задача оптимальної швидкодії. Керованість, спостережуваність та відновлюваність об’єктів. Спостерігачі. Методи оптимального оцінювання стану. Фільтри Калмана-Бьюсі.

Види робіт: лекції, лабораторні, самостійні.

Форма підсумкового контролю: залік.