Теория управления автоматических систем: Введение в теорию автоматического управления. Основные понятия теории управления техническим системами / Хабр

Содержание

Теория автоматического управления — Южно-Уральский государственный университет

Размер шрифта

Межбуквенный интервал

Семейство шрифтов

Образование
Учебный план 23.03.02, 2020, (4.0), Наземные транспортно-технологические комплексы
Теория автоматического управления

Программа дисциплины

Цели и задачи дисциплины

Преподавание и изучение дисциплины «Теория автоматического управления» в университете имеет целью: сформировать у студентов систему научных знаний и профессиональных навыков, необходимых для анализа и оценки состояния и перспектив развития систем автоматического управления, работоспособности технических систем, являющихся объектами инженерной и деятельности будущего специалиста. Задачами преподавания дисциплины являются: формирование умения выбирать рациональные перспективные схемы технических систем и агрегатов, грамотно разработать автоматическую техническую систему, оценить ее статические и динамические свойства для подъемно-транспортных, дорожных средств и оборудования на основе знания основных законов теории управления техническими системами.

Краткое содержание дисциплины

Курс «Теория автоматического управления» включает в себя 3 основные части — лекционный курс, практические занятия и лабораторные работы. На лекциях студенты получают целостное представление об управлении техническими системами, основных принципах автоматического управления, методах их оценки и процессах в автоматических системах. На практических занятиях учатся применять методы автоматики к проектированию подъемно-транспортных, дорожных средств и оборудования, оценивать основные показатели качества переходных процессов в автоматических системах. Лабораторный практикум содержит три работы по основным разделам теории автоматического управления. Краткое содержание разделов и тем дисциплины. Тема 1. Введение в дисциплину. Цель, задачи и предмет изучения. Место дисциплины в последующей деятельности инженера. История возникновения автоматических систем. Основные понятия управления техническими системами. Примеры управляемых технических систем, используемых на транспорте Тема 2.

Принципы автоматического управления. Принципы управления по отклонению, по возмущению, комбинированный принцип, принцип адаптации. Преимущества и недостатки основных принципов управления. Классификации автоматических систем по различным признакам. Применение методов автоматики к проектированию подъемно-транспортных, дорожных средств и оборудования. Тема 3. Статическая и динамическая характеристики для анализа системы автоматического управления. Основные элементы автоматических систем, типовые измерительные, усилительные и исполнительные устройства систем автоматического управления. Схема центробежного регулятора АС класса «мощность». Тема 4. Процессы в автоматических системах. Основные способы математического описания элементов и систем управления. Составление дифференциальных уравнений элементов автоматической системы. Линеаризация уравнений. Типовые воздействия. Тема 5. Динамические звенья. Классификация и динамические характеристики типовых звеньев АС. Типовые соединения элементов АС.

Последовательное, параллельное и соединение с обратной связью. Тема 6. Переходная функция звена (системы). Импульсная переходная функция (весовая функция) звена (системы). Связь между различными характеристиками автоматической системы. Тема 7. Типовые соединения элементов АС. Передаточные функции и частотные характеристики типовых звеньев АС. Тема 8. Показатели качества процессов регулирования в АС. Время регулирования и перерегулирования, быстродействие системы. Устойчивость АС. Возможности проектирования и исследования автоматических систем в программе Acsocad.

Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

Выпускник должен обладать:

ПК-6 Способен проводить теоретические и экспериментальные научные исследования по поиску и проверке новых идей совершенствования подъемно-транспортных, строительных, дорожных средств и оборудования
ПК-8 Способен анализировать состояние и перспективы развития подъемно-транспортных, строительных, дорожных средств и оборудования
УК-1 Способен осуществлять поиск, критический анализ и синтез информации, применять системный подход для решения поставленных задач

Научно-образовательный портал ТУСУР | Теория автоматического управления.

Часть 1: Учебное пособие / Карпов А. Г. — 2011. 212 с.

ПРЕДИСЛОВИЕ…………………………………………………………………………………………..6

1. ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………………………………..7

1.1. Краткая история возникновения и развития ТАУ ……………………………………….7

1.2. Основные понятия и определения. Место ТАУ в системе наук об управлении …… 11

1.3. Классификация САУ ………………………………………………………………………………15

1.4. Общая характеристика процессов в САУ ………………………………………………….24

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ЛИНЕЙНЫХ САУ …………………………28

2.1. Постановка задачи. Разбиение системы на звенья …………………… 28

2.2. Уравнения и характеристики звеньев …………………………………….. 29

2. 2.1. Уравнения звеньев. Линеаризация ………………………………………. 29

2.2.2. Временны́е характеристики ……………………………………………….. 37

2.2.3. Частотные характеристики …………………………………………………. 47

2.2.4. Соединения звеньев ……………………………………………………………52

2.2.5. Типовые звенья ………………………………………………………………….56

2.3. Классическое (частотное) описание САУ ……………………………………67

2.3.1. Структурный анализ САУ ………………………………………………………67

2.3.2. Уравнения и передаточные функции одноконтурной САУ ……….. 71

2.3.3. Линейные законы регулирования. ………………………………………. 76

2.4. Описание САУ в пространстве состояний ……………………………….. 78

2.4.1. Уравнения состояния ……….. ………………………………………………. 79

2.4.2. Стандартная форма уравнений состояния ……………………………. 80

2.4.3. Нормальная (каноническая) форма уравнений состояния ………. 82

2.4.4. Взаимосвязь классического (частотного) и векторно-матричного описания САУ ……………………….. 83

3. УСТОЙЧИВОСТЬ ЛИНЕЙНЫХ САУ ……………………………………………. 86

3.1. Понятие устойчивости …………………………………………………………. 86

3.1.1. Определение устойчивости ……………………………………………….. 86

3.1.2. Необходимое и достаточное условие устойчивости ………………. 88

3.1.3. Устойчивость и уравнения состояния. ………………………………….. 94

3.2. Алгебраические критерии устойчивости …………………………………. 95

3.2.1. Необходимый критерий устойчивости …………………………………. 95

3. 2.2. Устойчивость систем третьего порядка. ………………………………….97

3.2.3. Критерий Гурвица ……………………………………………………………… 99

3.2.4. Критерий Рауса …………………………………………………………………101

3.3. Частотные критерии устойчивости ………………………………………….103

3.3.1. Критерий Михайлова …………………………………………………………103

3.3.2. Критерий Найквиста …………………………………………………………. 108

3.4. D-разбиение ………………………………………………………………………. 115

3.4.1. Определение D-разбиения …………………………………………………. 115

3.4.2. D-разбиение в области 1-го параметра ………………………………. ..117

3.4.3. D-разбиение в области 2-х параметров …………………………………122

4. КАЧЕСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ …………………………………………………….124

4.1. Оценки качества регулирования…………………………………………….. 124

4.2. Точностные критерии качества ……………………………………………….125

4.2.1. Статический режим САУ ………………………………………………………125

4.2.2. Точность САУ при воздействии, меняющемся с постоянной m-ой производной ………………………….. 130

4.2.3. Точность САУ при гармоническом воздействии ………………………132

4.2.4. Коэффициенты ошибок …………………………………………………….. 134

4.3. Качество переходных процессов ………………………………………….. 137

4.3.1. Оценка качества по переходной характеристике ………………….. 137

4.3.2. Частотные критерии качества …………………………………………….. 140

4.3.3. Корневые критерии качества . ……………………………………………. 144

4.3.1. Интегральные критерии ……………………………………………………. 151

5. ЭЛЕМЕНТЫ СИНТЕЗА ЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ ………………………………. 155

5.1. Постановка задачи ……………………………………………………………… 155

5.2. Повышение точности САУ …………………………………………………….. 155

5.2.1. Общие методы …………………………………………………………………. 155

5.2.2. Теория инвариантности и комбинированное управление ………. 160

5.2.3. Неединичные обратные связи ……………………………………………. 166

5.3. Улучшение качества процесса регулирования ………………………… 169

5.3.1. Последовательные корректирующие звенья. ……………………….. 170

5.3.2. Параллельные корректирующие звенья ………………………………. 174

5. 3.3. Обратные связи ……………………………………………………………….. 177

5.4. Методы повышения запаса устойчивости ……………………………….. 178

5.5. Методы синтеза САУ ……………………………………………………………. 181

5.5.1. Корневой метод ……………………………………………………………….. 181

5.5.2. Метод корневых годографов ……………………………………………… 182

5.5.3. Метод логарифмических амплитудных характеристик …………… 183

5.6. Синтез САУ в пространстве состояний ……………………………………. 185

5.6.1. Понятие управляемости и наблюдаемости систем …………………. 185

5.6.2. Определение управляемости и наблюдаемости по уравнениям состояния……. 187

5.6.3. Блочное разбиение системы ……………………………………………… 189

5.6.4. Модальное управление ……………… …………………………………….. 195

ЛИТЕРАТУРА ……………………………………………………………………………. 200

Теория систем и автоматическое управление

Основные научные интересы

Многие процессы должны работать автономно и оптимально, несмотря на потребность в высокой гибкости и часто больших неопределенностях и в значительной степени неизвестной динамике систем. Мы ориентируемся на разработку теоретических обоснованных методов управления, эксплуатации и мониторинга автономных динамических систем, объединяя методы искусственного интеллекта

и машинного обучения

оптимальное и предиктивное управление (MPC)
описание и распространение неопределенности

К особым областям относятся: объединение обучения и управления, управление с прогнозированием моделей, модульность, масштабируемость и крупномасштабные системы, киберфизические системы, системы, управляемые сетью, методы идентификации и проверки моделей.

Область применения охватывает: биотехнологические процессы, химические процессы, биомедицину и медицинскую технику, энергетические системы, такие как интеллектуальные сети и аккумуляторы, робототехнику и мехатронику, автономное вождение.

Дополнительную информацию можно найти здесь .

Текущие аспиранты программы IMPRS

Тобиас Бэтге

Веб-сайт

Проект кандидатской диссертации: Проектирование модульного контроллера для иерархических систем и долгосрочных решений

Бруно Морабито

Веб-сайт

Кандидатская работа: Подходы к многорежимному оцениванию состояния и моделирующему прогнозирующему управлению

Маркус Йенс Кегель

Веб-сайт

Проект PhD: MPC для киберфизических систем

Рудольф Луи Кок

Кандидатская работа: Оптимальное управление химическими процессами с поддержкой машинного обучения

Выпускники IMPRS

Петр Анодонов

Кандидатская диссертация: Проектирование контроллеров на основе гарантированных множеств для гибридных динамических систем (30 июля 2021 г. )

Кристиан Каллис

Кандидатская диссертация: Аппроксимированное адаптивное явное параметрическое оптимальное управление (28 июля 2021 г.)

Надин Рудольф

Кандидатская диссертация: Количественное моделирование биологических систем методами множественного анализа
(26.11.2019)

Бенджамин Керн

Кандидатская диссертация: Методы на основе множеств для взаимосвязанной системы управления
(1 июля 2019 г.)

Антон Савченко

Кандидатская диссертация: Эффективный мониторинг процессов на основе наборов и диагностика неисправностей
(27 февраля 2017 г.)

Филипп Румщински

Кандидатская диссертация: Проверка системных свойств полиномиальных систем с использованием аппроксимаций с дискретным временем и анализа на основе множеств
(18 августа 2015 г. )

Паоло Варутти

Кандидатская диссертация: Методики управления сложными иерархически взаимосвязанными системами с учетом задержек
(11 февраля 2014 г.)

Штеффен Борхерс

Кандидатская диссертация: Идентификация параметров и идентифицируемость сетей биохимических реакций
(21 июня 2013 г.)

Тимм Фолвассер

Кандидатская диссертация: Оптимизационные решения задач отслеживания траектории и отслеживания пути
(5 октября 2012 г.)

Интеграция датчиков в системы управления и автоматизации

На этой странице

БлагодарностиАвторское правоСтатьи по теме

Теория управления — это междисциплинарная область техники и математики, изучающая поведение динамических систем с входными данными. Цель теории управления состоит в том, чтобы рассчитать решения для правильного корректирующего действия контроллера, что приводит к стабильности системы и повышению производительности. Системы автоматизации и промышленного управления (ICS) охватывают множество приложений и применений промышленных и промышленных систем управления и автоматизации. ICS определены ISA-99/IEC 62443 как «совокупность персонала, оборудования и программного обеспечения, которые могут влиять или влиять на безопасную, защищенную и надежную работу промышленного процесса».

Системы управления состоят из пяти основных элементов: датчиков, преобразователей, преобразователей, контроллеров и конечных элементов управления или приводов. Этот специальный выпуск посвящен датчикам и, более конкретно, интеграции датчиков в системы автоматизации и управления. Напомним, что датчик определяется как устройство, которое преобразует физический стимул в читаемый результат. Роль датчика в системе управления и автоматизации заключается в обнаружении и измерении некоторого физического воздействия и предоставлении этой информации в систему управления.

Интеграция датчиков в системы управления и автоматизации в последние годы привлекла большое внимание значительного числа исследователей и промышленного сообщества. Особое внимание уделяется важности усовершенствования систем управления и автоматизации для решения задач разработки и усовершенствования новых приложений. Эти системы должны интегрировать разнообразную сенсорную информацию и человеческие знания для эффективного выполнения задач с вмешательством человека или без него.

Фактически, интеграция датчиков в интеллектуальные устройства и системы увеличила возможности измерения, анализа и агрегирования данных на локальном уровне. Автономные и подключенные датчики могут выборочно брать пробы и измерять многие физические свойства. Разработки интеллектуальных датчиков, основанные на растущих возможностях сетей фиксированного доступа и беспроводных сетей, позволяют собирать необработанные данные, которые обрабатываются в информацию и передаются через сетевое соединение.

Концепция интеграции датчиков близка к термину «слияние датчиков», который определяется как «искусство обработки данных от нескольких датчиков с целью воспроизвести физическую среду или побудить разум управлять явлением с повышенной точностью и надежностью». Слияние или интеграция датчиков быстро развивается как основа надежных систем управления, которые могут понимать несовершенные входные данные, несмотря на среду, в которой они работают. Данные с нескольких датчиков объединяются для повышения отклика и точности, создавая системы управления, которые до недавнего времени могли быть только теоретическими, опираясь на такие методы, как искусственный интеллект, распознавание образов, цифровая обработка сигналов и статистическая оценка. Кроме того, последние достижения в сенсорных технологиях и методах обработки в сочетании с усовершенствованным оборудованием делают возможным объединение данных в режиме реального времени.

Спецвыпуск предназначен для демонстрации последних научных достижений, результатов и идей в области интеграции датчиков в системы управления и автоматизации. В этом специальном выпуске обсуждались следующие темы: сенсорные системы для управления и автоматизации: датчики и сенсорные сети, интеллектуальные датчики, сенсорная неопределенность для отказоустойчивого управления, распределенная и мультимодальная сенсорная сеть для управления и автоматизации и так далее; управление: адаптивное управление, надежное управление, активное подавление возмущений, сложные системы, идентификация и оценка, нелинейные системы, интеллектуальные системы, сенсорные сети, системы задержки, точное управление движением, приложения управления и т. д.; автоматизация: взаимодействие человека и машины, автоматизация процессов, сетевые системы, интеллектуальная автоматизация, планирование, планирование и координация и т. д.; робототехника: моделирование и идентификация, мобильная робототехника, мобильные сенсорные сети, системы восприятия, визуальное слежение, зондирование роботов и объединение данных и т. д.; управление на основе процессов: разработка датчиков, проектирование систем и разработка средств управления; системы управления и автоматизации: обнаружение и изоляция неисправностей, зондирование и объединение данных, системы управления полетом и наблюдения, спасательная и полевая робототехника, системы управления наведением, промышленное, военное, космическое и подводное применение, линейные и нелинейные системы управления, обработка сигналов и изображений, и так далее; промышленная информатика: встроенные системы мониторинга и управления.

Благодарности

Мы хотели бы поблагодарить всех авторов за их отличный вклад, а также рецензентов за их ценную помощь.