Сучасна теорія керування–1. Моделі простору станів - Робоча програма навчальної дисципліни (Силабус)
Реквізити навчальної дисципліни
| Рівень вищої освіти | Перший (бакалаврський) |
| Галузь знань | 12 Інформаційні технології |
| Спеціальність | 126 Інформаційні системи та технології |
| Освітня програма | Інформаційне забезпечення робототехнічних систем |
| Статус дисципліни | Нормативна |
| Форма навчання | очна(денна) |
| Рік підготовки, семестр | 4 курс, осінній/весняний семестр |
| Обсяг дисципліни | 150 годин (денна: 36 годин – лекції, 54 годин – практика, 60 годин – СРС;) |
| Семестровий контроль/ контрольні заходи | іспит |
| Розклад занять | http://rozklad.kpi.ua |
| Мова викладання | Українська |
| Інформація про керівника курсу / викладачів | Лектор, практичні заняття: ст. викладач Польшакова Ольга Михайлівна. моб. +38(093)149-91-92 |
| Розміщення курсу | https://campus.kpi.ua |
Програма навчальної дисципліни
Опис навчальної дисципліни, її мета, предмет вивчання та результати навчання
Опис дисципліни. «Сучасна теорія управління» (СТУ) – 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. Сучасна теорія управління є базовою і відносно молодою наукою про управління. Основні питання та методи СТУ розглянуті в класичній теорії, що продовжує інтенсивно розвиватися в бік створення теорії інтелектуальних систем управління. При вивченні навчальної дисципліни «Сучасна теорія управління» розглядаються основні сучасні підходи і методи побудови систем автоматизації і керування складними динамічними об’єктами з розподіленими параметрами в різних умовах їх функціонування при неповній інформації про об’єкти, якими керують. Вивчаються основні поняття та застосування теорії: цифрових систем керування, оптимальних та адаптивних систем керування, інтелектуальних та нейронних систем керування, робастних систем керування. Під час вивчення курсу. Передбачено контроль якості отриманих знань у вигляді модульної контрольної роботи.
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, 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, моделювання систем, математичний аналіз, дискретна математика, теорія ймовірностей.
Мета навчальної дисципліни. Метою викладання навчальної дисципліни « Сучасна теорія 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 оптимального управління.
Основні завдання навчальної дисципліни
Знання:
- принципів цифрової обробки сигналів;
- методів аналізу і синтезу цифрових систем керування;
- принцв побудови неперервних і дискретних регуляторів різного типу;
- методів ідентифікації об’єктів керування та їх стану;
- техніки застосування математичних пакетів для імітаційного моделювання та синтезу
оптимальних та адаптивних сис тем управління;
- основних і базових положень теорії інтелектуальних, експертних, робастних систем
управління.
- математичних методів формалізованого опису систем автоматичного управління;
Уміння:
застосовувати знання у практичних ситуаціях;
використання інформаційно комунікаційних технологій;
створювати алгоритми оптимального керування;
формулювати і вирішувати конкретні прикладні завдання оптимізації і оптимального керування;
- вільно орієнтуватися в усіх основних поняттях, теоретичних результатах та алгоритмах
управління,
- 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 оптимального
керування.
Пререквізити та постреквізити дисципліни (місце в структурно-логічній схемі навчання за відповідною освітньою програмою)
Пререквізити: мати теоретичну базу з теорії автоматичного управління, математичного
аналізу, математичної статистики, моделювання систем, вміти користуватися комп’ютером.
Постреквізити: після проходження дисципліни студенти зможуть:
- виконувати математичний опис процесів в цифрових системах, визначити
стійкість цифрових систем,
- виконувати оцінку якості та точності цифрових систем.
- виконувати математичний опис систем управління в змінних вхід-вихід та в
змінних стану.
- розробляти математичні моделі одновимірних цифрових систем керування.
- проводити структурну і параметричну ідентифікацію дискретни динамічних моделей
- проводити синтез багатовимірних цифрових систем керування з використанням принципів
автономно-інваріантного керування і чисельних методів оптимізації.
- здійснювати вибір і компонувати програмно-технічних засоби для
проектування цифрових, оптимальних та адаптивних, інтелектуальних та робастних систем керування.
Зміст навчальної дисципліни
Лекційні заняття
Розділ 1. Основні поняття визначення цифрових систем управління
Розділ 2. Математичний опис процесу квантування
Розділ 3. Теорія Z - перетворення
Розділ 4. Фіксатор нульового порядку
Розділ 5. Імпульсні передавальні функції
Розділ 6. Метод простору станів.
Розділ 7. Аналіз цифрових систем управління
Розділ 8. Керованість і спостережність ЦСАУ
Розділ 9. Методи побудови і корекції ЦСУ
Розділ 10. Методи оптимізації цифрових систем
Розділ 11. Синтез оптимального лінійно-квадратичного цифрового регулятора
Розділ 12. Цифровий спостерігач стану ЦСУ
Практичні заняття
1. Перехід від неперервної моделі об’єкта до дискретної.
2. Перехід від передаточної функції до розносних рівнянь.
3. Системи різносних рівнянь, структурні схеми.
4. Z – перетворення.
5. Аналіз розімкненої ЦС методом простору станів.
6. Аналіз ЦСУ у часовій області.
7. Аналіз стійкості.
8. Аналіз керованості.
9. Аналіз спостережливості.
10. Операторна процедура модального методу синтезу.
11. Матрична процедура модального методу синтезу.
12. Розрахунок спостерігачів пониженого прядку.
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
Методика опанування навчальної дисципліни (освітнього компонента)
Лекційні заняття (денна форма навчання)
| № з/п | Назва теми лекції та перелік основних питань (перелік дидактичних засобів, посилання на літературу та завдання на СРС) |
|---|---|
| 1 | Лекція 1. Основні поняття і визначення. Структура дисципліни та РСО. Особливості цифрового управління. Основні поняття і визначення Базова література Завдання на СРС. Цифрові засоби обробки інформації |
| 2 | Лекція 2. Математичний опис процесу квантування. Закони управління роботою квантувача. Решітчаста функція. Різницеві рівняння. Завдання для СРС. Робота з конспектом лекцій. Робота з навчальною літературою. Виконання індивідуальних завдань. Підготовка до тематичного контрольного опитування. |
| 3 | Лекція 3.Теорія Z-перетворення. Визначення z-перетворення. Модифіковане z-перетворення. Зворотне z- перетворення. Відповідність між s- та z-площинами. Обмеження методу z- перетворення. Завдання для СРС. Підготовка до першої частини модульної контрольної роботи. |
| 4 |
|
| 5 |
|
| 6 | Лекція 6. Метод простору станів. Рівняння стану цифрових систем управління. Апроксимація аналогової системи цифровою моделлю. Розв'язання стаціонарного рівняння стану за допомогою z-перетворення. Зв'язок рівняння стану з передавальної функцією
|
| 7 | Лекція 7. Аналіз цифрових систем управління. Аналіз ЦСУ у часовій області. Аналіз в частотній області. Годограф Найквіста. Метод z-перетворення. Метод нескінченного ряду. Метод білінійного перетворення. Логарифмічні частотні характеристики. Визначення смуги пропускання ЦСУ. .Завдання для СРС. Напрями розвитку ЦСУ. |
| 8 | Лекція 8. Керованість і спостережність ЦСУ. Загальні визначення процесів керованості і спостережності. Керованість лінійних ЦСУ. Спостережність лінійних ЦСУ. Завдання для СРС. Робота з конспектом лекцій. Робота з навчальною літературою. Виконання індивідуальних завдань. Підготовка до тематичного контрольного опитування. |
| 9 | Лекція 9 Методи побудови і корекції цифрових систем керування. Реалізація цифрових регуляторів в ЦСУ. Методи корекції показників якості ЦСУ. Завдання для СРС. Підготовка до третьої частини модульної контрольної роботи. |
| 10 |
|
| 11 | Лекція 11. Синтез оптимального лінійно – квадратичного регулятора. Постановка задачі. Завдання для СРС. Синтез і дослідження цифрових систем. |
| 12 | Лекція 12. Цифровий спостерігачстану ЦСУ. Критерій спостережності лінійної ЦСУ. Синтез спостерігача стану повного порядку. Синтез спостерігача стану пониженого порядку. Завдання для СРС. Підготовка до четвертої частини модульної контрольної роботи. |
| 13 | Завдання для СРС. Підготовка до іспиту. Іспит |
Самостійна робота студента
Денна форма навчання:
| № з/п | Назва теми, що виноситься на самостійне опрацювання | Кількість годин СРС |
|---|---|---|
| 1 | Цифрові засоби обробки інформації | 5 |
| 2 | Робота з конспектом лекцій. Робота з навчальною літературою. Виконання індивідуальних завдань. Підготовка до тематичного контрольного опитування. |
6 |
| 3 | Робота з конспектом лекцій. Робота з навчальною літературою Підготовка до першої частини модульної контрольної роботи |
4 |
| 4 | Робота з конспектом лекцій. Робота з навчальною літературою. Виконання індивідуальних завдань. Підготовка до тематичного контрольного опитування. | 6 |
| 5 | Отримання імпульсної передавальної функції за допомогою MATHCAD. | 5 |
| 6 | Робота з конспектом лекцій. Робота з навчальною літературою. Підготовка до другої частини модульної контрольної роботи. | 4 |
| 7 | Напрями розвитку ЦСУ. | 5 |
| 8 | Робота з конспектом лекцій. Робота з навчальною літературою. Виконання індивідуальних завдань. Підготовка до тематичного контрольного опитування. | 6 |
| 9 | Робота з конспектом лекцій. Робота з навчальною літературою Підготовка до третьої частини модульної контрольної роботи. | 4 |
| 10 | Робота з конспектом лекцій. Робота з навчальною літературою. Виконання індивідуальних завдань. Підготовка до тематичного контрольного опитування. | 6 |
| 11 | Синтез і дослідження цифрових систем. | 5 |
| 12 | Робота з конспектом лекцій. Робота з навчальною літературою. Підготовка до четвертої частини модульної контрольної роботи | 4 |
| 13 | Підготовка до іспиту. Іспит |
Політика та контроль
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 гугл-диск для викладання матеріалу поточної лекції, додаткової інформації, завдань до практичних робіт та інше;
питання на лекції задаються у відведений для цього час;
модульні контрольні роботи пишуться на лекційних заняттях без застосування допоміжних засобів (мобільні телефони, планшети та ін.); результат завантажується у файлі через гугл-форму до відповідної директорії гугл-диску;
заохочувальні бали виставляються за: за виконання індивідуальних і творчих робіт з кредитного модуля, підготовка оглядів наукових праць, 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:
виконання тематичних контрольних робіт;
виконання модульної контрольної роботи;
заохочувальні та штрафні бали.
Система рейтингових балів та критерії оцінювання
Денна форма навчання:
Тематичні контрольні роботи:
«відмінно», повна відповідь на питання (не менш ніж 90% потрібної інформації), повне виконання контрольного заходу – 9 балів;
«добре», достатньо повна відповідь на (не менш ніж 75% потрібної інформації), повне виконання завдання контрольного заходу– 7-8 балів;
«задовільно», неповна відповідь на питання (не менш ніж 60% потрібної інформації), незначні помилки у виконанні контрольного заходу – 5-6 балів;
«незадовільно», незадовільна відповідь на питання та/або значні помилки у виконання контрольного заходу – 0 балів.
Модульні контрольні роботи:
«відмінно», повна відповідь (не менш ніж 90% потрібної інформації), завдання виконано без помилок, дії обґрунтовано – 14 балів;
«добре», достатньо повна відповідь (не менш ніж 75% потрібної інформації), завдання виконано без значних помилок – 10-13 балів;
«задовільно», неповна відповідь, в деяких завданнях можуть бути присутні значні помилки, але не менше 60% виконано правильно – 7-9 балів;
«незадовільно», незадовільна відповідь (неправильне виконання завдань), потребує обов’язкового повторного написання в кінці семестру – 0 балів.
Заохочувальні бали
за виконання індивідуальних і творчих робіт з кредитного модуля, підготовка оглядів наукових праць, тощо. 1-2 бали, але в сумі не більше 10.
Міжсесійна атестація
За результатами навчальної роботи за перші 7 тижнів максимально можлива кількість балів – 41 бал (2 тематичні контрольні роботи, перша і друга частини модульної контрольної роботи). На першій атестації (8-й тиждень) студент отримує «зараховано», якщо його поточний рейтинг не менший ніж 15 балів.
За результатами 13 тижнів навчання максимально можлива кількість балів – 82 бала (2 тематичні контрольні роботи, модульна контрольна робота). На другій атестації (14-й тиждень) студент отримує «зараховано», якщо його поточний рейтинг не менший ніж 38 балів.
Максимальна сума вагових балів контрольних заходів протягом семестру складає:
RD = 8*rл.р.+2*rмкр + (rз - rш)=8*9+2*14+ (rз - rш)=100 + (rз - rш),
де rл.р. – бал за тематичне опитування (0…9);
rмкр – бал за написання частини МКР (0…14);
rз – заохочувальні бали (0…10);
rзш – штрафні бали (0…10).
Модульна контрольна робота:
«відмінно», повна відповідь (не менш ніж 90% потрібної інформації), завдання виконано без помилок, дії обґрунтовано – 40 балів;
«добре», достатньо повна відповідь (не менш ніж 75% потрібної інформації), завдання виконано без значних помилок – 31-39 балів;
«задовільно», неповна відповідь, в деяких завданнях можуть бути присутні значні помилки, але не менше 60% виконано правильно – 24-30 балів;
«незадовільно», незадовільна відповідь (неправильне виконання завдань), потребує обов’язкового повторного написання в кінці семестру – 0 балів.
Заохочувальні бали
за виконання творчих робіт з кредитного модуля (наприклад, участь у факультетських та інститутських олімпіадах з навчальних дисциплін, участь у конкурсах робіт, підготовка оглядів наукових праць тощо) 1-2 бали, але в сумі не більше 10.
Максимальна сума вагових балів контрольних заходів протягом семестру складає:
RD = 3*rл.р.+rмкр + (rз - rш)=3*20+40+ (rз - rш)=100 + (rз - rш),
де rл.р. – бал за лабораторне завдання (0…20);
rмкр – бал за написання частини МКР (0…40);
rз – заохочувальні бали (0…10);
rзш – штрафні бали (0…10)
Іспит:
Студенти, які виконали всі умови допуску до семестрової атестації (написали всі модульні контрольні, виконали і захистили всі всі контрольні заходи) та набрали протягом семестру необхідну кількість балів (RD ≥ 60), отримують з іспиту 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 чотири питання і одну задачу. Кожне питання оцінюється у 10 балів, задача 60 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) – 18-20 балів;
«добре», достатньо повна відповідь (не менше 75% потрібної інформації, або незначні неточності) – 15-17 балів;
«задовільно», неповна відповідь (не менше 60% потрібної інформації та деякі помилки) – 12-14 балів;
«незадовільно», незадовільна відповідь – 0-11 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
| Кількість балів | Оцінка |
| 100-95 | Відмінно |
| 94-85 | Дуже добре |
| 84-75 | Добре |
| 74-65 | Задовільно |
| 64-60 | Достатньо |
| Менше 60 | Незадовільно |
| Не виконані умови допуску | Не допущено |
Додаткова інформація з дисципліни (освітнього компонента)
Робочу програму навчальної дисципліни (Силабус):
Складено ст. викладач, Польшакова Ольга Михайлівна
Ухвалено кафедрою ІСТ (протокол № 1 від 30.08.2021 р.)
Погоджено Методичною комісією факультету (протокол № 1 від 30.08.2021 р.)
