Теорія управління робототехнічними системами - Робоча програма навчальної дисципліни (Силабус)
Реквізити навчальної дисципліни
| Рівень вищої освіти | Другий (магістерський) |
| Галузь знань | 12 Інформаційні технології |
| Спеціальність | 126 Інформаційні системи та технології |
| Освітня програма | Інформаційне забезпечення робототехнічних систем |
| Статус дисципліни | Нормативна |
| Форма навчання | очна(денна)/заочна/дистанційна/змішана |
| Рік підготовки, семестр | 1 курс, осінній семестр |
| Обсяг дисципліни | 135 годин |
| Семестровий контроль/ контрольні заходи | екзамен |
| Розклад занять | http://rozklad.kpi.ua |
| Мова викладання | Українська |
| Інформація про керівника курсу / викладачів | Лектор: д.т.н.,професор,Пархомей Ігор Ростиславович i_parhomey@ukr.net Практичні заняття: к.т.н., доцент, д.т.н.,професор,Пархомей Ігор Ростиславович |
| Розміщення курсу | https://campus.kpi.ua |
Програма навчальної дисципліни 1. Опис навчальної дисципліни, її мета, предмет вивчання та результати навчання
Дисципліна «Теорія управління робототехнічними системами» є нормативною дисципліною навчального плану магістрів з спеціальності «Інформаційні системи та технології» і грає важливу роль у підготовці фахівців.
Метою навчальної дисципліни є формування у студентів компетентностей та підготовка фахівця, здатного вирішувати складні задачі синтезу систем управління як методологічної основи інформаційного забезпечення робототехнічних систем і аналізувати показники якості систем управління .
Метою кредитного модуля є формування у студентів спеціальних (фахових, предметних) компетентностей (КС):
КС11. Здатність до аналізу, синтезу і оптимізації інформаційних систем та технологій з використанням математичних моделей і методів
КС13. Здатність проводити обчислювальні експерименти, порівнювати результати експериментальних даних і отриманих рішень
КС17. Здатність застосовувати методи синтезу систем управління як методологічної основи інформаційного забезпечення робототехнічних систем і аналізувати показники якості систем управління .
Програмні результати навчання:
ПРН 12 Знати основи побудови та застосовувати сучасні операційні системи та пакети прикладних програм відповідно до професійних завдань
ПРН 17 Вміти застосовувати методи аналізу та синтезу систем управління робототехнічними системами та комплексами.
ПРН 22 Знати основи теорії оптимізації, оптимального керування та теорії прийняття рішень.
ПРН 23 Вміти розробляти програмне забезпечення для задач управління і обробки сенсорної інформації робототехнічних систем.
2. Пререквізити та постреквізити дисципліни (місце в структурно-логічній схемі навчання за відповідною освітньою програмою)
Цей курс базується на таких дисциплінах забезпечення: фізика, вища математика, спеціальні розділи математики.
Перелік дисциплін, що забезпечуються: проектування інформаційних систем, управління проектами, переддипломна практика.
3. Зміст навчальної дисципліни Розділ 1. Основи теорії управління робототехнічними системами.
Тема 1.1. Математичні основи теорії управління РТС*.*
Тема 1.2. Аналіз та синтез лінійних РТС*. Тема 1.3.* Аналіз нелінійних РТС .
Розділ 2. Цифрові системи управління РТС. Тема 2.1. Математичні основи теорії дискретних систем управління РТС.
Тема 2.2. Аналіз та корекція цифрових систем управління РТС.
4. Навчальні матеріали та ресурси
Базова
Попович М.Г., Ковальчук О.В. Теорія автоматичного керування. Київ.: Либідь, 2007.
Оптимальні системи управління. Навчальний. посібник / О. А. Стенін, В. П. Пасько, А. Д.
Лемешко, О. М. Польшакова. – Київ, КПІ ім. Сікорського, Видав. Політехніка, 2017. – 172 с
А.Г.Тютюнник. Оптимальні і адаптивні системи автоматичного керування: Навчальний посібник / Житомир: ЖІТІ, 1998.
Шпіт С.В. Теорія автоматичного управління. Комп’ютерний підручник.-Київ.;КПІ.1999.
Додаткова.
4. Ричард К. Дорф, Роберт Х. Бишон. Современные системы управления. – М.: «Лаборатория базовых знаний», – 2004.
- Дерусо П. Рой Клоус П. Пространство состояний в теории управления . М.: Наука. 1970.
Навчальний контент 5. Методика опанування навчальної дисципліни(освітнього компонента)
| № | Назва теми лекції та перелік основних питань |
|
(дидактичні матеріали: відео лекції.) |
|---|---|
| 1 | 2 |
| 1 | Розділ 1. Основи теорії управління РТС. Тема 1.1. Математичні основи теорії автоматичного управління. Лекція 1. Загальна характеристика дисципліни. Приклади РТ систем управління.
Функціональна схема РТС. Принципи управління. Література: 1,2,4. Самостійна робота: вивчення основних понять і загальних принципів побудови систем управління технічними системами. Підготовка до комп’ютерного практикуму. |
| 2 | Лекція 2. Математичний опис лінійних РТС. Рівняння динаміки РТ систем. Операторними метод опису процесів РТ систем. Передатні функції. Типові вхідні впливи. Література: 1,4. Самостійна робота: вивчення математичного опису лінійних автоматичних технічних систем. Підготовка до комп’ютерного практикуму. |
| 3 | Комп’ютерний практикум 1. Приклади та функціональний аналіз сучасних систем РТ управління. Мета заняття: вивчити типову функціональну схему та основні принципи управління РТС. Література: 1,5 . |
| 4 | Лекція 3. Часові та частотні характеристики РТС. Часові характеристики РТ систем. Частотні характеристики автоматичних систем. Література: 1,4. Самостійна робота: вивчення поняття часових та частотних характеристик автоматичних систем . Підготовка до комп’ютерного практикуму. |
| 5 | Лекція 4. Типові динамічні ланки РТС. Загальна характеристика типових динамічних ланок РТ систем. Типові динамічні ланки РТ систем. Література: 1,4. Самостійна робота: вивчення основних характеристик типових динамічних ланок автоматичних систем. Підготовка до комп’ютерного практикуму. |
| 6 | Комп’ютерний практикум 2. Визначення часових та частотних характеристик систем управління. Мета заняття: вивчити методику визначення часових та частотних характеристик систем управління. Література: 1,5. |
| 7 | Лекція 5. Структурні перетворення РТ систем. Сутність та значення структурних схем. автоматичних. Типові з’єднання ланок автоматичних систем. Правила структурних перетворень. Передавальні функції РТС. Література: 1,4. Самостійна робота: вивчення основних правил структурних перетворень структурних схем РТ систем. Підготовка до комп’ютерного практикуму. |
| 8 | Тема 1.2. Аналіз та синтез лінійних РТС. Лекція 6. Поняття про стійкість РТС. |
Основні поняття та визначення стійкості РТС. Алгебраїчні та частотні критерії стійкості . Література: 1,4. Самостійна робота: вивчення методики оцінки стійкості систем управлвння. Підготовка до комп’ютерного практикуму. |
|
|---|---|
| 9 | Комп’ютерний практикум 3. Перетворення структурних схем. Передавальні функції системи управління. Мета заняття: привити практичні навички перетворення структурної схеми системи до вигляду, що дозволяє проведення дослідження системи. Література: 1,5 |
| 10 | Лекція 7. Застосування логарифмічних частотних характеристик розімкненої системи для визначення стійкості замкненої системи. Критерій Найквіста в логарифмічній формі. Визначення стійкості замкненої системи за логарифмічними частотними характеристиками розімкненої системи. Література: 1,4,5. Самостійна робота: вивчити методику Визначення стійкості замкненої системи за логарифмічними частотними характеристиками розімкненої системи.. Підготовка до комп’ютерного практикуму. |
| 11 | Лекція 8. Якість процесів регулювання в РТ системах в перехідному режимі. Загальні відомості про якість процесів регулювання систем. Показники якості процесів регулювання систем в перехідному режимі. Частотні методи визначення показники якості процесів регулювання РТ систем в перехідному режимі. Література: 1,4,5. Самостійна робота: вивчення методики визначення показників якості процесів регулювання технічних РТ систем в перехідному режимі.. Підготовка до комп’ютерного практикуму. |
| 12 | Комп’ютерний практикум 4. Аналіз стійкості систем автоматичного управління.. Мета заняття: навчитися проводити аналіз стійкості систем автоматичного управління. Література: 1,5. |
| 13 | Лекція 9. Якість процесів регулювання в РТ системах в режимі, що встановився. Показники якості процесів регулювання РТ систем в режимі, що встановився . Динамічні помилки системи. Література: 1,4,5. Самостійна робота: вивчення методики оцінки точності роботи робото технічної системи. Підготовка до комп’ютерного практикуму. |
| 14 | Лекція 10. Методи корекції та синтезу РТС. Шляхи підвищення точності РТ систем. Основи теорії інваріантності. Комбіноване управління. Синтез лінійних стаціонарних РТС..Корегувальні пристрої. Корекція лінійних стаціонарних РТС. Література: 1,2,4,5. Самостійна робота: вивчення порядку визначення параметрів корегувальних пристроїв технічних автоматичних систем. Підготовка до комп’ютерного практикуму. |
| 15 |
Мета заняття: навчитись визначати оптимальні параметри ПІД - регулятора Література: 1,5 |
| 16 | Тема 1.3. Аналіз нелінійних РТС . Лекція 11. Загальні відомості про нелінійні системи. Типові не лінійності. Опис РТС у просторі станів. Дослідження нелінійних систем методом фазової площини. Метод Ляпунова. Абсолютна стійкість. Критерій Попова. Література: 1,4. Самостійна робота: вивчення методики дослідження нелінійних систем методом фазової площини. Підготовка до комп’ютерного практикуму. |
|---|---|
| 17 | Лекція 12. Метод гармонічної лінеаризації.. Гармонічна лінеаризація суттєвих нелінійностей в нелінійних РТ системах. Визначення коефіцієнтів гармонічної лінеаризації. Дослідження автоколивань методом гармонічної лінеаризації. Автоколивання в нелінійних системах. Метод Гольдфарба. Література: 1,4,5. Самостійна робота: вивчення методики дослідження нелінійних систем методом гармонічної лінеаризації. Підготовка до комп’ютерного практикуму. |
| 18 | Комп’ютерний практикум 6. Аналіз нелінійних систем РТ управління. Мета заняття: набуття навичок дослідження нелінійних систем методом гармонічної лінеаризації. Література: 1,5. |
| 19 | Розділ 2. Цифрові системи РТ управління. Тема 2.1. Математичні основи теорії Лекція 13. Математичний опис процесів в дискретних системах РТ управління. Поняття про дискретні функції до різницевих рівняннях. Дискретне перетворення Лапласа і Z - перетворення. Передатні функції імпульсних автоматичних систем. Література: 1,4,5. Самостійна робота: вивчення основних положень теорії дискретних РТ систем . Підготовка до комп’ютерного практикуму. |
| 20 |
Типові вхідні впливи дискретних систем автоматичного управління. Часові і частотні характеристики дискретних систем РТ управління. Література: 1,5. Самостійна робота: вивчення часових і частотних характеристики дискретних систем автоматичного управління. Підготовка до модульної контрольної роботи
|
| 21 | Комп’ютерний практикум 7. Модульна контрольна робота . Мета заняття: Визначення рівня знань у студентів. Література: 1,4,5,6. |
| 22 | Тема 2.2. Аналіз та корекція цифрових систем РТ управління. Лекція 15. Стійкість лінійних дискретних систем РТ управління. Необхідна і достатня умова стійкості дискретних систем РТ управління. Використання білінійне перетворення для аналізу стійкості дискретних систем управління. Література: 1,4,5. Самостійна робота: вивчення методики визначення стійкості дискретних систем РТ управління. Підготовка до комп’ютерного практикуму. |
| 23 | Лекція 16. Аналіз стійкості дискретних систем за алгебраїчними і частотними |
критеріями. Алгебраїчні і частотні критерії стійкості дискретних систем. Методика аналізу стійкості дискретних систем . Література: 1,4,5. Самостійна робота: вивчення методики аналізу стійкості дискретних систем . Підготовка до комп’ютерного практикуму. |
|
| 24 | Комп’ютерний практикум 8. Аналіз стійкості цифрових систем управління. Мета заняття: набуття навичок дослідження стійкості цифрових систем управління. Література: 1,5. |
| 25 |
Показники якості процесу управління дискретних систем в перехідному режимі. Показники якості процесу управління дискретних систем в режимі, що встановився. Література: 1,5. Самостійна робота: вивчення показників якості процесу управління дискретних систем. Підготовка до комп’ютерного практикуму. |
| 26 | Лекція 18. Корекція дискретних систем автоматичного управління. Синтез д и с к р е т н и х РТС. Корекція д и с к р е т н и х РТС. Синтез коригувальних пристроїв (цифрових фільтрів). Цифровий ПІД регулятор. Література: 1,5. Самостійна робота: Підготовка до комп’ютерного практикуму. |
| 27 | Комп’ютерний практикум 9. Визначення параметрів цифрового ПІД регулятора. Мета заняття: набуття навичок синтезу цифрового ПІД регулятора. Література: 1,5 . |
6. Самостійна робота студента
з/п |
Назви тем і питань, що виноситься на самостійне опрацювання та посилання на навчальну літературу | Кількість годин СРС |
|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 |
| 1 | Форми запису рівнянь статики. Лінеаризація нелінійних рівнянь. Л.1, с.60-66. | 4 |
| 2 |
|
2 |
| 3 | Модальне керування. Керованість і спостережність. Л.1, с.357 - 368. | 2 |
| 4 | Метод точкового перетворення. Л.1, с.426 - 429. | 2 |
| 5 | Випадкові процеси в технічних системах РТ управління. Л.1,с.293 – 311. | 8 |
| 6 | Загальна характеристика критеріїв,обмежень та задач оптимального управління. Л.2,с.7 – 23. | 4 |
| 7 | Аналітичне конструювання оптимальних регуляторів. Л.2,с.140 – 162, Л.3,с.253 – 271. | 8 |
Політика та контроль
7. Політика навчальної дисципліни (освітнього компонента)
Рейтинг студента з дисципліни складається з балів, що він отримує за: 1) модульної контрольної роботи; 2) виконання комп’ютерних практикумів; 3) відповідь на екзамені. 1. Модульний контроль Ваговий бал – 20.
В контрольній роботі містяться 5 завдань різного рівня складності, в залежності від якого вони при правильному виконанні оцінюються від 1 до 4 балів. Максимальна кількість балів за завдання зменшується на 1 бал, якщо дано правильну, але неповну відповідь; на 2 бали, якщо дано правильну відповідь, але допущено несуттєву помилку (наприклад, помилка в розрахунку по правильно записаній формулі) і т.д.
2. Робота на комп’ютерних практичних заняттях
Ваговий бал – 5. Максимальна кількість балів на всіх практичних заняттях дорівнює 5*8= 40 балів.
Заохочувальні бали за:
присутність на всіх практичних заняттях ( відсутність - з поважної причини) - 5 балів;
виконання завдань із удосконалення дидактичних матеріалів з дисципліни надається від 2 до 5 заохочувальних балів.
Умови позитивної проміжної атестації
Для отримання “зараховано” з першої проміжної атестації (8 тиждень) студент повинен мати не менше ніж 12 балів (на початок 8 тижня згідно з календарним планом контрольних заходів ). Для отримання “зараховано” з другої проміжної атестації (14 тиждень) студент повинен мати не менше ніж 20 балів (на початок 14 тижня згідно з календарним планом контрольних заходів ).
Бали по екзаменаційних питаннях:
Кількість балів по відповіді на кожне питання визначається викладачем з врахуванням складності питання та якості відповіді. Максимальна кількість балів 60.
Розрахунок шкали (R) рейтингу
Сума вагових балів контрольних заходів протягом семестру складає:
RС = 60 + 40 = 100 балів.
Для отримання студентом відповідних оцінок (ЕСТS та традиційних) його рейтингова оцінка R переводиться згідно з таблицею відповідності рейтингових балів оцінкам за університетською шкалою.
8. Види контролю та рейтингова система оцінювання результатів навчання (РСО)
Поточний контроль: Робочим навчальним планом передбачено виконання модульної контрольної роботи за матеріалами тем курсу. Мета модульної контрольної роботи – перевірка здобутих знань з основних розділів курсу. Робота проводиться за пакетом контрольних завдань. Завдання формулюються згідно переліку основних питань дисципліни.
Проведення модульної контрольної роботи передбачається на заняттях з комп’ютерного практикуму (2 академічних години) орієнтовно через 2 тижні після закінчення вивчення відповідної теми. Основні завдання контрольної роботи:
поглиблене вивчення аналізу систем автоматичного управління;
придбання навичок самостійної роботи зі спеціальною технічною літературою.
Календарний контроль: провадиться двічі на семестр як моніторинг поточного стану виконання вимог силабусу.
Семестровий контроль: екзамен
Умови допуску до семестрового контролю: мінімально позитивна оцінка за індивідуальне завдання / комп’ютерних практичних заняттях /,зарахування модульної контрольної роботи, семестровий рейтинг більше 30 балів.
Таблиця відповідності рейтингових балів оцінкам 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 |
9. Додаткова інформація з дисципліни (освітнього компонента)
Перелік питань, які виносяться на семестровий контроль:
Принципи управління.
Принцип управління за збуренням.
Принцип управління за помилкою.
Принцип управління, комбіноване управління.
Класифікація РТ систем.
Типова функціональна схема РТ системи.
Рівняння динаміки РТС та операторний метод опису процесів .
Типові вхідні впливи РТСУ.
Часові характеристики РТСУ.
Частотні характеристики РТС.
Амплітудно-фазова характеристика системи, годограф системи.
Загальна характеристика підсилюючою типової ланки .
Загальна характеристика інтегруючої ланки.
Загальна характеристика диференційної ланки.
Загальна характеристика аперіодичної ланки.
Загальна характеристика коливальної ланки.
Загальна характеристика форсуючої ланки І-порядку.
Загальна характеристика форсуючої ланки ІІ-порядку.
Загальна характеристика типових ланок РТС.
Передавальні функції типових ланок.
Частотні характеристики типових ланок.
Логарифмічні амплітудно-частотні характеристики типових ланок.
Логарифмічні фазочастотні характеристики типових ланок.
Часові характеристики типових ланок.
Структурна схема РТС та основні елементи структурних зображень.
Основні правила структурних перетворень структурних схем.
Типові з’єднання в РТС.
Передавальна функція розімкненої, замкненої системи та системи управління за помилкою. Зв’язок між ними.
Частотні характеристики розімкненої системи (АФХ та ЛЧ розімкненої системи).
Частотні характеристики замкнених систем.
Методика побудови логарифмічних амплітудно-частотних характеристик розімкненої системи.
Методика побудови логарифмічних фазочастотних характеристик розімкненої системи. 33. Визначення стійкості системи, необхідна та достатня умова стійкості системи
Алгебраїчний критерій стійкості Вишнеградського.
Алгебраїчний критерій стійкості Гурвіца.
Частотний критерій стійкості Михайлова.
Частотний критерій стійкості Найквіста.
Використання ЛЧХ розімкнених систем для визначення стійкості РТС (логарифмічний частотний критерій стійкості).
Запаси стійкості автоматичних систем за амплітудою та фазою.
Точність РТС в режимі, що встановився.
Порядок визначення помилки системи, що встановилась.
Статичні і астатичні системи.
Коефіцієнти помилки РТС.
Показники якості перехідних процесів при східцевих функціях.
Визначення показників якості системи в перехідному режимі за частотними характеристиками.
Основи теорії інваріантності.
Комбіноване управління за вхідною величиною
Комбіноване управління за збуренням.
Порядок визначення передавальної функції пристрою компенсації у комбінованих системах за збуренням. Умова повної інваріантності.
Порядок визначення передавальної функції пристрою компенсації у комбінованих системах за заданою величиною. Умова повної інваріантності.
Аналітичний метод визначення бажаної передавальної функції.
Вибір бажаної передавальної функції за ЛАЧХ.
Вимоги до РТСУ та етапи синтезу систем управління.
Нелінійні автоматичні системи, суттєві не лінійності.
Визначення параметрів синтезованих корегувальних пристроїв.
Порядок визначення передавальної функції послідовного корегувального пристрою за логарифмічними частотними характеристиками бажаної та незкорегованої системи
Порядок визначення передавальної функції послідовного корегувального пристрою аналітичним способом.
Метод гармонічної лінеаризації.
Метод фазової площини.
Передавальна функція лініаризованного нелінійного елемента, коефіцієнти гармонічної лінеаризації.
Класифікація дискретних систем автоматичного управління.
Типова функціональна схема дискретних систем автоматичного управління.
Структурна схема дискретних систем автоматичного управління.
Поняття про дискретні функції до різницевих рівняннях.
Дискретне перетворення Лапласа і Z - перетворення.
Передатні функції імпульсних автоматичних систем.
Типові вхідні впливи дискретних РТСУ.
Часові характеристики дискретних РТСУ. Перехідна функція.
Часові характеристики дискретних РТСУ. Імпульсна перехідна функція.
Частотні характеристики дискретних РТС. Комплексна передавальна функція дискретної системи.
Частотні характеристики дискретних РТС.
Білінійне перетворення.
Необхідна і достатня умова стійкості дискретних систем автоматичного управління.
Використання білінійне перетворення для аналізу стійкості дискретних систем автоматичного управління.
Алгебраїчні критерії стійкості дискретних систем.
Методика аналізу стійкості дискретних систем.
Ч а с т о т н і критерії стійкості дискретних систем.
Показники якості процесу управління дискретних систем в перехідному режимі.
Показники якості процесу управління дискретних систем в режимі, що встановився.
Функціональна схема цифрової системи.
Структурна схема цифрової системи.
Етапи дослідження дискретних систем.
Визначення стійкості та якості процесів управління в дискретних системах.
Синтез д и с к р е т н и х РТСУ.
Корекція д и с к р е т н и х РТСУ.
Синтез коригувальних пристроїв (цифрових фільтрів).
Цифровий ПІД регулятор.
можливість зарахування сертифікатів проходження дистанційних чи онлайн курсів за тематикою дисципліни «Комп’ютерні мереж»;
інша інформація для студентів щодо особливостей опанування навчальної дисципліни:
Застосовуються стратегії активного і колективного навчання, які визначаються наступними методами і технологіями: 1) кредитно-модульна технологія навчання;
особистісно-орієнтовані (розвиваючі) технології, засновані на активних формах і методах навчання ;
інформаційно-комунікаційні технології, що забезпечують проблемно-дослідницький характер процесу навчання та активізацію самостійної роботи студентів (електронні презентації для лекційних занять, використання аудіо, відео-підтримки навчальних занять..
Робочу програму навчальної дисципліни (силабус):
Складено професор, д.т.н., професор кафедри, Пархомей І.Р.
Ухвалено кафедрою ІСТ (протокол № 1 від 30.08.2021 р)
Погоджено Методичною комісією факультету (протокол № 1 від 30.08.2021 р)
