Управління технічними системами - 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 126.02 Інформаційне забезпечення робототехнічних систем.
Статус дисципліни Нормативна
Форма навчання очна (денна)
Рік підготовки, семестр 4 курс, осінній семестр
Обсяг дисципліни 4 кредити, 120 годин в тому числі 36 годин лекцій, 18 годин лабораторниъ робіт, 66 годин самостійна робота
Семестровий контроль/ контрольні заходи екзамен
Розклад занять https://schedule.kpi.ua
Мова викладання Українська
Інформація про керівника курсу/викладачів >Лектор: к.т.н., доцент Цьопа Наталія Володимирівна tzapanv@gmail.com моб. +38(066)223-06-04 >Лабораторні: к.т.н., доцент Цьопа Наталія Володимирівна tzapanv@gmail.com моб. +38(066)223-06-04
Розміщення курсу https://campus.kpi.ua

Програма навчальної дисципліни

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

Метою вивчення дисципліни «Управління технічними системами» є формування у студентів знань з основ складання моделей технічних систем різних класів, дослідження цих моделей і обробки отриманих результатів досліджень. Предмет навчальної дисципліни - основні поняття, методи та способи управління технічними системами а також інструментальні середовища моделювання та дослідження технічних систем. В результаті вивчення дисципліни студенти повинні: а) знати:

  • загальні принципи побудови систем управління;
  • математичний опис технічних систем;
  • динамічні характеристики;
  • типові динамічні ланки системи;
  • критерії стійкості та якості технічних систем;
  • методи підвищення точності та якості систем;
  • методи корекції систем.

б) вміти:

  • створювати математичні моделі безперервних систем керування на основі передавальної функці та структурних схем;
  • виконувати аналіз часових та частотних характеристик системи;
  • виконувати аналіз стійкості систем керування;
  • визначати показникі якості перехідного процесу та помилку в установленому режимі роботи системи;
  • виконувати аналіз доцільності проведення синтезу (корекціє систем);
  • виконувати синтез оптимального керування системою.

в) володіти:

  • основними поняттями області синтезу та аналізу технічних систем;
  • навичками роботи з Matlab/Simulink для дослідження та аналізу систем керування.

Вивчення даної навчальної дисципліни направлено на формування у студентів наступних компетенцій:

  1. здатність застосовувати методи аналізу та синтезу систем управління робототехнічними системами та комплексами;
  2. здатність розробляти програмне забезпечення для задач управління і обробки сенсорної інформації робототехнічних систем;
  3. здатність виконувати аналіз та синтез автоматичних систем керування на базі математичної платформи передавальних функцій та структурних схем для безперервних об’єктів керування.

2.Пререквізити та постреквізити дисципліни (місце в структурно-логічній схемі навчання за відповідною освітньою програмою)

Дана дисципліна відноситься до циклу дисциплін професійної підготовки і є дисципліною нормативного освітнього компоненту. Курс розрахований на студентів, які мають підготовку по попереднім курсам, що стосуються <<Вища математика>>, <<Теорія систем та системний аналіз>>, <<Моделювання технічниї систем>>, <<Дискретна математика>>, <<Робототехнічні системи та комплекси>>. Знання, отримані при вивченні дисципліни повинні бути використані для дипломного проєктування та в подальшій професійній діяльності.

3.Зміст навчальної дисципліни

Загальний обсяг дисципліни становить 4 кредити (120 годин) їх розподіл за видами роботи наведено у таблиці. Навчальна дисципліна складається з одного семестрового модулю і вивчається в 1-му (осінньому) семестрі.
Форма навчання: Всього кредитів/годин: Розподіл навчального часу за видами занять: Семестрова атестація:
Лекції Практ. зан. Лаб. роб. СРС
денна 4/120 36 - 18 66 екзамен

СРС - самостійна робота студента. Структура навчальної дисципліни представлена у таблиці.
№ з/п: Тема (розділ) дисципліни Всього годин по всім видам занять: Лекції: Лаб. роб.: СРС:
1 Математичні моделі управління технічними системами. 10 2 2 6
2 Постановка задач керування. 12 2 2 8
3 Дослідження якісних властивостей систем керування. 16 4 2 10
4 Синтез систем керування. 24 8 2 12
5 Оптимальне керування. 18 6 4 10
6 Адаптивні системи керування. 24 8 4 12
7 Системи екстремального регулювання. 16 6 2 8
РАЗОМ: 120 36 18 66

4.Навчальні матеріали та ресурси

Основналітература:

  1. Сучасна теорія керування: навч. посіб. / І.В. Новицький, С.А. Ус, м-во освіти і науки України, Нац. гірн. ун-т. – Дніпро : НГУ, 2017. – 263 c.
  2. Попович М.Г., Ковальчук О.В. Теорія автоматичного керування. Київ.: Либідь, 2007. – 656 с.
  3. 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
  4. Тютюнник А.Г. Оптимальні і адаптивні системи автоматичного керування: Навчальний посібник / Житомир: ЖІТІ, 1998.

Додаткова література:

  1. Теорія технічних систем / В.С. Ловейкін, Ю.О. Ромасевич. – К.: ЦП «КОМПРИНТ», 2017. – 291 с. Методи сучасної теорії управління: підручник / А.П. Ладанюк, Н.М. Луцька, В.Д. Кишенько та ін. – К.: Видавництво Ліра-К, 2019. – 368 с.
  2. Практикум з теорії управління технічними системами [Електронний ресурс] : навчальний посібник для студентів спеціальності 126 «Інформаційні системи та технології», освітньої програми «Інформаційне забезпечення робототехнічних систем» / О. М. Польшакова, М.О.Солдатова, О.А.Стенін, М.М.Ткач ; КПІ ім. Ігоря Сікорського. –Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2021. – 133 с.
  3. Simulink. Help Center., точка доступу до ресурсу - https://www.mathworks.com/help/simulink/index.html?s_tid=CRUX_lftnav

Навчальний контент

5.Методика опанування навчальної дисципліни (освітнього компонента)

Зміст розділів дисципліни.
№ Назва розділу дисципліни Зміст розділу
1 Математичні моделі управління технічними системами. Подання систем у вигляді диференціальних різницевих рівнянь. Перетворення моделей типу "вхід-вихід" на моделі у зінних стану. Типові динамінчі ланик СК та їхні характеристики. Основні типи ланок. Подання систем управління у вигляді стуркутурних схем. Правило еквівалентного перетворення лінійних систем.
2 Постановка задач керування. Мета і завдання керування. Показники якості керування. Узагальненні показники якості процесів керування. Поняття про оптимальне керування. Постановка задачі оптимального керування.
3 Дослідження якісних властивостей систем керування. Керованість і спостережуваність СК. Дослідження руху систем на фазовій площині. Особливі точки й фазові потрети нелінійних систем. Поняття про стійкість лінеаризованих систем. Критерії стцйкості Гурвіца та Михайлова. Стійкість нелінійних систем. Чутливість систем управління.
4 Синтез систем керування. Синтез систем керування, класичний підхід. Метод кореневого годогрофа. Типові закони керування (типові регулятори). Коригувальні присторої у системах керування.
5 Оптимальне керування. Застосування методів варіаційного числення для розв'язування задач оптимального керування. Сиснетз оптимальних СК за допомогою принципу максимуму. Метод динамічного програмування.
6 Адаптивні системи керування. Загальна характеристика адаптивних систем та їх класифікація. Типи самоналаштувальних систем (СНС). Аналітичні СНС з еталонною моделлю. Аналітичні СНС з моделлю варіацій рівняння об'єкта. Проектування СНС з еталонною моделлю на основі прямого методу Ляпунова. Аналітичні СНС, у яких налаштування відбувається з огляду на зовнішні впливи.
7 Системи екстремального регулювання. Поняття про екстремальне регулювання. Класифікація СЕР. Показники якості їх роботи. Методи визначення екстремуму однопараметричнихт об’єктів. Пошукові крокові алгоритми екстремального керування однопараметричними і багатопараметричними об’єктами. Динаміка систем екстремального регулювання. Показники якості роботи СЕР. Методи поліпшення якості СЕР. Вибір параметрів керувальної частини СЕР.

Лекційні заняття.
№,з/п Назва Кількість годин
1 Математичний опис ланок та систем. 2
2 Постановка задач керування. 2
3 Дослідження якісних властивостей СК. 2
4 Поняття про стійкість систем. 2
5 Синтез СК. Класичний підхід. 2
6 Метод кореневого годографа. 2
7 Типові закони керування. 2
8 Використання коригувальних пристроїв у СК. 2
9 Застосування методів варіаційного числення для розв’язування задач оптимального керування. 2
10 Синтез оптимальних систем керування за допомогою принципу максимуму. 2
11 Розв’язування задач оптимізації методом динамічного програмування. 2
12 Загальна характеристика адаптивних систем та їх кваліфікація. 2
13 Типи самоналаштувальних систем. 2
14 Аналітичні СНС з еталонною моделлю. 2
15 Проектування СНС з еталонною моделлю. 2
16 Поняття про екстремальне регулювання. 2
17 Методи визначення екстремуму однопараметричних об’єктів. 2
18 Показники якості роботи СЕР. Методи поліпшення якості СЕР. 2
Разом 36

Лабораторні заняття.
№, з/п Назва Зміст Кількість годин
1 Приклади та функціональний аналіз сучасних систем управління Мета роботи ознайомитись з функціональними схемами системами автоматичного управління та оперативним описом автоматичних систем. 2
2 Динамічні та частотні характеристики САУ. Мета роботи ознайомитись з динамічними та частотними характеристиками САУ і отрмати навички дослідження лінійних динамічних систем 2
3 Аналіз та систез САУ методом кореневого годографа. Мета роботи ознайомитись з методикою кореневого годогрофа для аналізу та синетзу лінійних (лінеаризованих) САУ. 2
4 Опис систем в просторі станів. Мета роботи ознайомитись з описом та дослідженням динаміхних систем управління в просторі станів. 2
5 Стійкість лінійних систем. Мета роботи ознайомитись з критеріями стійкості та виявити у заданій керованій системі зі зворотним зв'язком властивостей асимпротичної стійкості. 2
6 Синтез оптимального урпвління зі взоротним зв'язком Мета роботи ознайомитись з методикою побудови лінійних оптимальних систем управління зі зворотним зв'язком методом динамічного програмування Беллмана. 2
7 Фільт Калмана. Мета роботи ознайомитись з синтезом спостерігача для оцінки вектору змінних стану об'єктів, які мінімізують похибку, що встановилась. 2
8 Модульна контрольна робота. 2
9 Підготовка до складання іспиту 2
Разом 18

6.Самостійна робота студента

Самостійна робота студентів полягає в самостійному вивченні окремих тем, практичної реалізації типових завдань за цими темами. Контроль виконання самостійної роботи проводиться при поточних контрольних заходах і на проміжній атестації за підсумками освоєння. Перелік питань для самостійної роботи студентів по розділам:

  1. Розділ 1. Динамічні моделі СК в просторі станів.
  2. Розділ 2. Інтегральна квадратична оцінка якості перехідних процесів.
  3. Розділ 3. Оцінак стійкості технічної ситсеми за її структурою. Побудова області стійкості СК.
  4. Розділ 4. Синтез інваріантних СК.
  5. Розділ 5. Ізопериметрична задача. Задача Майєра і Больца
  6. Розділ 6. Аналітичні СНС, у яких налаштування відбувається з огляду на зовнішні впливи.
  7. Розділ 7. Екстремальне керування в умовах перешкод. Ідентифікаційні алгоритми екстремального регулювання.

Політика та контроль

7.Політика навчальної дисципліни (освітнього компонента)

З дисципліни передбачений поточний контроль у формі рейтинг-контролю і проміжна атестація за підсумками освоєння дисципліни – екзамен у першому (осінньому) семестрі. Відвідування лекційних та лабораторних занять є обов'язковою складовою вивчення матеріалу. На період військового стану лекційні та лабораторні заняття проводяться в дистанційному режимі. Лабораторні роботи захищаються у вигляді відповіді на контрольні питання та представлення результатів виконаної роботи. Бали за лабораторну роботу нараховуються лише за наявності звіту. Штрафні та заохочувальні бали за:

  • несвоєчаснеподання практичної роботи - 1 бал;
  • модернізація практичних робіт, виконання завдань із удосконалення дидактичних матеріалів з дисципліни - надається від 5 до 10 заохочувальнихбалів.

8.Види контролю та рейтингова система оцінювання результатів навчання (РСО)

Рейтинг студента з дисципліни складається з балів, що він отримує за:

  1. виконання 7 лабораторних робіт (ЛР);
  2. виконання 1-ї модульної контрольної роботи (МКР);
  3. відповіді на екзаменаційні питання (ВЕП).
Вид заняття / контрольний захід
Min/max рейтингова оцінка ЛР №1 ЛР №2 ЛР №3 Календарний контроль 1 ЛР №4 ЛР №5 ЛР №6 ЛР№ 7 Календарний контроль 2 МКР Відповіді на екзаменаційні питання
Min 3 3 3 9 3 3 3 3 21 5 25
Max 5 5 5 15 5 5 5 5 35 10 40

Розрахунок шкали рейтингу R: Сума вагових балів контрольних заходів протягом семестру складає: R = 35(ЛР) + 10(МКР) + 40(ВЕП) = 100 балів.

Поточний контроль: опитування на лабораторних заняттях за темою заняття; Календарний контроль: провадиться двічі на семестр як моніторинг поточного стану виконання вимог силабусу. Для отримання <<зараховано>> з першого календарного контролю (КК 8 тиждень) студент повинен мати не менше ніж 9 балів (на початок 8 тижня згідно з календарним планом контрольних заходів <<ідеальний>> студент має отримати 15 балів). Для отримання <<зараховано>> з другого календарного контролю (КК 14 тиждень) студент повинен мати не менше ніж 21 балів (на початок 14 тижня згідно з календарним планом контрольних заходів <<ідеальний>> студент має отримати 35 балів). Семестровий контроль: екзамен. Умови допуску до семестрового контролю: семестровий рейтинг не менше 30 балів, здача всіх лабораторних робіт і написання МКР.

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)

Орієнтовний перелік питань, що виносяться на екзамен:

  1. Назвіть основні елементи узагальненої структурної схеми СК.
  2. У чому полягає відмінність між системою керування та системою регулювання?
  3. За якими ознаками класифікують СК?
  4. Перелічіть основні етапи синтезу СК.
  5. Які дві умови задовольняє модель СК у змінних стану?
  6. Яким чином визначається розмір матриць А, В, С, D моделі лінійних СК, записаних у змінних стану?
  7. Яка розмірність сталих часу ланок СК?
  8. Що називають статичною характеристикою ланки СК?
  9. Перелічіть динамічні характеристики ланок СК.
  10. Що являє собою передавальна функція динамічної ланки (системи)?
  11. Дайте визначення перехідної та імпульсної перехідної функцій.
  12. Дайте визначення амплітудної та фазової частотних характеристик СК.
  13. Назвіть основні типові ланки СК. За якими характеристиками їх класифікують?
  14. Який вигляд має передавальна функція позиційних ланок?
  15. Яка основна властивість немінімально-фазових ланок?
  16. Що називають структурною схемою СК?
  17. Назвіть основні правила еквівалентного перетворення структурних схем лінійних СК?
  18. Що являє собою зворотний зв’язок у СК?
  19. Дайте визначення імпульсної перехідної функції СК?
  20. Який вигляд має канонічна форма моделі СК у змінних стану?
  21. Яким чином можна сформулювати мету і задачу керування?
  22. Які умови слугують для визначення області допустимих станів і області допустимих керувальних впливів?
  23. Що вкладають у поняття «ефективність керування»?
  24. Перелічіть основні показники якості керування.
  25. Сформулюйте задачу оптимального керування.
  26. Якi складові частини включає формалізована задача оптимального керування?
  27. Перелічіть основні типові інтегральні критерії оптимального керування.
  28. Яку систему називають оптимальним програматором? Регулятором?
  29. У яких випадках доцільне застосування адаптивних СК?
  30. За якими ознаками класифікуються адаптивні СК?
  31. Сформулюйте гіпотезу квазiстацiонарностi.
  32. Який вигляд має узагальнена структурна схема адаптивної СК?

Робочу програму навчальної дисципліни (Силабус): Складено доцент, к.т.н., Цьопа Наталія Володимирівня Ухвалено кафедрою ІСТ (протокол № 13 від 15.06.2022) Погоджено Методичною комісією факультету[1] (протокол № 11 від 07.07.2022)