Адаптивные системы управления

УТВЕРЖДАЮ
Проректор-директор ИК
_________Сонькин М.А.
«___»_____________2011 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
АДАПТИВНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
НАПРАВЛЕНИЕ ООП: 220400 – Управление в технических системах
ПРОФИЛЬ ПОДГОТОВКИ(СПЕЦИАЛИЗАЦИЯ): теория систем управления
КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ): магистр
БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ ПЛАН ПРИЕМА 2011 г.
КУРС 1; СЕМЕСТР 1;
КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ: 3
ПРЕРЕКВИЗИТЫ: «Математические основы теории систем», «Теория автоматического управления», «Математическое моделирование объектов и систем управления».
КОРЕКВИЗИТЫ: «Автоматизированное управление в технических системах», «Методы оптимизации», «Современные проблемы теории управления», «Научноисследовательская работа».
ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС:
ЛЕКЦИИ
9 часов (ауд.)
ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ
ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ
АУДИТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА
ИТОГО
18
9
36
36
72
ФОРМА ОБУЧЕНИЯ
часов (ауд.)
часов (ауд.)
часов
часов
часа
очная
ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ: ЗАЧЕТ В 1 СЕМЕСТРЕ
ОБЕСПЕЧИВАЮЩАЯ КАФЕДРА: АиКС
ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ:
д.т.н., профессор Г.П. Цапко
РУКОВОДИТЕЛЬ ООП:
к.т.н., доцент В.И. Коновалов
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ:
к.т.н., доцент М.В. Скороспешкин
2011 г.
1. Цели освоения дисциплины
В результате освоения данной дисциплины магистрант приобретает
знания, умения и навыки, обеспечивающие достижение целей Ц1, Ц2 и Ц3
основной образовательной программы «Управление в технических системах».
Дисциплина нацелена на подготовку магистрантов к:
- междисциплинарным научным исследованиям в области автоматического и
автоматизированного управления техническими объектами и технологическими процессами;
- к инженерной деятельности в области проектирования и настройки систем
автоматического и автоматизированного управления;
- к проведению теоретического и практического обучения в области анализа
и синтеза автоматических и автоматизированных систем управления;
- поиску и анализу профильной научно-технической информации, необходимой для решения конкретных инженерных задач, в том числе при выполнении междисциплинарных проектов.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина относится к специальным дисциплинам общенаучного
цикла вариативной части магистерской подготовки (раздел М.1 ФГОС, и
М1.В5 действующего учебного плана). Она непосредственно связана с дисциплинами естественнонаучного и математического цикла (математика, математические основы теории систем) и базовой части профессионального
цикла (теория автоматического управления, математическое моделирование
объектов и систем управления) и опирается на освоенные при изучении данных дисциплин знания и умения. Кореквизитами для дисциплины «Адаптивные системы управления» являются специальные дисциплины магистерской
подготовки: «Автоматизированное управление в технических системах»,
«Методы оптимизации», «Современные проблемы теории управления»,
«Научно-исследовательская работа».
3. Результаты освоения дисциплины
В результате освоения дисциплины магистранты должны обладать
компетенциями, непосредственно указанными в ФГОС по направлению
220400, а именно:

способностью выбирать методы и разрабатывать алгоритмы решения задач управления в технических системах (ПК-9);

способностью применять современные методы разработки технического, информационного и алгоритмического обеспечения систем автоматизации и управления (ПК-21);

способностью к организации и проведению экспериментальных исследований и компьютерного моделирования с применением современных
средств и методов (ПК-22).
После изучения данной дисциплины магистранты приобретают знания,
умения и опыт, соответствующие результатам основной образовательной
программы: Р1, Р2, Р3, Р4, Р5, Р7. Соответствие результатов освоения дисциплины «Адаптивные системы управления» формируемым компетенциям
ООП представлено в таблице.
Формируемые
компетенции в
соответствии с
ООП*
Результаты освоения дисциплины
В результате освоения дисциплины магистрант должен знать:
основы математических методов, на которых базируется построение адаптивных систем; основные схемы систем адаптивного
управления, их состав и особенности функционирования; направления развития современной теории адаптивных систем.
В результате освоения дисциплины магистрант должен уметь:
осуществлять синтез, проводить анализ и моделирование адаптивных систем управления с применением пакетов прикладных
программ; осуществлять программно-аппаратную реализацию
адаптивных систем различного типа; находить и использовать
научно-техническую информацию в исследуемой области из различных ресурсов, включая информацию на английском языке;
осваивать новые достижения теории адаптивного управления и
применять их в своей производственной деятельности.
В результате освоения дисциплины магистрант должен владеть: опытом применения методов современной теории управления, необходимых для анализа и синтеза адаптивных систем
управления; навыками реализации адаптивных систем управления
на базе промышленных микропроцессорных контроллеров; опытом компьютерного моделирования адаптивных систем управления; опытом использования в ходе проведения исследований
научно-технической информации, Internet-ресурсов, баз данных и
каталогов, электронных журналов и поисковых ресурсов.
4. Структура и содержание дисциплины
4.1. Структура дисциплины по разделам, формам организации
и контроля обучения
№
Название раздела
Темы
(модули)
1
Общие понятия об
адаптивных системах. Системы автоматического
управления с пассивной адаптацией.
Самонастраивающиеся системы.
Адаптивные системы с эталонной
моделью.
2
Аудиторная работа
(час)
Лек Практ./
Лаб.
ции семинар
зан.
1
6
2
3
Адаптивные системы с идентификатором.
2
4
Адаптивные системы с настраиваемой моделью
объекта управления.
Применение градиентных методов
при создании
адаптивных систем. Современные тенденции и
перспективы развития теории адаптивных систем
управления.
Итого
2
5
6
СРС
(час)
Итого
8
15
Отчет по лабораторной работе №1,
Отчет по лабораторной работе №2.
6
10
24
4
8
14
4
6
Отчет по лабораторной работе №3,
Отчет по лабораторной работе №4,
Контрольная работа
№1.
Отчет по лабораторной работе №5,
Отчет по лабораторной работе №6.
ИДЗ №1,
Контрольная работа
№2.
2
3
2
6
13
9
9
18
36
72
Формы текущего
контроля и аттестации
ИДЗ №2,
Отчет по лабораторной работе №7..
При сдаче отчетов по лабораторным работам проводится защита результатов и сделанных выводов. По итогам выполненных ИДЗ проводится собеседование.
4.2.
Содержание разделов дисциплины
Раздел 1. Общие понятия об адаптивных системах. Системы автоматического управления с пассивной адаптацией.
Рабочая и начальная информация в системах автоматического управления. Идентификация объектов управления. Математические модели объектов
управления с переменными и неопределенными параметрами. Понятия об
адаптивных системах. Структура адаптивных систем управления. Основные
принципы построения контура адаптации. Классификация адаптивных систем. Постановка задачи синтеза адаптивных систем управления. Системы
автоматического управления с двумя степенями свободы. Системы, устойчивые при бесконечном коэффициенте усиления. Параметрические инвариантные компенсационные системы. Релейная автоколебательная система. Системы с переменной структурой.
Лабораторная работа №1. Реализация поисковой самонастраивающейся системы в среде ISaGRAF на базе контроллера Ремиконт Р-130Isa.
Лабораторная работа №2. Адаптивная система управления на основе
двухканального корректирующего устройства.
Раздел 2. Самонастраивающиеся системы. Адаптивные системы с
эталонной моделью.
Методы и алгоритмы, используемые в самонастраивающихся адаптивных системах управления. Детерминированные вычислительные алгоритмы, Методы статистической оптимизации, Алгоритмы стохастической аппроксимации. Автоколебательные самонастраивающиеся системы. Самонастраивающаяся система со стабилизацией частотных характеристик. Самонастраивающаяся система со стабилизацией частоты среза и запаса устойчивости по фазе. Самонастраивающаяся система, основанная на сравнении высокочастотных и низкочастотных составляющих сигнала. Самонастраивающаяся оптимальная следящая система. Системы экстремального регулирования.
Общие принципы построения адаптивных систем с эталонной моделью.
Структура основного контура. Алгоритмы настройки параметров в адаптивной системе с явной эталонной моделью. Алгоритмы настройки параметров в
адаптивной системе с неявной эталонной моделью. Пример синтеза адаптивной системы с эталонной моделью.
Лабораторная работа №3. Адаптивная цифровая система управления
с эталонной моделью.
Лабораторная работа №4. Реализация адаптивной системы автоматического управления с эталонной моделью в среде ISaGRAF на базе контроллера Ремиконт Р-130Isa.
Практическое занятие №1. Адаптивная система с сигнальной самонастройкой.
Практическое занятие №2. Исследование адаптивных свойств системы с переменной структурой
Практическое занятие №3. Исследование самонастраивающейся системы с эталонной моделью.
Раздел 3. Адаптивные системы с идентификатором.
Общие понятия об адаптивных системах с идентификатором. Оценка
параметров методом наименьших квадратов. Условия идентифицируемости в
замкнутом контуре. Синтез регуляторов минимизирующих дисперсию. Синтез регуляторов по заданному размещению полюсов основного контура.
Пример адаптивной системы с идентификатором.
Лабораторная работа №5. Адаптивная цифровая система управления
с идентификацией частотным методом.
Лабораторная работа №6. Реализация адаптивной системы автоматического управления с идентификацией параметров в среде ISaGRAF на базе контроллера Ремиконт Р-130Isa.
Раздел 4. Адаптивные системы с настраиваемой моделью объекта
управления.
Идентификация объекта с помощью настраиваемой модели. Построение настраиваемой модели на основе ортогональных функций. Адаптивные
наблюдающие устройства. Пример синтеза адаптивного наблюдающего
устройства.
Индивидуальное задание №1. Адаптивная система с настраиваемой
моделью объекта управления.
Раздел 5. Применение градиентных методов при создании адаптивных систем. Современные тенденции и перспективы развития теории
адаптивных систем управления.
Алгоритмы скоростного градиента и условия их применимости. Робастность алгоритмов скоростного градиента. Алгоритмы скоростного градиента в системах с явной эталонной моделью. Алгоритмы скоростного градиента в системах с неявной эталонной моделью. Современные тенденции и
перспективы развития теории адаптивных систем управления. Концепция
многорежимного управления. Комбинирование адаптивного и робастного
управлений. Адаптивные нейросетевые системы управления. Типовые структуры с обучаемой многослойной нейронной сетью.
Лабораторная работа №7. Адаптивная система управления на основе
псевдолинейного корректирующего устройства с фазовым опережением.
Практическое занятие №4. Исследование автоколебательной самонастраивающейся системы.
Индивидуальное задание №2. Метод скоростного градиента.
4.3.
Распределение компетенций по разделам дисциплины
Распределение по разделам дисциплины планируемых результатов
обучения по основной образовательной программе, формируемых в рамках
данной дисциплины и указанных в пункте 3.
№
Формируемые
компетенции
Темы занятий
1
2
3
4
5
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
З.1.1
З.2.1.
З.4.1.
У.1.1.
У.2.1.
У.3.1.
У.4.1.
У.7.1.
В.1.1.
В.2.1.
В.2.2.
В.3.1.
В.5.1.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
5. Образовательные технологии
При освоении дисциплины используются следующие сочетания видов
учебной работы с методами и формами активизации познавательной деятельности магистрантов для достижения запланированных результатов обучения и формирования компетенций.
Методы и формы
активизации деятельности
Дискуссия
IT-методы
Командная работа
Опережающая СРС
Индивидуальное обучение
Проблемное обучение
Обучение на основе
опыта
ЛК
х
Виды учебной деятельности
ЛБ
ПР
СРС
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
Для достижения поставленных целей преподавания дисциплины реализуются следующие средства, способы и организационные мероприятия:
 самостоятельное изучение теоретического материала дисциплины при выполнении курсовой работы с использованием Internet-ресурсов, информационных баз, методических разработок, специальной учебной и научной литературы;
 поиск справочных материалов на лабораторных занятиях с использованием компьютерных технологий;
 .
6. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов (CРC)
6.1 Текущая и опережающая СРС, направленная на углубление и
закрепление знаний, а также развитие практических умений заключается в:
 работе магистрантов с лекционным материалом, поиск и анализ литературы и электронных источников информации по заданной проблеме;
 выполнении домашних заданий;
 переводе материалов из тематических информационных ресурсов с иностранных языков;
 изучении тем, вынесенных на самостоятельную проработку;
 изучении теоретического материала к лабораторным занятиям;
 подготовке к защите лабораторных работ;
 подготовке к зачету.
6.1.1. Темы, выносимые на самостоятельную проработку:
- адаптивная система с настраиваемой моделью объекта управления;
- метод скоростного градиента.
6.2 Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа
(ТСР) направлена на
развитие интеллектуальных умений, комплекса
универсальных (общекультурных) и профессиональных компетенций,
повышение творческого потенциала магистрантов и заключается в:
 поиске, анализе, структурировании и презентации информации, анализе
научных публикаций по определенной теме исследований;
 анализе теоретических и прикладных материалов по заданной теме, проведении расчетов, составлении и настройки моделей;
 исследовательской работе и участии в научных студенческих конференциях, семинарах и олимпиадах.
7. Средства текущей и итоговой оценки качества освоения дисциплины
(фонд оценочных средств)
Оценка успеваемости магистрантов осуществляется по результатам:
- самостоятельного выполнения лабораторных работ;
- оценки выполненных магистрантами ИДЗ;
- защиты отчетов по лабораторным работам;
- зачета в девятом семестре (для выявления знания и понимания теоретического материала дисциплины).
7.1. Требования к содержанию экзаменационных билетов
Экзаменационные билеты включают 2 теоретических вопроса. Теоретический вопрос может содержать в себе 2 – 4 коротких вопроса, требующих конкретных ответов, исходя из которых, можно легко определить
степень владения материалом.
7.2. Примеры экзаменационных билетов
1. Структура адаптивной системы. Задачи, решаемые контуром адаптации и
контуром стабилизации технологического параметра. Классификация
адаптивных систем.
2. Сущность градиентного метода, используемого для настройки контура
адаптации. Виды градиентных стратегий и их особенности.
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение модуля (дисциплины)
Основная литература
1. Ким Д.П. Теория автоматического управления: учеб. пособие. Т. 2:
Многомерные, нелинейные, оптимальные и адаптивные системы. / Д.П.
Ким. – М.: Физматлит, 2004. – 464 с.
2. Методы робастного, нейро-нечеткого и адаптивного управления :
учебник / Под ред. Н. Д. Егупова. – 2-е изд., стер. – М.: Изд-во МГТУ,
2002. – 744 с.
3. Бесекерский В.А. Теория систем автоматического управления / В.А.
Бесекерский, Е.П. Попов. – 4-е изд., перераб. и доп. – СПб.: Профессия,
2004. – 747 с.
4. Вадутов О.С. Адаптивные системы автоматического управления –
Томск: Изд-во ТПИ, 1991. – 95 с.
Вспомогательная литература
5. Ким Д.П. Сборник задач по теории автоматического управления. Многомерные, нелинейные, оптимальные и адаптивные системы : учебное
пособие для вузов / Д. П. Ким. – М.: Физматлит, 2008. — 328 с.
6. Александров, А.Г. Оптимальные и адаптивные системы : учебное пособие / А.Г. Александров. – М.: Высшая школа, 1989. – 262 с.
7. Адаптивная настройка систем управления с ПИД-регуляторами в условиях информационной неопределенности / Солдатов В.В., Ухаров П.Е.
// Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. – М. – 2004.
– №8. – С. 16 – 20.
Интернет-ресурсы:
1. Общие принципы построения адаптивных систем управления.
Доступ: http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/227.html
2. Оптимальные и адаптивные системы. Учебное пособие для вузов /
Александров А. Г.
Доступ:http://www.mirknig.com/knigi/1181209388-optimalnye-iadaptivnye-sistemy.html
3. Тюкин И. Ю., Терехов В. А., Адаптация в нелинейных динамических
системах Санкт-Петербург: ЛКИ, 2008.
Доступ: http://lib.sibnet.ru/book/9736
1. Введение в искусственные нейронный сети.
Доступ:http://neuroschool.narod.ru/pub/nn_int_jain.html
9. Материально-техническое обеспечение модуля (дисциплины)
1. Компьютеры класса IBM PC с операционной системой .
Windows XP.
2. Пакет прикладных программ для решения задач технических
вычислений MatLab 6.05.
3. Лабораторный комплекс на базе программируемого логического
контроллера для построения систем автоматизации средней и
высокой степени сложности Simatic S7-300.
4. Лабораторный комплекс на базе программируемого логического
контроллера для построения систем автоматизации средней и
высокой степени сложности Simatic S7-400.
5. Аналого-вычислительный комплекс для моделирования объектов управления 1÷5 порядков.
Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с требованиями
ФГОС-2010 по направлению подготовки «Управление в технических системах», профиль
«Управление и информатика в технических системах».
Автор: Скороспешкин М.В.
Программа одобрена на заседании кафедры АиКС ИК
(протокол № __8__ от «_2__» ___06____ 2011 г.).
Рецензент: Гайворонский С.А.