RP_po_Upr.privod.-aspirant._kaf._AiMS

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Владимирский государственный университет
имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»
(ВлГУ)
Кафедра «Автоматические и мехатронные системы»
УТВЕРЖДАЮ
Первый проректор
_____________ В.Г. Прокошев
«____»_______________2011 г.
Рабочая программа
дисциплины
«Управление приводами»
для аспирантов по научной специальности 05.02.02. – «Машиноведение,
системы приводов и детали машин»
Форма обучения – очная
Год обучения – третий
Учебный план курса
Вид занятий (работ)
Всего зачетных единиц трудоемкости (ЗЕ)
Всего часов на освоение дисциплины
Лекции
Лабораторные
Практические (семинары)
ИТОГО аудиторных занятий
Самостоятельная работа
Аттестация
Контрольные работы, рефераты, РТР
Форма итоговой аттестации
Распределение по годам
1
2
3
1
36
10
10
26
зачет
Владимир 2011 г.
1
1.ЦЕЛИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Целями освоения дисциплины «Управление приводами» являются:
изучение основ теории, принципов построения, проектирования и реализации
современных систем управления приводами. В результате изучения курса
аспиранты должны уметь самостоятельно и творчески применять основные
положения современной прикладной теории управления (СПТУ) к решению
конкретных задач создания и эксплуатации приводов мехатронных и
робототехнических систем.
Задачи дисциплины.
1. Формирование у аспирантов знаний общих принципов построения и
законов функционирования современных систем управления (ССУ)
приводами;
2. Изучение аспирантами методов и математического аппарата описания,
анализа и синтеза ССУ приводами в пространстве состояний;
3. Понимание аспирантами основных проблем и перспективных
направлений развития современной теории управления;
4. Освоение аспирантами компьютерных технологий исследования ССУ
приводами в пространстве состояний.
2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП
ПОСЛЕВУЗОВСКОГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО
ОБРАЗОВАНИЯ
Дисциплина «Управление приводами» относится к дисциплинам
вариативной части профессионального цикла, логически и содержательно методически связана с рядом теоретических дисциплин изученных в рамках
аспирантской подготовки по специальности 05.02.02 – «Машиноведение,
системы приводов и детали машин».
Изучение современной теории управления приводами основывается на
учебном материале дисциплин:
«Классическая теория управления»,
«Высшая математика» (элементы линейной алгебры, дифференциальное и
интегральное исчисление, преобразования Лапласа и Фурье, операционное
исчисление, основы теории вероятностей и математической статистики),
«Теоретическая механика» (динамика точки и твердого тела, связи и
общее уравнение динамики, уравнения Лагранжа, малые колебания систем),
«Математические модели
в расчетах на ЭВМ» (методы обработки
результатов эксперимента, решение дифференциальных уравнений, поиск
безусловного и условного экстремума функций, составление и отладка
программ) и др.
Основываясь на
системном подходе, изучаемая дисциплина
интегрирует
методы
теоретической
и
прикладной
механики,
математического моделирования, теории и проектирования компьютерных
систем автоматического управления и регулирования.
Дисциплина «Управление приводами» направлена на развитие
2
системного, логического и алгоритмического мышления аспирантов,
способствует их интеллектуальному и профессиональному развитию.
Содержание изучаемой дисциплины необходимо при выполнении научноисследовательской работы и при выполнении диссертационной работы.
3. КОМПЕТЕНЦИИ АСПИРАНТОВ, ФОРМИРУЕМЫЕ В
РЕЗУЛЬТАТЕ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ:
3.1. Дисциплина «Управление приводами» формирует у аспиранта
компетенции в виде способности:
- совершенствовать и развивать свой интеллектуальный и общекультурный
уровень;
- к самостоятельному обучению новым методам исследования, к изменению
научного и научно-производственного профиля своей профессиональной
деятельности);
- свободно пользоваться русским и иностранным языками, как средством
делового общения;
- самостоятельно приобретать с помощью информационных технологий и
использовать в практической деятельности новые знания и умения, в том
числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой
деятельности;
- проектировать архитектурно-программные комплексы
современных
автоматизированных и автоматических систем управления приводами;
- разрабатывать теоретические модели ССУ приводами;
- проводить математическое моделирование систем управления приводами с
использованием современных компьютерных технологий имитационного
моделирования и проведения научных исследований.
3.2. В результате освоения дисциплины «Управление приводами» аспирант
должен:
1) знать:
- современные физико-математические методы, применяемые в инженерной
и исследовательской практике;
- методы построения моделей и идентификации исследуемых процессов,
явлений и объектов;
2) уметь:
- применять физико-математические методы при моделировании задач в
области управления роботами и робототехническими системами, управления
их жизненным циклом и качеством;
- разрабатывать прикладные программные модули для исполнительного,
тактического и стратегического уровней реализации ССУ приводами;
- разрабатывать интегрированную систему проектирования и управления
роботов и робототехнических систем различного назначения;
3) владеть:
- навыками построения моделей и решения конкретных задач в области
3
управления приводами, их жизненным циклом и качеством;
-навыками и методами компьютерного проектирования и моделирования
систем управления приводами.
Результаты освоения дисциплины «Управление приводами» достигаются в
процессе обучения путем чтения лекций с применением мультимедийных
технологий и самостоятельной работы.
4.СТРУКТУРА
И
СОДЕРЖАНИЕ
«УПРАВЛЕНИЕ ПРИВОДАМИ»
ДИСЦИПЛИНЫ
1
2
3
4
5
Раздел дисциплины
Введение. Состояние и
перспективы
развития
систем
управления
приводами
мехатронных
устройств.
Метод
переменных
состояния при управлении
приводами.
Модальное
приводами.
Робастное
приводами.
Адаптивное
приводами.
управление
Неделя семестра
№
п/п
Семестр
Общая трудоемкость дисциплины составляет 1 зачетную единицу,36
часов.
Виды учебной работы,
включая
самостоятельную работу
студентов и
трудоемкость (в часах)
лекции
практ.
СРС
Формы текущего
контроля
успеваемости
(по неделям
семестра)
Форма
промежуточной
аттестации
(по семестрам)
2
тестирование
-
6
тестирование
2
-
6
тестирование
4
2
-
6
тестирование
5
2
-
5
1
2
5
2
2
5
3
5
5
управление
управление
ИТОГО:
36
10
тестирование
26
зачет
ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН
I.ЛЕКЦИИ
1.Введение. Цель и основные задачи курса. Постановка задачи управления
4
приводами мехатронных и робототехническими систем.
Современное
состояние и перспективы развития теории и систем управления приводами.
2. Метод переменных состояния при управлении приводами. Понятие о
пространстве состоянии непрерывных динамических систем. Методы
вычисления переходной матрицы, матричной передаточной функции и
передаточной функции объекта в пространстве состояний.
Математические модели одномерных динамических систем. Линейные
стационарные модели. Редуцированные модели на основе использования
линейного неособого преобразования. Математические модели динамических
систем в пространстве состояний на основе их передаточных функций.
Особенности математических моделей многомерных динамических систем в
пространстве состояний.
Структурные преобразования линейных систем, заданных уравнениями в
пространстве состояний. Решения уравнений состояния. Матрициант и
матричная экспонента. Матричная передаточная функция и резольвента.
Методы нахождения резольвенты и матричной экспоненты. Приведение к
управляемой и наблюдаемой форме.
Управляемость и наблюдаемость непрерывных динамических систем.
Понятие об управляемости и наблюдаемости непрерывной динамической
системы. Дуальность критериев управляемости и наблюдаемости.
Канонические формы управляемости и наблюдаемости непрерывных
динамических
систем.
Методика
получения
канонической
формы
управляемости и наблюдаемости непрерывной динамической системы.
Дуальные свойства канонических форм управляемости и наблюдаемости.
Понятия
управляемости,
достижимости,
наблюдаемости
и
восстанавливаемости. Критерии Калмана для стационарных линейных систем
управления. Каноническая декомпозиция уравнений в пространстве состояний.
Декомпозиция непрерывной динамической системы.
3.Модальное управление приводами. Постановка задачи синтеза модального
регулятора в пространстве состояний. Синтез модального регулятора
непрерывной динамической системы на основе преобразования уравнения
состояния к КФУ и метода Аккермана.
Синтез модального регулятора непрерывной следящей системы со
статическим объектом на основе метода преобразования к КФУ и на основе
метода Аккермана. Модальное управление непрерывной следящей системой с
астатизмом первого порядка. Синтез модального регулятора непрерывной
следящей системы с астатическим объектом на основе преобразования к КФУ и
Аккермана. Методы понижения порядка модального регулятора.
Синтез наблюдателя состояния полного порядка для непрерывной
динамической системы на основе желаемого размещения полюсов. Синтез
наблюдателя состояния полного порядка для непрерывной динамической
системы на основе преобразования к КФН и на основе метода Аккермана.
Редуцированный наблюдатель для непрерывной динамической системы.
Синтез наблюдателя состояния минимального порядка для непрерывной
5
динамической системы на основе метода преобразования к КФН и на основе
метода Аккермана.
Синтез структуры наблюдающего устройства. Синтез структуры
наблюдателя состояния полного порядка для автономной динамической
системы. Синтез структуры наблюдателя состояния полного порядка для
неавтономной динамической системы. Синтез структуры непрерывного
наблюдателя пониженного порядка для неавтономной динамической системы. .
Использование наблюдателя Люенбергера.
4.Робастное управление приводами. Постановка задачи синтеза робастного
управления в пространстве состояний.
Анализ качества робастной системы управления. Робастная устойчивость
линейных систем. Общий подход к исследованию робастной устойчивости и
робастного качества управления при достаточно произвольном способе задания
параметрической неопределенности (принципа исключения нуля). Теорема
Харитонова о робастной устойчивости полинома с независимыми
коэффициентами. Робастная устойчивость для систем с неструктурированными
неопределенностями.

Методы H - управления. Анализ робастного качества управления в
условиях интервальной неопределенности. Вычислительная технология
робастного качества управления.
5.Адаптивное управление приводами.
Общая постановка задачи адаптивного управления. Описание объекта.
Методы адаптивного управления. Критерии качества. Экстремизация критерия.
Непрерывная и дискретная формы.
Экстремальные системы. Способы
достижения экстремумов функций и организации движения к экстремуму.
Нахождение градиента, схема реализации. Экстремальное управление в
условиях помех, стохастическая аппроксимация.
Адаптивные системы с моделями. Алгоритмы идентификации объектов
управления при детерминированных воздействиях. Настраиваемые модели.
Идентификация на основе частотных характеристик. Адаптивные
идентификаторы. Адаптивные системы с эталонной моделью. Адаптивная
система с настраиваемой моделью. Алгоритмы параметрической адаптации.
Сигнальные алгоритмы, структуры. Системы с неявной моделью.
Идентификация объекта в адаптивных системах. Быстродействие алгоритмов
адаптации. Применение наблюдателей.
Поисковые адаптивные ЭП. Системы с переключающейся структурой
регуляторов. Особенности поисковых адаптивных ЭП. Адаптивная система с
самонастройкой по значению амплитудной характеристики на частоте среза
II.САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА
Основная цель самостоятельной работы аспирантов заключается в
изучении принципов построения современных систем управления роботов и
6
робототехнических систем, их программно-алгоритмического обеспечения,
цифрового моделирования и дополнительном изучении наиболее трудоемких
и наукоемких разделов курса. Выполнение самостоятельной работы
предполагает использование универсальных и специализированных пакетов
компьтерного моделирования систем управления приводами мехатронных и
и робототехнических устройств.
Форма самостоятельной работы аспирантов - работа в библиотеке,
лабораториях кафедры, предприятий и по месту жительства. Контроль за
результатами самостоятельной работы осуществляется преподавателем в
форме консультаций, собеседования и тестирования.
5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
При проведении занятий активно применяются мультимедийные технологии
на основе электронных образовательных ресурсов в сочетании с активными и
интерактивными формами проведения занятий (компьютерные презентации
и симуляции, дискуссии, разбор конкретных ситуаций).
При проведении самостоятельных занятий используются компьютерные
образовательные технологии, в т.ч. методики автоматизированного
проектирования и технологии дистанционного управления реальным и
виртуальным оборудованием. Одним из важных подходов, которые
предполагается использовать для формирования компетенций является
организация регулярных, постоянно действующих семинаров и мастерклассов специалистов научных и промышленных предприятий.
6. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ
УСПЕВАЕМОСТИ, ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ
ОСВОЕНИЯ
ДИСЦИПЛИНЫ
И
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ АСПИРАНТОВ
Вопросы для тестирования и подготовки к зачету
1. Современное состояние и перспективы развития теории и систем
управления приводами.
2. Метод переменных состояния при управлении приводами.
3. Методы вычисления переходной матрицы, матричной передаточной
функции и передаточной функции объекта в пространстве состояний.
4. Математические модели динамических систем в пространстве
состояний на основе их передаточных функций.
5. Управляемость и наблюдаемость непрерывных динамических систем.
6. Канонические формы управляемости и наблюдаемости непрерывных
динамических систем.
7. Каноническая декомпозиция уравнений в пространстве состояний.
8. Постановка задачи синтеза модального регулятора в пространстве
состояний.
7
9. Синтез модального регулятора непрерывной следящей системы со
статическим объектом.
10.Синтез модального регулятора непрерывной следящей системы с
астатическим объектом.
11.Редуцированный наблюдатель для непрерывной динамической
системы.
12.Синтез структуры наблюдающего устройства.
13.Постановка задачи синтеза робастного управления в пространстве
состояний.
14.Робастная устойчивость линейных систем.

15.Методы H - управления.
16.Методы адаптивного управления приводами.
17.Обобщенная структурная схема адаптивного электропривода.
18.Беспоисковые адаптивные ЭП.
19.Адаптивная система с самонастройкой по значению амплитудной
характеристики на частоте среза.
20.Системы с переключающейся структурой регуляторов.
21.Поисковые адаптивные ЭП.
22.Особенности поисковых адаптивных ЭП.
6.
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
И
ИНФОРМАЦИОННОЕ
Основная:
1.
Афанасьев В.Н., Колмановский В.Б, Носов В.Р. Математическая
теория конструирования систем управления: Учеб. для вузов.- 2-е изд., доп.М.: Высш. шк., 1998.-574 с.
2.
Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического
управления. Изд.4.е, перераб. и доп. - СПб.: Профессия, 2003. – 752 с.
3.
Вертю Ш., Куафе Ф. Телеуправление роботами с помощью ЭВМ:
Пер. с фр. под ред. А. С. Ющенко. М.: Мир, 1989.
4.
Вукобратович М, Стокич Д., Кирчански Н. Неадаптивное и
адаптивное управление манипуляционными роботами: Пер. с англ. под ред.
Е. П. Попова и А. С. Ющенко. М.: Мир, 1989.
5.
Гудвин Г.К., Гребе С.Ф. , М.Э.Сальгдо. Проектирование систем
управления.- М.: БИНОМ. Лаборатория знаний.2004. – 912 с.
6.
Дорф Р., Бишоп Р. Современные системы управления. М.:
Лаборатория базовых знаний. 2004. - 832 с.
7.
Ким П.Д. . Теория автоматического управления. Том 1 Линейные
системы. - М.: Физматлит, 2003. – 288 с.
8.
Ким П.Д. Теория автоматического управления. Том 2.
Нелинейные системы. - М.: Физматлит, 2006. – 242 с.
8
9.
Лурье Б.Я., П. Дж. Энрайт. Классические методы
автоматического управления. С.-Пб.: БХВ – Петербург, 2004. – 624 с.
10.
Пантелеев А.В., Бортаковский А.С. Теория управления в
примерах и задачах. – М.: Высшая школа, 2003. – 426 с.
11.
Теория автоматического управления. Дунин С.Е., Зотова Н.С.,
Имаев Д.Х., Яковлев В.Б. // Под ред. Яковлева В.Б.. – М. Высшая школа,
2005. – 484 с.
12.
Теория
автоматического
управления:
Учебник
для
машиностроительных специальностей вузов/ В.Н. Брюханов, М.Г. Косов,
С.П. Протопопов и др.; Под ред. Ю.М. Соломенцева.- 2-е изд., испр.- М.:
Высш. шк., 2000.-268 с.
Дополнительная:
1.
Борцов Ю.А., Поляков Н.Д., Путов В.В. Электромеханические
системы с адаптивным и модульным управлением. - Л.: Энергоиздат, 1984.
2.
Вукобратович М, Стокич Д. Управление манипуляционными
роботами: Пер. с англ. М.: Наука, 1985.
3.
Галиуллин А. С. Методы решения обратных задач динамики: М.:
Наука, 1986. 224 с.
4.
Ерофеев А.А. Теория автоматического управления.- СПб.:
«ПОЛИТИКА», 1998.-295 с.
8.МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ
ДИСЦИПЛИНЫ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ
1. Иллюстративный и текстовый раздаточный материал в электронном
виде.
2. Активная доска с планшетом дистанционного управления.
3. Мультимедиапроектор.
4. Презентатор переносной с мультимедиа технологиями.
5. Документ-камера.
6. Компьютерный класс с выходом в сеть Интернет.
9
Рабочая программа составлена согласно паспорта специальности
05.02.02
«Машиноведение, системы приводов и детали машин» и
федеральными государственными требованиями к структуре основной
профессиональной
образовательной
программы
послевузовского
профессионального образования (аспирантура), утвержденными приказом
Минобрнауки России № 1365 от 16 марта 2011 г.
Рабочую программу составил ____________ д.т.н., проф. И.Н. Егоров
Программа рассмотрена и одобрена на заседании кафедры
«Автоматические и мехатронные системы» 5 сентября 2011 г., протокол №1.
Зав. кафедрой __________________ А.А. Кобзев
Рабочая программа рассмотрена и одобрена на заседании научнотехнического совета ВлГУ «30» сентября 2011 г., протокол №1.
Председатель НТС ______________ С.Г. Мосин
Программа переутверждена:
на ______________ учебный год, протокол № ___ от _______________
Зав. кафедрой __________________
Программа переутверждена:
на ______________ учебный год, протокол № ___ от _______________
Зав. кафедрой __________________
Программа переутверждена:
на ______________ учебный год, протокол № ___ от _______________
Зав. кафедрой __________________
Программа переутверждена:
на ______________ учебный год, протокол № ___ от _______________
Зав. кафедрой __________________
10