Документ 341799

Управление в технических системах
Основные свойства технических систем: разнообразие, сложность, связность,
устойчивость, управляемость, целостность. Структурная сложность системы. Иерархии как способ
преодоления сложности. Понятие системного подхода. Возможности системного подхода.
Принципы системного подхода.
Математическое описание систем. Нелинейные и линейные модели. Модели «входвыход» и модели в переменных состояния («вход-состояние-выход»). Передаточные функции.
Структурные схемы, методы преобразования структурных схем: метод последовательного
преобразования; применение формулы Мейсона. Преобразование видов моделей друг в друга.
Условия корректности такого преобразования. Методы построения математических моделей.
Системы автоматического управления (САУ). Понятие управления, автоматическое и
ручное; Краткая история развития. Задачи, решаемые с помощью САУ. Принципы построения
САУ. Типовые законы управления. Классификация САУ по свойствам и по задачам.
Динамические звенья САУ. Типовые звенья. Особые звенья САУ: чистое
запаздывание, иррациональные и трансцендентные звенья. Определение, модели,
свойства, особенности, примеры.
Характеристики звеньев и систем. Временные характеристики. Частотные
характеристики; обычные и логарифмические. Построение асимптотических
характеристик по передаточным функциям.
Общие свойства объектов и систем. Управляемость, наблюдаемость и полнота
объектов и систем управления; минимально-фазовые и неминимально-фазовые; имеющие
правые нули передачи.
Определения, физический смысл, примеры. Критерии.
Декомпозиция динамических систем по свойствам управляемости, наблюдаемости и
полноты.
Устойчивость линейных систем. Определение устойчивости динамических
систем. Алгебраические критерии устойчивости Рауса, Гурвица. Частотные критерии
устойчивости: Михайлова, Найквиста. Запасы устойчивости. Определение запасов
устойчивости.
Понятие качества САУ. Показатели качества в переходном режиме. Показатели
качества в установившемся режиме при различных входных воздействиях: регулярных и
случайных. Статические и астатические САУ. Метод коэффициентов ошибки. Условия
астатизма различных порядков САУ. Способы обеспечения астатизма различных
порядков.
Инвариантность. Абсолютно и селективно инвариантные САУ. Определения,
критерии, условия достижимости. Принцип Г.В. Щипанова (вырожденный регулятор).
Принцип двухканальности Б.Н. Петрова.
Чувствительность САУ. Определение чувствительности, методы исследования.
Робастность (грубость) САУ. Модели линейных систем с неопределенностями.
Интервальные полиномы. Способы задания интервальных полиномов. Устойчивость
интервальных систем. Критерий устойчивости Харитонова.
Косвенные оценки качества. Интегральные оценки качества: линейные,
квадратичные, улучшенные. Формулы Мак-Ленна. Оптимальные по интегральным
оценкам системы. Корневые оценки качества САУ. Нормированные передаточные
функции и их свойства.
САУ при случайных воздействиях. Определение СКО. Параметрическая
оптимизация. Структурная оптимизация САУ. Метод Винера и его современное развитие.
Метод АКОР. Решение уравнений Риккати на ПЭВМ. Оптимизация во временной
области: стационарные и нестационарные САУ.
Задача синтеза линейных непрерывных САУ. Нескорректированная система
(объект управления), устройство управления (регулятор). Модальное управление в
условиях полной и неполной информации. Оценивание состояния и наблюдатели полного
и редуцированного порядка. Аналитический синтез систем с управлением по выходу и
воздействиям по заданным показателям качества (полиномиальный подход).
Дискретные системы: импульсные и цифровые. Импульсные и дискретные
переменные. Квантование по времени и по уровню. Решетчатые функции. Определение и
примеры импульсных и цифровых систем (ИС и ЦС). Дискретные системы (ДС).
Модели ИС. Разностные уравнения импульсных систем в переменных состояния.
Уравнения ДС вход-выход, передаточные функции. Особенности моделей цифровых
систем, как дискретных. Определение передаточных функций ДС по передаточной
функции приведенной непрерывной части. Разностные уравнения дискретных систем и
методы их решения.
Устойчивость ДС. Определение, условия и критерии устойчивости дискретных
систем. Оценка запасов устойчивости ДС.
Качество ДС. Показатели качества дискретных систем в переходном и в
установившемся режимах. Условия конечной длительности переходных процессов.
Астатизм и инвариантность дискретных систем. Условия астатизма и инвариантности ДС.
Способы достижения заданного порядка астатизма дискретных систем управления.
Синтез ДС. Применение типовых законов управления. Модальное управление.
Коррекция дискретных систем с применением вычислительных средств. Учет
запаздывания в цифровом устройстве управления. Аналитический синтез ДС с
управлением по выходу и воздействиям
по заданным показателям качества
(полиномиальный подход).
Нелинейные САУ. Определение, свойства и примеры нелинейных систем (НС).
Типовые нелинейности.
Метод фазовой плоскости. Элементы фазового портрета. Исследование типа
особых точек. Построение фазового портрета методом припасовывания. Исследование
систем с переменной структурой. Скользящий режим. Условия существования.
Применение ЭВМ для построения фазовых портретов нелинейных систем.
Метод гармонической линеаризации. Гипотеза фильтра. Коэффициенты
гармонической линеаризации. Условие существования автоколебаний. Исследование
автоколебаний. Устойчивость автоколебаний.
Устойчивость нелинейных систем. Возмущенное и невозмущенное движение
систем управления. Уравнения систем в отклонениях. Метод первого приближения;
основные теоремы этого метода. Метод функций Ляпунова; основные теоремы этого
метода. Методы построения функций Ляпунова. Исследование линейных систем методом
функций Ляпунова. Уравнение Ляпунова. Построение области притяжения.
Метод абсолютной устойчивости. Классы нелинейностей. Критерии абсолютной
устойчивости В.М. Попова; графический вариант этого критерия. Критерий Воронова.
Нелинейная динамика. Отображения. Бифуркации квадратичного отображения.
Система уравнений Лоренца и ее особые точки; зависимость их от параметра r.
Определение аттрактора и репеллера. Странный аттрактор. Фрактальность хаотических
движений нелинейных систем. Признаки хаотических движений НС.
Синтез нелинейных систем. Синтез систем управления на основе условий
общности положения. Управление по старшей производной, метод локализации. Метод
аналитического синтеза нелинейных систем на основе квазилинейного подхода, на основе
управляемой формы Жордана.
Интеллектуальные системы управления. Нейросетевые системы. Понятие и
свойства нейросетей. Одно и многослойные сети. методы и алгоритмы обучения
нейросетей. FUZZY-регуляторы. Типовые схемы и структуры FUZZY-систем.
Лингвистические переменные. Функции принадлежности. Методы фазификации и
дефазификации.
Технические средства реализации законов управления САУ. Элементы теории
линейных цепей. Основные теоремы. Методы анализа электрических цепей: матричный,
топологический. Анализ нелинейных электрических цепей.
Преобразователи механических величин. Физические принципы построения
пьезочувствительных элементов. Преобразователи угловых и линейных перемещений.
Преобразователи скоростей и ускорений. Преобразователи давлений и напряжений.
Тензочувствительные
элементы,
интегральные
тензопреобразователи.
Термоэлектрические преобразователи. Терморезисторы, термопары. Оптоэлектронные
преобразователи.
Магнитоэлектрические
преобразователи.
Датчики
Холла,
магниторезисторы. АЦП. Основные характеристики и параметры. Принципы построения.
ЦАП. Основные характеристики и параметры. Принципы построения. Погрешность
преобразования, методы ее оценки.
Аналоговые элементы и устройства. Операционные усилители, их основные
параметры и характеристики. Примеры применения ОУ. Активные фильтры.
Компараторы, их основные параметры и характеристики.
Исполнительные и индикаторные элементы и устройства. Усилители
мощности. Основные параметры и характеристики. Исполнительные устройства.
Основные характеристики. Неконтактные ключи большой мощности. Устройства
индикации и визуального контроля, их классификация, сравнительный анализ и
перспективы развития
Основные параметры и характеристики источников питания. Стабилизаторы
напряжения. Параметрические стабилизаторы. Принципы построения, основные
характеристики и параметры. Стабилизаторы напряжения и тока с обратной связью.
Источники питания интегрального исполнения.
Цифровые элементы и устройства. Классификация логических элементов, их
основные параметры и характеристики. Сравнительная оценка современных
интегральных логических микросхем. Типовые интегральные логические узлы: регистры,
счетчики, сумматоры. запоминающих устройств. Виды запоминающих устройств (ЗУ), их
основные параметры и характеристики. Микропроцессоры. Определение и назначение,
принципы функционирования. Процессоры ЦОС. Назначение, структура и основные
характеристики. Применение процессоров ЦОС для построения эффективных цифровых
систем обработки сигналов.
Понятие информации. Историческое развитие определений информации.
Количественные и качественные определения информации. Знак. Современные
представления об информации. Виды и общие свойства информации. Кодирование
информации. Измерение количества информации. Информационное взаимодействие.
Открытые системы. Информация и самоорганизация.
Автоматизированные информационные системы (АИС). Определение,
назначение. Роль и место АИС в системах информационного обеспечения управления,
науки, экономики. Классификация АИС по функциональному назначению, уровню,
структуре данных. Структура АИС. Информационная система как организационная
структура. Организация и управление в сложных системах. Понятие о задачах
организации, планирования, оценки, текущего управления (контроля). Принятие решений
в сложных системах. Критерии принятия решений.
Языковые средства АИС. Входные и внутренние языки. Структура входных
языков. Языковые средства для ввода и обновления информации, для поиска, обобщения
и выдачи информации. Языковые средства общения с БД. Генераторы БД.
Операторы/арендаторы БД. Центры коммутации сообщений. Конечные пользователи.
Генераторы и распространители (операторы) БД, классификация.
Программные средства информационных систем. Типы данных. Элементарные
данные, агрегаты данных, массивы, структуры, повторяющиеся структуры.
Вычислительные данные, символьные данные, логические, адресные (метки и пойнтеры),
прочие (битовые строки). Понятие блока и процедуры. Операторы ЯП: управления
(организация циклов, ветвления процесса, перехода), присваивания, вычисления
арифметических, логических, строчных выражений. Стандартные арифметические,
логические.
Программные пакеты. Системы управления базами данных (СУБД), состав и
структура. Типовые функции СУБД: хранение, поиск данных; обеспечение доступа из
прикладных программ и с терминала конечного пользователя; преобразование данных;
словарное обеспечение БД. Типовая структура СУБД: ядро, обрамление, утилиты,
интерпретатор/компилятор пользовательского языка манипулирования данными. Среда
конечного пользователя.
Базы данных. Основные понятия. Независимость программ и данных.
Непротиворечивость данных. Целостность и защита данных. Структуры БД.
Администратор БД. Понятие концептуальной, логической, физической структуры БД.
Понятие о словарях данных, языках описания и манипулирования данными. БД и
файловые системы. Полнотекстовые БД. Физическая и логическая структура. Описание
БД. Обработка текстов при загрузке БД. Иерархическая и сетевая модели данных,
сравнительный анализ, противоречия и парадоксы. Реляционная модель данных.
Экземпляры отношений, домены, атрибуты. Операции над отношениями: селекция,
проекция, естественное соединение. Понятие реляционной полноты языка
манипулирования данными. Модель данных "сущность–связь".
Базы знаний. Общие принципы моделирования окружающей среды и мышления
человека. Методы представления знаний: классификационные тезаурусные, основанные
на отношениях, семантические сети и фреймы, продукционные и непродукционные
методы.
Электронная почта. Принципы организации системы электронной почты.
Программа-сервер сообщений. Организация почтовых ящиков. Программы подготовки
сообщений и рассылки. Формат почтового сообщения. Телеконференции. Принципы
организации программного обеспечения телеконференции. Средства отображения информации.
Примерные вопросы
1. Общие свойства технических систем: разнообразие, сложность, связность,
устойчивость, управляемость, целостность. Структурная сложность системы. Иерархии
как способ преодоления сложности.
2. Математическое описание систем. Понятие, принципы и особенности системного
подхода. Виды математических моделей линейные и нелинейные; дискретные и
непрерывные модели. Модели «вход-выход» и модели в переменных состояния («входсостояние-выход»).
3. Структурные схемы. Методы преобразования структурных схем линейных систем:
метод последовательного преобразования; формула Мейсона.
4. Взаимосвязь моделей «вход-выход» и моделей в переменных состояния
Преобразование этих моделей друг в друга. Условия корректности таких преобразований.
5. Методы построения математических моделей. Аналитические, по прецеденту,
экспериментальные.
6. Понятие управления, автоматическое и ручное, Системы автоматического управления
(САУ) прямого и непрямого действия. Классификация САУ по свойствам и по задачам.
Краткая история развития САУ.
7. Принципы построения САУ и свойства систем, построенных на основе управлений по
воздействиям, по отклонению; по состоянию и комбинированного (по выходу и
воздействиям). Примеры САУ.
8. Динамические и типовые звенья САУ. Особые звенья САУ: чистое запаздывание,
иррациональные и трансцендентные звенья. Определение, модели, свойства, особенности,
примеры.
9. Временные характеристики звеньев и систем. Определения, примеры и применение.
10. Частотные характеристики; обычные и логарифмические. Определения, примеры и
применение.
11. Управляемость, объектов и систем управления. Определение, физический смысл,
примеры. Критерии. Управление по состоянию, назначение, возможности.
12. Наблюдаемость объектов и систем управления. Определение, физический смысл,
примеры. Критерии. Асимптотический наблюдатель состояния.
13. Полнота объектов и систем управления. Определение, физический смысл, примеры.
Критерии. Декомпозиция динамических систем по свойствам управляемости,
наблюдаемости и полноты.
14. Минимально-фазовые и неминимально-фазовые объекты и системы управления;
Особенности объектов и систем, имеющих правые нули передачи. Целесообразность
выделения объектов и систем данных типов.
15. Определение устойчивости линейных, динамических систем. Алгебраические
критерии необходимые и устойчивости. Критерии Рауса, Гурвица.
16. Определение устойчивости линейных, динамических систем. Частотные критерии
устойчивости: Михайлова, Найквиста. Ограниченность критерия Найквиста.
17. Запасы устойчивости. Необходимость, оценки запасов устойчивости и их определение.
18. Понятие качества САУ. Показатели качества в переходном режиме. Прямые и
косвенные методы их определения (оценивания).
19. Показатели качества в установившемся режиме при различных входных воздействиях:
регулярных и случайных.
20. Статические и астатические САУ. Условия астатизма различных порядков САУ.
Способы обеспечения астатизма различных порядков.
21. Оценка точности САУ методом коэффициентов ошибки. Пример расчета ошибок САУ
по задающему и возмущающему воздействиям.
22. Абсолютно и селективно инвариантные САУ. Определения, критерии. Роль
информации при построении систем управления.
23. Методы обеспечения инвариантности: принцип Г.В. Щипанова (вырожденный
регулятор); принцип двухканальности Б.Н. Петрова. Условия применимости.
24. Грубость САУ. Определение, методы исследования; связь грубости САУ с
обусловленностью полноты объекта управления.
25. Модели линейных систем с неопределенностями. Интервальные полиномы. Робастно
устойчивые САУ. Критерий робастной устойчивости Харитонова.
26. Интегральные оценки качества: линейные, квадратичные, улучшенные. Формулы МакЛенна. Параметрическая оптимизация по интегральным оценкам системы.
27. Корневые оценки качества САУ. Нормированные передаточные функции (НПФ) и их
свойства. Пример применения НПФ для расчета параметров желаемой ПФ САУ.
28. САУ при случайных воздействиях. Определение СКО. Параметрическая оптимизация
по СКО.
29. Структурная оптимизация САУ. Метод Винера и его современное развитие.
30. Оптимизация во временной области стационарных САУ. Метод АКОР. Решение
уравнений Риккати на ПЭВМ.
31. Постановка задачи синтеза линейных непрерывных САУ. Нескорректированная
система (объект управления), устройство управления (регулятор). Применение типовых
законов управления (на численном примере).
32. Модальное управление в условиях полной и неполной информации. Оценивание
состояния и наблюдатели полного и редуцированного порядка. Пример расчета
модального управления.
33. Аналитический синтез систем с управлением по выходу и воздействиям по заданным
показателям качества (полиномиальный подход). Синтез линейных САУ на основе
блочного принципа управления (один метод по выбору).
34. Дискретные системы: импульсные и цифровые. Импульсные и дискретные
переменные. Квантование по времени и по уровню. Решетчатые функции. Определение и
примеры импульсных, дискретных и цифровых систем (ИС). Дискретные системы (ДС).
35. Разностные уравнения импульсных систем в переменных состояния. Уравнения ДС
вход-выход, передаточные функции. Особенности моделей цифровых систем, как
дискретных систем.
36. Идеальный импульсный элемент (ключ); формирующий элемент. Понятие
приведенной непрерывной части (ПНЧ). Определение передаточных функций ДС по
передаточной функции ПНЧ.
37. Разностные уравнения дискретных систем и методы их решения (рекуррентный и
метод z-преобразования).
38. Определение устойчивости дискретных систем (ДС). Условия устойчивости (по
корням) и критерии (по коэффициентам) устойчивости ДС. Запасы устойчивости ДС
39. Показатели качества дискретных систем (ДС) в переходном и в установившемся
режимах. Астатизм и инвариантность ДС. Условия конечной длительности переходных
процессов ДС.
40. Условия астатизма и инвариантности дискретных систем (ДС). Способы достижения
заданного порядка астатизма ДС. Применение типовых законов управления при синтезе ДС.
41. Модальное управление в дискретных системах ДС. Условия разрешимости задачи
синтеза модального управления при наличии запаздывании в дискретном устройстве
управления.
42. Аналитический синтез дискретных систем с управлением по выходу и воздействиям
по заданным показателям качества (полиномиальный подход). Синтез дискретных САУ на
основе блочного принципа управления (один метод по выбору).
43. Определение, свойства и примеры нелинейных систем (НС). Типовые нелинейности.
44. Метод фазовой плоскости. Элементы фазового портрета. Типы особых точек.
Определение типа особых точек методом первого приближения.
45. Исследование систем с переменной структурой методом фазовой плоскости.
Скользящий режим. Условия существования.
46. Метод гармонической линеаризации. Гипотеза фильтра. Коэффициенты
гармонической линеаризации.
47. Условие возникновения колебаний в нелинейных системах (НС). Исследование и
условия устойчивости колебаний в НС. Автоколебания и методы предотвращения
существования автоколебаний в НС.
48. Устойчивость нелинейных систем. Возмущенное и невозмущенное движение систем
управления. Уравнения систем нелинейных в отклонениях. Метод первого приближения;
основные теоремы этого метода. Примеры применения.
49. Метод функций Ляпунова; основные теоремы этого метода. Пример применения.
50. Исследование линейных систем методом функций Ляпунова. Уравнение Ляпунова.
Построение области притяжения положения равновесия нелинейной системы.
51. Метод абсолютной устойчивости. Классы нелинейностей. Критерии абсолютной
устойчивости В.М. Попова; графический вариант этого критерия. Критерий Воронова.
52. Нелинейная динамика. Отображения. Бифуркации квадратичного отображения.
53. Система уравнений Лоренца и ее особые точки; зависимость их от параметра r.
Определение аттрактора и репеллера. Странный аттрактор.
54. Фрактальность хаотических движений нелинейных систем. Показатели Ляпунова.
Признаки хаотических движений НС.
55. Синтез нелинейных систем управления на основе условий общности положения;
методом локализации; методом АКАР; методом отождествления дифференциальных
операторов; на основе квазилинейного подхода; на основе блочного принципа
управления; на основе управляемой формы Жордана (один метод по выбору).
56. Нейросетевые системы. Понятие и свойства нейросетей. Одно и многослойные сети.
Методы и алгоритмы обучения нейросетей.
57. Нечеткие FUZZY-регуляторы. Типовые схемы и структуры FUZZY-систем.
Лингвистические переменные. Функции принадлежности. Методы фазификации и
дефазификации.
58. Измерительные преобразователи (датчики). Первичные, вторичные. Классификация
датчиков. Основные технические характеристики датчиков.
59. Непрерывные и дискретные датчики. Теорема Котельникова и выбор периода
квантования по времени сигналов непрерывных преобразователей. Порядок и критерии
выбора измерительных преобразователей систем управления.
60. Цифровые элементы обработки информации. Микропроцессоры: структура, основные
технические характеристики. Программное обеспечение.
61. Назначение, принцип действия и технические характеристики АЦП и ЦАП. Порядок и
критерии выбора АЦП и ЦАП для систем управления.
62. Непрерывные исполнительные механизмы (ИМ). Структура, основные технические
характеристики. Порядок и критерии выбора ИМ для систем управления.
63. Дискретные исполнительные механизмы. Их технические характеристики; порядок и
критерии выбора исполнительных механизмов для систем управления.
Литература
1. Справочник по теории автоматического управления. Под ред. Красовского А.А. М.:
Наука, 1987.
2. Алексеев А.А., Имаев Д.Х., Яковлев В.Б. Теория управления. Учебник. СПб, 1999
3. Теория автоматического управления. Учебник. Под ред. Воронова А.А. Ч. 2. М.:
Высшая школа, 1987.
4. Гайдук А.Р. Теория автоматического управления: Учебник. М.: Высшая школа,
2010.
5. Гайдук А.Р. Теория и методы аналитического синтеза систем автоматического
управления (полиномиальный подход). М.: Физматлит, 2012.
6. Востриков А.С. Синтез систем регулирования методом локализации. Новосибирск:
Изд-во НГТУ, 2007.
7. Методы робастного, нейро-нечеткого и адаптивного управления: Учебник / Под
ред. Н.Д. Егупова. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э Баумана, 2002.
8. Методы классической и современной теории автоматического управления:
Учебник в 5-ти тт. / Под ред. К.А. Пупкова, Н.Д. Егупова. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э
Баумана, 2004.
9. Шеннон К. Математическая теория связи. Работы по теории информации и
кибернетики. – М.: Иностранная литература, 1963
10. Базы данных: модели реализация / Т. С. Карпова. - СПб.: Питер, 2001. - 304 с.: ил.
11. Нильсон Н. Принципы искусственного интеллекта. М.: Радио и связь, 1985.
12. Искусственный интеллект. - В 3-х книгах. Справочник. Под ред. Поспелова Д.А. М.: Радио и связь, 1990.
13. Берталанфи Л. фон. История и статус общей теории систем// Системные
исследования: Ежегодник, 1972. -М.: Наука, 1973. - с.20-37.
14. Месарович М., Такахара И. Общая теория систем: математические основы. - М.:
Мир, 1978. -311 с.
15. Вернер М. Основы кодирования: Пер. с нем. - М.: ТЕХНОСФЕРА, 2004. - 288с.
16. Морелос-Сарагоса Р. Искусство помехоустойчивого кодирования. Методы,
алгоритмы, применение: Пер. с англ. - М.: ТЕХНОСФЕРА, 2006. - 320с.
17. Джордейн Р. Справочник программиста персональных компьютеров типа IBM PC,
XT и AT. - М.: Финансы и статистика, 1992.
18. Хусаинов Н.Ш. Учебно-методическое пособие по курсу "Архитектура и
программирование сигнальных процессоров". Разработка программного обеспечения
процессоров цифровой обработки сигналов. Часть 1. – Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2003 (№
3451).
19. Таненбаум Э., Вудхалл А. Операционные системы. Разработка и реализация. – Издво ПИТЕР, 2007. – 704с.
20. Кренке Д. Теория и практика построения баз данных– СПб.: Изд-во ПИТЕР, 2005. –
864с.
21. Хомоненко А. Д., Цыганков В. М., Мальцев М. Г. / Базы данных. Учебник для
вузов — 4-е издание, доп. и перераб. — СПб.: КОРОНА принт, 2004. — 736 с.
22. Керниган Б., Ритчи Д. Язык программирования Си - Финансы и статистика. -1984.
23. Джексон Г. Проектирование реляционных баз данных для использования с
микроЭВМ. -М.: Мир, 1991. – 252 с.
24. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии,
протоколы. Учебник для ВУЗов. – СПб.: Изд-во ПИТЕР, 2010. – 944с.
Руководитель направления
Д.т.н., профессор
А.Р. Гайдук