Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» Программа дисциплины «Системный анализ, управление и обработка информации» для направления 27.06.01 Управление в технических системах, профиль «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления» подготовки научно-педагогических кадров в аспирантуре Правительство Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики" Программа дисциплины «Системный анализ, управление и обработка информации» для направления 27.06.01 Управление в технических системах, профиль «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления» подготовки научно-педагогических кадров в аспирантуре Авторы программы: Афанасьев В.Н. д.т.н., профессор avn@miem.hse.ru Туманов М.П. к.т.н., профессор, mtumanov@hse.ru Одобрена на заседании Академического совета аспирантской школы по техническим наукам 9 октября 2014 г. Москва - 2014 Настоящая программа не может быть использована другими подразделениями университета и другими вузами без разрешения разработчика программы. Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» Программа дисциплины «Системный анализ, управление и обработка информации» для направления 27.06.01 Управление в технических системах, профиль «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления» подготовки научно-педагогических кадров в аспирантуре Область применения и нормативные ссылки Настоящая программа учебной дисциплины «Системный анализ, управление и обработка информации» устанавливает минимальные требования к знаниям и умениям аспиранта по направлению подготовки 27.06.01 Управление в технических системах, профиля «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления» и определяет содержание и виды учебных занятий и отчетности. Программа предназначена для преподавателей, ведущих данную дисциплину и аспирантов направления 27.06.01 Управление в технических системах, профиля «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления». Программа разработана в соответствии c: Образовательным стандартом НИУ ВШЭ; Образовательной программой 27.06.01 Управление в технических системах направления подготовки аспиранта. Учебным планом подготовки аспирантов по направлению 27.06.01 Управление в технических системах, профиля «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления». Цели освоения дисциплины Целью освоения дисциплины «Системный анализ, управление и обработка информации» является формирование устойчивых знаний в области системного подхода к конструированию систем управления и связанной с этим обработкой данных, развития умений применения системного анализа для исследования разнообразных задач в области управления. Для усвоения изучаемого материала достаточно сведений из математического анализа, теории дифференциальных уравнений, алгебры, теории случайных процессов, теории систем. - - Для достижения сформулированной цели выделяются следующие задачи дисциплины: овладение методами системного анализа (определение проблемы, цели, функции, структуры); умение определять класс моделей, строить и реализовывать на ЭВМ математические модели систем, исследовать их и принимать решения. В области теории управлении: усвоение аспирантами системных методов теории управления; усвоение аспирантами основных понятий теории представления моделей; усвоение аспирантами основных видов моделей систем управления; усвоение аспирантами иерархии системных моделей с точки зрения применимости в теории управления; усвоение аспирантами классического аппарата идентификации моделей и проверки их адекватности; линейные и нелинейные модели систем управления, динамика и статика, информационные потоки в системах управления и методы обработки информации; дискретные и непрерывные модели; детерминированные и стохастические модели; методов теории игр; методы компьютерного моделирования систем управления с использованием пакета MATLAB. Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» Программа дисциплины «Системный анализ, управление и обработка информации» для направления 27.06.01 Управление в технических системах, профиль «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления» подготовки научно-педагогических кадров в аспирантуре Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины В результате освоения дисциплины аспирант должен: Иметь представление: Об основных системных подходах к построению современных систем управления. Об общих принципах выбора, построения, идентификации моделей различного вида. Об информационных потоках в системах управления и задачах с этим связанных. О современных пакетах компьютерной математики для системного анализа. Знать: Методы системного подхода к формированию задачи построения системы управления. (объекты физического мира, экономические, биологомедицинские); Общие методы синтеза систем управления; Методы математического моделирования синтезированных систем с использованием современных компьютерных программ. Уметь: Формализовать задачи синтеза систем управления с использованием современного математического аппарата и системного анализа; Выбирать среду для моделирования конкретных задач управления; Владеть навыками: Анализа и синтеза систем управления с использованием компьютерных средств; Умение работать в среде MATLAB и пакетов расширения среды MATLAB - Control System Toolbox и Simulink для моделирования и синтеза систем управления. В результате освоения дисциплины аспирант осваивает следующие компетенции: Компетенция Код по ОС (указываются в НИУ соответствии с ОС НИУ ВШЭ ВШЭ) Готовность участвовать в УК-3 работе российских и международных исследовательских коллективов по решению научных и научнообразовательных задач Способность следовать УК-5 Дескрипторы – основные признаки освоения (показатели достижения результата) Демонстрирует способность стратегически и креативно мыслить, творчески применять различные коммуникационные инструменты Формы и методы обучения, способствующие формированию и развитию компетенции Лекционные занятия. Самостоятельная работа Демонстрирует владение Лекционные занятия. Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» Программа дисциплины «Системный анализ, управление и обработка информации» для направления 27.06.01 Управление в технических системах, профиль «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления» подготовки научно-педагогических кадров в аспирантуре этическим нормам в профессиональной деятельности способность подготавливать научно-технические отчеты, а также научные публикации по результатам выполнения исследований Способность докладывать и аргументировано защищать результаты выполненной научной работы Способность обоснованно оценивать степень соответствия разработанных систем управления, методов управления и обработки информации действующим стандартам в области управления в технических системах методологией научных исследований Самостоятельная работа с литературой ПК-1 Демонстрирует способность выбирать и применять современные методы теории управления системами Лекционные занятия. Подготовка домашнего задания. Подготовка к экзамену ПК-2 Способен проводить самостоятельные исследования с учетом этических норм Обосновывает выбор технических решений на основе анализа и обобщений экспериментальных результатов Лекционные занятия. Подготовка домашнего задания. Подготовка к экзамену ОПК-3 Лекционные занятия. Подготовка домашнего задания. Подготовка к экзамену Место дисциплины в структуре образовательной программы Настоящая дисциплина относится к дисциплинам по выбору вариативной части. Тематический план учебной дисциплины № 1 3 4 5 6 7 8 9 10 Всего часов Название раздела Введение. Принципы САОИ. Математические модели систем управления и их адекватность. Линеаризация основных задач управления и связанных с этим операторов. Методы идентификации моделей. Модели помех в информационных системах. Модели дискретизации систем. Игровые модели. Системные методы моделирования сложных систем. Анализ и синтез во взаимосвязи. Заключение. 18 30 36 18 Аудиторные часы Лекции 6 10 12 20 24 12 12 6 24 18 18 24 30 8 6 6 8 12 228 4 16 12 12 16 20 10 76 Формы контроля знаний аспирантов Тип контроля Текущий (неделя) Форма контроля Контрольная работа Кол-во 1 Самосто Семина Практичес ятельная ры кие занятия работа Параметры письменные работы, по 30 мин. 8 152 Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» Программа дисциплины «Системный анализ, управление и обработка информации» для направления 27.06.01 Управление в технических системах, профиль «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления» подготовки научно-педагогических кадров в аспирантуре Итоговый Домашнее задание Экзамен 1 Оформленная с помощью ЭВМ работа 2 часа Содержание дисциплины Введение Общие задачи системного анализа и обработки информации (САОИ). История возникновения и развития САОИ. Место САОИ в науке об управлении. Раздел 1. Принципы САОИ. Системный подход к задаче об управлении. Набор принципов и методов САОИ. Информационные принципы САОИ. Раздел 2. Математические модели систем управления и их адекватность. Общая классификация СУ с точки зрения задач управления. Классификация СУ с точки зрения моделей движения. Системный подход к задаче идентификации. Стохастический подход к задаче управления и передачи информации. Раздел 3. Линеаризация основных задач управления и связанных с этим операторов. Принципиальное отличие линейных и нелинейных моделей. Методы и подходы к линеаризации. Случаи явной разрешимости некоторых линейно-квадратичных задач управления. Системные препятствия к эффективному решению задач управления в нелинейном случае. Раздел 4. Методы идентификации моделей. Постановка задачи идентификации модели. Классификация методов идентификации. Связь идентификации и управления. Идентификация и адаптация. Раздел 5. Модели помех в информационных системах. Виды помех в системах управления. Неопределённость как помеха. Классификация методов борьбы с помехами. Раздел 6. Модели дискретизации систем. Принципиальная разница между дискретизацией по времени и по уровню. Понятие о методах квантования. Разностные модели систем. Дискретное преобразование Фурье и Лапласа. Спектры квантованных сигналов и их преобразование системой. Раздел 7. Игровые модели. Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» Программа дисциплины «Системный анализ, управление и обработка информации» для направления 27.06.01 Управление в технических системах, профиль «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления» подготовки научно-педагогических кадров в аспирантуре Игра n-игроков как модель системы управления. Природа как игрок. Неопределённость как игра природы. Динамическая игра как модель системы управления. Раздел 9. Системные методы моделирования сложных систем. Анализ и синтез во взаимосвязи. Классификация методов моделирования сложных динамических систем. “Проклятие размерности” при моделировании. Сведение задачи синтеза к множеству задач анализа. Заключение. Образовательные технологии Курс включает цикл лекций, практические занятия и курсовую работу. Курсовая работа заключается в синтезе оптимального системы управления для предлагаемых объектов и математическое моделирование оптимальной системы с использованием пакета MatLab. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины Базовый учебник Антонов А.В. Системный анализ. Учебник для вузов. М.: Высшая Школа, 2004. 454 С.: ил. Дополнительная литература 1. Справочник по теории автоматического управления// Под ред. А.А. Красовского. М.: наука,1987. 2. Первозванский А.А. Курс теории автоматического регулирования. М.: Наука, 1966. 3. Алексеев В.М., Тихомиров В.М., Фомин С.В. Оптимальное управление. М.: Наука, 1979. 4. Заде Л., Дезоер Ч. Теория линейных систем. М.: Наука, 1970. 5. Воронов А.А. Устойчивость, управляемость, наблюдаемость. – М.: Наука, 1979. 6. Понтрягин Л.С., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В., Мищенко Е.Ф. Математическая теория оптимальных процессов. - М.: Наука, 1969. 7. Белман Р., Энджел Э. Динамическое программирование и уравнения в частных производных. – М.: Мир, 1974. 8. Афанасьев В.Н. Аналитическое конструирование непрерывных систем управления. Изд-во РУДН, 2005. 257 с. Образец вопросов по курсу дисциплины: Вопросы к экзамену 1. Определение динамических конечномерных непрерывных систем. Структурные свойства. 2. Необходимые условия в задачах конструирования программных движений Задача со свободным правым концом и заданным временем окончания Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» Программа дисциплины «Системный анализ, управление и обработка информации» для направления 27.06.01 Управление в технических системах, профиль «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления» подготовки научно-педагогических кадров в аспирантуре переходного процесса. 3. Необходимые условия в задачах конструирования программных движений Задача с фиксированными значениями некоторых переменных состояния в заданный момент окончания переходного процесса. 4. Необходимые условия в задачах конструирования программных движений Задача с фиксированными значениями некоторых переменных состояния в неопределенный момент окончания переходного процесса. 5. Принцип максимума Л.С. Понтрягина Задача со свободным правым концом и заданным временем окончания переходного процесса. 6. Принцип максимума Л.С. Понтрягина Задача с фиксированными значениями некоторых переменных состояния в заданный момент окончания переходного процесса. 7. Принцип максимума Л.С. Понтрягина Задача с фиксированными значениями некоторых переменных состояния в неопределенный момент окончания переходного процесса. 8. Принцип максимума Л.С. Понтрягина Задача об оптимальном быстродействии. 9. Принцип максимума Л.С. Понтрягина Задача на оптимум расхода ресурсов. 10. Достаточные условия в задачах конструирования программных движений Переход к открытой области изменений управления. 11. Достаточные условия в задачах конструирования программных движений Управление с обратной связью в задаче с заданным временем окончания переходного процесса. 12. Достаточные условия в задачах конструирования программных движений Уравнение для функционала качества. 13. Динамическое программирование Уравнение Гамильтона – Якоби – Беллмана. 14. Динамическое программирование Связь метода динамического программирования с принципом максимума (минимума) Л.С. Понтрягина. 15. Оптимальное управление линейными объектами Задача со свободным правым концом и заданным временем окончания переходного процесса. 15. Оптимальное управление линейными объектами Задача о регуляторе выхода. 16. Оптимальное управление линейными объектами Задача слежения. 17. Оптимальное управление линейными объектами Задача с фиксированными значениями некоторых переменных состояния в заданный момент окончания переходного процесса. 18. Оптимальное управление линейными объектами Задача об оптимальном быстродействии при ограничениях на управляющие воздействия. 19. Особые решения в задачах оптимального управления Линейные динамические системы с квадратичным критерием качества. Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» Программа дисциплины «Системный анализ, управление и обработка информации» для направления 27.06.01 Управление в технических системах, профиль «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления» подготовки научно-педагогических кадров в аспирантуре 20. Дифференциальные игры Постановка задачи. 21. Дифференциальные игры Дифференциальная игра как проблема оптимального управления 22. Дифференциальные игры Линейные игры преследования с квадратичным функционалом. 23. Дифференциальные игры Линейные игры по охране цели. Материально-техническое обеспечение дисциплины Лабораторные работы проводятся в компьютерных классах. Пакеты прикладных программ: MatLab.