Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»

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 [email protected]
Туманов М.П. к.т.н., профессор, [email protected]
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.