Рабочая программа учебной дисциплины "основы мехатроники и робототехники" Цикл

4.2 Содержание лекционно-практических форм обучения

4.2.1. Лекции

  1. Введение. Исследуемые системы. Терминология. Постановка задач управления мехатронными и робототехническими системами. Представление систем в пространстве состояний. Критерии качества систем регулирования. Динамика и управление в микроэлектромеханических системах. Микромеханических гироскоп и акселерометр. Микродвигатели и преобразующие устройства. Уравнения движения чувствительных элементов. Ограничения на управление и состояние объекта. Алгоритмы настройки режимов функционирования, управления и измерения.

  2. Динамика и управление движением манипуляционного и мобильного робота. Уравнение движения. Структура и принципы построения систем управления для реализации быстрых и точных перемещений по сложным контурам и поверхностям. Определение структуры и состава измерительной информации различной физической природы для выполнения целевых задач.

  3. Постановка задач оптимального управления: уравнения эволюции динамической системы; минимизируемый функционал (критерий качества); ограничения на траекторию; ограничения на управление; совместные ограничения. Примеры технических задач оптимального управления: оптимальное управление электродвигателем робота-манипулятора; оптимальное управление космическими аппаратами; управление движением мобильного робота. Прямые и обратные позиционные и кинематические задачи управления роботами. Управление по вектору скорости; программная реализация законов управления; планирование движений робота в пространстве обобщённых координат и в рабочем пространстве.

  4. Переходная матрица, свойства переходной матрицы. Ряд Пеано. Сопряженный оператор. Сопряженная система линейных дифференциальных уравнений. Переходная матрица сопряженной системы. Правило композиции, коммутативные диаграммы. Преобразование матрицы линейной однородной системы и переходной матрицы при невырожденной замене переменных; соответствующая коммутативная диаграмма. Неоднородная система линейных дифференциальных уравнений. Метод вариации постоянных и формула Коши.

  5. Задача о точном переводе линейной системы в заданное состояние. Алгоритм построения оптимального по энергозатратам управления. Определение и критерий управляемости. Квадратичный функционал нормы управления. Выделение управляемых и неуправляемых подпространств в пространстве состояний линейной стационарной системы. Мера управляемости. Эквивалентный критерий управляемости линейных нестационарных систем. Критерий Калмана управляемости стационарных систем.

  6. Управление линейными системами по части переменных состояния.

  7. Оптимальное по энергозатратам управление в виде нестационарной обратной связи. Матричное дифференциальное уравнение Риккати. Управление линейной стационарной системой на бесконечном интервале времени. Субоптимальное по энергозатратам управление линейной системой в виде линейной стационарной обратной связи. Алгебраическое уравнение Риккати. Итерационная процедура построения управления. Оценка значений квадратичного функционала на решениях однородной стационарной линейной системы дифференциальных уравнений; матричное алгебраическое уравнение Ляпунова.

  8. Построение оптимального по энергозатратам управления с помощью аналитического решения матричного дифференциального уравнения Риккати. Анализ структуры оптимального по энергозатратам управления. Функция и уравнения Гамильтона. Свойства оптимального регулятора. Задача Булгакова о максимальном отклонении.

  9. Метод динамического программирования Беллмана для построения оптимального управления дискретной системой. Постановка задачи оптимального управления для динамических систем с ограничениями на управляющие воздействия и значения компонент вектора состояния. Задача минимизации целевых квадратичных функционалов на решениях динамической системы. Разностный аналог непрерывной динамической системы. Принцип оптимальности Беллмана.

  10. Алгоритм построения оптимального управления дискретной системой методом динамического программирования Беллмана. Рекуррентное уравнение Беллмана. Метод динамического программирования Беллмана в задаче оптимального распределения ресурсов по отраслям экономики. Постановка задачи.

  11. Метод динамического программирования Беллмана в задаче выбора кратчайшего или наименее затратного маршрута. Метод динамического программирования Беллмана для построения оптимального управления непрерывной динамической системой. Постановка задачи. Уравнение Беллмана. Структура оптимального регулятора. Уравнение Гамильтона−Якоби.

  12. Метод динамического программирования Беллмана в линейно-квадратичной задаче оптимального управления линейной системой. Правила дифференцирования квадратичных и линейных форм по векторному аргументу. Алгоритм построения оптимального управления. Структура оптимального регулятора. Алгоритм расчета нестационарной обратной связи.

  13. Субоптимальное управление стационарной линейной системой полубесконечном интервале времени (регулятор Летова). Итерационное решение алгебраического уравнения Риккати. Оценка значений квадратичного функционала на решениях однородной стационарной линейной системы дифференциальных уравнений. Оптимальное по быстродействию управление линейной системой. Уравнение Беллмана. Структура оптимального регулятора.

  14. Принцип максимума Понтрягина. Цель управления. Функция Гамильтона. Структура оптимального управления. Уравнения движения исходной и сопряженной системы. Алгоритм решения задачи оптимального по быстродействию управления с помощью принципа максимума Понтрягина. Структура оптимального управления. Принцип максимума Понтрягина в линейно-квадратичной задаче оптимального управления линейной системой. Алгоритм построения оптимального управления. Структура оптимального регулятора. Условия трансверсальности. Пример расчета нестационарной обратной связи в задаче оптимального по энергозатратам управления с заданным временем регулирования, фиксированным начальным и свободным конечным состоянием линейной системы.

  15. Задача оптимальной по методу наименьших квадратов оценки вектора состояния линейной системы. Минимизация среднеквадратичной ошибки (невязки) измерений в линейной нестационарной системе с непрерывным временем. Правило дифференцирования линейной и квадратичной формы по векторному аргументу. Матрица наблюдаемости. Критерии наблюдаемости. Наблюдаемое и ненаблюдаемое подпространство в пространстве состояний. Мера наблюдаемости. Дуальность задач управления и наблюдения.

  16. Оптимальный по методу наименьших квадратов фильтр для оценки вектора состояния линейной системы. Управление сопряженной системой. Связь между сопряженными переменными и оценкой вектора состояния. Алгоритм оценки вектора состояния. Непрерывный фильтр Калмана. Матричное дифференциальное уравнение Риккати. Дифференциальное уравнение для оценки вектора состояния. Алгоритм оценки вектора состояния.

  17. Асимптотический фильтр для оценки состояния линейной стационарной системы. Дифференциальные уравнения фильтра полного порядка и уравнения ошибки оценки вектора состояния. Выбор коэффициентов усиления фильтра для обеспечения заданной степени устойчивости ошибки оценки. Пример расчета коэффициентов усиления.

  18. Управление по оценке вектора состояния. Расчет коэффициентов обратной связи и усиления фильтра для систем управления и наблюдения. Структурная схема.

  19. Обучение роботов; математическое описание сложной робототехнической системы (РТС) как сети конечных автоматов. Логический уровень системы управления многокомпонентной РТС, её структура, аппаратный состав. Моделирование многокомпонентных РТС с помощью сетей Петри. Программное обеспечение РТС; операционная среда; программирование управляющей сети.

4.2.2. Практические занятия

Седьмой семестр

№1.Прямые и обратные задачи управления роботами.

№2.Позиционные и кинематические задачи управления роботами.

№3.Управление схватом манипуляционного робота по вектору скорости.

№4.Финитное управление мобильным роботом при переводе его из заданной точки конфигурационного пространства в заданную.

№5.Стабилизация движений мобильного или манипуляционного робота вблизи программных траекторий.

№6.Оптимальное и квазиоптимальное управление роботами, основанное на решении дифференциального матричного уравнения Риккати.

№7.Численные методы решения дифференциального матричного уравнения Риккати.

№8.Численные методы решения алгебраического матричного уравнения Риккати.

№9.Методы оценивания линейных динамических систем.

Восьмой семестр

№1.Оптимальное управление электродвигателем робота-манипулятора. Метод штрафных функций.

№2.Задачи управления с изопериметрическими ограничениями.

№3.Успокоение материальной точки. Кривые переключения управлений. Программное управление и синтез управления.

№4.Успокоение математического маятника. Задача о стабилизации перевернутого положения маятника.

№5.Динамическое управление телескопическим манипуляционным роботом. Задачи сборки и механообработки.

№6.Построение функции Беллмана в задаче об оптимальной стабилизации космического аппарата.

№7.Моделирование многокомпонентных РТС с помощью сетей Петри.

№8.Адаптивная стабилизация робототехнических систем. Различные подходы при реализации идеи адаптации в управлении.

№9.Программное обеспечение робототехнических систем. Использование пакета для программирования технических систем реального времени.

4.3. Лабораторные работы

Лабораторные работы учебным планом не предусмотрены.

4.4. Расчетные задания

1. Финитное управление движением мехатронных систем.

2. Прямые и обратные задачи управления роботами.

3. Оптимальная фильтрация и оценивание.

4. Оптимальное управление в задаче управления манипуляционного и мобильного робота.

5. Оптимальная стабилизация движений мобильного или манипуляционного робота вблизи программных траекторий.

4.5. Курсовые проекты и курсовые работы

Курсовой проект (курсовая работа) учебным планом не предусмотрен.

5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Участие в Международных и Всероссийских фестивалях молодежи «Мобильные роботы» рассматривается как новая образовательная технология. Участие в подготовке и проведении фестивалей - олимпиад позволяет привлечь студентов к исследованиям в области теории автоматического управления, высоких технологий. Задачи, разработанные Оргкомитетом Фестиваля и предлагаемые для решения автономным мобильным роботам, затрагивают те направления научно-технического прогресса, в которых проблемы механики, управления движением и новых информационных технологий соприкасаются с проблемами искусственного интеллекта. Фестиваль представляет собой многоплановое мероприятие, включающее научную школу-конференцию, соревнования мобильных роботов, показательные выступления роботов и демонстрацию новейших робототехнических систем, турнир по компьютерному (виртуальному) футболу, участники которого разрабатывают алгоритмы группового управления роботами-футболистами.

Новые технологии преподавания - научно-технические молодежные Фестивали предоставляют замечательную возможность заниматься наиболее интересными разделами математики, механики, информатики, включая проблему управления рациональным поведением коллективов роботов. Сложность и многоплановость проблемы создания мобильных роботов требует использования системного подхода, обучение которому является неотъемлемой частью современного образовательного процесса. Для эффективного функционирования интеллектуальных роботов они снабжены системой восприятия внешней среды, средствами анализа ситуаций и принятия решений и осуществляют планирование движения (в том числе и построения трассы). При этом исключительно важна теоретико-механическая составляющая задачи, включающая исследование общих глобальных свойств управляемой системы (существование, устойчивость и ветвление решений дифференциальных уравнений движения робота, их геометрические свойства и т.д.).

Лекционные занятия проводятся как в традиционной форме, так и с использованием аудиовизуальной системы (компьютер, мультимедийный проектор, экран) с обязательным обсуждением трудных для понимания мест курса.

Семинары и мастер классы с участием ведущих специалистов направлены на разбор проблемных и типовых задач проектирования мехатронных и робототехнических систем. на примерах, представленных преподавателем в виде презентаций или на доске, так и индивидуальное решение задач, поставленных в лабораторных работах под контролем преподавателя и с последующей защитой отчетов по работам.

Самостоятельная работа включает: повторение студентом изложенного на лекциях и практических занятиях учебного материала, решение индивидуальных расчетных заданий, подготовка отчетов по расчетным заданиям, подготовка к контрольным работам, зачётам и экзаменам. Участие в Международных, региональных конференциях, фестивалях и выставках робототехнических и мехатронных систем, посещение мастер – классов и семинаров ведущих специалистов и фирм изготовителей робототехнических, мехатронных систем и микросистемной техники.

6. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ, ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Для текущего контроля успеваемости используются различные виды тестов, контрольные работы, устный опрос, защита расчетного задания.

Аттестация по дисциплине – зачет и экзамен.

Оценка за освоение дисциплины, определяется среднеарифметической оценкой за контрольные, тесты, расчетные задания и оценкой на экзамене.

В приложение к диплому вносится итоговая оценка по гос.экзамену.

7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

7.1. Литература:

а) основная литература:

1.Александров В.В., В.Г., С.С., Парусников Н.А., Тихомиров В.М. Оптимизация динамики управляемых систем. М.: Изд-во МГУ, 2000. 304 .

2. Андриевский Б.Р., Фрадков А.Л. Избранные главы теории автоматического управления с примерами на языке MATLAB. СПб.: Наука,1999. 467 с.

3. Андриевский Б.Р., Фрадков А.Л. Элементы математического моделирования в программных средах MATLAB 5 и Scilab. СПб.: Наука,2001.

4. Воротников В.И., Румянцев В.В. Устойчивость и управление по части координат фазового вектора динамических систем: теория, методы и приложения. М.: Научный мир, 2001. 320 с.

5. Демидович Б.П. Лекции по математической теории устойчивости. М.: Наука, 1967; 2-е изд. МГУ, 1998.

6. Колесников А.А. Основы теории синергетического управления. М.:Испо-Сервис, 2000.

7. Леонов Г.А., Шумафов М.М. Проблемы стабилизации линейных управляемых систем. СПб.: СПбГУ, 2002.

8. Мирошник И.В., Никифоров В.О., Фрадков А.Л. Нелинейное и адаптивное управление сложными динамическими системами. СПб.: Наука, 2000.

9. Алексеев В.М., Тихомиров В.М., Фомин С.В. Оптимальное управление. М.: Наука, 1979. 430 .

10. Афанасьев В.Н., В.Б., Носов В.Р. Математическая теория конструирования систем управления. М.: Высш. шк., 2002. 448 .

б) дополнительная литература:

1. Болтянский В.Г. Математические методы оптимального управления. М.: Наука, 1969. 408 .

2. Х., Р. Линейные оптимальные системы управления. М.: Мир, 1977. 652 .

3. Ройтенберг Я.Н. Автоматическое управление. М.: Наука, 1978. 552 .

4. Теряев Е.Д., Б.М. Цифровые системы и поэтапное адаптивное управление. М.: Наука, 1999. 330 .

5. Черноусько Ф.Л., Л.Д., Соколов Б.Н. Управление колебаниями. М.: Наука, 1980. 384 .

7.2. Электронные образовательные ресурсы:

лицензионное программное обеспечение и Интернет-ресурсы:

Интернет-ресурсы ведущих фирм производителей мехатронных модулей и робототехнических систем. Учебно-методические комплексы по мехатронике и робототехнике ведущих ВУЗов РФ и мира.

8. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Материально-техническое обеспечение дисциплины включает в себя мультимедийные средства, испытательные стенды и полигоны натурного и полунатурного моделирования опытных образцов и макетов мобильных и манипуляционных роботов, датчиков и инерциальной и внешней информации, учебная лаборатория по проектированию робототехнических систем, специализированный компьютерный класс моделирования мехатронных и робототехнических систем, аппаратно-программные комплексы для отладки алгоритмического и программного обеспечения мехатронных и робототехнических систем.

Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО и с учётом рекомендаций Примерной основной образовательной программы высшего профессионального образования по направлению подготовки 221000 “Мехатроника и робототехника” и профилю подготовки “Компьютерные технологии управления в робототехнике и мехатронике”.

ПРОГРАММУ СОСТАВИЛ:

Зав. кафедрой теоретической механики и мехатроники

д.т.н., профессор Меркурьев И.В.

УТВЕРЖДАЮ:

Зав. кафедрой теоретической механики и мехатроники

д.т.н., профессор Меркурьев И.В.

  1. Рабочая программа учебной дисциплины “ теория колебаний и динамика машин цикл

    Рабочая программа
    Целью дисциплины является изучение общих законов, которым подчиняются колебания механических систем, овладение основными методами математического описания и алгоритмами исследования движения механических систем.
  2. Рабочая программа учебной дисциплины "начертательная геометрия и компьютерная графика" Цикл

    Рабочая программа
    Целью дисциплины является: изучение способов получения определенных графических моделей пространства, основанных на ортогональном проецировании и умении решать на этих моделях задачи, связанные пространственными формами и отношениями.
  3. Рабочая программа учебной дисциплины мировые цивилизации, философии и культуры цикл (3)

    Рабочая программа
    анализировать события и явления действительности и достижения человеческой культуры с учетом их уникальности и органической принадлежности к единому потоку исторического движения,
  4. Базовой части цикла пц рабочей программы учебной дисциплины 05. «Основы 4 d д изайна»

    Документ
    – Сформировать комплекс знаний об эмоциональной природе человека, её влиянии на формирование предметно-пространственной среды и эффекта обратной связи.
  5. Рабочая программа учебной дисциплины “ Микропроцессорная техника в мехатронике и робототехнике Цикл

    Рабочая программа
    Целью дисциплины является обучение современным техническим средствам управления, применяемым в мехатронике и робототехнике, изучение методов проектирования микропроцессорных систем управления, архитектур микропроцессорного обеспечения
  6. Рабочая программа учебной дисциплины "теория автоматического управления" Цикл

    Рабочая программа
  7. Рабочая программа учебной дисциплины "электротехника и электроника" Цикл (5)

    Рабочая программа
  8. Рабочая программа учебной дисциплины "электронные устройства мехатронных и робототехнических систем" Цикл

    Рабочая программа
    применять знания принципов действия и математического описания электронных элементов в составе мехатронных и робототехнических систем для построения математических моделей (ПК-1);
  9. Рабочая программа учебной дисциплины "тепломассообмен" Цикл (2)

    Рабочая программа
    Целью дисциплины является изучить принципы технической термодинамики и тепломассообмена как комплексной научной и инженерной дисциплины, включающей гидродинамику, а также методы их применения для анализа и расчёта процессов, происходящих

Другие похожие документы..