Рабочая программа учебной дисциплины " методы и теория оптимизации" Цикл: общенаучный



Скачать 199.48 Kb.
Дата06.11.2012
Размер199.48 Kb.
ТипРабочая программа



МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
Институт Энергомашиностроения и механики (ЭнМИ)


Направление подготовки: 221000 – Мехатроника и робототехника

Магистерская программа: Разработка компьютерных технологий управления и математического моделирования в робототехнике и мехатронике

Квалификация (степень) выпускника: магистр

Форма обучения: очная


РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

МЕТОДЫ И ТЕОРИЯ ОПТИМИЗАЦИИ”

Цикл:

общенаучный




Часть цикла:

базовая




дисциплины по учебному плану:

M.1.1




Часов (всего) по учебному плану:

144




Трудоёмкость в зачётных единицах:

4

1 семестр – 4

Лекции

36 часов

1 семестр – 36

Практические занятия

36 часов

1 семестр – 36

Лабораторные работы

нет

нет

Расчётные задания, рефераты

18 часов самостоят. работы

1 семестр – 18

Объём самостоятельной работы по учебному плану (всего)

72 часа

1 семестр – 72

Экзамены

1 семестр




Курсовые проекты (работы)

нет

нет



Москва – 2011
1.
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ


Целью дисциплины является изучение теории оптимального управления и методов оптимизации, включая вопросы о системном подходе при оптимизации, выбора критерия оптимизации, учёта ограничений на управление и состояние объекта управления. Особое внимание уделяется разработке алгоритмов и компьютерных технологий управления и математического моделирования в робототехнике и мехатронике.

Дисциплина «Методы и теория оптимизации» является естественным продолжением дисциплин бакалавриата «Теория автоматического управления», «Основы мехатроники и робототехники» и её изучение предполагает должную подготовку студентов по дисциплинам «Теоретическая механика», «Высшая математика», «Информатика», «Дискретная математика», «Электронные устройства мехатронных и робототехнических систем», «Электропривод мехатронных и робототехнических устройств», «Динамика мехатронных систем». Это обусловлено задачами создания новых автоматических и автоматизированных модулей для мехатронных и робототехнических систем, обладающих максимальным быстродействием, повышенной точностью позиционирования и слежения при минимуме энергозатрат на движениях системы. Тем самым дисциплина оказывается одной из ведущих в программе подготовки магистров по мехатронике и робототехнике.

Освоение данной дисциплины вносит существенный вклад в формирование у студента следующих компетенций:

Общекультурные компетенции из ФГОС ВПО:

–способности совершенствовать и развивать свой интеллектуальный и общекультурный уровень (ОК-1);

–способности к самостоятельному обучению новым методам исследования, к изменению научного и научно-производственного профиля своей профессиональной деятельности (ОК-2);

–способности использовать на практике умения и навыки в организации исследовательских и проектных работ, в управлении коллективом (ОК-3);

– способности 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 (ОК-4).

Дополнительные общекультурные компетенции:

– способности к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей её достижения (ОК-5);

–способности иметь навыки работы с компьютером как средством получения, обработки информации (ОК-6);

– способности рассматривать постановку и решение научно-технической задачи во взаимосвязанных аспектах, включающих не только технические, но и экономические вопросы деятельности в условиях конкурентной среды общества с рыночными механизмами хозяйствования (ОК-7);

–способности использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-8);

–способности обосновывать свои рассуждения, логически верно, с привлечением убедительных аргументов и ясно строить устную и письменную речь, целенаправленно выявлять причинно-следственные связи между явлениями (ОК-11);

–способности и готовности к публичным выступлениям, аргументации, ведению дискуссии и полемики в рамках своей профессиональной компетенции (ОК-12);

–настойчивости в достижении цели, терпения и выносливости, способности критически переосмысливать накопленный опыт (ОК-13).

Профессиональные компетенции из ФГОС ВПО:

–способности демонстрировать знания фундаментальных и стыковых прикладных разделов специальных дисциплин ООП магистратуры (ПК-1);

–способности 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, расширять и углублять своё научное мировоззрение (ПК-3);

–способности совершенствовать и развивать свой интеллектуальный уровень (ПК-6);

–способности определять методами оптимального управления и математического моделирования новых алгоритмических, схемных, программных, технологических и других технических решений (ПК-8);

–способности свободно владеть и использовать в профессиональной сфере современные информационные технологии (ПК-19);

–способности использовать современные компьютерные сети, программные продукты и ресурсы Интернета для решения задач профессиональной деятельности, в том числе находящихся за пределами профильной подготовки (ПК-20);

–способности проводить анализ состояния исследуемой проблемы и определять направления (методов) исследований (ПК-22).

Дополнительные профессиональные компетенции:

– возможности анализировать и использовать новые физические эффекты и построенные на них принципы действия принципиально новых автоматизированных модулей с уникальным сочетанием характеристик (ПК-24).

Задачами дисциплины являются:

–изучение основ теории оптимального управления и процессов оптимизации в мехатронных и робототехнических автоматических системах;

–овладение методами расчёта управляющих воздействий в мехатронных и робототехнических системах, оптимальных по быстродействию, энергозатратам и другим характеристикам, с учётом ограничений на управление и состояние;

–овладение важнейшими методами решения прикладных задач в области управления робототехнических систем, включая методы оптимизации, настройки и адаптации.


2.МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП ВПО

Дисциплина относится к базовой части общенаучного цикла М.1 основной образовательной программы подготовки магистров по магистерской программе «Разработка ком­пью­тер­ных технологий управления и математического моделирования в робототехнике и мехатронике» направления 221000 «Ме­ха­троника и робототехника».

Дисциплина «Методы и теория оптимизации» базируется на следующих дисциплинах, изучаемых в бакалавриате: «Высшая математика», «Информатика», «Теоретическая механика», «Дискретная математика», «Электронные устройства мехатронных и робототехнических систем», «Электропривод мехатронных и робототехнических устройств», «Теория автоматического управления», «Основы мехатроники и робототехники», «Динамика мехатронных систем».

В результате изучения дисциплины «Методы и теория оптимизации» выпускник магистратуры овладевает важнейшими методами построения оптимальных управлений и оптимизации систем автоматического управления при различных ограничениях и внешних воздействиях, что позволяет ему успешно справляться с решением задач, возникающих в современной механике, мехатронике и робототехнике.

В рамках данной дисциплины студенты приобретают навыки построения, исследования и моделирования оптимальных процессов, а также опыт формализованного описания процессов управления, адаптации и настройки, компьютерного моделирования, что необходимо для создания новых технических систем. Дисциплина «Методы и теория оптимизации» играет значительную дидактическую роль. Её изучение способствует развитию у будущих специалистов склонности и способности к творческому мышлению, выработке системного подхода к исследуемым явлениям.

Знания, полученные по освоению дисциплины, необходимы при выполнении выпускной квалификационной работы магистра и могут использоваться в НИРС.


3.РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

В результате освоения учебной дисциплины обучающиеся должны демонстрировать следующие результаты образования:

Знать:

–основные понятия и концепции теории оптимальных процессов и математического анализа автоматических систем, порядок применения соответствующего теоретического аппарата в важнейших практических приложениях (ОК-1- 4, ПК-1,3);

–важнейшие классы и разновидности оптимальных процессов, их отличительные свойства (ПК-1,3,6);

–теоретические основы методов, применяемых при построении математических моделей оптимальных, самонастраивающихся, иерархических систем автоматического управления (ПК-8);

–методы анализа и синтеза систем автоматического управления при случайных воздействиях (ОК-8, ПК-8,19,20);

–важнейшие методы и алгоритмы решения задач оптимального оценивания и оптимальной фильтрации (ОК-8, ПК-8,19,20).

Уметь:

–строить математические модели оптимальных процессов управления и адаптации (ОК-1-4, ПК-1-3);

–находить, обобщать и анализировать информацию о системах оптимального автоматического управления, планировать ход исследования и пути достижения поставленных целей (ОК-5,6,8, ПК-8,22);

–правильно формулировать цели управления техническими системами с учетом ограничений и возмущений (ОК-5, ПК-22);

–оценивать точность системы автоматического управления (ПК-1,3);

–планировать и реализовывать решение задач анализа оптимальных систем автоматического управления, пользуясь общесистемными средствами программного назначения, современными программными продуктами и информационными технологиями, системами компьютерной математики, инструментальными средствами компьютерного моделирования (ОК-7, ПК-19,20);

–планировать и реализовывать решение задач синтеза оптимального систем автоматического управления, пользуясь системами компьютерной математики, инструментальными средствами компьютерного моделирования (ОК-7, ПК-19,20);

–разрабатывать и успешно применять, пользуясь приобретёнными при изучении автоматических систем управления (а также получаемыми самостоятельно при помощи современных информационных технологий) знаниями и методами исследования, алгоритмы решения практических задач в области мехатроники и робототехники (ОК-2,4,5, ПК-3,19,20);

–пользоваться современными информационными технологиями для совершенствования и развития своего интеллектуального, профессионального и общекультурного уровня (ОК-1,2,4,7, ПК-3,6,19,20);

–мыслить логично, аргументированно – в плане логики и содержания – обосновывать свои рассуждения, ясно и доходчиво излагать суть предлагаемых решений и получаемых результатов, представлять окончательные результаты проделанной работы в виде отчёта с его публикацией или публичной защитой (ОК-6, ПК-8).

Владеть:

–усвоенными при изучении дисциплины «Методы и теория оптимизации» основными понятиями и концепциями в области теории оптимального управления и анализа автоматических систем (ОК-5,8, ПК-1,20);

–важнейшими методами построения и исследования математических моделей оптимальных динамических процессов в технических системах (ПК-1,3,6);

–техникой синтеза оптимальных управляющих воздействий в системах автоматического управления (ПК-1,20,24);

–навыками проведения вычислительного эксперимента для исследования функционирования систем оптимального автоматического управления (ОК-6,7, ПК-20);

–навыками использования возможностей со­временных компьютеров и информационных технологий при компьютерном моделировании оптимальных процессов (ОК-7, ПК-19,20);

–навыками письменного аргументирования собственной точки зрения (ОК-6, ПК-24).
4.СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

4.1.Структура дисциплины

Общая трудоёмкость дисциплины составляет 4 зачётных единицы, 144 часа.





п/п

Раздел дисциплины.

Форма промежуточной аттестации
(по семестрам)

Всего часов на раздел

Семестр

Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и
трудоёмкость (в часах)

Формы текущего контроля

успеваемости

(по разделам)


лк

пр

лаб

сам.

1

2

3

4

5

6

7

8

9




























1

Структура, классификация оптимальных сис­тем

6

1

2

2



2

Тест на знание терминологии и критериев оптимизации

2

Методы классического вариационного исчисления. Обобщён­ная за­дача Лагранжа. Задачи Майера и Больца

18

1

6

6




6

Коллоквиум.

Контроль выполнения расчётного задания

3

Задача с ограничениями в классическом вариационном исчислении

24

1

8

8




8

Коллоквиум.

Контроль выполнения темы расчётного задания

4

Оптимизация дискрет­ных процессов управления. Стохастические задачи динамического программирования. Дискретный принцип максимума Понтрягина

26

1

10

10




6

Контроль выполнения темы расчётного задания


5

Линейное программирование. Прямая и двойственная задачи линейного программи­рования

18

1

6

6




6

Контроль выполнения темы расчётного задания

6

Нелинейное программирование. Классические методы определения экстремума функции

14

1

4

4




6

Защита всех тем расчётного задания




Зачёт

2

1







2







Экзамен

36

1







36

устный




Итого:

144




36

36



72





4.2.Содержание лекционно-практических форм обучения

4.2.1.Лекции

1. О системном подходе при оптимизации.

О критериях оптимизации. Критерий среднего квадрата ошибки. Интегральный критерий. Критерий максимального быстродействия. Критерий минимума стоимости функционирования системы в еди­ницу времени. Критерий минимума критического времени выполнения работы. Минимаксный критерий.

2. Классификация методов оптимизации.

Методы классического вариационного исчисления. Уравнение Эйлера. Условие Лежандра. Задача с подвижными концами. Условие трансверсальности. Задача на условный экстремум. Обобщённая задача Лагранжа. Задачи Майера и Больца.

3. Задача с ограничениями в классическом вариационном исчислении.

Вырожденные функционалы. Каноническая форма уравнений Эйлера. Прямые методы вариационного исчисления. Метод Ритца. Метод Эйлера (метод конечных разностей).

4. Оптимизация дискретных процессов управления

Стохастические задачи динамического программирования. Модель многошагового процесса управления. Дискретный принцип максимума Понтрягина. Решение транспортной задачи с помощью дискретного принципа максимума.

5. Линейное программирование

Математическая формулировка задачи. Рассмотрение прикладных задач. Геометрическая интерпретация задач линейного программирования. Решение задач линейного программирования симплекс-методом. Формализованная симплекс-таблица. Прямая и двойственная задачи линейного программирования.

6. Нелинейное программирование

Классификация методов нелинейного программирования. Особенности задач нелинейного программирования. Классические методы определения экстремума функции. Задача на абсолютный экстремум. Задача на условный экстремум. Минимаксная трактовка задачи на условный экстремум функции. Выпуклое программирование. Теорема Куна – Таккера. Квадратичное программирование. Градиентные методы.

4.2.2.Практические занятия

1.Системный подход при оптимизации. Анализ исходной информации инновационного проекта и составление содержательной части технического задания на разработку и проектирование мехатронной и робототехнической системы конкретного назначения и исполнения.

2.Применение методов классического вариационного исчисления для решения задач оптимального управления и оценивания в конкретных технических системах: мобильных, локомоционных роботах, вибрационных микромеханических гироскопах.

3.Применение методов линейного и нелинейного программирования для решения прикладных задач по регламенту робототехнических соревнований и стендовых испытаний мехатронной и робототехнической системы.


4.3.Лабораторные работы

Лабораторные работы учебным планом не предусмотрены.


4.4.Расчётные задания

Индивидуальные задания сформулированы для решения практических прикладных задач, направленных на разработку систем управления мехатронных модулей (микромеханических гироскопов и акселерометров), робототехнических комплексов (мобильные, локомоционные роботы).

1.Разработка технического задания на проектирование мехатронной или робототехнической системы конкретного назначения и исполнения.

2.Применение методов классического вариационного исчисления, методов динамического программирования для построения оптимального по быстродействию, энергозатратам управления мехатронной и робототехнической системой.

Конкретные виды заданий по перечисленным выше темам строго индивидуальны и приведены в учебно-методическом комплексе дисциплины.

4.5. Курсовые проекты и курсовые работы

Не предусмотрены.

5.ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Лекционные занятия проводятся в форме, сочетающей традиционную манеру изложения материала и интерактивное обсуждение тех мест курса, которые относительно трудны для понимания.

Практические занятия проводятся в традиционной форме и включают как решение индивидуальных задач (с использованием компьютеров), так и разбор решений преподавателем.

Самостоятельная работа включает: повторение студентом изложенного на лекциях и закреплённого на практических занятиях учебного материала, решение задач по тематическим разделам дисциплины, выполнение индивидуальных расчётных заданий, подготовку к тестам, зачёту и экзамену. При отработке студентами навыков, полученных на аудиторных занятиях, выполнении расчётного задания и курсовой работы, решении индивидуальных задач, оформлении результатов экспериментов, выполненных в ходе проведения лабораторных работ предусматривается использование пакетов MathCAD, Simulink, Maple и Mathematica.

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

Для текущего контроля используются: устный опрос, тесты проверки знаний при проведении практических занятий, контроль хода выполнения и защиты расчётного задания.

Аттестация по дисциплине: зачёт, экзамен.

Оценка за освоение дисциплины определяется как оценка на экзамене.

В приложение к диплому выносится оценка экзамена за первый семестр.
7.УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

7.1.Литература:

а)основная литература:

1.Александров В.В., Болтянский В.Г., Лемак С.С., Парусников Н.И., Тихомиров В.М. Оптимизация динамики управляемых систем. М.: Изд-во МГУ, 2000. 182 .

2.Афанасьев В.Н., Колмановский В.Б., Носов В.Р. Математическая теория конструирования систем управления. М.: Высшая школа, 1989. 448 .

3.Пупков К.А., Воронов Е.М., Корнюшин Ю.П. Методы классической и современной теории автоматического управления. Т.2: Статистическая динамика и идентификация систем автоматического управления. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2004. 640 .

4.Квакернаак Х., Сиван Р. Линейные оптимальные системы управления. М.: Мир, 1977. 652 .

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

б) дополнительная литература:

6.Амосов А.А., Дубинский Ю.А., Копчёнова Н.В. Вычислительные методы. М.: Издательский дом МЭИ, 2008. 672 .

7.Форсайт , М., К. Машинные методы математических вычислений. М.: Мир, 1980. 280 .

8.Каханер Д., Моулер К., Нэш С. Численные методы и программное обеспечение. М.: Мир, 2001. 575 .

9.Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация. М.: Мир, 1985. 509 .

10.Деннис Дж., Шнабель Р. Численные методы безусловной оптимизации и решения нелинейных уравнений. М.: Мир, 1988. 440 .

11.Поляк Б.Т., Щербаков П.С. Робастная устойчивость и управление. М.: Физматлит, 2002. 304 .

12.Небылов А.В. Гарантирование точности управления. М.: Наука. Физматлит, 1998. 304 .

13.Алексеев В.М., Тихомиров В.М., Фомин С.В. Оптимальное управление. М.: Наука, 1979. 402 .

14.Евтушенко Ю.Г. Методы решения экстремальных задач и их применение в системах оптимизации. М.: Наука, 1982. 432 .Шумилов И.С. Системы управления рулями самолётов: учеб. пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009.

15.Парусников Н.А., Морозов В.М., Борзов В.И. Задача коррекции в инерциальной навигации. М.: Изд-во МГУ, 1982. 174 .

16.Александров В.В., Злочевский С.И., Лемак С.С., Парусников Н.И. Введение в динамику управляемых систем. М.: Изд-во МГУ, 1993. 182 .

17.Басараб М.А., Кравченко В.Ф., Матвеев В.А. Математическое моделирование физических процессов в гироскопии. М.: Радиотехника, 2005. 176 .

18.Распопов В.Я. Микромеханические приборы: Учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. Тула.: Гриф и К, 2004. 476 с.

19.Фрадков А.Л. Кибернетическая физика. Спб.: Наука, 2003. 207 .

20.Дьяконов В., Круглов В. Matlab. Анализ, идентификация и моделирование систем / Специальный справочник. Спб.: Наука, 2002.
7.2.Электронные образовательные ресурсы:

а)лицензионное программное обеспечение и Интернет-ресурсы:

Сайт в Интернете: https://sites.google.com/site/ctmechanics/ (компьютерные технологии в механике, примеры использования пакета Математика для автоматизированного вывода уравнений движения и анализа механических систем).

б)другие: нет.

8.МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Для обеспечения освоения теоретических основ дисциплины необходимо наличие учебных аудиторий, оснащённых мультимедийным компьютерным оборудованием. Для проведения практических занятий необходима специализированная учебная лаборатория.

Для выполнения расчётного задания требуется наличие компьютерных классов с надлежащим программным обеспечением.

Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО по направлению подготовки 221000 “Мехатроника и робототехника”.

ПРОГРАММУ СОСТАВИЛ:

д.т.н., профессор Меркурьев И.В.
СОГЛАСОВАНО:

Зав. кафедрой теоретической механики и мехатроники

д.т.н., профессор Меркурьев И.В.


Похожие:

Рабочая программа учебной дисциплины \" методы и теория оптимизации\" Цикл: общенаучный iconРабочая программа учебной дисциплины «дополнительные главы математики» Цикл: общенаучный цикл
По завершению освоения данной дисциплины выпускник должен обладать следующими компетенциями
Рабочая программа учебной дисциплины \" методы и теория оптимизации\" Цикл: общенаучный iconРабочая программа дисциплины Теория игр и исследование операций Направление подготовки
Математический и естественнонаучный цикл) ооп, дисциплин "Дискретная математика", Теория вероятностей и математическая статистика",...
Рабочая программа учебной дисциплины \" методы и теория оптимизации\" Цикл: общенаучный iconРабочая программа учебной дисциплины " численные методы оптимизации систем управления" Цикл
Профиль(и) подготовки: Автоматизация технологических процессов в теплоэнергетике
Рабочая программа учебной дисциплины \" методы и теория оптимизации\" Цикл: общенаучный iconРабочая программа учебной дисциплины " Приборы и техника эксперимента " Цикл: общенаучный
Магистерская программа: Прикладная физика плазмы и управляемый термоядерный синтез
Рабочая программа учебной дисциплины \" методы и теория оптимизации\" Цикл: общенаучный iconРабочая программа учебной дисциплины "оптимальное проектирование" Цикл: общенаучный
...
Рабочая программа учебной дисциплины \" методы и теория оптимизации\" Цикл: общенаучный iconРабочая программа дисциплины философские проблемы науки и техники общенаучный цикл, базовая часть Направление подготовки

Рабочая программа учебной дисциплины \" методы и теория оптимизации\" Цикл: общенаучный iconРабочая программа учебной дисциплины «Методы оптимизации (доп главы)»
Цель преподавания дисциплины – приобретение студентами знаний о современных методах вариационного исчисления и его применении для...
Рабочая программа учебной дисциплины \" методы и теория оптимизации\" Цикл: общенаучный iconРабочая программа учебной дисциплины " теория вероятностей и основы математической статистики" Цикл
...
Рабочая программа учебной дисциплины \" методы и теория оптимизации\" Цикл: общенаучный iconРабочая программа учебной дисциплины "численные методы моделирования" Цикл
Целью дисциплины является изучение численных методов решения задач тепломассообмена применительно к процессам, протекающим в элементах...
Рабочая программа учебной дисциплины \" методы и теория оптимизации\" Цикл: общенаучный iconРабочая программа учебной дисциплины " прикладные методы теории колебаний" Цикл
Профили подготовки: Компьютерные технологии управления в робототехнике и мехатронике
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org