159
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»
Математическое моделирование в автоматизации и управлении
Методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 15.04.04 – Автоматизация технологических
процессов и производств
Воронеж 2016
2
УДК 519.87
Математическое моделирование в автоматизации и управлении: методи- ческие указания для самостоятельной работы студентов по направлению
подготовки 15.04.04 – Автоматизация технологических процессов и производств для очной формы обучения / А.В. Стариков; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2016. – 8 с.
Печатается по решению редакционно-издательского совета ВГЛТУ
Рецензент: заведующий кафедрой электротехники и автоматики ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I», доктор технических наук, профессор Афоничев Д.Н.
3
Введение
Учебный план по направлению подготовки магистра 15.04.04 – «Автома- тизация технологических процессов и производств» включает изучение дисци- плины «Математическое моделирование в автоматизации и управлении» в те- чение 1-го семестра в объёме 108 часов, из которых 18 часов отводится для лекционных занятий, 18 часов − для лабораторных занятий, 36 часов − для са- мостоятельной работы студентов, 36 часов − для подготовки к итоговому кон- тролю. Итоговый контроль осуществляется в виде сдачи экзамена.
Рабочая программа дисциплины определяет в качестве основной цели −
приобретение обучающимся заданных дисциплинарных компетенций в области разработки и исследования математических моделей объектов и систем автома- тизации и управления.
Для достижения данной цели в ходе изучения дисциплины решаются сле- дующие задачи:
∙изучение общих подходов, основных методов математического моде- лирования объектов и систем управления, типовых методик анализа и моделирования технических объектов, технологических процессов и систем их управления;
∙формирование умений систематизации информации об объектах и сис- темах управления, осуществления выбора наиболее подходящего мето- да математического описания объекта и системы управления, опти-
мального выбора программных средств для моделирования объектов и систем управления;
∙овладение методикой исследования математических моделей техниче- ских объектов, технологических процессов и систем управления, ис- пользования типовых аппаратных и программных средств моделирова- ния объектов и систем управления.
В результате освоения дисциплины «Математическое моделирование в автоматизации и управлении» обучающийся должен:
∙знать: теоретические основы моделирования как научного метода; ос- новные понятия и определения математического моделирования; этапы математического моделирования объектов и систем управления; основ- ные способы математического описания объектов и систем управления; способы преобразования и упрощения математических моделей; ос-
новные методы синтеза систем управления и базовые алгоритмы управления; основные принципы экспериментального исследования математических моделей объектов и систем управления с использова-
нием соответствующих программных средств моделирования
(MathCad, Matlab Simulink, VisSim, Microsoft Excel и другие);
∙уметь: систематизировать информацию об объекте управления; выби- рать класс математической модели и метод исследования модели; вы- бирать способ построения математической модели и метод исследова- ния модели; уметь поставить задачу синтеза системы управления; ис-
4
пользовать соответствующие программные средства для моделирова- ния и исследования объектов и систем управления; осуществлять вы-
бор аппаратных и программных средств для моделирования объектов и систем управления;
∙владеть: методикой построения алгоритмов формализации задач мате- матического моделирования объектов и систем управления; приемами и способами построения и исследования математических моделей ти- повых технологических процессов; типовыми программными средст- вами, используемыми при моделировании динамических объектов и систем управления.
1 Содержание учебной дисциплины
В соответствии с рабочей программой освоение дисциплины «Математи- ческое моделирование в автоматизации и управлении» предусматривает изуче- ние следующих разделов (тем) и вопросов, входящих в их состав:
Раздел 1. Основы теории моделирования технических объектов и систем. Основные понятия и определения моделирования. Цели и принци- пы моделирования. Аксиомы теории моделирования. Классификация видов мо- делирования и моделей. Математическое моделирование технических объектов и систем. Этапы математического моделирования. Понятие математической модели. Структура математической модели. Свойства математических моделей.
Раздел 2. Структурное моделирование объектов и систем автомати-
зации и управления. Общая характеристика и основные понятия структурного моделирования объектов и систем автоматизации и управления. Структурное моделирование динамических звеньев и систем управления. Типовые структу- ры динамических звеньев. Структурные модели и передаточные функции объ- ектов управления. Правила преобразования структурных моделей. Применение
теории графов для определения передаточных функций объектов и систем управления.
Раздел 3. Математическое моделирование динамики объектов и сис-
тем автоматизации и управления. Общая характеристика и основные понятия математического моделирования динамических систем. Примеры математиче- ских моделей динамических систем. Аналитические методы определения диф- ференциальных уравнений технологических процессов и объектов. Способы решения дифференциальных уравнений для автоматических систем с различ- ными законами регулирования (на примере систем с пропорциональными и пропорционально-интегральными регуляторами).
Раздел 4. Математическое моделирование стационарных режимов технологических процессов и объектов. Общая характеристика и классифи-
кация математических моделей стационарных режимов объектов управления. Аналитический метод математического описания объектов управления. Экспе-
риментальный метод получения моделей стационарных режимов объектов управления. Планирование и проведение экспериментов. Первичная обработка
5
экспериментальных данных. Построение регрессионной модели. Статистиче- ский анализ уравнения регрессии. Математическое моделирование стационар-
ных режимов технологических объектов многокритериального компьютерного управления.
Раздел 5. Математическое моделирование систем организационно-
экономического управления. Общая характеристика и особенности математи- ческого моделирования систем организационно-экономического управления. Моделирование человеко-машинной системы. Моделирование многошаговых процессов производства и распределения. Моделирование размещения произ- водств. Модель задачи о коммивояжёре. Модель задачи о назначениях. Модель задачи о перевозках с промежуточными пунктами. Модель задачи о распреде- лении поставок. Модели теории игр. Понятие о микро- и макромоделировании экономических систем.
Всоответствии с рабочей программой дисциплины «Математическое моделирование в автоматизации и управлении» предусматривается следую-
щая тематика лабораторных работ:
1. Моделирование типовых динамических звеньев (2 часа).
2. Моделирование объектов, охваченных жёсткими обратными связями
(2 часа).
3. Моделирование объектов, охваченных инерционными жёсткими об- ратными связями (2 часа).
4. Решение дифференциальных уравнений для автоматических систем с различными законами регулирования (4 часа).
5. Построение и статистический анализ регрессионной модели (4 часа). 6. Моделирование задач производства и распределения (4 часа).
Всоответствии с учебным планом на самостоятельную работу студента предусматривается более 50 % общего времени, отводимого на изучение дис- циплины. При этом одну часть времени, планируемого для самостоятельной ра- боты, предполагается использовать для самостоятельного изучения отдельных
вопросов лекционного курса, другую − для выполнения индивидуальных зада- ний при подготовке к практическим занятиям, третью − для подготовки к ито- говому контролю (сдаче экзамена).
2 Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы
При осуществлении самостоятельной работы студент должен руково- дствоваться указаниями преподавателя, данными методическими указаниями, материалами конспекта лекций, рекомендованной основной и дополнительной учебной литературой, включая электронные источники информации.
Ниже приведен перечень основной и дополнительной литературы, имеющейся в учебной библиотеке ВГЛТУ, а также представленной в ЭБС «Единое окно доступа к образовательным ресурсам», ЭБС «Знаниум».
6
Основная литература
1.Петровский, В. С. Моделирование систем : доп. УМО вузов по образо- ванию в обл. автоматизир. машиностр. в качестве учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений [Текст] : учеб. пособ. / В. С. Петровский. – Воронеж: ВГЛТА, 2010. – 371 с. ; Электронная версия в ЭБС ВГЛТУ.
2.Тимохин, А. Н. Моделирование систем управления с применением MatLab [Электронный ресурс] : учеб. пособие / А. Н. Тимохин, Ю. Д. Румянцев
;под ред. А. Н. Тимохина. – М. : ИНФРА-М, 2016. – 256 с. ; ЭБС «Знаниум».
Дополнительная литература
1.Чикуров, Н. Г. Моделирование систем и процессов [Электронный ре- сурс]: доп. УМО вузов по образованию в обл. автоматизир. машиностроения (УМО АМ) в качестве учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений, обу- чающихся направлению подгот. «Автоматизация технол. процессов и произ- водств (машиностроение)» / Н. Г. Чикуров. – М. : РИОР: ИНФРА-М, 2013. – 398 с. ; ЭБС «Знаниум».
2.Моделирование систем : учеб. пособие / И. А. Елизаров, Ю. Ф. Мар- темьянов, А. Г. Схиртладзе, А. А. Третьяков. – Тамбов : Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2011. – 96 с. ; ЭБС «Единое окно доступа к образовательным ресур- сам».
3.Самарский, А. А. Математическое моделирование / А. А. Самарский, А. П. Михайлов. – М. : Наука. Физматлит, 1997. – 320 с. ; ЭБС «Единое окно доступа к образовательным ресурсам».
Для качественного освоения дисциплины, возможно, потребуются сле- дующие ресурсы информационно-телекоммуникационной сети «Интернет»:
∙ЭБС «Единое окно доступа к образовательным ресурсам»: http://window.edu.ru;
∙журнал «Математическое моделирование» (Институт математического моделирования РАН) − http://www.imamod.ru/journal/;
∙журнал «Математическое моделирование и численные методы»
(МГТУ им. Н.Э. Баумана) − http://mmcm.bmstu.ru/;
∙журнал «Автоматика и телемеханика» − http://ait.mtas.ru.
Поскольку лекции читаются не в полном объёме дисциплины, обучаю- щимся на самостоятельное изучение выносится ряд тем (табл. 1). Преподава-
тель сообщает обучающимся общее содержание и организует контроль знаний по заявленным темам.
|
|
Таблица 1 |
№ п/п |
Тема самостоятельной работы |
Номер источника |
1 |
2 |
3 |
|
Классификация видов моделирования и моде- |
1 (С. 10-19), 1 (доп.) |
1 |
лей. Математическое моделирование техниче- |
|
ских объектов и систем. Основные положения |
|
|
|
|
|
|
теории подобия. |
|
7
|
|
Окончание табл. 1 |
|
Применение теории графов для определения |
1 (С. 72-76), 1 (доп.) |
2 |
передаточных функций объектов и систем |
|
|
управления. |
|
3 |
Математическое моделирование динамики объ- |
1 (С. 88-113) |
ектов и систем автоматизации и управления. |
|
|
|
|
|
|
Математическое моделирование стационарных |
1 (С. 114-143) |
4 |
режимов технологических процессов и объек- |
|
|
тов. |
|
5 |
Математическое моделирование систем органи- |
1 (С. 144-180) |
зационно-экономического управления. |
|
|
|
|
Проверка качества освоения разделов (тем) дисциплины осуществляется
посредством текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации обучающихся. Результаты текущего контроля отражаются в баллах модульно- рейтинговой системы оценки знаний.
После завершения лекционного курса и выполнения лабораторного прак- тикума обучающийся допускается к сдаче экзамена по дисциплине «Математи- ческое моделирование в автоматизации и управлении». Процедура проведения экзамена по дисциплине закреплена в Положении о текущем контроле успе- ваемости и промежуточной аттестации обучающихся ФГБОУ ВО «ВГЛТУ».
8
Стариков Александр Вениаминович
Математическое моделирование в автоматизации и управлении
Методические указания для самостоятельной работы по направлению подготовки магистра 15.04.04 – «Автоматизация технологических процессов и
производств» для очной формы обучения
Редактор С.Ю. Крохотина
Подписано в печать |
Формат бумаги |
Заказ |
|||
Объем |
п.л. |
Усл. п.л. |
Уч-изд. л. |
Тираж |
|
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»