5.1.3. Методы получения математических моделей

ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»
Согласовано
Утверждаю
_______________________
Руководитель ООП
по направлению 220700
доц. А.А. Кульчицкий
______________________
Зав. кафедрой АТПП
доц. А.А. Кульчицкий
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
«МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ И СИСТЕМ»
Направление подготовки:
220700 Автоматизация технологических процессов и производств
Профиль подготовки:
Автоматизация технологических процессов и производств в МАШИНОСТРОЕНИИ
Квалификация (степень) выпускника: бакалавр
Форма обучения: очная
Составители:
каф. АТПП доц. Е.А. Кожевников
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2012
1. Цели и задачи дисциплины:
Цель дисциплины “Моделирование процессов и систем” – изучение теоретических
основ и приобретение практических навыков использования вычислительной техники для
проверки научных гипотез, анализа функционирования при проектировании, управлении
техническими и социальными объектами на основе методов моделирования.
Дисциплина предназначена для подготовки студентов-бакалавров по направлению
220700 “Автоматизация технологических процессов и производств”.
В результате изучения дисциплины студенты должны:
-знать основные методы моделирования систем, современные технические средства и их программное обеспечение для решения задач моделирования;
-уметь производить анализ исходной задачи осуществлять оценку необходимости
решения задачи методом моделирования, приводить исходную модель к виду, удобному
для моделирования, применять известные методы для идентификации математических
моделей;
-иметь представление о современных тенденциях развития изучаемых технических средств и методов моделирования
Место дисциплины в структуре ООП:
Дисциплина “Моделирование процессов и систем ” относится к дисциплинам базовой части профессионального цикла.
Для изучения этой дисциплины необходимы:
- знания основ высшей и вычислительной математики;
- знания информатики;
-иметь навыки работы на ПК, уметь использовать современные программные комплексы (Матлаб, МВТУ и др) для решения практических задач, иметь представление и
навыки разработки программного обеспечения для решения конкретных задач с использованием языков высокого уровня.
Эти знания и умения формируются у студентов в результате изучения следующих
дисциплин: «Высшая математика», «Численные методы в задачах автоматизации», «Информационные технологии», «Программирование и алгоритмизация», «Теория автоматического управления», «Технические измерения и приборы», «Технические средства автоматизации», «Микроконтроллеры и микропроцессоры».
Материалы дисциплины используются при изучении таких дисциплин, как «Автоматизация технологических процессов (по отраслям)», «Автоматизированные системы управления технологическими процессами (по отраслям)», «Проектирование автоматизированных систем», «Диагностика и надежность автоматизированных систем»,
а также при курсовом проектировании и выполнении выпускной квалификационной работы.
2. Требования к результатам освоения дисциплины:
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:
-способен участвовать в мероприятиях по контролю соответствия разрабатываемых
проектов и технической документации действующим стандартам, техническим условиям
и другим нормативным (ПК14)
-способен проводить диагностику состояния и динамики производственных объектов
производств с использованием необходимых методов и средств анализа (ПК16)
-способен участвовать в разработке математических и физических моделей процессов и производственных объектов (ПК17)
В результате изучения дисциплины студенты должны:
-знать основные методы моделирования систем, современные технические средства и их программное обеспечение для решения задач моделирования;
-уметь производить анализ исходной задачи осуществлять оценку необходимости
решения задачи методом моделирования, приводить исходную модель к виду, удобному
для моделирования, разрабатывать программы для решения конкретных задач моделирования применять известные методы для идентификации математических моделей;
-иметь представление о современных тенденциях развития изучаемых технических
средств и методов моделирования.
Владеть:
 современными инструментами моделирования.
 4. Объем дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины составляет 5 зачетных единиц.
Вид учебной работы
Аудиторные занятия (всего)
В том числе:
Лекции
Практические занятия (ПЗ)
Семинары (С)
Лабораторные работы (ЛР)
Самостоятельная работа (всего)
В том числе:
Самостоятельное изучение ПК МВТУ при моделировании
Другие виды самостоятельной работы
Подготовка к лабораторным работам
Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен)
Общая трудоемкость
час
зач. ед.
Всего часов
54
18
Семестры
7
54
18
36
90
20
36
90
20
20
50
144
5
20
Зачет/экзамен (25/25)
144
5
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
5.1.1. Моделирование, основные понятия и определения
Роль и место современных средств вычислительной техники в исследовании физических
и социальных процессов, проектировании, управлении социальными и техническими системами. Общая характеристика средств вычислительной техники и других технических
средств, применяемых при проектировании и исследовании современных систем. Общая
характеристика задач, возникающих при проектировании и управлении современными
техническими и социальными системами.
Понятие моделирования, модели. Виды моделирования, виды моделей. Классификация моделей. Математическое моделирование, математические модели. Формы представления математических моделей. Структурные схемы и методы их преобразования.
Теорема Мейсона. Модели в виде уравнений состояния, векторно-матричные формы
представления математических моделей динамики систем. Понятие о моделях случайных
возмущений и помех. Связь между различными формами представления математических
моделей. Основные понятия теории подобия. Виды подобия.
.
5.1.2. Численные методы моделирования динамических систем
Суть моделирования динамических систем. Численные методы решения дифференциальных уравнений. Явные, неявные методы. Одношаговые, многошаговые методы
решения дифференциальных уравнений. Понятие о методах решения «жестких» систем
дифференциальных уравнений. Погрешности численных методов решения дифференциальных уравнений. Анализ погрешностей для конкретных методов моделирования. Выбор
шага и метода моделирования. Матричные методы решения дифференциальных уравнений, Сравнительная оценка классических и матричных методов.
5.1.3. Методы получения математических моделей
Требования, предъявляемые к математическим моделям. Теоретические методы
получения (идентификации) математических моделей. Экспериментальные и комбинированные методы. Сравнительная характеристика методов идентификации. Применение
уравнения Лагранжа для построения математических моделей. Методы параметрической
идентификации математических моделей. Оценка параметров модели по переходной
функции. Априорный метод моментов. Параметрическая идентификация на основе “адаптивной модели”. Методы идентификации статических моделей, применение методов планирования эксперимента. Математические модели типовых элементов электромеханических систем.
Упрощение математических моделей. Цель и методы упрощения. Исключение
звеньев. Декомпозиция. Разделение движений.
Общая характеристика и особенности методов идентификации при действии случайных возмущений и помех.
5.1.4. Особенности моделирования электромеханических систем
Формы представления исходной модели при цифровом моделировании. Уравнения
состояния, как основная форма представления моделей динамических систем. Приведение
модели к виду удобному для моделирования. Основные методы численного решения
дифференциальных уравнений, применяемых при моделировании. Основные принципы
выбора метода и шага моделирования. Особенности выбора метода при наличии разрывных нелинейностей. Моделирование динамики типовых звеньев. Моделирование кусочнолинейных функций и типовых нелинейных звеньев. Моделирование неоднозначных нелинейностей (типа петля гистерезиса). Моделирование линейных и нелинейных многомерных электромеханических систем. Применение матричных методов для моделирования линейных систем и систем, содержащих типовые нелинейности. Примеры постановки
эксперимента для исследования типовых промышленных электромеханических систем
методом моделирования.
Использование методов моделирования при решении задач управления в реальном
времени. Прогнозирующие модели, требования к ним.
5.1.5. Понятие о статистическом моделировании
Учет взаимодействия объекта моделирования со средой. Границы применения детерминированных методов. Основные статистические характеристики физических процессов. Постановка задачи статистического моделирования систем. Методы и алгоритмы
моделирования случайных процессов с заданными статистическими характеристиками.
Методы обработки результатов моделирования. Особенности полунатурного моделирования систем.
5.2 Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами
№ Наименование обеспечиваемых
п/п (последующих) дисциплин
1.
2.
№ № разделов данной дисциплины, необходимых для
изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин
Автоматизация технологических
процессов
Автоматизированные системы
управления технологических
процессов
4
+
5
+
6
+
7
+
8
+
+
+
+
+
+
5.3. Разделы дисциплин и виды занятий
№
п/п
Наименование раздела дисциплины
Лекц.
1.
Моделирование, основные понятия и определения
Численные методы моделирования динамических систем
Методы получения математических моделей
Особенности моделирования электромеханических систем
Понятие о статистическом моделировании
4
2.
3.
4.
5.
Лаб.
зан.
Практические
СРС
Всего
час.
2
4
4
4
16
4
4
2
6
2
6
8
22
2
6
4
20
6. Лабораторный практикум
№
п/п
1.
2.
3.
№ раздела дисциплины
5.1.1., 5.1.2.
5.1.1.,5.1.4.
5.1.1.,
5.1.2.,5.1.4
5.1.3., 5.1.4
Наименование лабораторных работ
Моделирование типовых звеньев и их соединений с
использованием языков программирования высокого уровня
Моделирование динамики систем с использованием специализированного программного обеспечения
Моделирование динамики типовых звеньев и
их соединений в среде МВТУ
Моделирование динамики замкнутых линейных
Трудоемкость
(час.)
12
4
4
8
систем
4.
5.1.3.
5.1.3
Идентификация динамической модели объекта
управления
Идентификация статической модели объекта
управления
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
а) основная литература:
4
4
1. Тарасик В.П. Математическое моделирование технических систем. Учебник для
вузов. Дизайн Про 2004
2. Козлов О.С., Кондаков Д.Е., Скворцов Л.М. и др. Программный комплекс для исследования динамики и проектирования технических систем // Информационные
технологии. 2005.
3. Ещин Е.К. Моделирование систем управления электромеханическими объектами.
КузГТУ, Кемерово, 2001.
б) дополнительная литература:
4. Карташов Б.А., Карташов А.Б., Козлов О.С. и др. Практикум по автоматике. Математическое моделирование систем автоматического регулирования. М.: КолосС, 2004.
в) программное обеспечение:
Программный комплекс ПК МВТУ. Дистрибутив учебной версии 3.7 с необходимыми
компонентами и примерами (полный, бесплатный) можно скачать на сайте МВТУ им. Баумана http://mvtu.power.bmstu.ru
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины:
Выполнение лабораторных работ по проектированию проводятся в дисплейных
классах.
Для завершения выполнения работ и оформления отчетов используются компьютеры кафедрального вычислительного центра (аудитория - 6502)
9. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины:
Лабораторные работы выполняются после изучения соответствующих разделов
лекционного курса и рекомендуемой литературы. При оформлении отчетов по лабораторным работам в обязательном порядке должны быть представлены ответы на предлагаемые в методических указаниях вопросы.
Разработчики:
Горный институт
доцент кафедры АТПП
Е.А. Кожевников
Эксперты:
____________________
(место работы)
___________________
(занимаемая должность)
_________________________
(инициалы, фамилия)
____________________
(место работы)
___________________
(занимаемая должность)
_________________________
(инициалы, фамилия)