711

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова»

ВИРТУАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБЪЕКТОВ И СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ ОТРАСЛИ

Методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 15.04.04 - Автоматизация технологических

процессов и производств

Воронеж, 2016

УДК 658.5.011.56

Поляков, С. И. Виртуальное моделирование объектов и систем управления отрасли [Текст]: метод. указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 15.04.04 - Автоматизация технологических процессов и производств / С. И. Поляков; Мин-во обр-я и науки Рос. Фед.,

ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2016. 18 с.

Печатается по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВО «ВГЛТУ».

Рецензент: профессор кафедры автоматизации технологических процессов и производств Воронежского государственного архитектурно-

строительного университета В.И. Акимов

2

проведению самостоятельной работы студентов составлены в соответствии с содержанием рабочей программы настоящей учебной дисциплины.

При формировании у студентов навыков самостоятельной работы,

необходимо иметь в виду две тесно связанные между собой задачи. Первая состоит в том, чтобы развивать у студентов самостоятельность в познавательной деятельности, то есть научить их самостоятельно овладевать знаниями. Вторая задача заключается в том, чтобы научить студентов самостоятельно применять знания в учении и практической деятельности.

Под самостоятельной работой студентов понимается такая работа,

которую они выполняют без непосредственного участия преподавателя, но по его заданию, под его наблюдением и руководством, в специально предоставленное для этого время. Самостоятельная работа предполагает активные умственные действия студентов, связанные с поисками наиболее рациональных способов выполнения предложенных преподавателем заданий,

с анализом результатов работы.

Самостоятельная подготовка студентов предполагает следующие виды и формы работы: конспектирование лекций, самостоятельное изучение материала с помощью учебников и учебных пособий, написание и защита реферата, доклада; подготовка к сообщению или беседе на практическом занятии, исследовательская работа, подготовка презентаций, выполнение домашних экспериментов, самостоятельных (индивидуальных) заданий,

систематическая работа со справочными материалами, с таблицами, схемами;

подготовка к промежуточной аттестации, зачету и экзамену.

По основной дидактической цели названные виды самостоятельной работы можно подразделить на три группы: работы по приобретению новых знаний, работы по формированию умений и навыков, работы по применению знаний, умений и навыков. Указанные группы работ тесно связаны между

3

собой. Эта связь обусловлена тем, что одни и те же средства могут быть использованы для решения различных дидактических задач. Например, с

помощью лабораторно - практических работ достигается формирование умений и навыков, приобретение некоторых новых знаний, а также применение ранее полученных знаний.

Содержание самостоятельной работы на каждом этапе должно быть посильным для студентов.

Чтобы самостоятельная работа способствовала формированию инициативы и познавательных способностей учащихся, нужно предлагать такие задания, выполнение которых не допускало бы действий по готовым рецептам и шаблону. Только тогда будет достигнут нужный результат.

Методические указания призваны помочь студентам правильно организовать самостоятельную работу и рационально использовать свое время при овладении содержанием настоящей дисциплины, практическими умениями и навыками.

Самостоятельная работа направлена на освоение студентами следующих практических умений и знаний согласно требованиям рабочей программы учебной дисциплины:

– знать: методы моделирования и критерии подобия, структуру эксперимента и форму представления результатов, виды динамических моделей объектов и средства их компьютерной реализации, модели сигналов в частотной/временной областях их описания, современные принципы управления, методы и средства анализа и синтеза непрерывных/дискретных,

линейных/нелинейных, стохастических систем управления, способы идентификации и построения моделей технологических объектов,

современное программное обеспечение систем управления;

– уметь: пользоваться методом аналогий и представления моделей в критериальной форме, обосновать схему и параметры автоматизированного сбора данных с использованием компьютерных технологий, проводить анализ экспериментальных данных, разрабатывать математические модели

4

процессов и объектов, осуществлять анализ и синтез систем управления с помощью современных пакетов прикладных программ.

– владеть: методами и средствами обработки результатов измерений,

способами формализации объектов предметной области; методами научного поиска, навыками реализации современных методов и алгоритмов идентификации объектов и их автоматического управления.

Методические указания по организации и проведению самостоятельной работы студентов могут быть использованы преподавателями на учебных занятиях по данной дисциплине, студентами при освоении дисциплины.

Методические указания руководства самостоятельной работой студентов:

Четко ставить задачу предстоящей самостоятельной работы.

Добиваться, чтобы студенты выполняли самостоятельную работу осознанно, то есть ясно представляли теоретические основы выполняемых действий.

Вовремя предупреждать студентов о типичных ошибках и возможных способах их избегания.

Оказывать студентам помощь, не вмешиваясь в их работу без необходимости.

При допущении студентами ошибок подводить их к осознанию и пониманию сути и причин ошибок, с тем чтобы студенты самостоятельно нашли способ их предупреждения и устранения.

Практиковать промежуточный контроль хода и результатов самостоятельной работы студентов.

Рационально распределять задания самостоятельной работы по сложности с учетом индивидуальных особенностей и способностей студентов.

Стимулировать и поощрять проявления творческого подхода студентов к выполнению заданий.

Умело сочетать индивидуальную и коллективную работу студентов.

5

При оценке хода и итогов самостоятельной работы студентов исходить из положительных моментов в их работе.

Постоянно практиковать в ходе самостоятельной работы обращение студентов к разным источникам информации.

Методические рекомендации для студентов при выполнении самостоятельной работы:

1.Внимательно прочитайте материал по конспекту, составленному на учебном занятии при изложении материала преподавателем.

2. Прочитайте тот же материал по учебнику, учебному пособию.

3.Постарайтесь разобраться с непонятным, в частности новыми терминами. Часто незнание терминологии мешает студентам воспринимать материал на теоретических и лабораторно - практических занятиях на должном уровне.

4.Составьте план прочитанного, то есть объедините главные мысли в единое целое.

5.Ответьте на контрольные вопросы для самопроверки, имеющиеся в учебнике или предложенные преподавателем.

6.Кратко перескажите содержание изученного материала «своими словами».

7.Заучите «рабочие определения» основных понятий, законов.

8.Освоив теоретический материал, приступайте к выполнению заданий, упражнений; решению задач, расчетов самостоятельной работы;

составлению графиков, таблиц.

1. Содержание разделов дисциплины

Раздел 1. Общие вопросы моделирования.

Понятие модели. Классификационные признаки. Задачи и методы моделирования. Принцип системного подхода. Виды подобия. Масштабы процессов и параметров систем. Константы, индикаторы, критерии подобия,

6

критериальные зависимости. Способы получения критериев подобия: метод анализа размерностей, метод интегральных аналогов, метод нормализации уравнений. Основные критерии подобия механики, термодинамики,

гидродинамики и аэродинамики. Критерии подобия электрических цепей и электромагнитных полей. Способы построения подобных и дуальных цепей.

Структурные модели-аналоги и их реализация в среде Simulink-MatLab.

Электрические аналоги магнитных, тепловых, гидродинамических процессов. Примеры построения моделей объектов управления методом аналогий.

Раздел 2. Математические и компьютерные модели основных элементов автоматизированных электротехнических и энергетических комплексов.

Системы координат для описания процессов в трехфазных устройствах. Матрицы преобразования координат. Обобщенный метод симметричных составляющих.

Структура пакета прикладных программ SimPowerSystems. Линейные и нелинейные модели силовых, измерительных и специальных трансформаторов. Регулирование напряжения под нагрузкой. Модели линий передачи энергии. Информативные параметры сигналов аварийных режимов для построения релейной защиты объектов. Модели основных блоков силовой электроники и средств управления режимами их работы. Основные вопросы электромагнитной совместимости блоков силовой электроники с электрическими машинами и сетью. Модели машин постоянного и переменного тока. Базовые алгоритмы управления электроприводом. Модель турбогенератора. Основные вопросы устойчивости системы. Средства измерения параметров качества электрической энергии.

Раздел 3. Статистическая модель эксперимента. Пакет прикладных программ Statistics Toolbox Simulink Matlab.

Задачи обработки результатов измерений. Основные понятия теории вероятности и математической статистики. Плотность распределения

7

вероятности, кумулятивная и обратная функции основных видов распределений случайных величин. Доверительная вероятность и доверительный интервал.

Моменты случайных величин и их использование для идентификации закона распределения. Ряд Шарлье Система случайных величин.

Корреляционная матрица. Распределение и числовые характеристики функционально преобразованных случайных величин. Линеаризация.

Применение критериев значимости и теории оценивания для обработки экспериментальных данных.

Метод выборочных распределений. Схема обработки и форма представления результатов измерения. Статистика оценок среднего и дисперсии. Квантили и уровень значимости.

Применение функции максимального правдоподобия для оценки параметров выборочного распределения.

Проверка гипотез. Схема построения критериев значимости. Связь доверительного интервала и критерия значимости. Методы выбора теоретического закона распределения для описания экспериментальных данных. Схема построения гистограмм. Критерии согласия теоретического и выборочного распределений.

Способы представления результатов однофакторного эксперимента.

Фильтрация данных. Виды интерполяции. Сплайны.

Корреляционная связь между координатами. Метод наименьших квадратов. Линейная регрессия. Связь коэффициента корреляции с числом градаций измеряемой величины. Оценка полосы неопределенности.

Нелинейная регрессия. Оценка доверительного интервала параметров.

Компьютерная обработка однофакторного эксперимента.

Раздел 4. Многофакторный эксперимент.

Аддитивные и мультипликативные модели процессов. Простейшие поверхности отклика. Методы отбора наиболее значимых факторов. Оценка слоя неопределенности усредненной модели. Рототабельность. Методы

8

теории планирования эксперимента. Планы для различных видов поверхностей отклика. Полные и дробные факторные планы. Доверительные интервалы и статистическая значимость Порядок проведения эксперимента: cбор и анализ априорной информации; выбор входных и выходных переменных, определение области коэффициентов регрессии. Адекватность модели выборочным данным; выбор математической модели, с помощью которой будут представляться экспериментальные данные; выбор критерия оптимальности и плана эксперимента; определение метода анализа данных;

проведение эксперимента; проверка статистических предпосылок для полученных экспериментальных данных; обработка результатов;

интерпретация и рекомендации.

Раздел 5. Модели сигналов систем автоматического управления. Пакет прикладных программ Signal Processing Toolbox Simulink Matlab.

Классификация сигналов. Разложение сигналов по единичным импульсам. Свойства свертки сигналов. Разложение сигналов по гармоническим функциям. Свойства преобразования Фурье. Теоремы Парсеваля и Релея. Соотношения спектров одиночного и периодического сигналов. Критерии определения эффективной полосы частот спектра. Связь параметров динамического и спектрального представления сигналов.

Определение переходной характеристики по вещественному спектру.

Оконное преобразование Фурье. Типы оконных функций. Принцип вейвлет-преобразования. Реализация преобразований в пакетах программ

Wavelet Toolbox Simulink Matlab и MathCAD.

Преобразование Гильберта-Хуанга для анализа нестационарных сигналов. Реализация эмпирического метода декомпозиции сигналов в среде

LabView.

Классификация стохастических процессов и методы их описания.

Функции распределения и характеристические функции. Авто и взаимно ковариационные функции. Время корреляции. Тесты стационарности и эргодичности. Энергетический спектр. Взаимная спектральная плотность

9

процессов. Функция когерентности. Методы измерения статистических характеристик процессов. Корреляционные и спектральные окна.

Сигналы дискретного времени. Дискретное преобразование Лапласа.

Спектр амплитудно-модулированной импульсной последовательности.

Частота Найквиста. Эффект появления ложных частот. Методы восстановления сигналов с помощью интерполяционного ряда Котельникова-

Шеннона и степенного ряда. Погрешности восстановления интерполятором нулевого и первого порядка. Частотная характеристика ступенчатого интерполятора. Дискретное преобразование Фурье.

Раздел 6. Основные положения теории управления. Пакет прикладных программ Control System Toolbox.

Задачи, общие принципы и структура систем управления. Основные динамические характеристики и их параметры. Устойчивость, управляемость и наблюдаемость, многомерные системы. Способы описания непрерывных и дискретных систем управления: метод переменных состояния, операторный коэффициент передачи, комплексные частотные характеристики.

Инвариантность систем управления. Чувствительность. Типы регуляторов.

Корректирующие устройства. Изучение свойств звеньев и структур различной топологии с помощью пакета Control System Toolbox. Настройка регуляторов. Нелинейные системы управления. Пакет программ Nonlinear Control Design. Вопросы оптимизации систем управления. Пакет Optimization

Toolbox. Современные методы управления. Пакеты программ Robust Control Toolbox, Model Predictive Control Toolbox.

Раздел 7. Наблюдаемость динамической системы.

Оценивание параметров при наличии шумов измерения Оценка параметров методом наименьших квадратов. Рекурсивный алгоритм МНК.

Фильтр Калмана. Общие сведения по теории фильтрации. Формирующий фильтр. Фильтр Калмана для дискретных наблюдений и дискретной/непрерывной модели сигнала. Примеры реализации наблюдателей для систем автоматизированного электропривода и релейной

10