МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт кибернетики, информатики и связи

Кафедра кибернетических систем

Ковалёв П. И.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

дисциплина «Моделирование систем управления»

направление 220400 – Управление в технических системах

квалификация – бакалавр

форма обучения: дневная, заочная, заочная сокращённая

курс 3 / 3 / 3

семестр 6 / 6 / 5

Аудиторные занятия 85 / 18 / 18 часов, в т. ч.:

Лекции 17 / 6 / 6 часов

Практические занятия 34 / 6 / 6 часов

Лабораторные занятия 34 / 6 / 6 часов

Самостоятельная работа – 95 часов, в т. ч.:

Курсовая работа 6 / 6 / 5 семестр

Контрольная работа (заочная, заочно-сокращённая форма обучения) - / 6 / 5 семестр

Вид промежуточной аттестации:

Экзамен 6 / 6 / 5 семестр

Общая трудоёмкость 180 часов, 5 зет

Тюмень, 2013

ВЫПИСКА ИЗ ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО СТАНДАРТА ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ПО НАПРАВЛЕНИЮ ПОДГОТОВКИ 220400 УПРАВЛЕНИЕ В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Бакалавр по направлению подготовки 220400 Управление в технических системах должен решать следующие профессиональные задачи в соответствии с видами профессиональной деятельности:

Научно-исследовательская деятельность:

анализ научно-технической информации, отечественного и зарубежного опыта по тематике исследования;

проведение вычислительных экспериментов с использованием стандартных программных средств с целью получения математических моделей процессов и объектов автоматизации и управления;

подготовка данных и составление обзоров , рефератов, отчётов, научных публикаций и докладов на научных конференциях и семинарах, участие во внедрении результатов исследований и разработок.

Выпускник должен обладать следующими общекультурными компетенциями:

обладать способностью использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применяет методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-10)

Выпускник должен обладать следующими профессиональными компетенциями:

способностью собирать, обрабатывать, анализировать и систематизировать научно-техническую информацию по тематике исследования, использовать достижения отечественной и зарубежной науки, техники и технологии (ПК-6);

способностью осуществлять сбор и анализ научно-технической информации, обобщать отечественный и зарубежный опыт в области средств автоматизации и управления (ПК-18);

способностью проводить вычислительные эксперименты с использованием стандартных программных средств с целью получения математических моделей процессов и объектов автоматизации и управления (ПК-20);

В результате изучения базовой части профессионального цикла дисциплин студент должен:

знать: принципы и методы построения (формализации) и исследования математических моделей объектов и систем управления, их формы представления и преобразования

уметь: использовать принципы и методы математического моделирования при разработке систем и средств автоматизации и управления

владеть: принципами и методами математического моделирования, навыками проведения вычислительных (компьютерных) экспериментов при создании систем и средств автоматизации и управления

Выписка из примерной основной образовательной программы высшего профессионального образования. Направление подготовки 220400 управление в технических системах

Аннотация дисциплины «Моделирование систем управления»

Общая трудоёмкость изучения дисциплины составляет 5 ЗЕ (180 час.)

Цели и задачи дисциплины:

Обучение студентов основам математического моделирования, необходимых при проектировании, исследовании и эксплуатации объектов и систем автоматизации и управления.

Освоение основных принципов и методов построения математических моделей объектов и систем управления, формирование навыков проведения численных экспериментов.

Основные дидактические единицы (разделы)

Модели и моделирование. Определение моделирования

Объект моделирования; назначение и функции модели; частные модели. Роль модели в процессе познания. Натурный (физический) и вычислительный эксперименты. Полунатурное моделирование. Классификация моделей и виды моделирования. Общая схема разработки математических моделей объектов и систем управления. Этапы математического моделирования.

Введение в теорию подобия и анализ размерностей. Размерность физической величины. Изоморфные модели. Преобразование подобия. Константы и критерии подобия. Применение преобразования подобия при моделировании.

Основные формы представления моделей систем управления.

Методы построения моделей объектов и систем управления на основе формализмов Ньютона, Лагранжа и Гамильтона. Формализм Ньютона. Формализм Лагранжа. Принцип Гамильтона. Формализм Гамильтона. Модели консервативных и диссипативных систем. Сжатие фазового «объёма» диссипативных систем.

Методы построения объектов и систем управления на основе законов сохранения. Принцип балансовых соотношений.

Методы представления математических моделей систем управления с сосредоточенными и распределёнными параметрами.

Основные понятия и определения модели сложной системы. Хаотические модели.

Методы численного моделирования равновесных и переходных режимов работы систем управления.

Программные средства моделирования.

В результате изучения дисциплины «Моделирование систем управления» студенты должны:

знать: принципы и методы построения (формализации) и исследования математических моделей объектов и систем управления, их формы представления и преобразования

уметь: использовать принципы и методы математического моделирования при разработке систем и средств автоматизации и управления

владеть: принципами и методами математического моделирования, навыками проведения вычислительных (компьютерных) экспериментов при создании систем и средств автоматизации и управления.

Виды учебной работы: лекции, практические занятия.

Изучение дисциплины заканчивается зачётом.

Примерный учебный план подготовки бакалавра по направлению 220400 «Управление в технических системах» предусматривает изучение дисциплины «Моделирование систем управления» в 8-ом семестре.

ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ»

Методологические основы моделирования

Определение моделирования, модели, оригинала модели

Назначение модели и её функции

Натурное (физическое ) моделирование

Аналоговое моделирование

Математическое моделирование

Математические основы моделирования систем управления

Направленные отрезки

Координаты направленного отрезка.

Сложение направленных отрезков и умножение их на числа.

Расстояние между векторами.

Определение функции

Экспоненциальная функция

Синус и косинус

Скалярные и векторные функции

Определение предела

Пределы с бесконечно удалёнными элементами.

Односторонние пределы

Функция Хевисайда

Свойства пределов

Непрерывные функции

Непрерывность элементарных функций

Определение производной

Вычисление производных векторной функции

Пример вычисления производных

Правила дифференцирования

Производные элементарных функций

Производная второго порядка

Производная произвольного порядка

Функции нескольких аргументов

Частные производные

Определение первообразной функции

Неопределённый интеграл

Интегрирование элементарных функций

Интегрирование суммы функций и произведения функции на число

Правило замены переменной

Дифференциал функции

Определённый интеграл

Несобственные интегралы

Свойства определённого интеграла

Определение комплексного числа

Представление комплексных чисел с помощью векторов

Модуль комплексного числа

Алгебраические операции над комплексными числами

Комплексная функция вещественного аргумента

Комплексная экспоненциальная функция

Свойства экспоненциальной функции

Дифференцирование комплексной экспоненциальной функции

Многочлены

Корни многочлена

Алгебраические дроби

Определение преобразования Лапласа

Обратное преобразование Лапласа

Свойства преобразования Лапласа

Таблица соответствия между оригиналами и изображениями функций

Математическое моделирование механических систем

Определение скорости частицы

Определение импульса

Второй закон Ньютона

Определение работы

Движение частицы в однородном поле тяжести

Падение шарика

Математическое моделирование электрических цепей

Структура электрической цепи

Сила тока

Первое правило Кирхгофа

Потенциал узла

Электродвижущая сила прибора

Обобщённый закон Ома

Электрическая цепь, состоящая из источника постоянной электродвижущей силы и сопротивления

Второе правило Кирхгофа

Электродвижущая сила катушки

Электрическая цепь, состоящая из источника постоянной электродвижущей силы, катушки и сопротивления

Электродвижущая сила конденсатора

Электрическая цепь, состоящая из источника постоянной электродвижущей силы, конденсатора и сопротивления

Автоматическое регулирование

Автоматический регулятор

Примеры систем автоматического регулирования.

Регулирование по отклонению

Структура автоматического регулятора

Стационарный режим функционирования системы

Переходный процесс

Качество системы автоматического регулирования

Математическая модель системы автоматического регулирования

Рабочая точка системы

Статическая характеристика звена системы автоматического регулирования

Линеаризация системы уравнений в окрестности рабочей точки

Гладкие сигналы и отклики

Передаточная функция линейного звена

Асимптотически устойчивые линейные звенья

Признак асимптотической устойчивости линейного звена

Ветвление

Сумматор

Последовательное соединение линейных звеньев

Параллельное соединение линейных звеньев

Передаточная функция обратной связи