Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
УТВЕРЖДАЮ:
Директор ИК
__________________ М.А.Сонькин
«_____»______________ 2011 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
НАПРАВЛЕНИЕ ООП: Управление в технических системах
ПРОФИЛЬ ПОДГОТОВКИ: Управление и информатика в технических системах.
КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ): бакалавр.
БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ ПЛАН ПРИЕМА 2011 г.
КУРС 4; СЕМЕСТР 7.
КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ: 4.
ПРЕРЕКВИЗИТЫ: Теория автоматического управления, Теоретическая механика.
КОРЕКВИЗИТЫ: нет.
ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС:
Лекции
18 часов
Лабораторные занятия
36 часов
Аудиторные занятия
54 часов
Самостоятельная (внеаудиторная) работа
72 часов
Итого
126 часов
Форма обучения
очная
ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ: экзамен в 7 семестре.
ОБЕСПЕЧИВАЮЩАЯ КАФЕДРА: «Интегрированные компьютерные системы
управления» .
ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ:
д.т.н., профессор Г.П. Цапко
РУКОВОДИТЕЛЬ ООП:
к.т.н., доцент В.И. Коновалов
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ:
к.т.н., доцент А.В.Воронин
2011г.
2
1. Цели освоения дисциплины
В результате освоения данной дисциплины бакалавр приобретает знания, умения и навыки, обеспечивающие достижение целей основной образовательной программы «Управление в технических системах»:

выпускник ОП на основе знаний, умений и навыков приобретает компетенции, необходимые для самореализации в проектно-конструкторской и
производственно-технологической деятельности
в области создания и
внедрения аппаратных и программных средств автоматизации технологических процессов в технических системах с использованием средств автоматизированного проектирования.

выпускник ОП на основе знаний, умений и навыков приобретает компетенции, необходимые для самореализации в научно-исследовательской и инновационной деятельности, связанной с выбором необходимых методов исследования в области проектирования и совершенствования структур, технологических и производственных процессов в технических системах различного назначения в рамках единого информационного пространства;

выпускник ОП на основе знаний, умений и навыков приобретает компетенции, необходимые для непрерывного повышения квалификации и тренинга работников подразделений в области автоматизации технологических
процессов и производств, автоматизированного управления жизненным циклом продукции.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина относится к базовой части профессионального цикла дисциплин.
Пререквизитами дисциплины являются такие курсы как «Теоретическая
механика», «Электроника», «Информационные технологии», «Теория автоматического управления».
3. Результаты освоения дисциплины
При изучении дисциплины формируются следующие общекультурные
компетенции:
Способность владеть культурой мышления , способностью к обобщению, анализу восприятию информации, постановке цели и выбору путей ее
достижения, (ОК-1);
Способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математиче3
ского анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-10);
При изучении дисциплины формируются следующие профессиональные
компетенции:
Способность представить адекватную современному уровню знаний
научную картину мира на основе знания основных положений , законов и методов естественных наук и математики (ПК-1);
Способность выявить естественнонаучную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, привлечь для их решения соответствующий физико-математический аппарат (ПК-2);
Способность проводить вычислительные эксперименты с использованием стандартных программных средств с целью получения математических
моделей процессов и объектов автоматизации управления (ПК-20).
Соответствие результатов освоения дисциплины формируемым компетенциям ООП представлено в таблице
Формируемые компетенции в соответствии с ООП
ОК-1
ОК-10
ПК-1
ПК-2
ПК-20
Результаты освоения дисциплины
В результате изучения дисциплины "Моделирование систем
управления" студенты должны получить такую совокупность
знаний и умений в области современных методов и средств моделирования систем различной физической природы, которые
необходимы им для успешного решения задач разработки, исследования и эксплуатации систем автоматического и автоматизированного управления техническими объектами, технологическими линиями и автономными техническими системами.
Успешно изучивший дисциплину "Моделирование систем
управления " студент должен
знать:
– принципы математического и имитационного моделирования
автоматических систем управления;
– методы получения и исследования математических моделей
объектов различной физической природы;
уметь:
– ставить задачу моделирования, выбирать структуру, а также
алгоритмическую и программную реализацию имитационной
модели сложного динамического объекта управления;
– получать математические модели динамики объектов с элементами различной физической природы и оценивать их адекватность;
– планировать машинные эксперименты, получать и правильно
интерпретировать их результаты ;
– пользоваться системами автоматизированного моделирования
4
и исследования технических систем на ЭВМ.
иметь опыт:
- использования систем автоматизированного моделирования и
исследования технических систем на ЭВМ.
Расшифровка кодов формируемых компетенций представлена в Основной
образовательной программе подготовки бакалавров по направлению 220400
«Управление в технических системах».
5
4.Структура и содержание дисциплины
4.1. Структура дисциплины по разделам, формам организации и
контроля обучения.
№
Раздел дисциплины
Лекции
(часы)
1
Общие понятия теории
моделирования
Топологические методы
математического моделирования
динамических систем
Численные методы моделирования динамических систем
Методы и средства автоматизированного моделирования
Имитационное моделирование систем управления
4
2
3
4
5
Лаборат.
работы
(часы)
Самост. работа (часы)
Формы текущего контроля
Устный отчет
4
10
10
Отчеты по
лабораторным
работам
4
4
10
4
12
10
2
8
6
Отчеты по
лабораторным
работам
Отчеты по
лабораторным
работам
Отчеты по
лабораторным
работам
6
4.2. Содержание разделов дисциплины
Раздел 1. Общие понятия теории моделирования
Предмет и задача курса. Задача моделирования. Моделирование как
метод технической кибернетики. Методы моделирования - физическое,
натурное, математическое, на ЭВМ, ЦВМ, гибридных вычислительных комплексах.
Математическое моделирование и математические модели. Классификация методов математического моделирования применительно к этапу построения математической модели.
Основные положения теории подобия и подходы к построению математических моделей. Полнота модели. Адекватность модели. Классификация
моделей по характеру и способам использования. Типовые математические
модели.
Непрерывно-детерминированные
модели.
Дискретнодетерминированные модели. Непрерывно-стохастические модели. Дискретно-стохастические модели. Обобщенные модели.
Раздел 2. Топологические методы математического
моделирования динамических систем
Идеология топологических методов моделирования. Метод графов связей. Основные термины и определения графов связей. Физические интерпретации потоков и усилий, математических моделей компонентов.
Построение графов связей электрической схемы. Эквивалентные преобразования графа. Построение графа одномерной механической системы
для поступательного и вращательного движений. Моделирование электромеханических систем. Получение математической модели графа в форме системы дифференциальных и алгебраических уравнений.
Причинные отношения в графе, правила определения причинности.
Построение структурных схем по графу связей. Правило Мезона для получения передаточных функций. Пути и циклы в графе связей. Непосредственное
применение правила Мезона к графу связей.
Метод обобщенных цепей Основные понятия и определения. Типовые
компоненты механических цепей - твердые тела, кинематические узлы, динамические компоненты. Типовые компоненты силовых приводов и управляющих алгоритмов. Математические модели типовых компонентов для ре7
шения задач моделирования динамики пространственных механизмов. Модели систем с элементами различной физической природы.
Раздел 3. Численные методы моделирования динамических систем
Механизмы продвижения модельного времени.
Алгоритмы численного моделирования динамических систем. Методы
численного интегрирования - явные и неявные, одношаговые и многошаговые. Методы разных порядков. Алгебраизация и линеаризация дифференциальных уравнений. Процедуры численного моделирования с автоматическим
выбором шага. Рекомендации по выбору методов численного интегрирования.
Моделирование гибридных (событийно-управляемых) динамических
систем.
Раздел 4. Методы и средства автоматизированного моделирования систем
Системы автоматизированного моделирования и принципы их построения. Особенности и функциональные возможности современных систем автоматизированного моделирования. Иерархическое проектирование и многоуровневое моделирование технических систем. Архитектура программ автоматизированного моделирования. Графический интерфейс программ математического моделирования динамических систем. Язык описания объекта,
транслятор, СУБД, монитор. Инструментальные средства моделирования.
Методы построения моделирующих программ. Решатели для структурного и мультидоменного моделирования
Классификация пакетов моделирования технических систем. Структура
алгоритмического и программного обеспечения задач моделирования и анализа в системах MATLAB/Simulink, MATLAB/Simulink/SimMechanics,
MATLAB/Simulink/SimPower.
Раздел 5. Имитационное моделирование систем управления
Суть имитационного моделирования. Основные требования к имитационной модели. Этапы построения имитационной модели. Построение кон8
цептуальной модели и ее формализация. Структура имитационной модели.
Алгоритмизация модели системы и ее машинная реализация. Принципы построения моделирующих алгоритмов. Получение и интерпретация результатов моделирования. Построение имитационной модели системы управления
подвижным объектом.
4.3. Лабораторные занятия, их наименование
и объем в часах
1. Лабораторная работа 1. Работа с пакетом Simulink в среде Matlab. (2
часа).
2. Лабораторная работа 2. Исследование простых цепей в среде
SimPowerSystems (6 часов).
3. Лабораторная работа 3. Исследование трансформатора в среде
SimPowerSystems (4 часа).
4. Лабораторная работа 4. Моделирование в среде SimMechanics. (2 часа).
5. Лабораторная работа 5. Изучение ражимов моделирования в SimMechanics (2 часа).
6. Лабораторная работа 6. Моделирование манипулятора в среде SimMechanics. (4 часа).
7. Лабораторная работа 7. Моделирование гироскопической системы ориентации ИСЗ в среде SimMechanics. (6 часов).
8. Лабораторная работа 8. Моделирование гексапода в среде SimMechanics. (4 часа).
9. Лабораторная работа 9. Моделирование колебаний струны. (4 часа).
4.4 . Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
Самостоятельная (внеаудиторная) работа студентов по дисциплине "Моделирование систем управления" планируется в объеме 72 часа и включает в
себя следующие пункты.
1. Текущая проработка лекционного материала (20 часов),
2. Подготовка к лабораторным работам и написание отчетов (35 часа).
3. Изучение документов по пакетам MATLAB Simulink, MATLAB SimMechanics (17 часов)
9
5. Средства текущей и итоговой оценки качества освоения дисциплины
Для текущего контроля при изучении курса "Моделирование систем
управления" используется рейтинговая система оценки знаний студентов,
учитывающая результаты выполнения лабораторных работ в семестре. За
выполнение лабораторных работ студент может получить максимум 60 баллов. Допуск к экзамену – 33 балла.
По результатам экзамена студент может получить до 40 баллов. Минимальная оценка, при которой зачет считается сданным – 22 балла.
Форма экзамена – письменный экзамен по билетам, содержащим два
теоретических вопроса и задачу.
5.1. Требования к содержанию экзаменационных вопросов
В комплект контролирующих материалов по дисциплине "Моделирование
систем управления" входят экзаменационные билеты и набор экзаменационных контрольных задач.
Экзаменационные билеты включают два типа заданий:
 Теоретические вопросы.
 Задачи.
5.2. Примеры экзаменационных билетов
Экзаменационный билет № 1
По дисциплине Моделирование систем и процессов
1. Методы моделирования технических систем.
2. Причинность в графах связей, что она определяет. Правила расстановки
причинных отношений на графах связей.
3. Задача.
Экзаменационный билет № 2
1. Понятие моделирования и модели. Адекватность модели. Цели и задачи
моделирования.
2. Эквивалентные преобразования графов связей.
3. Задача.
10
6. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
6.1 Перечень рекомендуемой литературы
1.
2.
3.
4.
Основная литература
Воронин А.В. Моделирование мехатронных систем [Электронный ресурс] : учебное пособие / А. В. Воронин; Томский политехнический
университет (ТПУ). — 1 компьютерный файл (pdf; 2.0 MB). — Томск:
Изд-во ТПУ, 2008.
Советов, Борис Яковлевич Моделирование систем : учебник / Б. Я. Советов, С. А. Яковлев. — 5-е изд., стер.. — Москва: Высшая школа,
2007. — 343 с.
Тарасик, Владимир Петрович Математическое моделирование технических систем : учебник для вузов / В. П. Тарасик. — 2-е изд., испр. и
доп.. — Минск: Дизайн ПРО, 2004. — 640 с.:
Колесов Ю.Б, Сениченков Ю.Б. Моделирование систем. Динамические
и гибридные системы. Учебное пособие. – СПб.: БХВ-Петербург,
2006. – 224 с.
Дополнительная литература
5. Бахвалов, Л. А. Моделирование систем : / Бахвалов Л.А.. — Москва:
Горная книга, 2006.
6. Дьяконов В.П. MATLAB 6/6.1/6.5 + SIMULINK 4/5 в математике и моделировании. Полное руководство пользователя. М.: СОЛОН-Пресс. –
2005. – 576 с.
7. Применение метода графов связей в технике / Под ред. Кэрнопа Д. и
Розенберга Р. – М.: Мир, 1973.
8. Крюков, Сергей Викторович Структурное моделирование механических систем: монография / С. В. Крюков; Уральский государственный
экономический университет. — Екатеринбург: Изд-во Урал. гос. эконом. ун-та, 2009. — 254 с.
6.2 Компьютерные программы
1. Пакет Simulink системы MATLAB.
2. Пакет SimMechanics системы MATLAB.
3. Пакет SimPower системы MATLAB.
Программа одобрена на заседании кафедры ИКСУ ИК
11
(протокол № ____ от «___» _______ 20___ г.).
Автор(ы) _____________________________
Рецензент(ы) __________________________
12