Document 871806

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 140400
проф. А.Е. Козярук
«___» ___________ 2012 г.
Зав. кафедрой ЭЭЭ,
профессор
__________ А.Е. Козярук
«___» ___________ 2012 г.
ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
«Моделирование и программное обеспечение систем
управления»
Направление подготовки: 140400 «Электроэнергетика и
электротехника»
Программы: «Автоматизированные электромеханические комплексы
и системы»
«Электроприводы и системы управления
электроприводов»
Квалификация (степень) выпускника: магистр
Форма обучения: очная
Составитель: _____________
профессор кафедры ЭЭЭ
О.Б. Шонин
Программа является приложением
к основной образовательной программе в соответствии с ФГОС
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2012
1. Цели и задачи дисциплины:
Целью дисциплины является формирование у магистров навыков для построения
моделей объектов управления, планирования и организации эксперимента с
использованием компьютерных технологий, использования пакетов прикладных программ
для исследования и проектирования систем автоматического управления. В результате
изучения дисциплины студент должен иметь представление о роли моделирования и
эксперимента в схеме разработки электромеханических комплексов, знать методы и
средства анализа и синтеза систем управления, применять пакеты прикладных программ
для разработки автоматизированных комплексов и систем.
2. Место дисциплины в структуре ООП:
Учебная дисциплина "Моделирование и программное обеспечение систем
управления" является одной из основных в учебном курсе подготовки магистров по
специальности 140400 "Автоматизированные электромеханические комплексы и
системы". Дисциплина относится к профессиональному циклу Б.1 и имеет тематическую
связь
со
следующими
дисциплинами:
«Управление
электропотреблением
электромеханических комплексов», «Автоматизация электромеханических комплексов и
технологии производства в горной и нефтегазовой промышленностях», «Мониторинг и
диагностика электромеханических и электротехнических комплексов и систем».
Преподавание дисциплины основывается на знаниях, полученных студентами в
результате изучения дисциплин математического и естественнонаучного циклов, а также
дисциплин «Метрология», «Теоретические основы электротехники», «Теория
автоматического управления», «Системы управления электрическими приводами».
3. Требования к результатам освоения дисциплины:
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих
компетенций:
способность использовать углубленные теоретические и практические знания, которые
находятся на передовом рубеже науки и техники в области профессиональной
деятельности (ПК-2);
способность находить творческие решения профессиональных задач, готовностью
принимать нестандартные решения (ПК-4);
готовность использовать современные и перспективные компьютерные и
информационные технологии (ПК-9);
готовность применять методы анализа вариантов, разработки и поиска компромиссных
решений (ПК-11);
способность применять методы создания и анализа моделей, позволяющих
прогнозировать свойства и поведение объектов профессиональной деятельности (ПК-13);
готовность использовать прикладное программное обеспечение для расчета параметров
и выбора устройств электротехнического и электроэнергетического оборудования (ПК14);
способность планировать и ставить задачи исследования, выбирать методы
экспериментальной работы, интерпретировать и представлять результаты научных
исследований (ПК-37).
В результате изучения дисциплины студент должен:
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 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.
4. Объем дисциплины и виды учебной работы.
Общая трудоемкость дисциплины составляет 11 зачетные единицы.
Всего
часов
Вид учебной работы
Семестры
5
6
288
144
144
Лекции
56
28
28
Практические занятия (ПЗ)
116
76
40
Лабораторные работы (ЛР)
116
76
40
Самостоятельная работа (всего) ,
72
28
44
Аудиторные занятия (всего),
в том числе:
Семинары (С)
в том числе:
Курсовой проект (работа)
Расчетно-графические работы
20
Реферат
Другие виды самостоятельной работы
Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен)
экз., зач.
Общая трудоемкость
360 (396)
час
зач. ед.
28
24
зач.
экз.
10 (11)
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
№
п/п
1.
Наименование раздела
дисциплины
Общие вопросы
моделирования
Содержание раздела
Понятие модели. Классификационные признаки.
Задачи и методы моделирования. Принцип системного
подхода. Виды подобия. Масштабы процессов и
параметров систем. Константы, индикаторы, критерии
подобия, критериальные зависимости. Способы
получения критериев подобия: метод анализа
2.
Математические и
компьютерные модели
основных элементов
автоматизированных
электротехнических и
энергетических
комплексов
3
Статистическая модель
эксперимента. Пакет
прикладных программ
Statistics Toolbox Simulink
Matlab
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 моделианалоги и их реализация в среде Simulink-MatLab.
Электрические
аналоги
магнитных,
тепловых,
гидродинамических процессов. Примеры построения
моделей объектов управления методом аналогий.
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.
Задачи
обработки
результатов
измерений.
Основные
понятия
теории
вероятности
и
математической статистики. Плотность распределения
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.
4
Многофакторный
эксперимент
5
Модели сигналов систем
автоматического
управления. Пакет
прикладных программ
Signal Processing Toolbox
Simulink Matlab
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.
Аддитивные и мультипликативные модели
процессов. Простейшие поверхности отклика. Методы
отбора наиболее значимых факторов. Оценка слоя
неопределенности
усредненной
модели.
Рототабельность. Методы 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.
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
6
Основные положения
теории управления. Пакет
прикладных программ
Control System Toolbox
7
Наблюдаемость
динамической системы
8
Основные вопросы
идентификация систем
управления. Пакет
прикладных программ
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 процессов.
Функция
когерентности.
Методы
измерения
статистических
характеристик
процессов.
Корреляционные
и
спектральные
окна.
Сигналы дискретного времени. Дискретное
преобразование
Лапласа
Спектр
амплитудномодулированной 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.
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.
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 защиты. Изучение фильтра Калмана с
помощью пакета Statistics Toolbox Simulink Matlab.
Понятие
структурной
и
параметрической
идентификации. Типовые структуры систем с
дискретным временем. Особенности идентификации
систем в частотной и временной областях их описания.
System Identification
Toolbox
9
Построение модели
технологического объекта
10
Системы SCADA
Выбор идентифицирующих сигналов, способов
оценивания и проверки адекватности модели.
Построение модели временного ряда с помощью
оценивания параметров моделей авторегрессии и
авторегрессии скользящего среднего. Использование
для построения модели вейвлет-преобразования и
нейронных сетей.
Схема построения модели: системный анализ
объекта,
организация
экспериментальных
исследований, анализ сигналов, топологическая и
параметрическая идентификация модели объекта,
синтез системы управления. Методика проведения
эксперимента
и
алгоритмическое
обеспечение
экспериментальных исследований. Топологическая
идентификация
на
основе
регрессионного
и
корреляционного анализа. Обобщенная модель
системы. Методы оценки вектора параметров.
Построение
статических
моделей
на
основе
регрессионного анализа. Проверка адекватности
модели выборочным данным. Пакеты программ Data
Acquisition System, Instrument Control Toolbox, Statistics
Toolbox, Optimization Toolbox.
Назначение системы. Сравнение с системами
телеметрии. Описание структур различных уровней,
каналов
связи.
Терминология
объектноориентированного
программирования.
Изучение
идеологии построения систем SCADA с помощью
пакетов программ Matlab Builder for .NET, Database
Toolbox, OPC Toolbox . Структура пакета визуального
программирования LabView.Цифровая обработка и
генерация сигналов на базе технологий National
Instruments.
Автоматизация
систем
диспетчерского
управления электроэнергетическими объектами на
основе SCADA
5.2 Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми
(последующими) дисциплинами
№
п/п
Наименование обеспечиваемых
(последующих) дисциплин
1.
Управление
электропотреблением
электромеханических комплексов
Автоматизация
электромеханических комплексов
и технологии производства в
горной и нефтегазовой
промышленностях
2.
Номера разделов данной дисциплины,
необходимых для изучения
обеспечиваемых (последующих)
дисциплин
1
2
3
+
+
+
3.
Мониторинг и диагностика
электромеханических и
электротехнических комплексов
и систем
+
5.3. Разделы дисциплин и виды занятий
№
п/п
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Наименование раздела дисциплины
Общие вопросы моделирования
Математические и компьютерные
модели основных элементов
автоматизированных
электротехнических и энергетических
комплексов
Статистическая модель
эксперимента. Пакет прикладных
программ Statistics Toolbox Simulink
Matlab
Многофакторный эксперимент
Модели сигналов систем
автоматического управления. Пакет
прикладных программ Signal
Processing Toolbox Simulink Matlab
Основные положения теории
управления. Пакет прикладных
программ Control System Toolbox
Наблюдаемость динамической
системы
Основные вопросы идентификация
систем управления. Пакет
прикладных программ System
Identification Toolbox
Построение модели технологического
объекта
Системы SCADA
Лекц. Практ. Лаб.
зан.
зан.
6
8
8
4
12
12
Семин
СРС
3
5
Всего
час.
22
33
6
12
12
5
59
6
6
12
12
12
12
5
5
35
59
6
12
12
16
46
4
12
12
7
35
6
12
12
7
37
6
12
12
7
37
6
12
12
7
37
6. Лабораторный практикум
№
п/п
№ раздела дисциплины
1.
Общие вопросы
моделирования
2.
Математические и
компьютерные модели
основных элементов
автоматизированных
электротехнических и
Наименование лабораторных работ
Построение и исследование подобных и
дуальных цепей. Исследование
электромеханических преобразователей
индуктивного и пьезоэлектрического типа.
Построение модели трансформатора методом
электромагнитных аналогий в среде MultiSim
EWB.Исследование преобразование
координат в трехфазной системе.
Токи включения трансформаторов.
Трудое
мкость
(час.)
8
12
энергетических
комплексов
3.
4.
5.
6.
Статистическая модель
эксперимента. Пакет
прикладных программ
Statistics Toolbox
Simulink Matlab
Многофакторный
эксперимент
Модели сигналов
систем
автоматического
управления. Пакет
прикладных программ
Signal Processing
Toolbox Simulink
Matlab
Основные положения
теории управления.
Пакет прикладных
программ Control
System Toolbox
Скалярное частотное управление
электроприводом. Векторное управление
электроприводом. Системы широтноимпульсной модуляции многоуровневых
преобразователей частоты
Точечная и квантильная оценка результатов
измерения. Моделирование законов
распределения случайных величин.
Исследование формирующего фильтра
Фильтрация экспериментальных данных и
регрессионный/дисперсионный анализ
однофакторной модели. Реализация плана
многофакторного эксперимента.
Определение спектров одиночного и
периодического сигналов. Способы
восстановления сигналов дискретного
времени. Исследование характеристик КИХфильтров. Исследование характеристик БИХ фильтров. Определение спектральной
плотности и корреляционных функций
сигналов.
Динамические звенья и их характеристики во
временной области. Частотные
характеристики динамических звеньев.
Исследование преобразований структурных
схем. Исследование разомкнутой линейной
системы. Проектирование регулятора для
линейной системы.
Исследование устойчивости систем с
обратной связью. Частотный синтез
корректирующего устройства. Метод
корневого годографа. Исследование ПИДрегуляторов. Модальное управление
Моделирование динамических систем в среде
Simulink. Синтез регулятора в системе
регулирования напряжения генератора
постоянного тока. Регулятор уровня.
Исследование системы стабилизации частоты
вала первичного двигателя генератора.
Исследование устойчивости и качества
линейных автоматических систем.
Исследование области устойчивости
автоматической системы по критерию
Гурвица-Рауса. Моделирование нелинейных
систем управления. Оптимизация
нелинейных систем. Дискретизация
непрерывного регулятора. Исследование
разомкнутой линейной системы при
случайных возмущениях. Оптимальные
фильтры Винера. Синтез оптимальных
регуляторов при случайных возмущениях.
12
12
12
12
7.
Наблюдаемость
динамической системы
8.
Основные вопросы
идентификация систем
управления. Пакет
прикладных программ
System Identification
Toolbox
Построение модели
технологического
объекта
9.
10.
Системы SCADA
Синтез оптимальных следящих систем
Система регулирования объекта с двумя
взаимосвязанными параметрами.
Расчет и моделирование комбинированной
АСР
Наблюдающие устройства. Наблюдатель
скорости в системе управления двигателем.
Наблюдатель магнитного потока.
.Использование фильтра Калмана в структуре
наблюдателя
Методы идентификации технологических
объектов в АСУ ТП. Модель авторегрессии
скользящего среднего. Вейвлет модель
временного ряда. Построение модели с
помощью нейронных сетей
Алгоритмы фильтрации сигналов в АСУ ТП.
Методы поиска максимума функции
нескольких переменных.
Методы поиска условного максимума,
основанные на сведении к задаче безусловной
оптимизации.
Изучение основных понятий программной
среды LabView и виртуального прибора.
Создание, редактирование и отладка
виртуального прибора. Создание подпрограмм
виртуального прибора.
Многократные повторения и циклы при
создании виртуального прибора.
Работа с массивами данных. Создание
кластеров из элементов управления и
отображения данных. Работа с кластерами.
Масштабирование кластера
Графическое отображение данных.
Файловый ввод/вывод. Построение систем
спектрального и корреляционного анализа
12
12
12
12
8. Примерная тематика курсовых проектов (работ): не предусмотрено
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
а) основная литература
1. В.А. Веников. Теория подобия и моделирования. - М.: Высшая школа, 1976.
2. Я Новицкий, И.А. Зограф. Оценка погрешностей результатов измерений. - Л.:
Энергия, 1991.
3. Марпл С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения. М.: МИР, 1990.584с.
4. Дж. Бендат, А. Пирсол. Применение корреляционного и спектрального анализа.
- М.: Мир, 1983.
5.Г. Дженкинс, Д. Ваттс. Спектральный анализ и его приложение. Т. 1, 2. - М.:Мир,
1971.
6.
Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. Учебник для вузов. – СПб. :
Питер, 2003 - 604 с.
7. Советов Б.Я., Цехановский В.П., Чертовский В.Д. Теоретические основы
автоматизированного управления: Учебник. - М.: Высшая школа, 2006. – 463с
8. Попов Е.П., Теория линейных систем автоматического регулирования и
управления. – М.: Наука, 1989.
9. Попов Е.П., Теория нелинейных систем автоматического регулирования и
управления. – М.: Наука, 1988.
10. Куо Б, Теория и проектирование цифровых систем управления. М.:
Машиностроение, 1986. – 448 с.
11. П. Эйкхофф. Основы идентификации систем управления. М.:Мир, 1985.
12. Дьяконов В.П. MATLAB 6: Учебный курс. – СПб.: Питер, 2002.
13. В.С. Медведев, В.Г. Потемкин. Control System Toolbox -М: «Диалог МИ-ФИ»,
1999.
14. В.Дьяконов, В. Круглов Б. МАТLАВ. Анализ, идентификация и моделирование
систем. - СПб.: «Питер», 2002
б) дополнительная литература
1. Ивоботенко Б.А. и др. Планирование эксперимента в электромеханике. - М.:
Энергия, 1975.
2. Дж. Бендат, А. Пирсол. Измерение и анализ случайных процессов. - М.: Мир,
1974.
3. М. Кендалл, А. Стъюарт. Статистические выводы и связи. - М.: Наука, 1973.
12.77.
4. З.Н. Антонов, В.А Терехов, И.Ю. Тюхин. Адаптивное управление в технических
системах. - СПб.: Издательство СПб университета, 2001.
5. X. Шенк. Теория инженерного эксперимента. - М.: Мир, 1972
6. Н. Джонсон, Ф. Лион. Статистика и планирование эксперимента в технике и
науке. - М.: Мир, 1981.
7. Методы робастного, нейро-нечеткого и адаптивного управления // Под ред. Н.Д.
Егупова // –М.: Издательство МГТУ им. Баумана, 2001г. 744с.
8. В. Дьяконов, Simulink 4. Специальный справочник. СПб.: «Питер», 2002.
9. Ф.Чаки. Современная теория управления. Нелинейные, оптимальные и адаптивные
системы. - М.: Мир, 1985.
в) программное обеспечение
Компьютерные аудитории с установленным пакетом прикладных программ
Electronics Workbench, Matlab, Mathcad, LabView.
г) базы данных, информационно-справочные и поисковые системы
Электронные версии учебников, пособий, методических разработок, указаний и
рекомендаций по всем видам учебной работы, предусмотренных вузовской рабочей
программой, находящиеся в свободном доступе для студентов, обучающихся в вузе.
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины:
Занятия проводятся в специализированной лаборатории и компьютерных классах.
На персональных компьютерах установлен пакет прикладных программ для расчета и
моделирования объектов и систем управления. Аудитории снабжены информационными
плакатами по соответствующим разделам курса.
11. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины:
Лекционный материал синхронизирован с проведением лабораторных и
практических занятий по основным разделам дисциплины. При чтении лекций и
проведении лабораторных/практических занятий предусматривается использование
демонстрационных материалов.
Самостоятельная работа студентов включает углубленное изучение основных
разделов программы с использованием основной и дополнительной литературы,
подготовку к лабораторным работам, практическим занятиям и выполнение курсовой
работы.
Разработчик:
Профессор каф. ЭЭЭ
(должность)
Шонин О.Б.
(подпись)
(инициалы, фамилия)
(подпись)
(инициалы, фамилия)
Зав. каф. ЭЭЭ
(должность)
А.Е. Козярук