close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Виртуальное моделирование объектов и систем...(СР 15.04.04)

код для вставкиСкачать
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 архитектурностроительного университета В.И. Акимов
2
Введение
Методические
указания
по
организации
и
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,
идентификации
и
стохастических
построения
систем
моделей
управления,
технологических
способы
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
самостоятельной
указания
работы
по
организации
студентов
могут
и
быть
проведению
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
распределений
и
случайных
обратная
величин.
функции
Доверительная
основных
видов
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
импульсам.
Свойства
сигналов.
свертки
Разложение
сигналов
сигналов.
Разложение
по
единичным
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
Частота
амплитудно-модулированной
Найквиста.
Эффект
импульсной
появления
последовательности.
ложных
частот.
Методы
восстановления сигналов с помощью интерполяционного ряда КотельниковаШеннона 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
дискретной/непрерывной
для
модели
дискретных
сигнала.
наблюдений
Примеры
и
реализации
наблюдателей для систем автоматизированного электропривода и релейной
10
защиты. Изучение фильтра Калмана с помощью пакета Statistics Toolbox
Simulink Matlab.
Раздел 8. Основные вопросы идентификации систем управления. Пакет
прикладных программ System Identification Toolbox.
Понятие структурной и параметрической идентификации. Типовые
структуры систем с дискретным временем. Особенности идентификации
систем
в
частотной
идентифицирующих
и
временной
сигналов,
областях
способов
их
описания.
оценивания
и
Выбор
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.
Раздел 9. Построение модели технологического объекта.
Схема построения модели: системный анализ объекта, организация
экспериментальных исследований, анализ сигналов, топологическая и
параметрическая
управления.
обеспечение
идентификация
Методика
модели
проведения
экспериментальных
объекта,
эксперимента
синтез
и
исследований.
системы
алгоритмическое
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.
Раздел 10. Системы SCADA.
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
11
программирования LabView. Цифровая обработка и генерация сигналов на
базе технологий National Instruments.
Автоматизация
систем
диспетчерского
управления
электроэнергетическими объектами на основе SCADA.
2. Самостоятельная работа студентов
Поскольку лекции читаются не в полном объеме дисциплины, то
студентам
на
самостоятельное
изучение
выносится
ряд
Преподаватель сообщает студентам содержание данных
разделов.
разделов и
организует контроль знаний по заявленным темам.
Самостоятельно студенты в лаборатории 406 кафедры автоматизации
производственных
процессов
дорабатывают
лабораторно-практические
работы, готовят отчеты по каждой из них.
Таблица 1
№ п/п
Тема самостоятельной работы
Номер источника
1
2
3
1
Изучение
среды
основных
LabView
Создание,
и
понятий
программной
виртуального
редактирование
1
прибора.
и
отладка
виртуального прибора. Создание подпрограмм
виртуального прибора.
2
Многократные
повторения
и
циклы
при
1
Создание
1
создании виртуального прибора.
3
Работа
с
кластеров
массивами
из
данных.
элементов
управления
и
отображения данных. Работа с кластерами.
Масштабирование кластера
4
Графическое отображение данных.
5
Файловый
ввод/вывод.
Построение
1
систем
1
12
спектрального и корреляционного анализа
3. Вопросы к экзамену
1. Понятие модели.
2. Задачи и методы моделирования.
3. Масштабы процессов и параметров систем.
4. Способы получения критериев подобия: метод анализа размерностей,
метод интегральных аналогов, метод нормализации уравнений.
5. Способы построения подобных и дуальных цепей.
6. Структурные модели-аналоги и их реализация в среде SimulinkMatLab.
7. Примеры построения моделей объектов управления методом аналогий.
8. Структура пакета прикладных программ SimPowerSystems.
9. Модели основных блоков силовой электроники и средств управления
режимами их работы.
10.Модели машин постоянного и переменного тока.
11.Средства измерения параметров качества электрической энергии.
12.Статистическая модель эксперимента.
13.Пакет прикладных программ Statistics Toolbox Simulink Matlab.
14.Моменты случайных величин и их использование для идентификации
закона распределения.
15.Применение критериев значимости и теории оценивания для обработки
экспериментальных данных.
16.Схема обработки и форма представления результатов измерения.
17.Применение функции максимального правдоподобия для оценки
параметров выборочного распределения.
18.Методы выбора теоретического закона распределения для описания
экспериментальных данных.
19.Способы представления результатов однофакторного эксперимента.
13
20.Метод наименьших квадратов. Линейная регрессия.
21.Многофакторный эксперимент.
22.Аддитивные и мультипликативные модели процессов.
23.Методы теории планирования эксперимента.
24.Порядок
проведения
эксперимента:
cбор
и
анализ
априорной
информации; выбор входных и выходных переменных, определение
области коэффициентов регрессии.
25.Адекватность модели выборочным данным.
26.Модели сигналов систем автоматического управления.
27.Пакет прикладных программ Signal Processing Toolbox Simulink Matlab.
28.Связь параметров динамического и спектрального представления
сигналов.
29.Оконное преобразование Фурье.
30.Принцип вейвлет-преобразования.
31.Реализация преобразований в пакетах программ Wavelet Toolbox
Simulink Matlab и MathCAD.
32.Реализация эмпирического метода декомпозиции сигналов в среде
LabView.
33.Классификация стохастических процессов и методы их описания.
34.Функции распределения и характеристические функции.
35.Авто и взаимно ковариационные функции.
36.Методы измерения статистических характеристик процессов.
37.Дискретное преобразование Лапласа.
38.Методы восстановления сигналов с помощью интерполяционного ряда
Котельникова-Шеннона и степенного ряда.
39.Дискретное преобразование Фурье.
40.Основные положения теории управления.
41.Пакет прикладных программ Control System Toolbox.
42.Задачи, общие принципы и структура систем управления.
43.Устойчивость,
управляемость
и
наблюдаемость,
многомерные
14
системы.
44.Изучение свойств звеньев и структур различной топологии с помощью
пакета Control System Toolbox.
45.Нелинейные системы управления. Пакет программ Nonlinear Control
Design.
46.Пакет Optimization Toolbox.
47.Пакеты программ Robust Control Toolbox, Model Predictive Control
Toolbox.
48.Наблюдаемость динамической системы.
49.Оценивание параметров при наличии шумов измерения.
50.Фильтр
Калмана
для
дискретных
наблюдений
и
дискретной/непрерывной модели сигнала.
51.Примеры реализации наблюдателей для систем автоматизированного
электропривода и релейной защиты.
52.Изучение фильтра Калмана с помощью пакета Statistics Toolbox
Simulink Matlab.
53.Основные вопросы идентификации систем управления.
54.Пакет прикладных программ System Identification Toolbox.
55.Понятие структурной и параметрической идентификации.
56.Выбор идентифицирующих сигналов, способов оценивания и проверки
адекватности модели.
57.Построение
модели
временного
ряда
с
помощью
оценивания
параметров моделей авторегрессии и авторегрессии скользящего
среднего.
58.Использование для построения модели вейвлет-преобразования и
нейронных сетей.
59.Построение модели технологического объекта.
60.Схема построения модели: системный анализ объекта, организация
экспериментальных исследований.
61.Схема построения модели: анализ сигналов, топологическая и
15
параметрическая идентификация модели объекта, синтез системы
управления.
62.Топологическая
идентификация
на
основе
регрессионного
и
корреляционного анализа.
63.Обобщенная модель системы. Методы оценки вектора параметров.
64.Построение статических моделей на основе регрессионного анализа.
65.Проверка адекватности модели выборочным данным.
66.Пакеты программ Data Acquisition System, Instrument Control Toolbox,
Statistics Toolbox, Optimization Toolbox.
67.Системы SCADA. Назначение системы.
68.Терминология объектно-ориентированного программирования.
69.Изучение идеологии построения систем SCADA с помощью пакетов
программ Matlab Builder for .NET, Database Toolbox, OPC Toolbox.
70.Структура пакета визуального программирования LabView
16
Библиографический список
Основная литература
1. Петровский, В.С. Моделирование систем: доп. УМО вузов по образованию в
обл. автоматизир. машиностр. в качестве учеб. пособия для студентов высш.
учеб. заведений [Текст]: учеб. пособ. / В.С. Петровский. – Воронеж: ВГЛТА,
2010. – 371 с.
Дополнительная литература
2. Чикуров Н. Г. Моделирование систем и процессов [Электронный ресурс]:
доп. УМО вузов по образованию в обл. автоматизир. машиностроения (УМО
АМ) в качестве учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений,
обучающихся направлению подгот. «Автоматизация технол. процессов и
производств (машиностроение)»/ Н. Г. Чикуров, - М.:РИОР: ИНФРА-М,
2013. – 398 с.
3. Меньков, А.В. Теоретические основы автоматизированного управления
[Текст] : учеб. для вузов / А.В Меньков, В.А. Острейковский – М.: Изд-во
Оникс, 2005. – 640 с.
17
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ...................................................................................................................... 3
1. Содержание разделов дисциплины ...................................................................... 6
2. Самостоятельная работа студентов .................................................................... 12
3. Вопросы к экзамену ............................................................................................. 13
Библиографический список .................................................................................... 14
Поляков Сергей Иванович
ВИРТУАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБЪЕКТОВ И СИСТЕМ
УПРАВЛЕНИЯ ОТРАСЛИ
Методические указания для самостоятельной работы студентов по
направлению подготовки 15.04.04 - Автоматизация технологических
процессов и производств (уровень магистратуры)
Подписано в печать
Формат 60х84
/16. Объем
п. л.
Усл. печ. л.
Уч.-изд. л.
Тираж 100 экз. Заказ №
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет
имени Г.Ф. Морозова»
РИО ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». УОП ФГБОУ ВО «ВГЛТУ»
394613, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8
18
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
2
Размер файла
223 Кб
Теги
моделирование, объектов, система, виртуальная
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа