Программа дисциплины по кафедре Автоматики и системотехники моделирование систем

Вид материала

Содержание

Подобный материал:

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Тихоокеанский государственный университет

Утверждаю

Проректор по учебной работе

______________ С.В. Шалобанов

“_____” ________________2007_ г.

Программа дисциплины

по кафедре Автоматики и системотехники

моделирование систем

Утверждена научно-методическим советом университета для направлений подготовки (специальностей) в области автоматики

и управления

Специальность “Управление и информатика в технических в

технических системах”

Хабаровск 2007 г.

Программа разработана в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта, предъявляемыми к минимуму содержания дисциплины и в соответствии с примерной программой дисциплины, утвержденной департаментом образовательных программ и стандартов профессионального образования с учетом особенностей региона и условий организации учебного процесса Тихоокеанского государственного технического университета.

Программу составил

	Лелянов	к.т.н.
	Борис	Доцент
	Николаевич
	Ф.И.О. автора	Ученая степень, звание, кафедра

Программа рассмотрена и утверждена на заседании кафедры протокол № ______ от «____»__________________ 2007_г
Зав.кафедрой__________«__»______ 200_г			________________
Подпись дата			Ф.И.О.

Программа рассмотрена и утверждена на заседании УМК и рекомендована к изданию протокол № ______ от «____»_____________ 2007_г
Председатель УМК _______«__»_______ 2007_г				_________________
Подпись дата				Ф.И.О.

Директор института _______«__»_______ 2007_г	__________________
(декан факультета) Подпись дата	Ф.И.О.

1. Цели и задачи изучаемой дисциплины.

Курс <<Моделирование систем >> (МС) является базовой обще профессиональной дисциплиной учебного плана специальности 220201. 65 “Управление и информатика в технических системах”, непосредственно и тесно связанной с общеобразовательными и специальными дисциплинами.

1.1 Цель изучения дисциплины.

Требования к проектированию систем управления выдвигает в число первоочередных задач построение и использование их математических моделей. Дисциплина “Моделирование систем” является одним из обязательных направлений в подготовке инженеров по специальности 220201.65 “Управление и информатика в технических системах” к производственной и исследовательской работе по эксплуатации и разработке систем автоматического управления.

Целью преподавания МС является подготовка высококвалифицированного специалиста, владеющего основами моделирования систем, методами их исследования, обладать техническими и программными средствами моделирования с целью закрепления практических навыков при выполнении исследовательских и расчетных работ по созданию автоматических систем.

Задачи изучения дисциплины.

В результате изучения дисциплины студенты должны знать следующее:

Роль и место моделирования на этапе проектирования систем автоматического управления техническими объектами и производствами , с целью получения с наименьшими затратами и рисками наилучших качественных характеристик;
Принципы построения и основные требования к математическим моделям систем;
Владеть методами исследования математических моделей систем ;
Знать модели дискретных сигналов и систем, методы их анализа и синтеза;
Знать содержание основных пакетов системы MATLAB – Simulink и его дополнительные компоненты.

2.Требования к уровню освоения содержания дисциплины.

Полученные в ходе изучения дисциплины знания должны позволить студенту уметь:

использовать полученные знания по МС для проектирования, изготовления и эксплуатации САУ различных по направлениям и применениям ;
проводить моделирование действующих систем с целью улучшения их качественных и эксплуатационных характеристик;
моделировать системы с заданными динамическими свойствами и качественными характеристикам;
осуществлять расчеты и модельные (компьютерные) эксперименты, ориентированные на наглядное подтверждение изучаемых методов и приобретение навыков анализа и синтеза линейных и нелинейных систем.

Изучение дисциплины опирается на знания , полученные в курсах “Программирование”, “Высшая математика”, “Математические основы теории систем”, “Теория автоматического управления”.

3.Объем дисциплины и виды учебной работы.

Таблица 1 – объем дисциплины и виды учебной работы

Наименование	По учебным планам основной траектории обучения
Наименование	с максимальной трудоёмкостью	с минимальной трудоёмкостью
Общая трудоёмкость дисциплины
по ГОС	170	170
по УП	153	153
Изучается в семестрах	7	7
Вид итогового контроля по семестрам
зачет
экзамен	7	7
Курсовой проект (КП)
Курсовая работа (КР)	7	7
Вид итогового контроля самостоятельной работы без отчетностей
расчетно-графические работы (РГР)
Реферат (РФ)
Домашние задания (ДЗ)
Аудиторные занятия:
всего	85	85
В том числе: лекции (Л)	34	34
Лабораторные работы (ЛР)	34	34
Практические занятия (ПЗ)	17	17
Самостоятельная работа
общий объем часов (С2)	68	68
В том числе на подготовку к лекциям
на подготовку к лабораторным работам	17	17
на подготовку к практическим занятиям	17	17
на выполнение КП
на выполнение КР	34	34
на выполнение РГР
на написание РФ
на выполнение ДЗ
на экзаменационную сессию

4. Содержание дисциплины. 7 семестр . 34 ч.

Содержание дисциплины включает в себя следующие разделы:

4.1. Классификация моделей и виды моделирования.

формы представления

математических моделей применяемых в управлении (типы моделей).

Масштаб времени динамических моделей. Моделирование

динамических систем. Моделирование дискретных событий Основные понятия теории моделирования.

Задачи и цели исследования математических моделей

Примеры моделей систем. Канонические формы

математических моделей. Методы упрощения

математических моделей.

Основные положения теории подобия; Этапы

математического моделирования. Принципы построения

и основные требования к математическим моделям

систем.

Общая схема разработки математических моделей .

формализация процесса функционирования системы;

понятие агрегативной модели. Модели механических систем. Модели

электромагнитных цепей. Баланс массы и уравнения сохранения

энергии.

Методы исследования математических моделей систем и процессов: метод передаточных функций и частотных характеристик. Метод переменных состояния . Описание линейной системы в пространстве состояний. Структурно-топологические методы.

4.6. Имитационное моделирование.

Математические модели и динамические характеристики

линейных стационарных систем автоматического

управления. Частотная и временная области. Описание

моделей дискретных систем в Z – области

Описание дискретных моделей в пространстве

состояний. Каноническое представление моделей вход-

состояние –выход. Структурно – матричные модели

систем управления. Цифровые модели линейных

динамических звеньев и статических нелинейностей.

4.8. Область применения линейных моделей. Нелинейные системы. Численное моделирование динамических систем. Проблема слишком большого шага.

4.9. Моделирование линейных дискретных систем (ЛДС) во временной, частотной и Z – областях; формула свертки, разностные уравнения; передаточные функции и импульсные характеристики, оценка устойчивости, карты нулей и полюсов.

4.10. Описание дискретных моделей в пространстве состояний. Отношение вход/выход и оператор сдвига. Управляемость и оценка состояний на основе измерений.

4.11. Моделирование систем с неопределенностью. Оценка состояния при стохастических возмущениях. Моделирование нечетких систем. Комбинированные и последовательностные сети. Нечеткие системы.

4.12. Введение в моделирования цифровых фильтров.

Определение, классификация. Синтез цифровых

фильтров. Задание требований к цифровым фильтрам.

Постановка задачи оптимального синтеза.

Конструирование функциональной схемы ЦФ .

Модели структурных схем линейных дискретных систем.

Структуры рекурсивных ЛДС . Прямая структура.

Прямые канонические структуры. Каскадная структура.

Параллельная структура. Модели структур

нерекурсивных ЛДС. Прямая и каскадная структуры.

Правила выбора структуры.

4.14. Моделирование нерекурсивных КИХ- фильтров .

Свойства КИХ – фильтров с линейной ФЧХ. Свойства

КИХ – фильтров с линейной ФЧХ. Представление

частотных характеристик КИХ – фильтров с линейной

ФЧХ.

4.15.Моделирование рекурсивных БИХ- фильтров. Синтез БИХ

-фильтров методом инвариантности импульсной

характеристики аналогового фильтра прототипа (метод

стандартного Z - преобразования).

4.16. Синтез БИХ – фильтров методом билинейного z –

преобразования. Синтез БИХ – фильтров методом

преобразования цифровых БИХ – фильтров нижних

частот.

4.17. Адаптивная фильтрация. Введение в линейное

предсказание. Основы адаптивной обработки сигналов.

Классификация адаптивных систем обработки сигналов.

Оптимальное нерекурсивное оценивание.

Таблица 2 – Разделы дисциплины и виды занятий и работ

№	Раздел дисциплины	Л	ЛР	ПЗ	КП (КР)	РГР	ДЗ	РФ	С2
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1	Содержание моделирования как учебной дисциплины	*							*
2	Теория подобия, формы представления математических моделей, имитационное моделирование	*	*	*	*
3	Математические модели динамические характеристики САУ. Пространство состояний	*	*		*				*
4	Цифровые модели. Моделирование линейных дискретных систем	*	*	*	*				*
5	Введение в моделирование цифровых фильтров	*	*	*	*
6	Моделирование нерекурсивных КИХ-фильтров	*	*		*
7	Моделирование рекурсивных БИХ-фильтров и адаптивных	*	*		*				*

5.Лабораторный практикум

Перечень лабораторных работ включает в себя следующие поставленные лабораторные работы по математическому моделированию обработки сигналов в программной среде MATLAB:

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ЛДС ВО ВРЕМЕННОЙ ОБЛАСТИ

Цель работы: Ознакомление c программной средой MATLAB и изучение способов обработки сигналов.

Задание1. Выполнить моделирование работы ЛДС на основе на основе разностного уравнения: функция filter.

Задание 2. Выполнить расчет импульсной характеристики с помощью разностного уравнения: функция filter.

Задание 3. Рассчитать импульсную характеристику по коэффициентам разностного уравнения: функция impz.

Задание 4. Выполнить моделирование ЛДС на основе уравнения свертки: функция conv.

Задание 5. Выполнить вычисление импульсной характеристики БИХ – фильтра по известным реакции и воздействию: функция dekonv.

Задание 6. Выполнить формирование модели переменных состояний: tf2ss, zp2ss, ss2tf, ss2zp.

Время выполнения работы – 10 часа

Рекомендации и вопросы для подготовки к защите

лабораторной работы:

изобразите простейшую модель вход-выход в виде структурной схемы;
запишите разностное уравнение, у которого: b – вектор коэффициентов воздействия ; - вектор коэффициентов реакции; x – вектор отсчетов воздействия; y – вектор рекции на воздействие;
дайте определение линейной системы
дайте определение аддидивности (принцип супперпозиции) ;
дайте характеристику входного воздействия

x(n) = sin(

) ;

зададите КИХ-фильтр второго порядка разностным

уравнением;

- зададите БИХ-фильтр второго порядка разностным

уравнением;

проанализируйте входной и выходной сигналы КИХ -
фильтра;
проанализируйте входной и выходной сигналы БИХ - фильтра;
дайте определение единичного цифрового импульса –вектора;
определите длину импульсной характеристики (в действительности бесконечной);
определите отличие импульсной характеристик рассчитанной по коэффициентам РУ (ось nT ) и (ось n) ;

Модлирование работы ЛДС в z –области

Цель работы: Изучение способов обработки сигналов.

Задание 1. Представить передаточную функцию в общем виде.

Задание 2. Представить передаточную функцию общего вида в виде произведения простейших множителей первой степени и наоборот: функции tf2zp, zp2tf.

Задание 3. Получить карту нулей и полюсов: функция zplane.

Задание 4. Представить передаточные функции общего вида в виде произведения простейших множителей второй степени и наоборот: функции tf2sos, zp2sos, sos2tf, sos2zp.

Задание 5. Представить передаточную функцию общего вида в виде суммы простых дробей: функция residuez.

Время выполнения работы – 8 часа.

Рекомендации и вопросы для подготовки к защите

лабораторной работы:

запишите общий вид дробно-рациональной функции;
запишите эту функцию в виде простейших множителей первой степени с разложением по нулям и полюсам. Ограничение – два множителя;
определите корни числителя и знаменателя;
запишите произведение простейших множителей второй степени. Ограничение –два множителя. Определите корни числителя и знаменателя;
поясните, почему первый элемент вектора den всегда равен 1;
проанализируйте карту нулей и полюсов и влияние из на устойчивость системы в зависимости от расположения
дайте определение и назначение функций tf2sos, zp2sos, sos2tf, sos2zp
дайте определение и назначение функции residuez;
запишите передаточную функцию в виде простых дробей;
определите первый элемент вектора den;
определите обратную процедуру функции residuez ;

Модлирование работы ЛДС в частотной области

Задание 1. Выполнить вычисление частотных характеристик по коэффициентам передаточной функции: функция freqz.

Задание 2. Выполнить расчет АЧХ и ФЧХ: функции freqz, fbs, angle, dbode.

Задание 3. Выполнить расчет группового времени прохождния: функция grpdelay.

Задание 4. Произвести анализ дискретного сигнала во временной области: функции mean, std, xcorr.

Время выполнения работы – 8 часа

Рекомендации и вопросы для подготовки к защите

лабораторной работы:

определите обратную процедуру функции residuez;
дайте определение и назначение функции freqz;
постройте и проанализируйте частотную характеристику по полученным комплексным значениям и различным частотам дискретизации;
проанализируйте графики АЧХ и ФЧХ ,построенные с

помощью функций freqz, fbs, angle, dbode;

проанализируйте график группового времени прохождения с помощью функции grpdelay;
дайте определение производной от ФЧХ;

Моделирование статистических характеристик

дискретных сигналов

Задание 1. Произвести анализ дискретного сигнала во временной области: функции mean, std, xcorr. (вычислить автокорреляционную функцию для различных дискретных сигналов)

Задание 2. Произвести анализ дискретного сигнала во в частотной области: функции fft, ifft. Использовать дискретное преобразование Фурье (ДПФ). (Вычислить ДПФ для различных сигналов x(n) с построением графика модуля X(k) )

Время выполнения работы – 8 часа

Рекомендации и вопросы для подготовки к защите

лабораторной работы:

дайте определение и назначение функции mean, std, xcorr;
дайте определение статистических характеристик: математическое ожидание, дисперсия, автокорреляционная функция;
поясните алгоритм вычисления автокорреляционной функции при различных сигналах;
дайте определение и назначение функции fft, ifft;
поясните процесс вычисления ДПФ;
проанализируйте построение графика модуля X(k);
проанализируйте формулы прямого и обратного дискретного преобразования Фурье;
дать анализ вычисления ДПФ сигнала x(n) при различных частотах дискретизации.

6.Практические занятия

Перечень практических занятий включает в себя следующие поставленные практические работы по математическому моделированию обработки сигналов

Задание 1. Вычисление реакции линейной дискретной системы (ЛДС) по формуле свертки, решение разностных уравнений, методом прямой подстановки, вычисление импульсной характеристики нерекурсивной и рекурсивной ЛДС первого и второго порядков.

Время выполнения работы – 2 часа .

Задание 2. Переход от передаточных функций общего вида в z – области для звеньев 1- го и 2- го порядков к разностным уравнениям, по заданным передаточным функциям записать импульсные характеристики.

Время выполнения работы – 2 часа .

Задание 3. 1 Заданы передаточные функции звеньев 1 – го и 2- го порядков, требуется построить карты нулей и полюсов в программной среде MATLAB.

Время выполнения работы – 2 часа .

Задание 4. Описание ЛДС на основе структурных схем каноническими структурами с переменными состояния

Время выполнения работы – 2 часа .

Моделирование цифровой фильтрации с

помощью программы GUI SPTool

в программной среде MATLAB

Программы GUI (Graphic User Interface – графический интерфейс пользователя ) – это интерактивные системы (диалог компьютер - человек) предназначенные для математического моделирования сигналов, устройств и процессов с графическим выводом результатов.

GUI (Signal Processing Toolbox) представляет собой типичную GUI – программу, предназначенную для математического моделирования цифровой фильтрации, включая следующие темы для практических занятий:

создание входного сигнала (две гармоники дискретного

сигнала в смеси сшумом);

импортирование входного сигнала и анализ его спектра;
синтез цифрового фильтра и анализ его характеристик;
моделирование процесса фильтрации;
расчет и визуализация спектров входного и выходного сигналов;
анализ выходного сигнала и его спектра;
экспортирование результатов моделирования в MATLAB.

Обращение к GUI – программе происходит после записи ее имени в командном окне MATLAB,

Программа SPTool включает 9 – интерактивных окон Windows.

Рекомендации и вопросы для подготовки к защите практических работ Моделирование цифровой фильтрации спомощью программы GUI SPTool :

пояснить процесс выполнения синтеза цифрового фильтра (ЦФ) в поле Filters (назначение 4-х кнопок);
поясните термин “cохраненный фильтр” и форма его хранения;
укажите тип фильтра метод аппроксимации;
укажите требования к характеристике ослабления;
перечислите известные данные о синтезируемом фильтре;
поясните путь сохранения нового фильтра под именем старого;
перечислите содержание и возможности третьего окна;
продемонстрируйте работу с инструментами в третьем окне (Filter Viewer);
покажите импортирование входного сигнала через 4 – е окно;
покажите визуализацию входного и выходного сигналов с помощью 6- го окна;
покажите процесс фильтрации в 7-м окне;
покажите процесс визуализации спектров входного и выходного сигналов в 8-м окне;
проанализируйте полученный график амплитудного спектра и место нахождения подавленных двух гармоник в 8-м окне;
покажите назначение 9-го окна. Выполните организацию экспорта в Workspsce из SPTool данных о входном и выходном сигналах и синтезированном фильтре.

Время выполнения работы – 9 часов .

Курсовая работа.

Объем курсовой работы, в зависимости от сложности поставленной задачи, колеблется от 15 до 25 страниц машинописного текста.

Главной целью выполнения курсовой работы является практическая реализация на ЭВМ изученных методов моделирования элементов и систем управления. Моделирование осуществляется в основном в системе Matlab – Simulink c использованием инструментов Tools и отладчиком S – моделей.

Основные направления курсовой работы:

Цифровое моделирование систем автоматического управления.
Цифровая фильтрация.
Разработка различных инструментальных программных средств для анализа и синтеза моделей систем автоматического управления.

Время выполнения курсовой работы ориентировано на 34 час. работы студента.

Основные задачи, решаемые в процессе выполнения

курсовой работы :

Программная реализация модели систем управления.
Исследование моделей систем автоматического управления во временной и частотной областях
Оценки качественных характеристик САУ.

8. Контроль знаний студентов.

Вопросы входного контроля:

Передаточные функции, динамический коэффициент передачи. .
Элементарные звенья и их характеристики во временной и частотных областях.
Правила соединения звеньев. Построение статических и астатических САУ.
Адаптивные САУ.
Синтез САУ. Последовательная и параллельная коррекция
Регуляторы. Правила построения регуляторов.
Качество САУ

Вопросы текущего контроля:

Классификация моделей и виды моделирования.
Дифференциально-модельная концепция.
Преобразования Лапласа. Формула обращения.
Преобразование Фурье. Формула обращения.
Структурные преобразования.
Разностные уравнения.
Формула свертки.
Построение математических моделей САУ
Явная модель.
Неявная модель.
Формы представления моделей.
Задачи исследования математических моделей систем.
Общая схема разработки математических моделей
Методы исследования математических моделей.
Моделирование цифровой фильтрации.
Моделирование КИХ – фильтров.
Моделирование БИХ-фильтров.
Модель адаптивного КИХ - фильтра

Вопросы выходного контроля:

Классификация моделей.
Виды моделирования.
Моделирование работы ЛДС на основе разностного уравнения.
Моделирование импульсной характеристики по коэффициентам разностного уравнения.
Моделирование работы ЛДС на основе уравнения свертки.
Правила построение модели переменных состояний.
Модели КИХ – фильтра.
Модели БИХ – фильтра.
Моделирование цифровой фильтрации..
Методика построения модели цифровых САУ.
Модели адаптивных КИХ – фильтров.

.

9.Учебно-методическое обеспечение дисциплины.

Список основной литературы:

1. К.А. Пупков. Методы теории автоматического управления: учебник для студентов маш прибор.-вузов – М. Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, основной. 2000. 3.Т.

И.В. Мирошник. Тория автоматического управления. М., уч. пос. СПб. и др. Доп. Изд. М.О. РФ., 2005 г.
А.Н. Лебедев. Моделирование в научно-технических исследованиях. Основной. 1989 г.
С.В. Шалобанов. Моделирование и идентификация систем управления.Уч. пос., доп., 1999г.
С.В. Шалобанов. Моделирование систем управления. Методические указания к выполнению курсовой работы для студентов специальности 210100. , доп., 2003 г.
С.В. Шалобанов. Моделирование систем управления : Методические указания к лабораторным работам N 1-5 для студентов специальности 210100 “Управление и информатика в технических системах”, доп., 2000 г.
А.И. Солонина и др. Основы цифровой обработки сигналов. Курс лекций. Осн. СПб: БХВ - Петербург, 2003 г.
Э. Айфичер и Б. Джерфис. Цифровая обработка сигналов, М., СПб, К., доп. 2004 г.
В.П. Дъяков. Д 93 Simulink 4. Специальный справочник, доп. СПб: Питер. 2002 г.
В.П. Дъяков. MATLAB 6.5 SP1/7.0 Simulink 5/6. Основы применения. Доп. М. Солон-Пресс., 2005 г.
Ю. Лазарев. Моделирование процессов и систем в МАTLAB. Учебный курс. Доп. М.,СПб., и др. 2005 г.
Г. Олссон и Д. Пиани. Цифровые системы автоматизации и управления. Санкт-Петербург , 2001 г.

10.Методические рекомендации по организации изучения дисциплины.

На основании программы кафедры разрабатывается рабочая учебная программа дисциплины «Моделирование систем» с учетом фактического числа часов, отведенных на ее изучение. В рабочей программе предусматривается изучение моделирования систем автоматического управления, которые определяются профилем подготовки дипломированных специалистов. Исходя из этого, в рабочей программе отдельные разделы программы могут быть либо усилены, либо сокращены или опущены.

Курс моделирования систем включает в себя большое затратное время на изучение моделирования процессов и систем в MATLAB c применением пакетов Signal Processing Tools, Control Toolbox и Simulink с библиотеками Aerospace, SimPoweSystems, SimMechanics.

В ходе выполнения лабораторных работ и практических занятий студенты приобретут навыки в пользовании ЭВМ, в работе со многими программными продуктами, в создании относительно сложных моделей объектов управления и управляющих устройств, освоятся в современных информационных технологиях. Важную роль при этом играют смежные дисциплины предметной подготовки – в первую очередь, математика, физика, электротехника, теоретическая механика и теория автоматического управления По некоторым разделам этих дисциплин необходимо существенно углубить сведения непосредственно примыкающие к моделированию систем.

Знания и навыки, полученные при изучении данной дисциплины помогут студентам иметь целостное представление об моделировании систем как науке, ее месте в современном мире и в системе наук, прежде всего общности науке о управлении в живых организмах, в технических и экономических системах, владеть системой знаний о теоретических основах моделирования, знать технические и программные средства моделирования.

Программа рассчитана на 170 часов.

Программа составлена в соответствии с государственными образовательными стандартами высшего профессионального образования по направлениям подготовки в области техники и технологий.

11.Словарь терминов и персоналий.

При изучении курса «Моделирование систем» используются специальные термины, содержание которых не очевидно и требует пояснения. Для того, чтобы студент мог качественно изучить материал курса, он должен точно понимать и использовать термины, иметь краткие сведения о персоналиях, имеющих отношения к изучаемой дисциплине. Большую часть специальных терминов планируется расшифровать в лекционном курсе, а в качестве вспомогательного средства в изучении специальных терминов рекомендуется использовать основную литературу, которая дает расшифровку основных терминов и принятых сокращений , а также при необходимости использовать предметный указатель.

Blog