Рабочая программа по дисциплине днмв. 01. 2 Компьютерное моделирование динамических систем По направлению
| Вид материала | Рабочая программа |
- Программа спецкурса "Компьютерное моделирование нелинейных волновых процессов" Специальность, 27.11kb.
- Рабочая программа по дисциплине: «Компьютерное моделирование» по направлению (010500), 61.06kb.
- Рабочая программа По дисциплине «Управление пректами в издательско-полиграфической, 275.42kb.
- Рабочая программа по дисциплине " Методы анализа динамических систем " для специальности, 143.06kb.
- Желтов Валериан Павлович рабочая программа, 122.37kb.
- Рабочая программа По дисциплине «Экономико-математическое моделирование производственных, 373.58kb.
- Рабочая программа По дисциплине «Экономические методы и модели в микроэкономическом, 327.98kb.
- Учебно-методический комплекс по дисциплине "компьютерное моделирование" (факультет, 384.08kb.
- Рабочая программа учебной дисциплины моделирование систем ооп подготовки бакалавров, 271.66kb.
- Рабочая программа По дисциплине «Применение методов принятия решений в области средств, 330.18kb.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Ф
ЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮГосударственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕЧАТИ»
УТВЕРЖДАЮ
Т.В. Маркелова
« 17 » июня 2010 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
| По дисциплине | ДНМв.01.2 Компьютерное моделирование динамических систем |
| По направлению | 220200.68 – Автоматизация и управление |
| Факультет | Цифровых систем и технологий |
| Кафедра | Автоматизации полиграфического производства |
| Форма обучения | Курс | Семестр | Трудоемкость дисциплины в часах | Форма итогового контроля | |||||||
| Всего часов | Аудиторных часов | Лекции | Семинарские (практические) занятия | Лабораторные занятия | Курсовая работа | Курсовой проект | Самостоятельная работа | ||||
| Очная | 6 | 11 | 130 | 51 | 34 | 17 | | | | 79 | Зачет |
| Очно-заочная | | | | | | | | | | | |
| Заочная | | | | | | | | | | | |
Москва – 2010 г.
| Составитель: | Щербина Ю.В., канд. техн. наук, доцент |
| Рецензент: | Агеев В.Н., докт. техн. наук, профессор |
| | |
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры «Автоматизация полиграфического производства» 25.05.10 , протокол № 11 .
Зав. кафедрой Самарин Ю.Н.
Одобрена Советом факультета цифровых систем и технологий 01.06.10 , протокол № 12 .
Председатель Иванова А.Е.
1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ, ТРЕБОВАНИЯ
К ЗНАНИЯМ И УМЕНИЯМ
1.1. Цели и задачи изучения дисциплины
Цель изучения дисциплины «Компьютерное моделирование динамических систем» – формирование у студентов знаний о принципах построения математических моделей динамических систем, изучение современных методов компьютерного моделирования автоматических и автоматизированных систем контроля и управления разной физической природы.
Основной задачей изучения дисциплины является овладение методами математического и компьютерного моделирования на основе современных программных средств и получение практических навыков использования современной вычислительной техники в научных исследованиях.
1.2. Требования к уровню освоения
содержания дисциплины
В результате изучения дисциплины студент должен
знать:
- современные подходы к построению компьютерных моделей сложных динамических систем;
- возможности различных методов компьютерного проектирования;
- методики проведения научных исследований в области автоматизации и управления;
- способы динамического моделирования автоматических и автоматизированных систем контроля и управления различной физической природы;
- архитектуру, интерфейсы и алгоритмическое обеспечение современных вычислительных систем;
владеть:
- современными программными средствами компьютерного моделирования (вычислительными пакетами MathCAD, MatLab, Simulink, Maple и др.);
- методами построения различных математических моделей технических систем;
- методами моделирования автоматических и автоматизированных систем контроля и управления различной физической природы;
уметь:
- разрабатывать математические модели динамических систем различной физической природы;
- выбирать оптимальные алгоритмы обработки данных;
- правильно применять способы численного решения дифференциальных уравнений;
- работать в современных математических макетах;
- составлять сложные многокомпонентные и гибридные математические модели.
1.3. Перечень дисциплин с указанием разделов (тем),
усвоение которых студентами необходимо
для изучения данной дисциплины
- Математика (дифференциальные уравнения; функции комплексного переменного; ряды Фурье; преобразования Лапласа и Фурье; численное решение нелинейных уравнений и систем; численное интегрирование и дифференцирование; численное решение обыкновенных дифференциальных уравнений; основы вычислительного эксперимента; элементы теории функций и функционального анализа; функции комплексного переменного; дискретная математика; основы математической логики; теория алгоритмов; языки и грамматики; графы; автоматы).
- Теория автоматического управления (линейные непрерывные модели и характеристики систем управления; способы математического описания динамических свойств объектов; нелинейные модели систем управления; методы линеаризации нелинейных моделей; модели и характеристики случайных сигналов; прохождение случайных сигналов через линейные звенья; анализ; оптимальные системы управления; задачи оптимального управления; критерии оптимальности; методы адаптивного управления).
- Моделирование систем (принципы построения и основные требования к математическим моделям систем; формы представления математических моделей; методы исследования математических моделей систем и процессов; имитационное моделирование; методы упрощения математических моделей; современные технические и программные средства моделирования).
2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
2.1. Наименование разделов, тем, их содержание
и объем в часах
| Наименование тем, разделов | Общая трудоемкость (часов) | |||
| Аудиторные занятия (всего часов) | Лекции | Практические занятия (семинары) | Лабораторные занятия | |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| Введение | 2 | 2 | | |
| Раздел 1. Математическое описание динамических систем Тема 1. Основные типы математических моделей динамических систем | 3 | 2 | 1 | |
| Тема 2. Частотные и операторные методы моделирования непрерывных процессов | 4 | 2 | 2 | |
| Тема 3. Математическое моделирование дискретных динамических систем | 4 | 2 | 2 | |
| Раздел 2. Численные методы компьютерного моделирования динамических систем Тема 4. Методы компьютерного моделирования линейных дискретных и дискретно-аналоговых динамических систем | 4 | 2 | 2 | |
| Тема 5. Моделирование нелинейных динамических систем и современные методы численного интегрирования | 4 | 2 | 2 | |
| Тема 6. Классические методы численного интегрирования | 2 | 2 | | |
| Раздел 3. Компьютерный анализ временных зависимостей Тема 7. Использование регрессионного анализа для исследования временных зависимостей | 4 | 2 | 2 | |
| Тема 8. Выделение циклических трендов временных сигналов | 2 | 2 | | |
| Раздел 4. Программные средства компьютерного моделирования динамических систем Тема 9. Интегрированная среда MathCAD | 2 | 2 | | |
| Тема 10. Методы численного решения дифференциальных уравнений | 2 | 2 | | |
| Тема 11. Интегрированная вычислительная система MatLab | 2 | 2 | | |
| Тема 12. Пакеты прикладных программ системы MatLab | 2 | 2 | | |
| Тема 13. Simulink 4 – пакет расширения системы MatLab 6.0 | 6 | 2 | 4 | |
Окончание таблицы
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| Раздел 5. Экспериментальное исследование динамических объектов управления и систем Тема 14. Классификация динамических характеристик объектов управления и систем | 2 | 2 | | |
| Тема 15. Определение динамических характеристик объектов и систем с помощью апериодических, регулярных воздействий | 2 | 2 | | |
| Тема 16. Определение динамических характеристик объектов и систем при возмущениях в виде случайных сигналов | 4 | 2 | 2 | |
| Итого | 51 | 34 | 17 | |
2.2. Содержание разделов и тем дисциплины
Введение
Роль математического моделирования в процессе принятия решений. Классификация задач принятия решений. Принципы моделирования. Этапы математического моделирования. Основные понятия теории моделирования.
Раздел 1. Математическое описание
динамических систем
Тема 1. Основные типы математических моделей динамических систем
Соотношение между входом и выходом. Классификация математических моделей. Особенности построения математической модели процессов технического проектирования, управления транспортом, работы тепловых устройств. Моделирование линейной системы. Классические методы решения стационарных линейных дифференциальных уравнений. Метод неопределенных коэффициентов.
Тема 2. Частотные и операторные методы моделирования непрерывных процессов
Экспоненциальная форма рядов Фурье. Интегралы Фурье и преобразование Фурье. Быстрое преобразование Фурье. Обратное преобразование Лапласа. Структурные схемы и передаточные функции. Изображение системы в пространстве состояний.
Тема 3. Математическое моделирование дискретных динамических систем
Разностные уравнения и рекуррентные соотношения, их взаимосвязь. Источники появления ошибок вычисления в дискретной системе. Общее и частное решения дискретного уравнения. Описание дискретной системы с помощью переменных состояния. Z-преобразование дискретного сигнала, обратное z-преобразование. Математические свойства дискретных выборок и их преобразования. Процессы дискретного преобразования сигналов. Устойчивость дискретных систем. Уравнения состояния дискретных систем.
Раздел 2. Численные методы
компьютерного моделирования динамических систем
Тема 4. Методы компьютерного моделирования линейных дискретных и дискретно-аналоговых динамических систем
Решение разностных уравнений методами подстановки при численном интегрировании. Устойчивость разностных уравнений. Метод подбора корней. Подбор динамических характеристик передаточной функции разностного уравнения в соответствии с передаточной функцией дифференциального уравнения. Теорема Котельникова и ее значение для моделирования. Применение метода подбора корней при моделировании дискретных систем. Дополнительная фильтрация, и ее применение в компьютерном моделировании.
Тема 5. Моделирование нелинейных динамических систем и современные методы численного интегрирования
Численное интегрирование нелинейных дифференциальных уравнений. Численное решение кусочно-линейных уравнений в замкнутом цикле. Выборка данных при численном интегрировании. Методы дискретной аппроксимации непрерывных функций. Настройка численного интегрирования. Объединение классических разработок по частотной области. Свойства интеграторов.
Тема 6. Классические методы численного интегрирования
Определенное интегрирование. Интегрирование методом трапеций. Интегрирование методом средней точки. Основные положения численного интегрирования неопределенных интегралов. Методы Рунге-Кутта. Специальные методы интегрирования.
Раздел 3. Компьютерный анализ
временных зависимостей
Тема 7. Использование регрессионного анализа для исследования временных зависимостей
Исходные предпосылки регрессионного анализа. Уравнение регрессии. Метод наименьших квадратов. Проверка исходных предпосылок регрессионного анализа. Коррелированные переменные. Прогнозирование. Сглаживание полиномиальных трендов. Свойства процедур сглаживания. Метод переменных разностей. Оценивание дисперсии ошибки. Определение степени гладкости тренда. Нелинейные тренды.
Тема 8. Выделение циклических трендов временных сигналов
Ортогональные периодические функции. Представление конечной последовательности с помощью частот. Представление произвольной функции. Компьютерная обработка трендов, периоды которых являются делителями длины ряда. Оценки наименьших квадратов для коэффициентов и дисперсии. Периодограмма и спектрограмма. Проверка гипотез и построение областей для коэффициентов. Вычисление коэффициентов Фурье. Компьютерная обработка трендов, периоды которых не являются делителями длины ряда.
Раздел 4. Программные средства
компьютерного моделирования динамических систем
Тема 9. Интегрированная среда MathCAD
Основные функциональные компоненты. Структура и состав главного меню. Основные типы данных. Наиболее важные операторы MathCAD. Булевы операторы. Задание размерности переменных. Трассировка ошибок. Использование специальных клавиш. Решение системы уравнений.
Тема 10. Методы численного решения дифференциальных уравнений
Решение системы уравнений матричным методом. Решение системы уравнений с помощью функции Find. Численное решение системы нелинейных уравнений. Аналитическое решение системы нелинейных уравнений. Решение дифференциальных уравнений средствами пакета MathCAD. Решение дифференциальных уравнений с помощью функций odesolve, rkfixed, bulstoer. Аналитическое решение дифференциальных уравнений с помощью символьного редактора.
Тема 11. Интегрированная вычислительная система MatLab
Инструментальная панель. Редактор/отладчик М-файлов. Загрузка и сохранение рабочей области. Импорт и экспорт данных. Программирование в системе MatLab. Создание М-файлов. М-сценарии и М-функции. Выполнение М-функций. Списки аргументов, типы переменных, типы данных. Операторы системы MatLab. Отладка и профилирование М-файлов.
Тема 12. Пакеты прикладных программ системы MatLab
Пакет прикладных программ обработки сигналов и изображений Signal Processing Toolbox. Пакет прикладных программ анализа и синтеза систем управления Control System Toolbox. Пакет идентификации систем System Identification Toolbox.
Тема 13. Simulink 4 – пакет расширения системы MatLab 6.0
Инсталляция и загрузка. Меню командного окна. Настройка системы. Настройка графического интерфейса. Средства помощи пользователю. Библиотеки блоков Simulink. Общие свойства блоков. Виртуальные и не виртуальные блоки. Блоки источников и получателей сигналов. Математические блоки. Нелинейные и дискретные блоки. Библиотека Simulink Extras.Работа с файлами Simulink. Создание подсистем. Создание собственных блоков и библиотек. Инструментальные средства Simulink.
Раздел 5. Экспериментальное исследование
динамических объектов управления и систем
Тема 14. Классификация динамических характеристик объектов управления и систем
Определение частотных динамических характеристик с помощью периодических воздействий. Подготовка и проведение эксперимента, обработка экспериментальных данных. Аппроксимация результатов расчета АФХ.
Тема 15. Определение динамических характеристик объектов и систем с помощью апериодических, регулярных воздействий
Подготовка и планирование эксперимента по снятию переходных характеристик. Проведение эксперимента по снятию переходных зависимостей. Обработка результатов эксперимента.
Тема 16. Определение динамических характеристик объектов и систем при возмущениях в виде случайных сигналов
Свойства и характеристики случайных стационарных сигналов. Постановка эксперимента по определению характеристик случайных процессов. Определение характеристик случайных процессов. Определение динамических характеристик объекта управления
2.3. Лабораторные занятия, их наименование
и объем в часах
Не предусмотрены.
2.4. Курсовой проект (работа) и его характеристика
Не предусмотрен.
2.5. Организация самостоятельной работы
| Наименование тем, разделов | Виды и формы самостоятельной работы * (распределение часов по формам обучения) | ||||||||||||||
| Подготовка к практическому (семинару, лаб. работе) | Подготовка рефератов (докладов, сообщений, информационных материалов и т.п.) | Выполнение домашних, контрольных и иных заданий | Подготовка к промежуточной аттестационной работе (в т.ч. к коллоквиуму, тестированию и пр.) | Подготовка к зачету (экзамену) | |||||||||||
| Очная | Очно-заочная | Заочная | Очная | Очно-заочная | Заочная | Очная | Очно-заочная | Заочная | Очная | Очно-заочная | Заочная | Очная | Очно-заочная | Заочная | |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
| Введение | 1 | | | | | | | | | | | | 1 | | |
| Раздел 1. Математическое описание динамических систем Тема 1. Основные типы математических моделей динамических систем | 2 | | | 3 | | | 1 | | | | | | 1 | | |
| Тема 2. Частотные и операторные методы моделирования непрерывных процессов | 2 | | | | | | 2 | | | | | | 1 | | |
| Тема 3. Математическое моделирование дискретных динамических систем | 2 | | | | | | 2 | | | | | | 1 | | |
| Раздел 2. Численные методы компьютерного моделирования динамических систем Тема 4. Методы компьютерного моделирования линейных дискретных и дискретно-аналоговых динамических систем | 2 | | | 3 | | | 1 | | | | | | 1 | | |
| Тема 5. Моделирование нелинейных динамических систем и современные методы численного интегрирования | 2 | | | | | | 2 | | | | | | 1 | | |
| Тема 6. Классические методы численного интегрирования | 1 | | | | | | 2 | | | | | | 1 | | |
Окончание таблицы
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
| Раздел 3. Компьютерный анализ временных зависимостей Тема 7. Использование регрессионного анализа для исследования временных зависимостей | 2 | | | 2 | | | 3 | | | | | | 1 | | |
| Тема 8. Выделение циклических трендов временных сигналов | 1 | | | | | | 2 | | | | | | 1 | | |
| Раздел 4. Программные средства компьютерного моделирования динамических систем Тема 9. Интегрированная среда MathCAD | 1 | | | | | | 1 | | | | | | 1 | | |
| Тема 10. Методы численного решения дифференциальных уравнений | 1 | | | | | | 2 | | | | | | 1 | | |
| Тема 11. Интегрированная вычислительная система MatLab | 2 | | | | | | 1 | | | | | | 1 | | |
| Тема 12. Пакеты прикладных программ системы MatLab | 2 | | | | | | 2 | | | | | | 1 | | |
| Тема 13. Simulink 4 – пакет расширения системы MatLab 6.0 | 2 | | | | | | 11 | | | | | | 1 | | |
| Раздел 5. Экспериментальное исследование динамических объектов управления и систем Тема 14. Классификация динамических характеристик объектов управления и систем | 1 | | | 2 | | | 1 | | | | | | 1 | | |
| Тема 15. Определение динамических характеристик объектов и систем с помощью апериодических, регулярных воздействий | 1 | | | | | | 2 | | | | | | 1 | | |
| Тема 16. Определение динамических характеристик объектов и систем при возмущениях в виде случайных сигналов | 2 | | | | | | 2 | | | | | | 1 | | |
* Могут быть предложены иные формы СРС.
3. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
ПО ДИСЦИПЛИНЕ
3.1. Литература
Основная
1. Белькович Е.С. Практическое моделирование динамических систем: Учеб. пособие / Е.С. Белькович, Ю.Б. Колесов, Ю.Б. Сеническов. – СПб.: БХВ-Петербург, 2002.
2. Лазарев Ю.К. Моделирование процессов и систем в Matlab. – СПб.: БХВ-Питер, 2005.
3. Смит Дж.М. Математическое и цифровое моделирование для инженеров и исследователоей. – М.: Машиностроение, 1980.
4. Дьяконов В.П. Matlab R2006/R2007/R2008, Simulink 5/6/7: Основы применения / В.П. Дьяконов, Е.С. Белькович, Ю.Б. Колесов, Ю.Б. Сеническов Практическое моделирование динамических систем. – М.: Солон-Пресс, 2008.
Дополнительная
5. Щербина Ю.В. Теоретические основы и математическое моделирование лентопроводных и краскопитающих устройств рулонных печатных машин. – М.: Изд-во МГУП, 2009.
6. Щербина Ю.В. Динамические свойства процессов управления движением бумаги и краски в рулонных печатных машинах. – М.: Изд-во МГУП, 2003.
7. Васильев А.Н. MathCAD 13 на примерах. – СПб.: БХВ-Петербург, 2006.
3.2. Перечень наглядных и других пособий,
методических указаний по проведению
конкретных видов учебных занятий,
а также используемых в учебном процессе
технических средств
- Компьютерный класс кафедры АПП на 17 рабочих мест.
- Пакеты прикладных программ MathCAD, MathLab и приложение Simulink.