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 220700 доц. | Зав. кафедрой АТПП доц. |
ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ И ПРОЦЕССОВ
Направление подготовки
220700 Автоматизация технологических процессов и производств
Профили подготовки
Автоматизация технологических процессов и производств в металлургической промышленности
Квалификация (степень) выпускника
бакалавр
Составители:
Профессор каф. АТПП
2012
1.Цели и задачи дисциплины:
Дисциплина “ Моделирование процессов и систем” призвана познакомить студента, обучающегося по направлению 220700 “Автоматизация технологических процессов и производств”, с методами математического моделирования технических объектов и технологических процессов систем автоматизации и управления.
2. Место дисциплины в структуре ООП:
Дисциплина “ Моделирование процессов и систем ” относится к базовая (общепрофессиональная) части профессионального цикла дисциплин. Для изучения дисциплины студенты должны знать дисциплины “Теория автоматического управления”, ” Теория дискретных систем управления”, ” Гидроаэромеханика и тепломассообмен”, а также уметь программировать и работать на персональном компьютере в объеме курса "Программирование и основы алгоритмизации". Дисциплина в свою очередь является базой для последующего освоения курсов “Автоматизация технологических процессов и производств (по профилям)”, а также для курсового проектирования и выпускной бакалаврской работы.
3. Требования к результатам освоения дисциплины:
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:
способностью выбирать основные и вспомогательные материалы для изготовления изделий, способы реализации основных технологических процессов, аналитические и численные методы при разработке их математических моделей (ПК-3);
способностью проводить диагностику состояния и динамики производственных объектов производств с использованием необходимых методов и средств анализа (ПК-16);
способностью участвовать в разработке математических и физических моделей процессов и производственных объектов (ПК-17);
способностью изучать и анализировать необходимую информацию, технические данные, показатели и результаты работы, обобщать их и систематизировать, проводить необходимые расчеты с использованием современных технических средств и программного обеспечения (ПК-38);
способностью к участию в работах по моделированию продукции, технологических процессов, производств, средств и систем автоматизации, контроля, диагностики, испытаний и управления процессами, жизненным циклом продукции и ее качеством с использованием современных средств автоматизированного проектирования (ПК-40);
В результате изучения дисциплины студент должен:
Знать:
· иметь представление о принципах физического и математического моделирования систем;
· знать классификацию моделей, принципы построения и основные требования к математическим моделям систем;
· знать основные положения теории подобия и методы упрощения математических моделей систем;
· знать и уметь применять типовые модели систем;
Уметь:
· уметь поставить задачу моделирования, составить математическую модель и выбрать метод исследования модели объекта или технологического процесса и системы управления этим объектом или процессом.
Владеть:
- компьютерными технологиями и типовыми программными средствами моделирования объектов и систем.
4. Объем дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины составляет _4.78__ зачетных единиц.
Вид учебной работы | Всего часов | Семестры | |||
6 | 7 | ||||
Аудиторные занятия (всего) | 64 | 64 | |||
В том числе: | - | - | - | - | - |
Лекции | 32 | 32 | |||
Практические занятия (ПЗ) | 16 | 16 | |||
Семинары (С) | |||||
Лабораторные работы (ЛР) | 16 | 16 | |||
Самостоятельная работа (всего) | 82 | 49 | 33 | ||
В том числе: | - | - | - | - | - |
Курсовой проект (работа) | 33 | ||||
Расчетно-графические работы | 12 | ||||
Реферат | |||||
Другие виды самостоятельной работы | |||||
Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен) | экз | ||||
Общая трудоемкость час зач. ед. | 172.1 | ||||
4.78 |
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
№ п/п | Наименование раздела дисциплины | Содержание раздела |
1 | Введение | Общие сведения о моделировании. Моделирование как метод познания. Изоморфизм и гомоморфизм моделируемых систем. Пространство состояния. |
2 | Физическое и математическое моделирование | Физическое моделирование. Основные положения теории подобия. Нахождение критериев физического подобия. Идентификация параметров физической модели. Типовые задачи физического моделирования. Математическое моделирование. Понятие математической модели, алгоритмического, программного и инструментального обеспечения моделирования. Типовые задачи математического моделирования. |
3 | Блочный метод построения моделей объектов управления. Модели гидродинамики потоков | Структурная схема сложных технологических объектов. Гидродинамические модели. Модели идеального смешения, идеального вытеснения, ячеечная модель, комбинированные модели. Передаточные функции моделей. Методы определения параметров моделей структуры потоков. |
4 | Моделирование процессов химического превращения в технологических объектах. | Основные закономерности химической кинетики для моделирования процессов химического превращения сырья в конечные продукты. Методы определения кинетических констант математических моделей с использованием программного комплекса ReacOp. Синтез моделей объектов на основе моделей гидродинамики и кинетики. |
5 | Методы численной реализации математических моделей сложных технологических объектов. | Численные методы решения стационарных и нестационарных моделей объектов. Методы стационирования для решения моделей объектов со сложной гидродинамикой. Синтез математических моделей объектов с использованием программного комплекса ReactOp. Статистический анализ и оценка адекватности моделей. |
6 | Моделирование объектов с распределенными параметрами | Выод уравнений материального и теплового баланса для моделей с распределенными параметрами. Сеточные меды решения моделей для объектов с распределенными параметрами. Применение специализированных программных комплексов Thermex, Convex и BST для моделирования объектов с распределенными параметрами при отклонениях параметров управления от номинальных значений. |
7 | Методы оптимального управления. | Общая постановка задач оптимального управления. Формулировка критерия качества функционирования систем, учет ограничений в форме равенств и в форме неравенств на переменные состояния и управления объектов и систем. Математические методы определения оптимального управления. Метод нелинейного программирования. Определение оптимального управления для объекта с распределенными параметрами с помощью программного комплекса ReactOp. |
8 | Моделирование объектов при протекании многофазных процессов. | Понятия о гетерогенных процессах. Основные стадии гетерогенных процессов. Лимитирующие стадии гетерогенных процессов. Математические модели процессов в кинетической, диффузионной и смешанной областях контроля. Роль интерфейса, его геометрии и состояния при моделировании процессов. Математические модели процессов выщелачивания и кристаллизации гидроокиси алюминия в каскадах реакторов. Определение оптимального управления этими процессами с использованием программного комплекcа ReactOp. |
9 | Моделирование сложных схем и САУ. | Программный комплекс Аспен плюс для моделирования сложных технологических схем. Создание модели стационарных режимов. Задание технологических блоков и перерабатываемых потоков. Моделирование работы схем и определение значений определяющих параметров. Создание динамических моделей схем с учетом контуров регулирования в среде Аспен Динамика. Моделирование динамических режимов и определение структуры оптимального управления отдельными узлами схемы. |
5.2 Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами
№ п/п | Наименование обеспе-чиваемых (последую-щих) дисциплин | № № разделов данной дисциплины, необходимых для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин | ||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | ||
1. | Автоматизация технологических процессов (по профилям) | + | + | + | + | + | + | + | + | + |
2. | Выпускная бакалаврская работа | + | + | + | + | + | + | + | + | + |
5.3. Разделы дисциплин и виды занятий
№ п/п | Наименование раздела дисциплины | Лекц. | Практ. зан. | Лаб. зан. | Семин | СРС | Все-го час. |
1 | Введение | 2 | 2 | ||||
2 | Физическое и математическое моделирование | 4 | 4 | ||||
3 | Блочный метод построения моделей объектов управления. Модели гидродинамики потоков | 4 | 4 | 4 | 12 | ||
4 | Моделирование процессов химического превращения в технологических объектах. | 4 | 2 | 2 | 8 | ||
5 | Методы численной реализации математических моделей сложных технологических объектов. | 2 | 2 | 2 | 6 | ||
6 | Моделирование объектов с распределенными параметрами | 2 | 2 | 2 | 6 | ||
7 | Методы оптимального управления. | 4 | 2 | 2 | 8 | ||
8 | Моделирование объектов при протекании многофазных процессов. | 6 | 2 | 2 | 10 | ||
9 | Моделирование сложных схем и САУ. | 4 | 2 | 2 | 8 |
6. Лабораторный практикум
№ п/п | № раздела дисциплины | Наименование лабораторных работ | Трудо-емкость (час.) |
1 | 3. | Определение кривых отклика аппаратов со структурой потоков, описываемых: · Моделью идеального перемешивания · Моделью идеального вытеснения · Ячеечной моделью · Диффузионной моделью · Комбинированными моделями · Определения параметров гидродинамических моделй по экспериментальным кривым отклика объекта на различные возмущения. | 8 |
2 | 4. | Определение кинетических параметров моделей по экспериментальным данным для сложных реакционных схем. | 6 |
3 | 5. | Численная реализация моделей для аппаратов с сосредоточенными параметрами. Решение уравнений моделей для аппаратов с распределенными параметрами. | 3 |
4 | 6. | Моделирование процессов нагрева изделий в печах при различных граничных условиях с использованием прграммного комплекса Thermex. | 4 |
5 | 7. | Определение оптимального температурного профиля для объекта с распределенными параметрами с использованием программного комплекса ReactOp | 4 |
6 | 8. | Моделирование гетерогенных процессов на примерах реакций растворения и кристаллизации. | 4 |
7 | 9. | Моделирование процессов и систем управления в среде программного комплекса Аспен плюс и Аспен Динамика. | 5 |
7. Практические занятия (семинары).
№ п/п | № раздела дисциплины | Тематика практических занятий (семинаров) | Трудо-емкость (час.) |
1 | 3 | Блочный метод построения моделей объектов управления. Модели гидродинамики потоков | 4 |
2 | 4 | Моделирование процессов химического превращения в технологических объектах. | 2 |
3 | 5 | Методы численной реализации математических моделей сложных технологических объектов. | 2 |
4 | 6 | Моделирование объектов с распределенными параметрами | 2 |
5 | 7 | Методы оптимального управления. | 2 |
6 | 8 | Моделирование объектов при протекании многофазных процессов. | 2 |
7 | 9 | Моделирование сложных схем и САУ. | 2 |
8. Примерная тематика курсовых проектов (работ)
1) Моделирование процессов нагрева металлических слитков в методических печах.
2) Моделирование процесса выщелачивания нефелинового спека.
3) Моделирование процесса кристаллизации.
4) Моделирование процесса ректификации в колонне тарельчатого типа.
5) Моделирование процесса ректификации в насадочной колонне.
6) Моделирование процесса выпарки маточного раствора в батарее аппаратов.
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
а) основная литература
1. , , Моделирование процессов объектов в металлургии. Уч. пособие. - СПбГГИ, РИЦ СПбГГИ, СПб., 2006 г.
2. Проектирование автоматизированных систем обработки информации и управления (АСОИУ): Учебник, М.: Высш. шк., 2006.
3. . Пакеты расширения Matlab. Control System Toolbox и Robust Control Toolbox. Издательство: Солон-Пресс, 2008 г.,- 224 с.
4. В.П.Дъяконов. MATLAB 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6. Основы применения.-М.:СОЛОН - Пресс, 2005.-800с.
5. Моделирование процессов объектов в металлургии. Составители: , , Методические указания к лабораторным работам. СПбГГИ, РИЦ СПбГГИ, СПб., 2007 г.
б) дополнительная литература
1. , . Программные средства систем управления технологическими процессами в нефтяной и газовой промышленности: Учебное пособие. — М.: » РГУ нефти и газа им. , 20с.
2. , Н. А Орехов, В. Н.Новиков Математическое моделирование в экологии: Учеб. пособие для вузов. — М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2003.
3. , Н. И Харитонов Задачник по системам управления химико-технологическими процессами: Учебное пособие для вузов. — М.: ИКЦ «Академкнига», 2005.
4. , Численные методы и алгоритмы диспетчеризации вычислений с динамически изменяющимися приоритетами. - М.: СИНТЕГ, 20с. (Серия «Информационные технологии»).
в) программное обеспечение
Освоение дисциплины осуществляется с помощью специальных компьютерных математических пакетов EXEL, RTD, ReactOp, Thermex, ASPEN, Matlab.
г) базы данных, информационно-справочные и поисковые системы
сайт Aspen.
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины:
Для выполнения лабораторных работ, и оформления отчетов используются компьютеры кафедрального вычислительного центра (ауд. 6501) и Межфакультетская лаборатория АСУТП (ауд 6503, 6406) , c специальным программным обеспечением. Лекции по дисциплине проводятся в аудиториях, оснащённых мультимедийным оборудованием.
11. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины:
Практические занятия проводятся в аудиториях, снабженными компьютерами с специальным программным обеспечением, а также программными средствами для проведения компьютерных телеконференций (средствами удаленного доступа к рабочим столам). Для текущего контроля используются тестовые контрольные работы на усвоение теоретических знаний и собеседование с преподавателем при защите лабораторных работ.
Разработчик:
Каф. АТПП профессор
Эксперты:
_____________ _____________________ ________________
_____________ _____________________ ________________
