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
«Современные проблемы автоматизации и управления»
Направление подготовки:
220700 Автоматизация технологических процессов и производств
Программы:
«Системы автоматизированного управления в металлургии»,
«Системы автоматизированного управления в нефтегазопереработке», «Системы автоматизированного управления в горном деле»
«Системы автоматизированного управления в машиностроении»
Квалификация (степень) выпускника: магистр
Форма обучения: очная
Составители: Профессор каф. АТПП
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2012
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
Целью преподавания дисциплины «Современные проблемы автоматизации и управления» является ознакомление студентов, обучающихся в магистратуре, с современными проблемами управления технологическими процессами и производствами повышенной сложности, а также с основными подходами, применяемыми при разработке систем управления этими объектами.
Изучение дисциплины основано на следующих базовых курсах: высшая математика, физика, теория автоматического управления, технология металлургического производства, электромеханические системы и др
2. ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ОСВОЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ
ДИСЦИПЛИНЫ
В результате освоения содержания дисциплины магистранты должны знать:
•методы формализации объектов и формулирования критериев оптимизации (ПК-1);
• современные математические методы решения оптимальных задач (ПК-7)
• математические методы оптимизации многостадийных процессов (ПК-21)
• учет ограничений на переменные состояния и управления при решении задач
Оптимизации (ПК-41)
- методы управления на основе нечеткой логики (ПК-45)
В результате освоения содержания дисциплины магистранты должны уметь:
• формулировать задачи оптимизации реальных процессов (ПК-1)
• правильно выбирать метод решения оптимальной задачи с учетом реальных ограничений в конкретных условиях (ПК-7);
• производить анализ модели с целью выделения переменных состояния для формулировки критерия оптимизации технологического объекта (ПК-21);
• применять методы оптимизации для решения задач оптимального функционирования технологических объектов(ПК-41);
• применять современные технические средства и программные пакеты для решения практических задач оптимального управления (ПК-45)
3. ОБЪЕМ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ
Вид учебной работы | Всего часов | Семестры |
10 | ||
Общая трудоемкость дисциплины | 119 | 119 |
Аудиторные занятия | 51 | 51 |
Лекции | 34 | 34 |
Практические занятия (ПЗ) | 34 | 34 |
Семинары (С) | ||
Лабораторные работы (ЛР) | ||
и (или) другие виды аудиторных занятий | ||
Самостоятельная работа, в том числе: | 51 | 51 |
Курсовой проект (работа) | ||
Расчетно-графические работы | ||
Реферат | 34 | 34 |
и (или) другие виды самостоятельной работы | 17 | 17 |
Вид итогового контроля (зачет, экзамен) | Экзамен |
4. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
4.1 РАЗДЕЛЫ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ ЗАНЯТИЙ
№ п/п | Раздел дисциплины | Лекции, ч | ПЗ, ч |
1 | Оптимальные системы управления | 10 | 2 |
2 | Адаптивные системы управления | 6 | 2 |
3 | Большие и сложные системы | 6 | 6 |
4 | Нечеткие системы управления | 6 | 4 |
5 | Предсказывающие системы управления | 6 | 3 |
4.2 СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛОВ ДИСЦИПЛИНЫ
Раздел 1. Оптимальные системы управления. Постановка задачи. Формализация цели управления. Основные виды критериальных функций качества функционирования объекта. Экономические основы формирования критерия оптимальности. Физические процессы в оптимальных системах. Основные математические методы синтеза оптимальных систем управления и области их применения. Классические вариационные задачи и методы их решения. Учет ограничений при поиске оптимального управления. Метод неопределенных множителей Лагранжа. Аналитическое конструирование регуляторов с помощью вариационного исчисления. Динамическое программирование. Принцип оптимальности Беллмана. Уравнения Беллмана в дискретной и непрерывной формах. Принцип максимума Понтрягина. Применение принципа максимума к решению задач с максимальным быстродействием. Физическая и геометрическая интерпретации оптимального управления. Методы нелинейного программирования.
Раздел 2. Адаптивные системы управления. Назначение. Классификация. Постановка задачи. Экстремальные системы управления (ЭСУ). Принципы построения одноканальных и многоканальных ЭСУ. Основные методы поиска экстремума. Динамика непрерывных и дискретных ЭСУ. Методы анализа и синтеза ЭСУ.
Самонастраивающиеся системы управления (СНС). Аналитические и поисковые СНС. Структура и алгоритм функционирования СНС. Решение задач первичной и вторичной оптимизации. Основные методы самонастройки системы по заданному критерию. Функционирование СНС в условиях неполной информации. Методы идентификации объекта управления. Методы синтеза самонастройки: детерминистский и стохастический подходы.
Раздел 3. Большие и сложные системы. Основные характерные черты больших и сложных систем. Многомерные и многосвязные системы. Системный подход при разработке больших систем. Функция, цель и структура системы. Свойства целостности и эмерджентности. Критерии эффективности работы систем. Методы снижения размерности систем. Декомпозиция. Иерархическая структура управления. Задачи синтеза алгоритмов большими и сложными системами. Некоторые методы их решения: применение теории массового обслуживания, методов статистических испытаний, теории информации, игровых систем и т. д. Понятие о системе «человек-машина» (СЧМ). Основные типы СЧМ, особенности их функционирования, методы исследования.
Раздел 4. Нечеткие системы управления. Понятие об искусственном интеллекте. Интеллектуальные системы автоматического управления. Нечеткая логика, нечеткие множества, функции принадлежности, лингвистические переменные. Операции с нечеткими множествами. Нечеткие алгоритмы.
Общие принципы построения интеллектуальных систем управления (ИСУ) на основе нечеткой логики. Процедура синтеза нечетких регуляторов. Синтез адаптивной АСУ с эталонной моделью на основе нечеткой логики. Программная и аппаратная реализация нечетких регуляторов. Проектирование нечетких регуляторов на основе искусственных нейронных сетей.
Раздел 5. Предсказывающие системы управления. Предсказывающие (предиктивные) системы как средство управления в реальном времени в условиях неопределенности. Применение предсказывающих алгоритмов управления в системах «человек – машина». Дискретная динамическая оптимизация функции управления прямыми методами. Предсказывающие системы на основе импульсной матрицы отклика.
5. ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ
№ пп. | № раздела дисциплины | Наименования лабораторных работ |
1 | 1 | Работа №1. Исследование функций одной переменной для нахождения точек экстремума. |
2 | 1 | Работа № 2. Исследование функций двух переменных для нахождения точек экстремума и определение типа экстремума |
3 | 1 | Работа №3. Определение экстремума функций при использовании градиентного метода поиска экстремума |
4 | 2 | Работа № 4. Определить оптимальные условия теплообмена для теплообменника типа «Смешение – Смешение» |
3 | Работа № 5. Определение оптимальной температуры для реактора идеального перемешивания для случая параллельных реакций 1-го порядка. | |
5 | 3 | Работа №6. Определение минимального реакционного объема в каскаде реакторов идеального перемешивания с использованием метода неопределенных множителей Лагранжа. |
6 | 4 | Работа № 7 Исследования оптимальных условий, найденных методом неопределенных множителей Лагранжа с использованием программного комплекса ReactOp. |
7 | 4 | Работа № 8. Определение оптимального температурного профиля в реакторе идеального вытеснения, обеспечивающего максимальный выход промежуточного продукта в системе последовательных реакций с использованием принципа максимума Понтрягина |
5 | Работа № 9. Определении оптимального распределения объемов в каскаде реакторов идеального перемешивания методом динамического программирования. | |
5 | Работа № 10. Определение оптимального управления температурой в реакторе периодического действия для системы параллельно-последовательных реакций методом нелинейного программирования. | |
1 | Работа № 11. Определение оптимального температурного профиля для реактора идеального вытеснения при протекании в нем последовательных реакций 1-го порядка с использованием метода нелинейного программирования | |
3 | Работа № 12. Определение оптимального управления температурой в каскаде реакторов полного смешения | |
4 | Работа № 13. Моделированbе процесса возникновения и развития теплового взрыва в реакторах различной формы с использованием программного комплекса STE | |
4 | Работа № 14. Определить влияние физико-химических характеристик процесса на условия возникновения и развития теплового взрыва. | |
5 | Работа № 15. Определение критических размеров сосудов различной геометрической формы для хранения и транспортировки опасных смесей. высоковязких продуктов. | |
6 | Работа № 16. Исследовать условия возникновения теплового взрыва в сосудах различной формы при хранении и обработке текучих жидкостей с учетов естественной конвекции. с использованием программного комплекса LTE |
6. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
6.1 рекомендуемая литература
Основная
1. , , Мищенко теория оптимальных процессов. М.: Наука, 1969. 384 с.
2. Справочник по теории автоматического управления / Под ред. . М.: Наука, 1987. 712 с.
3. Фильтрация и стохастическое управление в динамических системах / Под ред. : Пер. с англ. М.: Мир, 1980. 408 с.
4. , Ильясов системы управления с использованием нечеткой логики: Учебное пособие / Уфимский гос. авиац.-техн. ун-т. Уфа: УГАТУ, 1995. 99 с.
Дополнительная
1. Ройтенберг управление. 3-е изд. М.: Наука, 1992. 576 с.
2. Богуславский задачи фильтрации и управления / (Теоретические основы технической кибернетики). М.: Наука, 1983. 400 с.
3. Нечеткие множества в моделях управления и искусственного интеллекта / Под ред. . (Проблемы искусственного интеллекта). М.: Наука, 1986. 312 с.
6.2 СРЕДСТВА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
При чтении лекций предполагается использование презентаций, выполненных в пакете Power Point и мультимедийного проектора.
7. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Специализированные программные комплексы для построения математических моделей технологических объектов и технологических схем ReactOp и ASPEN и оптимизации их работы в компьютерной аудитории кафедры АТПП и межкафедральной лаборатории «Современных технологий АСУП и АСУТП»
