400

2

УДК 62-192:52

Научные исследования в области автоматизации и управления:

Методические указания для самостоятельной работы студентов по

направлению подготовки 15.03.04 – «Автоматизация технологических

процессов и производств» для очной формы обучения / А.А. Грибанов; М-во

образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2016. – 9 с.

Печатается по решению редакционно-издательского совета ВГЛТУ

Рецензент: д.т.н., профессор, зав. кафедрой электротехники и автоматики ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I» Афоничев Д.Н.

3

1. Введение

Учебным планом по направлению подготовки бакалавра 15.03.04 – «Автоматизация технологических процессов и производств» предусмотрено изучение курса «Научные исследования в области автоматизации и управления».

В результате освоения дисциплины студент должен:

–знать: методы анализа существующего уровня систем автоматизации технологий лесного комплекса; основные положения по определению проблемы автоматизации, по формулированию актуальности отдельных разделов; методы теоретических исследований, методы планирования экспериментов, методы математического моделирования и оптимизации управляемых процессов; основные теоретические средства автоматизации и вычислительной техники; методы доводки результатов научных исследований

иприкладных технических разработок до уровня внедрения их в практику;

–уметь: проводить системный анализ технологий, агрегатов лесного комплекса, как объектов автоматического контроля и управления; выдвигать проблему автоматизации и давать перечень исследовательских задач и прикладных разработок по ее решению; осуществлять теоретические построения технологий, определять их математические модели; проводить компьютерные расчеты по анализу и синтезу систем автоматизации; выполнять активные и пассивные эксперименты и проводить их компьютерную обработку; создать математическое обеспечение компьютерных систем автоматизации; обоснованно выбирать средства автоматики и вычислительной техники для построения систем автоматизации; доводить до уровня внедрения в практику свои научные разработки, оформлять документацию на получение патентов; обеспечивать необходимый уровень конкурентоспособности научных разработок и их экономическую, экологическую эффективность.

–владеть: навыками осуществления научных разработок в области автоматизации и управления.

2.Общие указания

Методические указания предназначены для бакалавров 4-го курса (8-й семестр) очного обучения. Объем дисциплины и виды учебной работы по семестрам приведены в табл. 1.

4

Таблица 1 – Объем дисциплины и виды учебной работы

Цель лекций – дать основные направления по наиболее сложным разделам дисциплины, а также изложить материал по новейшим достижениям, не получившим достаточного освящения в учебной литературе.

Обзорный характер лекций не дает основание рекомендовать их в качестве единственного источника при подготовке к зачету.

Лабораторные занятия посвящены проведению научных в области автоматизации и управления.

3. Содержание разделов дисциплины

Раздел 1. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ, АГРЕГАТОВ КАК ОБЪЕКТОВ АВТОМАТИЗАЦИИ И АВТОМАТИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Системный анализ объектов однокритериального управления. Вычислительные процедуры однокритериальной оптимизации (метод классического анализа, метод одношагового поиска, метод статистических испытаний (метод Монте-Карло)). Возможности промышленной реализации систем однокритериального компьютерного управления технологическими процессами (режим автоматизированного управления, режим автоматического управления).Системный анализ объектов многокритериального управления. Вычислительные процедуры многокритериальной, многоцелевой оптимизации

5

в системе компьютерного управления процессами, технологиями (метод пороговых значений целевых функций, метод последовательных уступок, штрафов, метод свертки целевых функций). Возможности промышленной реализации систем многокритериального компьютерного управления технологическими процессами.

Раздел 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ УПРАВЛЕНИЯ

Состав, способы получения и классификация математических моделей стационарных режимов объектов управления. Аналитический метод математического описания объектов управления. Экспериментальный метод получения моделей стационарных режимов объектов управления. Планирование экспериментов. Проведение экспериментов.

Раздел 3. СТАТИСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

Относительная частота и вероятность случайных событий. Сложение и умножение вероятностей. Дискретно распределенные случайные величины. Непрерывно распределенные случайные величины. Предварительная обработка экспериментальных данных. Генеральная совокупность и выборка. Отсев грубых погрешностей. Полигон и гистограмма частот распределения. Проверка гипотезы нормальности распределения. Преобразование распределений к нормальному. Алгоритм и блок-схема алгоритма предварительной обработки экспериментальных данных. Стохастическое моделирование. Стохастические системы и их применение. Задачи оптимизации стохастических систем.

Раздел 4. ПАРНЫЕ РЕГРЕССИОННЫЕ МОДЕЛИ И КОРРЕЛЯЦИЯ Линейная модель парной регрессии. Нелинейные модели парной

регрессии. Корреляция. F-критерий Фишера. t-критерий Стьюдента. Раздел 5. МЕТОДЫ ОДНОМЕРНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ

Алгоритм пассивного поиска минимума. Алгоритмы активного поиска минимума (алгоритм равномерного блочного поиска, алгоритм деления интервала пополам, метод дихотомии, метод золотого сечения, метод чисел Фибоначчи). Методы поиска, основанные на аппроксимации целевой функции (метод касательных, метод парабол).

Раздел 6. МОДЕЛИ МНОЖЕСТВЕННОЙ РЕГРЕССИИ И КОРРЕЛЯЦИЯ Спецификация модели. Отбор факторов при построении уравнения множественной регрессии. Метод наименьших квадратов (МНК). Свойства

оценок на основе МНК.

Раздел 7. МЕТОДЫ МНОГОМЕРНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ Градиентные методы. Метод покоординатного спуска. Методы оврагов.

Методы прямого поиска.

Раздел 8. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ В УПРАВЛЕНИИ ПРОИЗВОДСТВОМ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

6

Общие методы получения математического описания промышленных объектов управления. Каскадные системы автоматического управления в промышленной автоматике. Системы многосвязного регулирования.

Раздел 9. МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В УПРАВЛЕНИИ ПРОИЗВОДСТВОМ

Оптимальные системы автоматического управления. Методы нахождения экстремумов функционалов.

4. Лабораторные занятия

Перечень лабораторных работ по курсу для студентов очного обучения представлен в табл.2.

Таблица 2 – Перечень лабораторных работ

Часть материала курса вынесена на самостоятельное изучение бакалавров. Темы этой работы представлены в табл.3.

Таблица 3 – Перечень вопросов, выносимых на самостоятельное изучение

1.Возможности промышленной реализации

7

Контроль самостоятельной работы бакалавров осуществляется преподавателем. Контроль качества освоения дисциплины проводится посредством текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации обучающихся. Результаты контроля отражаются в баллах модульно-рейтинговой системы оценки знаний бакалавра.

После прослушивания курса лекций, выполнения лабораторных работ бакалавр допускается к сдаче экзамена. Контрольные вопросы к экзамену для бакалавров очного обучения приведены ниже.

6.Контрольные вопросы

1.Системный анализ объектов однокритериального управления.

2.Возможности промышленной реализации систем однокритериального компьютерного управления технологическими процессами.

3.Системный анализ объектов многокритериального управления.

4.Состав, способы получения и классификация математических моделей стационарных режимов объектов управления.

5.Аналитический метод математического описания объектов управления.

6.Экспериментальный метод получения моделей стационарных режимов объектов управления.

7.Планирование экспериментов.

8.Проведение экспериментов.

9.Стохастическое моделирование. Стохастические системы и их применение.

10.Задачи оптимизации стохастических систем.

11.Парные регрессионные модели и корреляция. Общие сведения.

12.Линейная модель парной регрессии и корреляции.

13.F-критерий Фишера.

8

14.t-критерий Стьюдента.

15.Нелинейные модели парной регрессии и корреляция. Парабола второй степени.

16.Нелинейные модели парной регрессии и корреляция. Равносторонняя гипербола.

17.Нелинейные модели парной регрессии и корреляция. Степенная функция. 18.Нелинейные модели парной регрессии и корреляция.

19.Общие методы получения математического описания промышленных объектов управления.

20.Каскадные системы автоматического управления в промышленной автоматике.

21.Системы многосвязного регулирования.

Библиографический список

Основная литература

1. Петровский В. С. Научные исследования в автоматизации [Текст] : учеб. пособие : [для студентов вузов, обучающихся по специальности 220301 - Автоматизация технол. процессов и пр-в, а также для аспирантов и соискателей] / В. С. Петровский, С. И. Поляков, Д. А. Глухов; М-во образования и науки Рос. Федерации, Гос. образоват. учреждение высш. проф. образования "Воронеж. гос. лесотехн. акад.". – Воронеж, 2011. – 240 с.

Дополнительная литература

1.Данилов А.Д. Технические средства автоматизации [Текст]: Учебное пособие. Воронеж: ВГЛТА, 2007.– 340 с.

2.Петровский В.С. Теория автоматического управления [Текст]: Учебное пособие/ В.С. Петровский М.: Академкника, 2007. – 256 с.

3.Петровский В.С. Моделирование систем [Текст]: Учебное пособие/ В.С. Петровский М.: Академкника, 2007. – 410 с.

4.Черноруцкий И.Г. Методы оптимизации в теории управления [Текст]: Учебник. / И. Г. Черноруцкий. СПб.: Питер, 2004. – 256 с.

5.Хухрянская, Е. С. Научные исследования в области автоматизации и управления [Текст] : метод. указания к лаб. работам для студентов по направлению подгот. 220700 – Автоматизация технол. процессов и пр-в / Е. С. Хухрянская ; Е. С. Хухрянская; М-во образования и науки Рос. Федерации, Фед. гос. бюджет. образоват. учреждение высш. проф. образования "Воронеж. гос. лесотехн. акад.". – Воронеж, 2014. - 56 с. . – Электронная версия в ЭБС ВГЛТУ; м/у №1130.

9

Грибанов Андрей Анатольевич

Научные исследования в области автоматизации и управления

Методические указания для самостоятельной работы по направлению

подготовки бакалавра 15.03.04 – «Автоматизация технологических процессов и

производств» для очной формы обучения

Редактор С.Ю. Крохотина

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»