712

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова»

МОДЕЛИРОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ИНЖЕНЕРНЫХ СИСТЕМ

ОТРАСЛИ

Методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 15.04.04 - Автоматизация технологических

процессов и производств

Воронеж, 2016

УДК 658.5.011.56

Поляков, С. И. Моделирование и автоматизация инженерных систем отрасли

[Текст]: метод. указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 15.04.04 - Автоматизация технологических процессов и производств / С. И. Поляков; Мин-во обр-я и науки Рос. Фед.,

ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2016. 18 с.

Печатается по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВО «ВГЛТУ».

Рецензент: профессор кафедры автоматизации технологических процессов и производств Воронежского государственного архитектурно-

строительного университета В.И. Акимов

2

проведению самостоятельной работы студентов составлены в соответствии с содержанием рабочей программы настоящей учебной дисциплины.

При формировании у студентов навыков самостоятельной работы,

необходимо иметь в виду две тесно связанные между собой задачи. Первая состоит в том, чтобы развивать у студентов самостоятельность в познавательной деятельности, то есть научить их самостоятельно овладевать знаниями. Вторая задача заключается в том, чтобы научить студентов самостоятельно применять знания в учении и практической деятельности.

Под самостоятельной работой студентов понимается такая работа,

которую они выполняют без непосредственного участия преподавателя, но по его заданию, под его наблюдением и руководством, в специально предоставленное для этого время. Самостоятельная работа предполагает активные умственные действия студентов, связанные с поисками наиболее рациональных способов выполнения предложенных преподавателем заданий,

с анализом результатов работы.

Самостоятельная подготовка студентов предполагает следующие виды и формы работы: конспектирование лекций, самостоятельное изучение материала с помощью учебников и учебных пособий, написание и защита реферата, доклада; подготовка к сообщению или беседе на практическом занятии, исследовательская работа, подготовка презентаций, выполнение домашних экспериментов, самостоятельных (индивидуальных) заданий,

систематическая работа со справочными материалами, с таблицами, схемами;

подготовка к промежуточной аттестации, зачету и экзамену.

По основной дидактической цели названные виды самостоятельной работы можно подразделить на три группы: работы по приобретению новых знаний, работы по формированию умений и навыков, работы по применению знаний, умений и навыков. Указанные группы работ тесно связаны между

3

собой. Эта связь обусловлена тем, что одни и те же средства могут быть использованы для решения различных дидактических задач. Например, с

помощью лабораторно - практических работ достигается формирование умений и навыков, приобретение некоторых новых знаний, а также применение ранее полученных знаний.

Содержание самостоятельной работы на каждом этапе должно быть посильным для студентов.

Чтобы самостоятельная работа способствовала формированию инициативы и познавательных способностей учащихся, нужно предлагать такие задания, выполнение которых не допускало бы действий по готовым рецептам и шаблону. Только тогда будет достигнут нужный результат.

Методические указания призваны помочь студентам правильно организовать самостоятельную работу и рационально использовать свое время при овладении содержанием настоящей дисциплины, практическими умениями и навыками.

Самостоятельная работа направлена на освоение студентами следующих практических умений и знаний согласно требованиям рабочей программы учебной дисциплины:

– знать: основные понятия и термины дисциплины в объеме,

достаточном для выполнения своих профессиональных задач; основные классы математических, функциональных и имитационных моделей технологических, производственных процессов и систем; теоретические основы, методы и средства построения, функционирования и проектирования автоматизированных систем разного назначения; методы упрощения математических моделей; технологию машинного моделирования технологических, производственных процессов и систем; современные технические и программные инструментальные средства математического,

функционального и имитационного моделирования;

– уметь: реализовывать простые алгоритмы аналитического и имитационного компьютерного моделирования; использовать основные

4

методы построения математических моделей систем, их элементов и систем управления ими; работать с каким-либо из основных типов программных систем, предназначенных для математического, функционального и имитационного моделирования; планировать, реализовывать модельный машинный эксперимент и обрабатывать его результаты на компьютере;

представлять описание модели и результаты экспериментирования с ней в форме пояснительной записки к расчетно-графической работе,

удовлетворяющей соответствующим требованиям к оформлению;

– владеть опытом: математического и имитационного машинного моделирования; планирования машинных экспериментов и обработки их результатов на персональном компьютере.

Методические указания по организации и проведению самостоятельной работы студентов могут быть использованы преподавателями на учебных занятиях по данной дисциплине, студентами при освоении дисциплины.

Методические указания руководства самостоятельной работой студентов:

Четко ставить задачу предстоящей самостоятельной работы.

Добиваться, чтобы студенты выполняли самостоятельную работу осознанно, то есть ясно представляли теоретические основы выполняемых действий.

Вовремя предупреждать студентов о типичных ошибках и возможных способах их избегания.

Оказывать студентам помощь, не вмешиваясь в их работу без необходимости.

При допущении студентами ошибок подводить их к осознанию и пониманию сути и причин ошибок, с тем чтобы студенты самостоятельно нашли способ их предупреждения и устранения.

Практиковать промежуточный контроль хода и результатов самостоятельной работы студентов.

5

Рационально распределять задания самостоятельной работы по сложности с учетом индивидуальных особенностей и способностей студентов.

Стимулировать и поощрять проявления творческого подхода студентов к выполнению заданий.

Умело сочетать индивидуальную и коллективную работу студентов.

При оценке хода и итогов самостоятельной работы студентов исходить из положительных моментов в их работе.

Постоянно практиковать в ходе самостоятельной работы обращение студентов к разным источникам информации.

Методические рекомендации для студентов при выполнении самостоятельной работы:

1.Внимательно прочитайте материал по конспекту, составленному на учебном занятии при изложении материала преподавателем.

2.Прочитайте тот же материал по учебнику, учебному пособию.

3.Постарайтесь разобраться с непонятным, в частности новыми терминами. Часто незнание терминологии мешает студентам воспринимать материал на теоретических и лабораторно - практических занятиях на должном уровне.

4.Составьте план прочитанного, то есть объедините главные мысли в единое целое.

5.Ответьте на контрольные вопросы для самопроверки, имеющиеся в учебнике или предложенные преподавателем.

6.Кратко перескажите содержание изученного материала «своими словами».

7.Заучите «рабочие определения» основных понятий, законов.

8.Освоив теоретический материал, приступайте к выполнению заданий, упражнений; решению задач, расчетов самостоятельной работы;

составлению графиков, таблиц.

6

1. Содержание разделов дисциплины

Раздел 1. Введение. Предмет курса, его цели и задачи.

Философские аспекты теории подобия и моделирования. Место компьютерного моделирования в современной науке и практике.

Задачи разработки систем автоматизации и производственных процессов на базе современных методов, реализуемых с использованием ресурсов инструментальных средств. Использование моделирования при исследовании и проектировании систем автоматизации технологических процессов и производств. Перспективы развития методов и средств машинного моделирования.

Раздел 2. Основные понятия теории моделирования процессов и систем.

Сложная система: понятие, структуры, функции, переменные,

параметры, состояния и характеристики. Основные принципы системного подхода.

Основные положения теории подобия. Понятие подобия. Виды подобия. Критерии и три теории подобия.

Моделирование как метод познания мира. Модель и оригинал,

отношения между ними. Гомоморфизм модели и оригинала. Классификация моделей. Основные свойства моделей: адекватность, простота, возможность получения новой информации об оригинале, виды моделирования, примеры моделей процессов и систем.

Раздел 3. Объекты моделирования.

Принципы построения и основные требования к моделям процессов и систем. Физические, функциональные, математические и имитационные модели.

Общая схема разработки математических моделей. Этапы моделирования. Документирование этапов моделирования.

Основные подходы к описанию процессов функционирования технологических и производственных систем.

7

Типовые математические схемы. Непрерывно детерминированные модели (D-схемы). Дискретно детерминированные модели (F-схемы).

Дискретно-стохастические модели (P-схемы). Непрерывно-стохастические модели (Q-схемы). Сетевые модели (N-схемы). Обобщенные

(комбинированные) модели (A-схемы). Понятие агрегативной модели.

Сравнительный анализ возможностей машинного моделирования систем с использованием математических схем.

Раздел 4. Технические и программные средства моделирования.

Основные понятия языков и систем моделирования. Функции языков моделирования. Основы систематизации языков моделирования. Средства языков моделирования. Примеры наиболее распространенных языков моделирования. Критерии выбора языков моделирования при решении конкретных прикладных задач. Рынок программных продуктов компьютерной имитации. Автоматизация разработки имитационных моделей. Пакеты прикладных программ моделирования процессов и систем

(Arena, ARIS Simulation, Dimola, GPSS, G2, Maple, MathCAD, MatLab, MicroCAP, Model Vision Studium, OmSim, Statistica и СЛАМ). Базы и банки данных и знаний моделирования. Общие сведения о моделировании на аналоговых вычислительных машинах и гибридных моделирующих комплексах.

Особенности моделирования на персональном компьютере.

Раздел 5. Язык имитационного моделирования GPSS.

Объекты программной GPSS-модели: транзакты и нединамические объекты. Категории нединамических объектов.

Понятие числового атрибута. Спецификации стандартных числовых атрибутов. Организация управления процессом моделирования в среде

GPSS-World. Формат оператора и команды GPSS.

Транзакты и операторы управления ими: Generate, Terminate, Priority, Advance, Index, Mark, Transfer, Split, Assemble, Gather, Match, Loop, Test, и Gate. Статистическая информация, собираемая системой о транзактах в ходе моделирования.

8

Объекты аппаратной категории. Одноканальные обслуживающие устройства: Seize, Release, Preempt, Return, Funavail и Favail. Статистическая информация, собираемая системой в ходе моделирования, об одноканальных устройствах.

Многоканальные обслуживающие устройства: Storage, Enter, Leave, Sunavail и Savail. Статистическая информация, собираемая системой в ходе моделирования, о многоканальных устройствах.

Ключи: Logic.

Объекты статистической категории. Статистическая информация,

собираемая системой в ходе моделирования, об объектах статистической категории.

Объекты запоминающей категории.

Операторы описания данных: арифметических и булевых переменных и функций разных типов.

Раздел 6. Модели машин и их элементов.

Способы математического описания динамических систем

(дифференциальные уравнения и передаточные функции). Обобщенная структура и ее роль в разработке математических моделей технологического оборудования.

Библиотека типовых моделей основных элементов обобщенной структуры машины.

Динамические аспекты моделирования бизнес-процессов.

Раздел 7. Модели производственных процессов и систем.

Объекты моделирования в машиностроении: технологии и производства. Предприятие как сложный объект моделирования.

Материальные, энергетические, информационные потоки. Объекты моделирования в производстве: процессы, системы и их элементы.

Моделирование интеллектуальных систем управления. Понятие интеллектуальной системы. Классификация интеллектуальных систем управления: с использованием экспертных систем с символьными моделями

9

знаний, нечеткие, нейросетевые и гибридные. Инструментальные среды моделирования интеллектуальных производственных систем управления

(MathCAD, MathLab, FuzzyTech).

Функциональное моделирование бизнес-процессов в производственных системах. Инструментальные среды моделирования бизнес-процессов в производственных системах (ARIS, ALLFusion Modeling Suite, IBM Rational).

Модели математического программирования для производственных систем. Модель оптимальной производственной программы предприятия.

Модель оптимальной производственной программы предприятия.

Имитационные модели производственных систем. Модели систем управления технологическими процессами, производством и его элементами.

Детерминированные и статистические модели управления запасами в производственных системах.

Раздел 8. Методы исследования моделей.

Методы исследования моделей. Анализ математических моделей с регулированием скорости. Математические модели механизмов преобразования движения. Упрощение моделей многомассовых систем.

Моделирование оптимальных процессов: в производственных системах и бизнес-процессах.

Методы и средства планирования. Общие вопросы теории планирования экспериментов. Планирование машинных экспериментов с моделями процессов и систем. Цели изадачи планирования имитационных экспериментов. Стратегическое и тактическое планирование имитационных экспериментов. Планирование имитационных экспериментов с целью синтеза оптимальных вариантов системы. Проблема большого числа факторов при моделировании производственных систем на компьютере.

Проблема стохастической сходимости результатов моделирования. Проблема обеспечения точности и достоверности результатов компьютерного моделирования. Проблема уменьшения дисперсии оценок характеристик

10