МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСІВ ТА СИСТЕМ - 2. Моделювання систем керування

Робоча програма навчальної дисципліни (Силабус)

Реквізити навчальної дисципліни

Програма навчальної дисципліни

Опис навчальної дисципліни, її мета, предмет вивчання та результати навчання

Дисципліна «Моделювання процесів та систем» (МПС) є фундаментальною в сфері інформаційних систем та технологій, вона входить в структуру та перелік освітніх компонентів освітньої програми 126 бакалаврату. Предметна область та основний фокус освітньої програми містить ключове слово Моделювання. У відповідності до стандарту освітній компонент як дисципліна МПС забезпечує набуття загальних компетенцій ЗК11, ЗК15, низку фахових компетенцій, знань ЗН29 та умінь УМ4, УМ21, УМ25 в переліку компетенцій освітньої програми.

Предметом навчальної дисципліни є вивчення студентами/слухачами методів та засобів моделювання типових систем керування реальними об'єктами та процесами, одержання навичок програмування систем керування із використанням сучасних мов та середовищ програмування зокрема CoDeSys.

Метою навчальної дисципліни є формування у студентів/слухачів здібностей:

• формування теоретичних навиків з моделювання систем керування;

• формування практичних навиків з моделювання систем керування;

Студенти/слухачі після засвоєння навчальної дисципліни мають продемонструвати такі результати навчання:

знання:

- ролі і місця моделювання при проектуванні і налагоджені систем керування;

- принципів і методів побудови моделей систем керування;

- основних методів ідентифікації та перевірки адекватності систем керування;

- сучасних програмних технологій та засобів моделювання систем керування.

уміння:

- проаналізувати відомі способи моделювання систем керування у відповідності з поставленим завданням і вибрати конкретний метод, виходячи із мети та завдань моделювання, реальних допущень та обмежень;

- вибрати конкретні методи побудови математичних моделей систем керування.

досвід:

- раціонально використовувати сучасні технології, пакети прикладних програм та інтегровані середовища моделювання;

- оволодіння сучасними програмними засобами програмування систем керування в середовищах CoDeSys та факультативно MATLAB.

Пререквізити та постреквізити дисципліни (місце в структурно-логічній схемі навчання за відповідною освітньою програмою)

Пререквізити: математика, фізика, метрологія, теоретичні основи електротехніки, загальна електротехніка і електроніка, інформатика, програмування, теорія алгоритмів, дискретна математика, теорія систем та системний аналіз.

Постреквізити: знання одержані при вивчені данної дисципліни використовуються в наступних дисциплінах: оптимальні і адаптивні системи автоматичного керування, проектування пристроїв та систем автоматики і управління, проектування інформаційно-керуючих систем, інтелектуальні системи керування та інші.

Зміст навчальної дисциплін

Обсяг навчальної дисципліни

За денною формою навчання обсяг: 120 годин (36год – Лекції, 18год – ЛР, 66год – СРС)

За заочною формою навчання обсяг: 0 годин

Дисципліна складається з наступних навчальних складових: Лекції, Лабораторні роботи (ЛР), Модульна контрольна робота (МКР), Домашня контрольна робота (ДКР), Екзаменаційна контрольна робота (ЕКР).

Тематика лекційних занять

РОЗДІЛ I. МОДЕЛЮВАННЯ ВИМІРЮВАЛЬНОГО ТА КЕРУЮЧОГО КАНАЛІВ

Тема 1.1. Моделі вимірювального каналу в системах керування.

Тема 1.2. Моделювання комунікаційного протоколу MODBUS.

Тема 1.3. Моделювання керуючого каналу в системах керування.

РОЗДІЛ II. МОДЕЛІ РЕГУЛЮЮЧОГО КАНАЛУ

Тема 2.1. Моделювання дискретних регуляторів.

Тема 2.2. Модель класичного та багатопараметричного ПІД-регулятора.

Тема 2.3. Модель безударного перемикання режимів в системах керування.

Тема 2.4. Модель програмного задавача в системах керування.

РОЗДІЛ III. ПРИКЛАДИ МОДЕЛЕЙ СИСТЕМ КЕРУВАННЯ

Тема 3.1. Дискретний автомат станів системи керування.

Тема 3.2. Моделювання однотактних систем логічного керування.

Тема 3.3. Моделювання багатотактних систем логічного керування.

Тема 3.4. Модель контуру двопозиційного регулювання температури.

Тема 3.5. Модель системи керування світлофорами на перехресті.

Тема 3.6. Модель системи керування ліфтом.

Тематика лабораторних робіт (ЛР)

Тема 1. Емпіричне моделювання об'єктів керування.

Тема 2. Моделювання цифрових передатних функцій мовою ST.

Тема 3. Моделювання релейних елементів мовою FBD.

Тема 4. Моделювання однотактних систем керування мовою LD.

Тема 5. Моделювання джерел цифрових сигналів мовою інструкцій IL.

Навчальні матеріали та ресурси

Базові джерела

1. Денисенко В.В. Компьютерное управление технологическим процессом,

   экспериментом, оборудованием. – М.: Горячая линия-Телеком, 2009. – 608 с., ил.

2. Ордынцев В.М. Математическое описание объектов автоматизации. – М.:

   Машиностроение. 1965. – 360 с.

3. Алиев Т.И. Основы моделирования дискретных систем: учеб. пособие. –

   СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. – 363 с.

4. Петухов, О.А. Моделирование: системное, имитационное, аналитическое:

   учеб. пособие / О.А. Петухов, А.В. Морозов, Е.О. Петухова. – 2-е изд., испр. и доп. – СПб.: Изд-во СЗТУ, 2008. – 288 с.

5. Моделювання процесів і систем: комп'ютерний практикум [Електронний

   ресурс]: навч. посіб. для студ. освітньої програми «Інтегровані інформаційні системи» спеціальності 126 «Інформаційні системи та технології» / КПІ ім. Ігоря Сікорського; уклад.: В.А. Яланецький. – Електронні текстові дані (1 файл: 1.5 Мбайт). – Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2020. – 134 с.

Додаткові джерела

1. Семенов А. Д., Артамонов Д. В., Брюхачев А. В. Идентификация

   объектов управления: учеб. пособие. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2003. – 211 с.

2. Лазарев, Ю. Моделирование процессов и систем в MATLAB. Учебный курс.

   СПб.: BHV, 2005. – 512 с.

3. Самарский, А.А. Математическое моделирование: Идеи. Методы. Примеры

   / А.А. Самарский, А.П. Михайлов. – 2-е изд., испр. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. – 320 с.

4. Дьяконов В. MATLAB. Анализ, идентификация и моделирование систем.

   Специальный справочник. / В. Дьяконов, В. Круглов. – СПб.: Питер, 2002.

5. Финаев В.И. Аналитические и имитационные модели: учеб. пособие /

   В.И. Финаев, Е.Н. Павленко, Е.В. Заргарян. – Таганрог.: Изд-во Технологического института ЮФУ, 2007. – 310 с.

6. Филатов, А.Г. Моделирование систем: учеб. пособие. — Белгород:

   Изд-во БГТУ им. В. Г. Шухова, 2008. — 429 с.

7. Федоткин И.М. Математическое моделирование технологических

   процессов. – К.: Выща шк. Головное изд-во, 1988. – 415 с.

8. Раппопорт Є.Я. Структурное моделирование объектов и систем

   управления с распределенными параметрами: Учеб. пособие/ Э.Я. Раппопорт. – М.: Высш. шк., 2003. – 299 с.: ил.

4.3 Рекомендації та роз’яснення

Зазначені навчальні матеріали та ресурси вільно доступні в інтернеті;

Обов’язковим для прочитання є інформація згідно тематики, що викладена у змісті навчальної дисципліни;

Факультативним для прочитання є інформація, що стосується моделювання розподілених систем керування;

Зв’язок цих ресурсів з конкретними темами дисципліни наведений далі у Навчальному контенті.

*
*

Навчальний контент

Методика опанування навчальної дисципліни (освітнього компонента)

Лекційні заняття

**
**

Лабораторні заняття

Самостійна робота студента/слухача

Політика та контроль

Політика навчальної дисципліни (освітнього компонента)

Вимоги, які ставляться перед студентом/слухачем дисципліни:

• відвідування лекційних та лабораторних занять є обов’язковою складовою вивчення матеріалу, викладач фіксує присутність на заняттях;

• на лекції викладач користується власним презентаційним матеріалом; який по закінченні лекції викладає у телеграм-чат з відповідної дисципліни де присутній потік студентів/слухачів;

• на лекції заборонено відволікати викладача від подання матеріалу студентам/слухачам, усі питання, уточнення та ін. студенти/слухачі ставлять в кінці лекції у відведений для цього час;

• ЛР захищаються у два етапи – перший етап: студенти/слухачі готують електронний Звіт, який надсилається на відповідну електронну адресу викладачу; другий етап – захист ЛР за розкладом у фізичній чи віртуальній присутності та при наявності Звіту. Бали за ЛР враховуються лише за виконання двох етапів;

• МКР виконується на лекційному занятті шляхом проходження Тестування, нікуди результати переправляти не потрібно, процес повністю автоматизовано;

• у відповідності до «Кодексу честі» ЛР, МКР, ДКР, ЗКР, ЕКР, Тести та Звіти студенти/слухачі виконують самостійно;

• заохочувальні бали виставляються за: активну участь на лекціях;

• штрафні бали виставляються за: невчасну здачу ЛР.

Види контролю та рейтингова система оцінювання (РСО)

Склад рейтингу студента/слухача

Семестровий рейтинг студента/слухача складається з балів, що він отримує за:

1. Виконання, оформлення та захист 5 лабораторних робіт;

2. Виконання модульної контрольної роботи (МКР);

3. Активність в семестрі у вигляді заохочувальних та/або штрафних

   балів.

Сесійний рейтинг студента/слухача дисципліни складається з балів, що він отримує за:

1. Виконання Залікової контрольної роботи (ЗКР).

Рейтинг студента/слухача = Семестровий рейтинг + Сесійний рейтинг

Поточний контроль

Лабораторні роботи

Кожна ЛР оцінюється максимальним рейтинговим балом – 10 із наступною градацією оцінок:

• повна відповідь на питання під час захисту (не менш ніж 90% потрібної інформації) та оформлений належним чином електронний Звіт до ЛР – 10 балів;

• достатньо повна відповідь на питання під час захисту (не менш ніж 75% потрібної інформації) та оформлений належним чином електронний Звіт до ЛР – 9…7 бали(ів);

• неповна відповідь на питання під час захисту (не менш ніж 60% потрібної інформації), незначні помилки в електронному Звіті до ЛР – 6…2 бали(ів);

• наявність лише оформленого належним чином електронного Звіту до ЛР – 1 бал;

• незадовільна відповідь та/або не оформлений електронний Звіт до ЛР – 0 балів.

За кожен місяць затримки захисту ЛР її бальна оцінка знижується на 1 бал.

**
**

Модульна контрольна робота (МКР)

МКР проводиться письмово у електронному форматі. Бальна вага МКР – 50 балів із наступною градацією оцінок:

• повна відповідь на питання під час захисту (не менш ніж 90% потрібної інформації) та оформлений належним чином електронний Звіт до МКР – 50 балів;

• достатньо повна відповідь на питання під час захисту (не менш ніж 75% потрібної інформації) та оформлений належним чином електронний Звіт до МКР – 49…30 бали(ів);

• неповна відповідь на питання під час захисту (не менш ніж 60% потрібної інформації), незначні помилки в електронному Звіті до МКР – 29…2 бали(ів);

• наявність лише оформленого належним чином електронного Звіту до МКР – 1 бал;

• незадовільна відповідь та/або не оформлений електронний Звіт до МКР – 0 балів.

Заохочувальні бали

За активну роботу на лекції (питання, доповнення, зауваження за темою лекції, коли лектор пропонує студентам задати свої питання) 1-2 бали, але в сумі не більше 10.

Штрафні бали

За несвоєчасний захист ЛР, не більше 2 балів до кожної ЛР.

Календарний контроль (міжсесійна атестація)

Календарний контроль проводиться двічі на семестр як моніторинг поточного стану виконання студентами/слухачами вимог Силабусу.

За результатами навчальної роботи за перші 7 тижнів максимальний поточний рейтинг – 20 балів (2 ЛР). На першій атестації (8-й тиждень) студент/слухач отримає «атестовано», якщо його поточний рейтинг не менший ніж 11 балів.

За результатами 13 тижнів навчання максимальний поточний рейтинг – 40 балів (4 ЛР). На другій атестації (14-й тиждень) студент/слухач отримає «атестовано» (А), якщо його поточний рейтинг не менший ніж 21 бал.

За невиконання умов атестації студент/слухач отримає «не атестовано» (НА).

Якщо студент/слухач з потоку не обирав дисципліну – він отримає «не вивчає» (НВ).

Семестровий рейтинг студента/слухача

Максимальна сума вагових балів контрольних заходів протягом семестру (семестровий рейтинг RD) складає не більше 100 балів:

RD = 5*r_ЛР + 1*r_МКР + (r_З – r_Ш)=5*10 + 1*50 + (r_З – r_Ш)=100 + (r_З – r_Ш),

де r_ЛР – бал за кожну ЛР (0…10);

r_МКР – бал за виконання одної МКР (0…50);

r_З – заохочувальні бали за активну участь на лекціях (0…10);

r_Ш – штрафні бали за несвоєчасне виконання ЛР та МКР (0…10).

Семестровий контроль (сесія)

Наприкінці семестру, умовою допуску до Сесії є відсутність заборгованостей (зарахування всіх ЛР й виконання МКР) та семестровий рейтинг студента/слухача RD ≥ 60. Допущеним таким чином студентам/слухачам пропонується Залікова оцінка так званим «автоматом». В такому разі до заліково-екзаменаційної відомості вносяться зароблені бали RD та відповідні оцінки.

Студенти/слухачі, у яких RD < 60 та вони не мають заборгованостей, зобов’язані виконувати ЗКР у форматі Тестування. В цьому випадку бальна вага ЗКР – 40 балів.

Студентам/слухачі, які протягом семестру заробили RD ≥ 60 та мають допуск, надається можливість виконувати ЗКР з метою підвищення оцінки. В такому разі, попередній рейтинг RD скасовується і фінальна оцінка виставлятиметься з урахуванням результату ЗКР (у форматі Тестування). В цьому випадку бальна вага ЗКР – 100 балів.

Перелік питань до ЗКР наведений у додатку 1.

Тести ЗКР містять 100 запитань (завдань). Кожна правильна відповідь оцінюється у 1 очко. Відсоток зароблених очок за Тест переводиться у Сесійний рейтинг студента/слухача.

У випадку підвищення оцінки, зароблені очки це і є фінальний Рейтинг студента/слухача.

Сесійний рейтинг студента/слухача

Тест ЗКР оцінюється наступним Сесійним рейтинговим балом:

Рейтингова система оцінювання (РСО) результатів вивчення дисципліни

Рейтинг студента/слухача переводиться до Залікової оцінки згідно з наступною таблицею відповідності кількості набутих рейтингових балів оцінкам за університетською шкалою:

Додаткова інформація з дисципліни (освітнього компонента)

• перелік теоретичних питань, які виносяться на Поточний, Календарний та Семестровий контроль наведено в Додатку 1;

• на початку семестру викладач інформує студентів/слухачів про можливість пройти відповідні безкоштовні (або платні) курси на свій розсуд по тематиці навчальної дисципліни. Після отриманням студентом/слухачем офіційного сертифікату проходження відповідних курсів, викладач зараховує відповідну частину курсу (або курс в цілому).

Робочу програму навчальної дисципліни (силабус):

Складено старший викладач, Яланецький Валерій Анатолійович

Ухвалено кафедрою АУТС (протокол № 1 від 27.08.2020)

Погоджено Методичною комісією факультету[1] (протокол № 1 від 02.09.2020)

Додаток 1

Перелік питань на ЗКР

1. Структурна модель типової системи керування.

2. Види структурних моделей замкнених систем керування.

3. Основні компоненти моделі системи керування.

4. Поняття регулятор. Види регуляторів в моделях систем керування.

5. Неперервний та дискретний регулятор.

6. Модель релейного регулятора.

7. Модель пропорційного регулятора.

8. Модель пропорційно-інтегрального регулятора.

9. Модель пропорційно-диференціального регулятора.

10. Моделі ПІД-регулятора.

11. Класична модель ПІД-регулятора.

12. Програмне моделювання дискретних регуляторів.

13. Програмне моделювання об'єктів керування.

14. Метод безпосереднього програмування та передатні функції.

15. Помилка, розузгодження, зворотній зв'язок.

16. Задавач, давач.

17. Програмний задавач.

18. Керуючий вплив. Виконавчі пристрої та механізми.

19. Первинне та вторинне перетворення цифрового сигналу.

20. Псевдовипадкові числа в задачах моделювання коливань вимірів.

21. Інструментальне середовище програмного моделювання систем керування.

22. CoDeSys в задачах моделювання систем керування.

23. Моделювання однотактних систем логічного керування.

24. Модель багатотактної системи логічного керування.

25. Приклад моделювання СК газовою піччю.

26. Приклад моделювання СК світлофорами на перехресті.

27. Приклад моделювання пасажирським ліфтом.

28. Моделювання СК та базі технологій XML.

29. Лінеаризація об'єктів керування.

30. Базові відомості про мови програмування в CoDeSys.

31. Мова ST в задачах програмного моделювання СК.

32. Мова LD в задачах програмного моделювання СК.

33. Мова FBD в задачах програмного моделювання СК.

34. Мова IL в задачах програмного моделювання СК.

[1] Методичною радою університету – для загальноуніверситетських дисциплін.