Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»
Автоматизация и управление технологическими процессами и
производствами
Методические указания для самостоятельной работы аспирантов
по направлению подготовки 09.06.01 - Информатика и вычислительная техника
направленность программы Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
Воронеж 2018
2
УДК 630*79:65.011.56+674.093:65.011.54/56
Стариков А. В. Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами [Электронный ресурс]: методические указания для самостоятельной работы аспирантов по направлению подготовки 09.06.01 Информатика и вычислительная техника; направленность программы Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям) / А.В. Стариков; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2018. – 10 с.
Печатается по решению редакционно-издательского совета ВГЛТУ
Рецензент: заведующий кафедрой электротехники и автоматики ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I», доктор технических наук, профессор Афоничев Д.Н.
3
Введение
Учебный план подготовки аспирантов по направлению 09.06.01 Информатика и вычислительная техника; направленность программы 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (лесной комплекс) включают изучение дисциплины «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами» в объёме 108 часов, из которых 36 часов отводится для лекционных занятий, 18 часов для практических занятий, 18 часов для самостоятельной работы студентов, 36 часов для подготовки к сдаче экзамена. Форма промежуточного контроля освоения дисциплины экзамен.
Рабочая программа дисциплины определяет в качестве основной цели получение аспирантами необходимого уровня знаний в области анализа и синтеза систем автоматизации и управления.
Для достижения данной цели в ходе изучения дисциплины решаются следующие задачи:
ознакомление с теорией функционирования основных систем автоматизации и управления;
изучение методов разработки систем автоматизации и управления;
усвоение принципов системного подхода при анализе и синтезе систем автоматизации и управления.
В результате освоения дисциплины «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами» аспиранты должны:
знать особенности технических, производственных и организационных систем как объектов управления; классификацию АСУ; основные системы автоматизации и управления технологическими процессами и производствами ЛПК; методы анализа и синтеза систем автоматизации и управления;
уметь проводить оценку показателей качества систем автоматизации и управления; решать задачи оптимизации параметров систем автоматизации и управления; обеспечивать разработки систем автоматизации и управления на современном уровне;
владеть навыками расчета технико-экономических показателей систем автоматизации и управления; решения задач задачи оптимального управления и оперативно-календарного планирования.
4
1 Содержание учебной дисциплины
В соответствии с рабочей программой освоение дисциплины «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами» предусматривает изучение следующих разделов (тем) и вопросов, входящих в их состав:
Раздел 1. Основы теории управления. Основные понятия теории управ-
ления: цели и принципы управления, динамические системы. Математическое описание объектов управления: пространство состояний, передаточные функции, структурные схемы. Основные задачи теории управления: стабилизация, слежение, программное управление, оптимальное управление, экстремальное регулирование. Классификация систем управления. Автоматические и автоматизированные системы управления (АСУ) технологическими процессами (ТП) и производствами. Основные подходы к анализу и синтезу автоматических и автоматизированных управляемых систем.
Структуры систем управления: разомкнутые системы, системы с обратной связью, комбинированные системы. Динамические и статические характеристики систем управления: переходная и весовая функции и их взаимосвязь, частотные характеристики. Типовые динамические звенья и их характеристики.
Понятие об устойчивости систем управления. Устойчивость по Ляпунову, асимптотическая, экспоненциальная устойчивость. Устойчивость по первому приближению. Функции Ляпунова. Теоремы об устойчивости и неустойчивости. Устойчивость линейных стационарных систем. Критерии Ляпунова, Льенара-Шипара, Гурвица, Михайлова. Устойчивость линейных нестационарных систем. Метод сравнения в теории устойчивости: леммы ГронуоллаБеллмана, Бихари, неравенство Чаплыгина. Устойчивость линейных систем с обратной связью: критерий Найквиста, большой коэффициент усиления.
Качество процессов управления в линейных динамических системах. Показатели качества переходных процессов. Методы оценки качества. Коррекция систем управления. Элементы теории реализации динамических систем. Консервативные динамические системы. Элементы теории бифуркации.
Основные виды нелинейностей в системах управления. Методы исследования поведения нелинейных систем. Автоколебания нелинейных систем, отображение Пуанкаре, функция последования, диаграмма Ламеррея. Орбитальная устойчивость. Теоремы об устойчивости предельных циклов: Андронова-Витта, Кенигса. Существование предельных циклов: теоремы Бендиксона, Дюлока.
5
Гладкие нелинейные динамические системы на плоскости: анализ управляемости, наблюдаемости, стабилизируемости и синтез обратной связи.
Раздел 2. Задачи и методы оптимизации. Постановка задач математиче-
ского программирования. Оптимизационный подход к проблемам управления технологическими процессами и производственными системами. Допустимое множество и целевая функция. Формы записи задач математического программирования. Классификация задач математического программирования.
Постановка задачи линейного программирования. Стандартная и каноническая формы записи. Допустимые множества и оптимальные решения задач линейного программирования. Выпуклые множества. Условия существования и свойства оптимальных решений задачи линейного программирования. Опорные решения системы линейных уравнений. Сведение задачи линейного программирования к дискретной оптимизации. Симплекс-метод.
Теория двойственности в линейном программировании. Двойственные задачи. Геометрическая интерпретация двойственных переменных. Зависимость оптимальных решений задачи линейного программирования от параметров.
Необходимые условия оптимальности в нелинейных задачах математического программирования. Локальный и глобальный экстремум. Необходимые условия безусловного экстремума дифференцируемых функций. Необходимые условия экстремума дифференцируемой функции на выпуклом множестве. Необходимые условия Куна-Таккера. Задачи об условном экстремуме и метод множителей Лагранжа.
Раздел 3. Задачи и методы принятия решений. Постановка задач при-
нятия решений. Классификация задач принятия решений. Этапы решения задач. Экспертные процедуры. Задачи оценивания. Алгоритм экспертизы. Методы получения экспертной информации. Шкалы измерений, методы экспертных измерений. Методы опроса экспертов, характеристики экспертов. Методы обработки экспертной информации, оценка компетентности экспертов, оценка согласованности мнений экспертов.
Методы многокритериальной оценки альтернатив. Классификация методов. Множества компромиссов и согласия, построение множеств. Функция полезности. Аксиоматические методы многокритериальной оценки. Прямые методы многокритериальной оценки альтернатив. Методы нормализации критериев. Характеристики приоритета критериев. Постулируемые принципы оптимальности (равномерности, справедливой уступки, главного критерия, лексикографический). Методы аппроксимации функции полезности. Деревья решений.