МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ
К.И.САТПАЕВА
Институт информационной и телекоммуникационной технологий
Кафедра «Робототехники и технических средств автоматики»
«Утверждаю»
Директор института ИиТТ
____________Ахметов Б.С.
«_____» ___________ 2012 г.
ПРОГРАММА КУРСА (SYLLABUS)
по дисциплине «Программные средства моделирования систем»
(MATLAB)
Специальность
5В071600 – Приборостроение
Форма обучения - дневная
Всего -3 кредита
Курс - 2
Семестр - 4
Лекций - 15 часов
Лабораторные занятия - 30 часов
Рубежный контроль (количество) - 2
СРС - 45 часов
СРСП (аудиторных) - 15 часов
СРСП (офисных) - 30 часов
Всего аудиторных- 60 часов
Всего внеаудиторных - 75 часов
Трудоемкость 135 часов
Экзамен - 4 семестр
Алматы 2011
Программа курса составлена преподавателями кафедры «Робототехники
и технических средств автоматики» проф. Шолановым К.С. и Ожикеновым
К.А. на основании Государственного общеобязательного стандарта образования
Республики Казахстан для специальностей 5В071600 – Приборостроение,
5В070200 – Автоматизация и управление.
Программа рассмотрена на заседании кафедры «Робототехники и технических средств автоматики»
«____»__________ 2012 г. Протокол № ___
Зав. кафедрой РТиТСА ________________
Шоланов К.С.
Программа рассмотрена учебно-методическим Советом института ИиТТ
«____»__________ 2012 г. Протокол № ___
Председатель ___________ Ахметов Б.С.
Сведения о преподавателях:
Шоланов Корганбай Сагнаевич – профессор, д.т.н., КазАТУ им. С.Сейфуллина,
научно-педагогический стаж 37 лет, из них 25 лет в КазНТУ.
Ожикенов Касымбек Адильбекович – к.т.н., ст. преподаватель кафедры РТиТСА.
В 1984 году окончил КазНУ. Общий стаж работы 33 года, научнопедагогический стаж 20 лет.
Офис: кафедра «Робототехники и технических средств автоматики»
Адрес: 480013, г. Алматы, ул., А. Байтурсынулы, 140, КазНТУ
Тел: 92-70-45
Факс: 92-44-89
Е-mail: [email protected]
2
1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
1.1. Цель преподавания дисциплины
Целью изучения дисциплины «Программные средства моделирования систем» является формирование у студентов теоретических знаний о принципах
построения систем имитационного моделирования, способности самостоятельно выполнять анализ протекании физических процессов динамических объектов, и их отдельных компонент методами имитационного моделирования, применять имитационные модели в системах управления мехатронных и робототехнических систем.
1.2. Задачи изучения дисциплины:
Задачами дисциплины является изучение типовых математических схем моделирования систем, ознакомление с основными подходами имитационного
моделирования систем, изучение современных способов имитационного моделирования физических процессов управления в приборах, в технических средствах автоматизации и технологических процессах в среде
MATLAB
(Simulink).
1.3 Пререквизиты: "Высшая математика", "Численные методы", "Информатика". Кроме этого, в ходе проведения практических занятий требуется составить алгоритм и программу для решения поставленной задачи, поэтому также
необходимы знания дисциплины "Основы алгоритмизации и программирования".
1.4 Постреквизиты: Основы автоматики, теория автоматического управления, автоматизированные приводы, компьютерное управление техническими
системами, а также дисциплины, устанавливаемые Советом ВУЗа.
2. СИСТЕМА ОЦЕНКИ ЗНАНИЙ
Таблица 1. Распределение рейтинговых процентов (%) по видам контроля
Вид итогового контроля
Виды контроля
Итоговый контроль
Рубежный контроль
Текущий контроль
Экзамен
Проценты(%)
100
100
100
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Л4,СР3
Л5,СР4
Л6,СР5
Л7,СР6
СР7,РК1
Л8,
Л9,СР8
Л10,СР9
Л11,СР10
Л12,СР11
Л13, СР12
Л14,СР13
Л15,СР14
СР15,РК2
Виды контроля
1
Л1,
Л2,СР1
Недели
Л3,СР2
Таблица 2. Календарный график сдачи всех видов контроля по дисциплине
«Программные средства моделирования систем»
Недельное 3
2
2
2
2
2
2
3
2
2
2
2
2
2
2
количество контроля
Виды контроля: Л – лабораторная работа, СР- самостоятельная работа, РК – рубежный
контроль.
3
Итоговая оценка определяется по приведенной ниже шкале.
Таблица 3. Оценка знаний студентов
Оценка
Отлично
Хорошо
Удовлетворительно
Неудовлетворительно
Буквенный
эквивалент
А
АВ+
В
ВС+
С
СD+
D
F
В процентах %
В баллах
95-100
90-94
85-89
80-84
75-79
70-74
65-69
60-64
55-59
50-54
0-49
4
3,67
3,33
3,0
2,67
2,33
2,0
1,67
1,33
1,0
0
Таблица 4
3. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Распределение часов по видам занятий
№
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Количество
академических часов
Наименование темы
Лек Лаб.
СРСП СРС
ция раб.
2
3
4
5
6
Введение в MATLAB. Среда MATLAB. Работа в ко- 1
2
3
3
мандном режиме.
Работа с массивами. Формирование векторов и матриц. 1
2
3
3
Решение систем линейных уравнений.
Создание и использование m-файлов: сценариев и про- 1
2
3
3
стейших файл - функций. Отладка программ.
Построение графиков. Управление графическими ок- 1
2
3
3
нами.
Программирование. Операторы цикла, ветвления и пе- 1
2
3
3
реключения.
Решение дифференциальных уравнений и их систем в 1
2
3
3
MATLAB. Решение нелинейных уравнений и их систем.
Общая характеристика Simulink. Создание модели. 1
2
3
3
Компоненты основной библиотеки Simulink.
Сигналы в Simulink и их атрибуты. Генератор белого 1
2
3
3
шума.
Источник временного сигнала. Блок считывания дан- 1
2
3
3
ных из файла и рабочего пространства.
Регистрирующие устройства. Блок остановки модели- 1
2
3
3
рования.
Аналоговые блоки.
1
2
3
3
Блоки математических операций. Усилители. Ползун- 1
2
3
3
ковый регулятор.
Блоки преобразования сигналов и вспомогательные 1
2
3
3
4
блоки. Мультиплексор. Демультиплексор.
14 Блоки функций и таблиц.
15 Подсистемы. Управляемые и конфигурируемые подсистемы.
Всего (часов)
1
1
2
2
3
3
3
3
15
30
45
45
3.1. Наименование тем лекционных занятий и их содержание
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Наименование темы
Введение в MATLAB. Среда MATLAB. Работа в командном режиме. Математические выражения. Действительные и комплексные числа. Переменные. Системные
переменные. Арифметические и логические операции. Элементарные функции. Рабочая область.
Работа с массивами. Формирование векторов и матриц. Решение систем линейных уравнений. Применение оператора «двоеточие». Поэлементные операции над
массивами. Функции для работы с массивами. Особенности применения операций
сравнения и логических операций к массивам.
Создание и использование m-файлов: сценариев и простейших файл - функций. Отладка программ. Сценарии. Установка путей поиска. Функции. Глобальные переменные. Редактор/отладчик m-файлов.
Построение графиков. Управление графическими окнами. Построение двухмерных
и трехмерных графиков. Построение нескольких графиков в одном окне. Разбивка
графических окон на подокна. Специальная графика.
Программирование. Операторы цикла, ветвления и переключения. Функции ввода и
вывода. Другие операторы.
Решение дифференциальных уравнений и их систем в MATLAB. Решение нелинейных уравнений и их систем. Численное дифференцирование и интегрирование.
Общая характеристика Simulink. Создание модели. Компоненты основной библиотеки Simulink.Окно системы поиска и окно модели Simulink. Параметры расчета и
вывода. Запуск, остановка и прерывание процесса моделирования.
Сигналы в Simulink и их атрибуты. Генератор белого шума. Источники постоянного сигнала, синусоидального сигнала и линейно изменяющегося воздействия. Источники ступенчатого сигнала, случайного сигнала и импульсного сигнала.
Источник временного сигнала. Блок считывания данных из файла и рабочего пространства. Цифровой источник времени.
Регистрирующие устройства. Блок остановки моделирования. Осциллографы.
Графопостроитель. Цифровой дисплей.
Аналоговые блоки. Блок вычисления производной. Интегрирующий блок. Блок
Memory. Блок фиксированной задержки сигнала и управляемой задержки сигнала.
Блоки передаточной функции и модели динамического объекта.
Блоки математических операций. Усилители. Ползунковый регулятор. Блоки вычисления модуля, суммы и умножения. Блоки вычисления математических и тригонометрических функций. Блок вычисления действительной и (или) мнимой части
комплексного числа. Блок вычисления операции отношения. Блок логических операций.
Блоки преобразования сигналов и вспомогательные блоки. Мультиплексор. Демультиплексор. Блок объединения сигналов. Блоки передачи и приема сигнала.
Блоки установки начального значения и проверки сигнала. Информационный блок.
Блоки функций и таблиц. Блок задания функции. Блок задания степенного многочлена. Блоки одномерных, двумерных и многомерных таблиц. Блок работы с индексами. Блок интерполяции табличной функции.
5
15
Подсистемы. Управляемые и конфигурируемые подсистемы. Виртуальная и монолитная подсистемы. Управляемые уровнем и фронтом сигналов подсистемы. Блок
условного оператора. Блок переключателя.
3.2. Наименование тем лабораторных занятий, их содержание и объем в часах.
№
1
2
3
4
5
6
7
Наименование темы лабораторных работ
Использование MATLAB в качестве калькулятора. Простейшие вычисления в MATLAB.
Работа с векторами и матрицами.
Построение графиков в MATLAB.
Многомерные вычисления в MATLAB.
Решение уравнений в MATLAB.
Символьные вычисления в MATLAB.
Знакомство с Simulink.
Библиотеки источников и приемников сигналов. Библиотека SIGNALS & SYSTEMS.
9
Библиотеки источников и приемников сигналов. Библиотека SIGNALS & SYSTEMS.
10 Библиотеки источников и приемников сигналов. Библиотека SIGNALS & SYSTEMS.
11 Математическая библиотека. Библиотека блоков функций и таблиц.
12 Математическая библиотека. Библиотека блоков функций и таблиц.
13 Математическая библиотека. Библиотека блоков функций и таблиц.
14 Библиотека работы с непрерывными сигналами (CONTINUONS).
15 Библиотека работы с непрерывными сигналами (CONTINUONS).
Всего (часов)
8
Количество
часов
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
30
3.3. Наименование тем самостоятельной работы студентов (СРС), их содержание и объем в часах.
№
1
2
3
4
5
6
7
8
Количество
часов
Введение в MATLAB. Среда MATLAB. Работа в командном режиме.
3
Математические выражения. Переменные. Элементарные функции.
Работа с массивами. Формирование векторов и матриц. Решение си3
стем линейных уравнений.
Создание и использование m-файлов. Сценарии. Установка путей по3
иска. Функции.
Построение двухмерных и трехмерных графиков. Управление графи3
ческими окнами.
Программирование. Функции ввода и вывода. Операторы цикла, ветв3
ления. Другие операторы.
Решение систем дифференциальных уравнений и их систем в
3
MATLAB.
Общая характеристика Simulink. Создание модели. Компоненты ос3
новной библиотеки Simulink.
Сигналы в Simulink и их атрибуты. Источники постоянного сигнала,
3
Наименование темы
6
синусоидального сигнала.
Continuous – аналоговые блоки. Блок передаточной функции Transfer
Fcn.
10 Источник временного сигнала Clock. Цифровой источник времени
Digital Clock.
11 Осциллограф Scope. Графопостроитель ХУ Graph. Цифровой дисплей
Display.
12 Math – блоки математических операций. Блоки вычисления математических и тригонометрических функций.
13 Signal&Systems - блоки преобразования сигналов и вспомогательные
блоки.
14 Function & Tables – блоки функций и таблиц. Блок задания функции
Fcn.
15 Subsystem. Виртуальная и монолитная подсистемы. пиктограммы
подсистемы. Команды вывода текста.
Всего (часов)
9
3
3
3
3
3
3
3
45
3.4. Наименование тем самостоятельной работы студентов под руководством руководителя (СРСП), их содержание и объем в часах.
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Наименование темы
Среда MATLAB. Работа в командном режиме. Простые математические вычисления.
Работа с векторами и матрицами. Решение систем линейных уравнений.
Создание и использование m-файлов: сценариев и функций. Отладка
программ.
Построение графиков. Построение двухмерных и трехмерных графиков. Построение нескольких графиков в одном окне.
Программирование. Функции ввода и вывода. Операторы цикла.
Условный оператор. Операторы переключения.
Решение систем дифференциальных уравнений и их систем в
MATLAB. Решение нелинейных уравнений и систем нелинейных
уравнений.
Знакомство с Simulink. Создание модели. Установка параметров расчета модели. Запуск, остановка и прерывание процесса моделирования.
Сигналы в Simulink и их атрибуты. Генератор белого шума BandLimited White Noice.
Источник временного сигнала Clock. Осциллограф Scope. Графопостроитель ХУ Graph. Цифровой дисплей Display.
Аналоговые блоки Continuous. Блок вычисления производной
Derivative. Интегрирующий блок. Блок передаточной функции
Transfer Fcn.
Источник временного сигнала. Цифровой источник времени. Блок
считывания данных из файла и рабочего пространства.
Осциллографы. Графопостроитель. Цифровой дисплей. Блок остановки моделирования.
Signal&Systems- блоки преобразования сигналов и вспомогательные
7
Количество часов
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
блоки. Мультиплексор Mux. Демультиплексор Demux.
Function & Tables–блоки функций и таблиц. Блок задания функции
Fcn.
15 Подсистема Subsystem. Команды вывода текста. Команды построения
графиков. Команды отображения передаточных функций.
Всего (часов)
14
3
3
45
3.5. График проведения занятий
№
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
1
2
3
4
5
6
7
8
Дата
2
Время
3
Наименование темы
4
Лекции
Введение в MATLAB. Среда MATLAB. Работа в командном режиме.
Работа с массивами. Формирование векторов и матриц. Решение систем линейных уравнений.
Создание и использование m-файлов: сценариев и
простейших файл - функций. Отладка программ.
Построение графиков. Управление графическими окнами.
Программирование. Операторы цикла, ветвления и
переключения.
Решение дифференциальных уравнений и их систем в
MATLAB. Решение нелинейных уравнений и их систем.
Общая характеристика Simulink. Создание модели.
Компоненты основной библиотеки Simulink.
Сигналы в Simulink и их атрибуты. Генератор белого
шума.
Источник временного сигнала. Блок считывания данных из файла и рабочего пространства.
Регистрирующие устройства. Блок остановки моделирования.
Аналоговые блоки.
Блоки математических операций. Усилители. Ползунковый регулятор.
Блоки преобразования сигналов и вспомогательные
блоки. Мультиплексор. Демультиплексор.
Блоки функций и таблиц.
Подсистемы. Управляемые и конфигурируемые подсистемы.
Лабораторные занятия
Использование MATLAB в качестве калькулятора.
Простейшие вычисления в MATLAB.
Работа с векторами и матрицами.
Построение графиков в MATLAB.
Многомерные вычисления в MATLAB.
Решение уравнений в MATLAB.
Символьные вычисления в MATLAB.
Знакомство с Simulink.
Библиотеки источников и приемников сигналов. Биб8
9
10
11
12
13
14
15
лиотека SIGNALS & SYSTEMS.
Библиотеки источников и приемников сигналов. Библиотека SIGNALS & SYSTEMS.
Библиотеки источников и приемников сигналов. Библиотека SIGNALS & SYSTEMS.
Математическая библиотека. Библиотека блоков
функций и таблиц.
Математическая библиотека. Библиотека блоков
функций и таблиц.
Математическая библиотека. Библиотека блоков
функций и таблиц.
Библиотека работы с непрерывными сигналами
(CONTINUONS).
Библиотека работы с непрерывными сигналами
(CONTINUONS).
4. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
Основная литература
1. Лазарев Ю.Ф. Начала программирования в среде MatLAB: Учебное пособие.
- К.: НТУУ "КПИ", 2003. - 424 с.
2. Мартынов Н.Н. Matlab 7. Элементарное введение. – М.: КУДИЦ-ОБРАЗ,
2005. – 416 с.
3. Курбатова Е.А. Matlab 7. Самоучитель. – М.: Издательский дом «Вильямс»,
2006. – 256 с.
4. Дьяконов В. П. Simulink 5/6/7. Самоучитель. ДМК Пресс. 2008.-784 с.
5. Черных И.В. «Simulink: Инструмент моделирования динамических систем»
http://www.tspu.tula.ru/ivt/old_site/lcopy/Matlab_RU/simulink/book1/2.asp.htm.
Дополнительная литература
1. Лазарев, Ю. Моделирование процессов и систем в MatLab: учебный курс /
Ю. Лазарев. – СПб.: Питер; Киев: BHV, 2005.
2. Бенькович Е.С. и др. Практическое моделирование динамических систем.
СПб.: БХВ-Петербург.
3. Черных И.В. SIMULINK: среда создания инженерных приложений. М.:
ДИАЛОГ-МИФИ.2004.
9
СОДЕРЖАНИЕ
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
Цель преподавания дисциплины
Задачи изучения дисциплины
Пререквизиты
Постреквизиты
СИСТЕМА ОЦЕНКИ ЗНАНИЙ
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Наименование тем лекционных занятий и их содержание
Наименование тем лабораторных занятий, их содержание и объем в
часах
3.3. Наименование тем самостоятельной работы студентов (СРС), их
содержание и объем в часах
3.4. Наименование тем самостоятельной работы студентов под руководством руководителя (СРСП), их содержание и объем в часах
3.5. График проведения занятий
4.
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
1.
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
2.
3.
3.1.
3.2.
10
3
3
3
3
3
3
4
5
6
6
7
8
9