Пермский государственный технический университет

Кафедра АСУ
Рабочая программа по дисциплине
"Моделирование систем" для специальности АСУ

Факультет - электротехнический
Курс - 3
Семестр - 6
Лекции - 34 час
Практические занятия - 34 час
Аудиторных - 68 час
Самостоятельная работа - 68 час
Курсовая работа - 6 семестр
Экзамен - 6 семестр

Всего - 136 час

Разработал доцент кафедры АСУ - О.И. Мухин

Цели и задачи дисциплины, ее место в учебном процессе

Задачей дисциплины "Моделирование систем" является освоение методологии и технологии моделирования (в первую очередь компьютерного) при исследовании, проектировании и эксплуатации систем обработки информации и управления (АСОИУ).

После изучения курса МС студент должен :

• знать принципы моделирования, классификацию способов представления моделей систем;
• знать приемы, методы, способы формализации объектов, процессов, явлений и реализации их на компьютере;
• достоинства и недостатки различных способов представления моделей систем.

Требования:
- владеть технологией моделирования,
- уметь составить модель по словесному описанию,
- уметь настроить модель,
- уметь представить модель в алгоритмическом и математическом виде (объекты и процессы),
- уметь оценить качество модели, - уметь показать теоретические основания модели.

Содержание дисциплины

1. Наименование тем лекционных занятий, содержание и объем

1.1. Введение. Предмет курса, его цели и задачи. Моделирование как метод научного познания. Использование моделирования при исследовании, проектировании и эксплуатации систем обработки информации и управления. Понятие о технологии. Возможности формализации больших систем. Адекватность и эффективность модели. (2 часа)
1.2. Регрессионные модели. Гипотезы о функционировании черного ящика. Статические регрессионные модели. Линейная модель. Множественная модель. Полиномиальная и мультипликативная модели. Обратная и экспоненциальная модели. (2 часа)
1.3. Динамические регрессионные модели 1 и 2 порядка. Общий случай динамической регрессионной модели в виде дифференциального уравнения. Динамическая регрессионная модель в виде фильтра Каллмана. Модель сигнала и устройства в представлении Фурье. Компьютерная реализация регрессионных моделей. (2 часа)
1.4. Численные методы интегрирования систем дифференциальных уравнений. Метод Эйлера. Уточненный метод Эйлера. Метод Рунге-Кутта 4 порядка. Метод Адамса. Итерационные методы. Синтаксический метод с разложением в ряды. Точность и затраты. Компьютерные схемы реализации в технических приложениях. (4 часа)
1.5. Проект. Система. Элемент. Объект - свойства и процесс. Связи. Структура. Переменные. Параметры. Состояние. Память и поведение. Показатели. Цель. Ограничения и ресурсы. Возмущения. Системные характеристики. Зависимость. Случайность. Детерминированность и стохастичность. Типы объектов и возможности формализации. Иерархия. Число. Мера. Шкала. Размерность. Законы баланса и движения. Система законов. Нелинейность. Гипотезы и допущения. Подобие. Адекватность. Точность. Отражение. Информация. Исчисление информации. Понятие и измерение сложности системы. Искусственная среда. Формализм. Задача. Обратная задача. Разрешимость и сложность. Алгоритм. (2 часа)
1.6. Модели систем с сосредоточенными параметрами. Модели структурно перестраиваемых систем. Моделирование систем с распределенными параметрами при перемещающихся массах. Моделирование систем в частных производных. (2 часа)
1.7. Статистическое моделирование систем. Метод Монте-Карло. Датчики и генераторы случайных чисел. Равномерный закон распределения случайных чисел. Оценка качества датчика случайных чисел. Возможности метода статистического моделирования и его точность. (4 часа)
1.8. Моделирование случайных событий. Моделирование случайных величин с заданным законом распределения. Моделирование нормально распределенных случайных чисел. Моделирование системы случайных величин. (2 часа)
1.9. Потоки случайных событий. Распределение Пуассона. Пуассоновский поток случайных событий. Потоки случайных событий с последействием. Моделирование систем массового обслуживания. Моделирование марковских случайных процессов с дискретным временем. Моделирование марковских случайных процессов с непрерывным временем. (2 часа)
1.10. Принципы построения моделирующих алгоритмов. Принцип "Дельта t". Принцип "Особых состояний". Принцип "Последовательной проводки заявок". Объектный принцип. Инструментальные средства моделирования. Вычислительная среда модели. Аналоговые, натурные, гибридные среды. (2 часа)
1.11. Обработка статистических результатов. Оценка связности параметров модели. Планирование эксперимента. (2 часа)
1.12. Неформальный синтез. Интервью. Методы генерации идей. Методы экспертизы. (2 часа)
1.13. Технологическая схема моделирования. Информационное, функциональное, формализованное моделирование. Этапы моделирования. Типы моделей. (2 часа)
1.14. Моделирование и проектирование. Операции процесса проектирования. Виды и типы проектов. Системы проектирования. Критерии при проектировании систем. Моделирование на основе операций Коллера. (2 часа)
1.15. Морфологические модели (таблица, дерево, требования, алгоритм). Эволюционное моделирование. Генетические алгоритмы. Геометрическое моделирование. (2 часа)

2. Практические занятия. (1 занятие - 2 часа)

2.1. Разработка модели типа черный ящик. Статические регрессионные модели. Задача синтеза. Задача прогноза.
2.2. Динамические регрессионные модели. Задача синтеза. Задача прогноза.
2.3. Динамические детерминированные модели в виде системы дифференциальных уравнений.
2.4. Расчет динамической модели. Проект системы. Свойства систем. Задача анализа.
2.5. Нелинейные динамические модели в виде системы дифференциальных уравнений. Задача управления технологическим процессом.
2.6. Логические модели и модели представления функций.
2.7. Моделирование систем с распределенными параметрами. Управление системой с распределенными параметрами.
2.8. Датчики и генераторы случайных величин. Моделирование систем с вероятностным исходом.
2.9. Моделирование случайных событий и законов распределения. Моделирование процесса производства.
2.10. Моделирование производственных и экономических систем.
2.11. Моделирование схем расчета надежности систем.
2.12. Моделирование системы массового обслуживания. Расчет статистических характеристик.
2.13. Моделирование марковской цепи. Моделирование игр.
2.14. Неформальный синтез моделей. Экспертиза.
2.15. Инструментальные системы моделирования. Проект. Информационные и функциональные модели.
2.16. Инструментальные системы моделирования. Постановка вычислительного эксперимента.
2.17. Инструментальные системы моделирования. Проектирование интерфейса.

Курсовая работа

Курсовая работа выполняется по темам, указанным в приложении. Тема может быть выбрана студентом самостоятельно, если она соответствует тематике курсовых работ дисциплины и согласована в преподавателем курса и руководителем индивидуального обучения.

Курсовая работа выполняется студентом индивидуально. Допускается выполнение работы в составе группы - два, три человека при условии увеличения объема работ в соответствующее число раз.

Контроль за работой производится четырьмя этапами.

1. Объекты и их формулы, структура системы с описанием связей (1 месяц)
2. Отлаженная система (1 месяц)
3. Интерфейс пользователя (1 месяц)
4. Отчет (1 месяц)
(Возможна перестановка 2 и 3 этапов)

Работа производится только в специализированной моделирующей и проектирующей компьютерной системе. Система должна обладать свойством объектности. Рекомендуется - "Stratum 2000". Другие варианты должны быть согласованы с преподавателем до начала работ.

Результатом работы и содержанием отчета является:

• проект (след процесса проектирования), он же является документацией и частью отчета;
• конструктор предметной области, позволяющий изменять систему;
• собранная работоспособная демонстрационная схема;
• наборы данных для демонстрации исследованных режимов работы схемы (задачи);
• исследования и выводы.

Работа должна продемонстрировать умение: проектировать в современной среде, формализовать предметную область, строить структурные модели, связывать их с графическими (двух или трехмерными) образами, реализовывать эффективный интерфейс с моделью, планировать компьютерный эксперимент и исследовать систему.

Отчет и модель должны четко фиксировать:

• перечень элементов системы и базовый состав системы, подробную схему системы;
• структуру элемента (переменные - входные, выходные, внутренние, параметры, диапазон изменения, кодирование, функция, графический образ, перечисление механизмов, ограничений, целей, законов);
• описание связей (кто с кем по каким переменным; постоянные, виртуальные, структурные, полевые);
• описание интерфейса, системы визуализации (связь элементов образов с переменными);
• описание задач, решаемых на модели, критерии функционирования системы, метод исследования, фактографические результаты исследования, выводы.

Предпочтителен отчет, подготовленный компьютерным способом. При подготовке отчета следует учитывать требования ГОСТ на техническую документацию.

Для математических моделей исследование включает:

- определение связи эффективного времени моделирования и точности результата;
- оценку дисперсии выхода модели по входным воздействиям;
- оценку области устойчивости модели.

Для моделей управления исследование включает:

- определение связи "результат-уровень управления-уровень помех";
- нахождение рациональных решений.

Для обучающихся моделей исследование включает:

- связь времени обучения и объем предъявляемого материала;
- оценку разброса результатов.

Темы курсовых работ

Общие требования к оформлению отчета о НИР

Учебно-методические материалы

1. Основная литература

1.1. Советов Б.Я., Яковлев С.А. "Моделирование систем" Учебник для ВУЗов -М.: Высшая школа, 1985 г.
1.2. Советов Б.Я., Яковлев С.А. "Моделирование систем" Лабораторный практикум -М.: Высшая школа, 1989 г.
1.3. Советов Б.Я., Яковлев С.А. "Моделирование систем" Курсовое проектирование -М.: Высшая школа, 1988 г.
1.4. Вавилов А.А. и др. "Имитационное моделирование производственных систем" - М.: Техника, 1983 г.

.2. Дополнительная литература Техника и методы моделирования. Математическое моделирование.

2.1. А.Ю. Закгейм "Введение в моделирование химико-технологических процессов" -М.: Химия, 1982 г.
2.2. Н.Н. Моисеев "Математические задачи системного анализа" - М.: Наука, 1981 г.
2.3. Е.А. Волков "Численные методы" - М.: Наука, 1987.
2.4. И.И. Блехман, А.Д. Мышкис, Я.Г. Пановко "Механика и прикладная математика. Логика и особенности приложения математики" - М.; Наука, 1983 г.
2.5. В.В. Амелькин "Дифференциальные уравнения в приложениях" - М.: Наука, 1987 г. Техника и методы моделирования. Имитационное моделирование.
2.6. Дж. Форрестер "Основы кибернетики предприятия" - М.: Прогресс, 1971 г.
2.7. Ю. Нивергельт, Дж. Фаррар, Э.Рейнголд "Машинный подход к решению математических задач" -М.: Мир, 1977 г.
2.8. О.И. Мухин "Компьютерная инструментальная среда" - Пермь: ПГТУ, 1991 г.
2.9. Т. Дж. Шрайбер "Моделирование на GPSS" -М.: Машиностроение, 1980 г.
2.10. А.Прицкер "Введение в имитационное моделирование и язык СЛАМ" - М.: Мир, 1987 г. Техника и методы моделирования. Приемы моделирования.
2.11. А.И.Островский, Б.А.Кордемский "Геометрия помогает арифметике"-М:Столетие,1994 г.
2.12. И.Г.Венецкий, В.И.Венецкая "Основные математико-статистические понятия и формулы в экономическом анализе" - М : Статистика, 1979 г.
2.13. Д.А.Поспелов "Большие системы (ситуационное моделирование)" - М : Знание, 1975
2.14. Л.Е.Садовский, А.Л.Садовский "Математика и спорт" - М : Наука, 1985 г.
2.15. В.А.Гордин "Математика. Компьютер. Прогноз погоды" - Л: Гидрометеоиздат, 1991 г.
2.16. М.И. Седов "Гидродинамика" - М.: Наука, ..
2.17. В.А, Трудоношина, Н.В.Пивоварова "Математические модели технических объектов" - Минск : Вышэйшая школа, 1988 г.
2.18. "Техническая имитация интеллекта" т.6 /под. ред. И.М.Макарова - М.: Высшая школа, 1986 г.
2.19. Л.Фогель, А.Оуэнс, М.Уолш "Искусственный интеллект и эволюционное моделирование" - М: Мир, 1969 г. Техника и методы моделирования. Неформальный синтез. Генерация и экспертиза идей.
2.20. А.И.Половинкин "Основы инженерного творчества" -М.: Машиностроение, 1988 г.
2.21. Ю.М. Чяпяле "Методы поиска изобретательских идей" - Л : Машиностроение, 1990 г.
2.22. Альтшулер Алгоритм изобретения" - М : Московский рабочий, ...????
2.23. Бендлер "Нейролингвистическое программирование" ???? Техника и методы проектирования моделей систем. 3.2.24. Г.Н. Калянов "CASE структурный системный анализ" -М.: Лори, 1996 г.
2.25. Д.А. Марка и К. Мак Гоуен "SADT - методология структурного анализа и проектирования" - М.: Метатехнология, 1993 г.
2.26. С.Шлеер, С. Мейлор "Объектно-ориентированный анализ: моделирование мира в состояниях" - Киев: Диалектика, 1993 г.
2.27. Г. Буч "Объектно-ориентированное проектирование с примерами применения" - Киев : Диалектика, 1992 г. Информационные технологии.
2.28. С.В. Черемных, А.В. Гиглавый, Ю.Е. Поляк "От микропроцессоров к персональным ЭВМ" - М : Радио и связь, 1988 г.
2.29. Р.Ф. Абдеев "Философия информационной цивилизации" - М : ВЛАДОС, 1994 г.
2.30. Г.Р. Громов "Очерки информационной технологии" - М. : Инфоарт, 1992 г. Теория систем.
2.31. Г. Хакен "Синергетика. Иерархии неустойчивостей в самоорганизующихся системах и устройствах" -М : Мир, 1985 г.
2.32. М. Сигх, А. Титли "Системы: декомпозиция, оптимизация и управление" - М : Машиностроение, 1986 г.
2.33. А.Ю. Ретеюм "Земные миры" - М. : Мысль, 1988 г.
2.34. Г. Николис, И. Пригожин "Познание сложного. Введение" - М : Мир, 1990 г.
2.35. Дж. Касти "Большие системы. Связность, сложность и катастрофы" - М : Мир, 1982 г.
2.36. И.Н. Таганов, Г.А. Тургумбаев "Причинный анализ сложных систем" - Алма-ата: Мектеп, 1984 г.

Методические указания