МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»
УТВЕРЖДАЮ
Ректор профессор В.С. Литвиненко
ПРОГРАММА
вступительного испытания при поступлении в магистратуру по направлению подготовки 27.04.04 «УПРАВЛЕНИЕ В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ»по магистерским программам «Информационные технологии в управлении техническими системами»
«Анализ и синтез технических систем с распределенными параметрами»
Санкт-Петербург Программа вступительного экзамена в магистратуру по направлению 27.04. – «Управление в технических системах» разработана на основании Федеральных государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования бакалавриата в соответствии с рабочими программами дисциплин «Теория автоматического управления», «Информационные технологии», «Прикладное программирование», «Автоматизированные информационноуправляющие системы», «Технические средства автоматизации и управления», «Математическое моделирование систем с распределенными параметрами» и др.
для бакалавров и утверждена на заседании кафедры (протокол № 14 от 29.08.14 г.).
Методические указания к программе вступительного экзамена по направлению 27.04.04 «Управление в технических системах»
Основной целью вступительного экзамена в магистратуру по направлению 27.04.04 «Управление в технических системах» является выявление следующих компетенций:
- знание основ теории автоматического управления и системного анализа, теории и практики моделирования систем управления, анализа технических систем, проектирования и управления сложными техническими системами различного назначения;
- понимание взаимодействия различных видов элементов, объектов и составных частей сложных систем, устройств, приборов и механизмов различного назначения при функционировании и управлении сложными техническими системами;
- умение правильно выбирать методы исследования;
- владение теоретическими основами и практическими навыками исследования сложных систем различного назначения.
Содержание и структура вступительного экзамена по направлению– 27.04. «Управление в технических системах»
На вступительном экзамене соискатель должен продемонстрировать основные компетенции, сформированные в результате освоения дисциплин «Теория автоматического управления», «Моделирование систем», «Технические средства автоматизации и управления», «Информационные сети и телекоммуникации», «Системное программное обеспечение», «Автоматизация проектирования систем и средств управления» и др., и смежных с ними дисциплин в высшем учебном заведении по программам бакалавриата.
Поступающий в магистратуру должен знать:
- основы теории автоматического управления, теории и практики моделирования, анализа и синтеза технических систем, проектирования и управления сложными системами различного назначения;
- основные принципы построения технических систем, технические средства автоматизации и управления;
- основы взаимодействия различных видов объектов и составных частей сложных автоматизированных систем управления, устройств, приборов и механизмов различного назначения при функционировании и управлении сложными системами.
Структура экзамена Письменные ответы на три вопроса из экзаменационного билета.
Продолжительность экзамена 2 астрономических часа.
Разделы программы разработаны на основе государственного образовательного стандарта подготовки бакалавра по направлению 220400.62 «Управление в технических системах»
1. Теория автоматического управления Понятия об управлении и системах управления (СУ). Задачи теории управления. Принципы управления. Линейные модели «вход-выходСтруктурные схемы. Типовые звенья и их характеристики. Преобразование форм представления моделей. Правила эквивалентного структурного преобразования. Вычисление передаточных функций. Задачи анализа СУ. Устойчивость СУ. Алгебраические и частотные критерии устойчивости. Инвариантность СУ. Формы инвариантности.
Чувствительность СУ. Показатели качества процессов СУ: корневые, интегральные, частотные. Задачи синтеза СУ. Стабилизация неустойчивых объектов с помощью обратных связей. Коррекция СУ.
Понятия об импульсных и цифровых СУ. Решетчатые функции и разностные уравнения. Передаточные функции дискретных СУ. Линейные модели дискретных СУ в форме пространства состояний. Устойчивость дискретных СУ. Критерии устойчивости. Процессы в дискретных СУ. Показатели качества процессов дискретных СУ. Синтез дискретных СУ.
Особенности поведения нелинейных СУ. Характеристики типовых нелинейных элементов. Определение равновесных режимов и построение статических характеристик СУ. Метод фазовой плоскости. Поведение нелинейных СУ в окрестности положения равновесия. Методы построения фазовых портретов нелинейных СУ. Особенности фазовых портретов нелинейных СУ. Устойчивость движений в нелинейных СУ. Частотный метод исследования абсолютной устойчивости. Исследование периодических режимов нелинейных СУ методом гармонического баланса. Методы определения параметров периодических режимов.
Устойчивость периодических режимов. Анализ нелинейных СУ при случайных воздействиях. Прохождение случайного сигнала через нелинейное звено.
Исследование нелинейных СУ методом статической линеаризации. Методы синтеза нелинейных СУ.
Моделирование и модели, назначение и функции модели. Роль модели в процессе познания. Натурный (физический) эксперимент и вычислительный эксперимент. Примеры моделей систем различной природы (технические, биологические, экономические, экологические и т.п.). Принципы построения и исследования математических моделей. Способы построения математических моделей. Применение теории подобия при моделировании. Представление математических моделей систем по степени информативности. Понятия модели сложной системы. Аспекты сложности: структурная (статическая) сложность, динамическая сложность. Иерархия моделей. Декомпозиция и редукция моделей.
Понятия аттракторов и странных аттракторов. Элементы теории бифуркаций.
Математические модели теории катастроф. Хаотические модели. Примеры хаотических моделей.
Задачи анализа моделей. Этапы анализа. Анализ моделей систем в статических и динамических режимах. Планирование вычислительного эксперимента. Задачи и методы обработки и представления результатов моделирования. Статистический анализ результатов моделирования.
Кинематика. Векторный и естественный способы задания движения точки.
Движения свободного абсолютно твердого тела. Динамика и статика. Законы механики Галилея-Ньютона. Дифференциальные законы движения механической системы. Момент количества движения, кинетическая энергия. Силовое поле.
Аналитическое условие равновесия произвольной системы сил. Принцип Даламбера. Связи и их уравнения. Уравнения Лагранжа второго рода. Принцип Гамильтона-Остроградского. Свободные колебания механической системы. Явление удара.
4. Технические средства автоматизации и управления Типовые структуры и технические средства (ТС) систем автоматизации и управления (САиУ) техническими объектами и технологическими процессами.
Классы и типовые структуры систем автоматизации и управления.
Автоматизированные технологические комплексы (АТК). Функциональный состав комплексов технических средств (КТС). Принципы комплексирования: типизация, унификация, децентрализация, магистрально-модульный принцип построения ТС, программно-технические комплексы (ПТК).
Технические средства получения информации о состоянии объекта управления. Датчики. Измерительные преобразователи (ИП).
Исполнительные устройства (ИУ). Типовые структуры, состав и характеристики ИУ. Исполнительные механизмы (ИМ) и регулирующие органы (РО). Интеллектуальные ИУ.
Технические средства приема, преобразования и передачи измерительной и командной информации по каналам связи. Устройства связи с объектом управления (УСО). Основные типы УСО, принципы организации. Цифро-аналоговые и аналогоцифровые преобразователи (ЦАП, АЦП). Устройства ввода и вывода дискретных и число-импульсных сигналов.
Интерфейсы САиУ. Классификация, основные характеристики интерфейсов.
Системные (внутримашинные) интерфейсы, интерфейсы персональных компьютеров типа IBM PC. Приборный интерфейс. Интерфейсы устройств ввода/вывода (периферийных устройств). Последовательные интерфейсы.
Параллельные интерфейсы.
Цифровые средства обработки информации в САиУ. Универсальные ЭВМ.
Проблемно-ориентированные (специализированные) ЭВМ и вычислительные комплексы (ВК). Управляющие ЭВМ (УВМ), управляющие ВК (УВК).
Промышленные (индустриальные) персональные компьютеры. Рабочие станции.
Микро-ЭВМ и микроконтроллеры.
Программное обеспечение САиУ. Структура программного обеспечения (ПО).
Операционные системы, системное ПО, прикладное ПО. Принципы программирования для САиУ. Программирование ПЛК: в машинных кодах, на языке ассемблера, на языках высокого уровня. Программирование ПЛК на специализированных проблемно-ориентированных языках. Инструментальные средства разработки, отладки и сопровождения программного обеспечения.
Устройства взаимодействия с оперативным персоналом САиУ. Типовые средства отображения, ввода и документирования информации, устройства связи с оператором. Принципы построения, классификация и технические характеристики.
Видеотерминальные средства, мнемосхемы, индикаторы. Операторские панели и станции. Регистрирующие и показывающие приборы.
Назначение, функции, состав и структура информационных сетей.
Классификация информационных сетей и их характеристики.
Широкомасштабные, корпоративные и локальные сети. Стандарты сопряжения информационных сетей. Информационные трассы, супертрассы.
Технологическое ядро информационных трасс. Структура уровня информационной сети. Уровни эталонной модели. Функции уровней. Правила описания сервиса.
Прикладной уровень OSI. Функции сеансового уровня по управлению диалогом, синхронизации и управления активностью. Маркеры данных, завершения, малой и большой синхронизации.. Функции и услуги транспортного уровня.
Рекомендации Х.214 и Х.224. Классы сервиса транспортного уровня. Классы и процедуры транспортного протокола.
Функции сетевого уровня. Диаграммы процедур установления соединения, передачи данных, разъединения соединения и сброса. Протоколы сетевого уровня в сетях с коммутацией пакетов. Рекомендация Х.25 МККТТ. Типы и форматы пакетов. Механизмы взаимодействия абонентов: постоянная виртуальная цепь, виртуальный вызов, дейтаграммы, быстрый вызов.
Бит-ориентированные и байт-ориентированные протоколы. Протокол BSC.
Форматы кадров, процедуры обмена. Протокол HDLC. Формат кадров.
Обнаружение ошибок.
Цифровые сети интегрального обслуживания. Использование B-каналов и Dканалов.. Услуги сетей ISDN.
Сети ретрансляции кадров Frame Relay. Отличия от рекомендации X.25.
Формат кадров.
Сети с асинхронным режимом передачи. Уровни ATM и адаптации ATM.
Стек протоколов TCP/IP. Функции и основные протоколы уровней 1– 4 стека TCP/IP. Организация взаимодействия с локальными сетями. Формат дейтаграммы.
Протокол TCP. Взаимодействие с прикладными процессами. Логическое соединение. Окно передачи. Квитанции. Механизм тайм-аутов. Приостановка передачи. Формат заголовка TCP. Диаграммы взаимодействия для процедур установления соединения, передачи данных и завершения соединения. Протокол пользовательских дейтаграмм UDP. Формат дейтаграммы. Взаимодействие с портами прикладных процессов и протоколом IP. Функции протокола. Формат пакета. Типы сообщений.
Задачи маршрутизации в сети. Классификация алгоритмов маршрутизации. IPмаршрутизаторы. Методы одношаговой маршрутизации и маршрутизации от источника. Маршрутизация в автономных системах и шлюзовые протоколы маршрутизации.
Классификация модемов. Работа модемов в рамках семиуровневой модели OSI. Основные протоколы модуляции: V.21, V.22bis, V.32bis, V.34bis, ZyX.
Стандарт 56К.
Топологии ЛВС. Среды передачи информации: витая пара, коаксиальный кабель, оптоволокно, радиоканал, инфракрасный канал. Методы децентрализованного управления CSMA/CD в шинных сетях. Маркерный метод кольцевых сетей. Функции аппаратуры локальных сетей. Сетевые адаптеры.
Функции трансиверов, повторителей и концентраторов. Применение мостов, маршрутизаторов и шлюзов.
Аппаратура сетей Ethernet. Формат кадра. Высокоскоростные сети Fast Ethernet и Gigabit Ethernet. Кольцевые сети Token Ring, Arcnet и FDDI. Сети с централизованным методом доступа 100VD-AnyLAN.
Обобщенная иерархическая структура информационно-управляющей вычислительной системы. Классификация и состав программного обеспечения информационно-управляющей вычислительной системы. Классификация операционных систем (ОС) в соответствии с принципами управления ресурсами.
Основные модели функционирования ОС. Примеры реализации современных ОС.
Понятие процесса в ОС. Состояния процесса. Порождение и завершение процессов.
Обработка прерываний и исключений. Средства синхронизации процессов.
Унифицированная модель драйвера. Функции драйвера. Взаимодействие прикладной программы, драйвера и операционной системы.
7. Информационное обеспечение систем управления Базы данных (БД), составные части БД, обеспечение целостности данных.
Системы управления базами данных (СУБД). Жизненный цикл информационных систем. Основные этапы проектирования информационных систем. Инфологическое проектирование, модель "сущность-связь". Основные компоненты модели данных.
Сетевая, иерархическая и реляционная модели данных. Язык описания данных и язык манипулирования данными в СУБД. Реляционные языки запросов. Язык запросов SQL. Проектирование концептуальной схемы БД. Нормализация отношений. Физическое проектирование БД. Методы доступа к данным.
Пользовательское приложение и пользовательский интерфейс, требования к их организации. Современные средства быстрой разработки приложений (средства RAD). Типы архитектур информационных систем. Технология "клиент-сервер".
Аналитическое составление математических моделей. Построение математических моделей объектов и систем по экспериментальным данным.
Принципы описания сложных систем, декомпозиция и агрегирование сложных моделей. Использование полных и дробных факторных экспериментов при идентификации объектов управления. Экспериментальные методы исследования объектов управления при периодических воздействиях, определение частотных характеристик объектов управления. Определение динамических характеристик линейных объектов при апериодических воздействиях. Уравнение статистической идентификации и основные методы его решения. Регуляризация решения уравнения статистической идентификации. Типовая идентификация объектов управления.
Принципы построения систем идентификации с настраиваемыми моделями.
Алгоритмы настройки моделей. Идентификация нелинейных объектов с использованием линеаризованных моделей и с использованием функциональных степенных рядов. Диагностические модели, структура типовой системы диагностики. Основные требования к первичной диагностической информации, выделение информативных признаков. Спектральные характеристики процессов, используемые в задачах диагностики. Сжатие диагностической информации.
Методы логического и тестового контроля. Использование теории распознавания образов при диагностике систем управления, формирование словаря диагностических признаков. Аппаратно-программные комплексы для идентификации и диагностики систем управления.
Человек и среда обитания; основы физиологии труда и комфортные условия жизнедеятельности; безопасность и экологичность технических систем; основы электробезопасности; безопасность автоматизированных объектов; системы автоматического контроля; психологические факторы при работе в автоматизированных системах управления: методы принятия решений в аварийных ситуациях.
10. Автоматизация проектирования систем и средств управления Типовая структура процесса проектирования систем управления. Определение целей и критериев проекта, требований к техническим характеристикам, условиям эксплуатации и экономическим показателям проекта, и их воплощение в техническом задании на проектирование. Ограничения процесса проектирования:
сроки проекта, стоимость, наличие материальных и технических ресурсов.
Основные этапы проектирования: согласование технического задания, формирование технических предложений, эскизное проектирование, рабочее проектирование, испытания. Основные проектные процедуры. Структурнофункциональные и информационные модели процесса проектирования СУ.
Математические модели процесса проектирования СУ на основе теории операций, модели сетевого планирования и управления. Методы анализа возможности и оценки технико-экономической эффективности автоматизации процесса проектирования. Анализ возможности автоматизации типовых процедур проектирования СУ. Методы и модели реорганизации существующих процессов проектирования с целью повышения эффективности внедрения САПР.
Принципы выбора структуры САПР и состава ее компонентов. Определение концепции САПР СУ. Выбор структуры САПР СУ на основе анализа возможности автоматизации проектных процедур и современного состояния технических и программных средств САПР. Задачи и функции основных подсистем САПР СУ:
подсистемы составления математических моделей СУ, подсистемы моделирования, анализа и синтеза СУ, конструкторской подсистемы, технологической подсистемы, подсистемы автоматизации испытаний СУ.
Лингвистическое обеспечение САПР: проблемно-ориентированные языки, алгоритмические языки, машинно-зависимые языки.
11. Алгоритмизация и управление техническими системами Функции, структуры и классификация АСУТП. Особенности современных технологических процессов. Управление производством однородной продукции (непрерывные процессы). Управление производством неоднородной продукции (дискретные процессы).
Задачи подсистемы контроля в АСУТП. Алгоритмы контроля, работающие в режиме реального времени (алгоритмы циклического и адресного опроса датчиков, аналитической градуировки датчиков, сглаживания дискретных сигналов, экстраполяции и интерполяции дискретно-измеряемых величин, дискретного интегрирования и дифференцирования, косвенного измерения, обнаружения нарушений и неисправностей в АСУТП). Расчет текущих технико-экономических показателей.
Типовые непрерывные и дискретные законы управления. Нелинейные и адаптивные алгоритмы локального управления. Методы определения параметров распределенных регуляторов. Методы определения параметров дискретных регуляторов в системах ПЦУ. Программное управление ТП. Примеры синтеза программного управления.
Сравнительная характеристика алгоритмов статической оптимизации и их использование в АСУТП. Алгоритмы адаптивной идентификации. Примеры использования алгоритмов статической оптимизации и адаптации при управлении ТП. Алгоритмы оптимального быстродействия. Алгоритмы оптимальной стабилизации Алгоритмы, реализующие последовательности равномерно распределенных случайных чисел. Алгоритмы получения случайных чисел с заданным законом распределения. Применение математического моделирования для отладки разработанных алгоритмов и программ.
РЕКОМЕНДАТЕЛЬНЫЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Основная литература 1. Солодовников В.В., Плотников В.Н., Яковлев А.В. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования: Учебн. пособие для вузов. М.: Машиностроение,1985.2. Попов Е.П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления: Учебн.
пособие для студентов втузов. М.: Наука, 1989.
3. Ерофеев А.А. Теория автоматического управления: Учебник для вузов. СПб: Политехника, 4. Алексеев А.А., Имаев Д.Х., Кузьмин Н.Н., Яковлев В.Б. Теория управления: Учебник. СПб:
Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 1999.
5. Веников В.А., Веников Т.В. Теория подобия и моделирования. М.: Высшая школа. 1986.
6. Неймарк Ю.И. Математические модели в естествознании и технике. Н. Новгород: Изд-во Нижегородского ун-та. Вып. 1, 1994; Вып. 2, 1996.
7. Советов Б.Я.,Яковлев С.А. Моделирование систем: Учеб. для вузов. М.: Высш.шк., 1998.
8. Егоренков Д.Л., Фрадков А.Л., Харламов В.Ю. Основы математического моделирования с примерами на языке MATLAB: Учебн. пособие / Под ред. А.Л. Фрадкова. СПб.: Изд-во БГТУ, 1996.
9. Теория автоматического управления: Учебник для вузов в 2-х томах / Под ред. А.А.
Воронова. М.: Высшая школа, 1986.
10. Родионов В.Д., Терехов В.А., Яковлев В.Б. Технические средства АСУТП. Учеб.пособие для вузов. - М.: Высш.шк., 1989. - 262 с.
11. Программно-информационные комплексы автоматизированных производственных систем.
Учеб.пособие для вузов. -М.:Высш.шк., 1990.-224 с.
12. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. – СПб, «Питер», 1999. – 672 с.
13. Кульгин М. Технологии корпоративных сетей. Энциклопедия. – СПб, «Питер», 1999. – 14. Робачевский А.М. Операционная система UNIX.-СПб.:BHV –СПб.,2000.-528 с.
15. Кастер Х. Основы Windows NT и NTFS / Пер. с англ. - М.: ТОО "Channel Trading Ltd", 1996.
«