Министерство образования Республики Беларусь

Учебно-методическое объединение по химико-технологическому образованию

УТВЕРЖДАЮ

Первый заместитель Министра

образования Республики Беларусь

_ А. И. Жук

“_” _ 2012 г.

Регистрационный № ТД- /тип.

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Типовая учебная программа для высших учебных заведений по специальностям:

1-50 01 02 “Конструирование и технология швейных изделий” (специализации 1-50 01 02 01 “Технология швейных изделий”, 1-50 01 “Технология швейных изделий по индивидуальным заказам”) и 1-50 02 01 “Конструирование и технология изделий из кожи” (специализации 1-50 02 01 01 “Технология обуви”, 1-50 02 01 02 “Технология кожгалантерейных изделий”, 1-50 02 01 05 “Изготовление и ремонт обуви по индивидуальным заказам ”)

СОГЛАСОВАНО СОГЛАСОВАНО

Начальник Управления высшего и Заместитель председателя среднего специального образования концерна «Беллегпром»

С. И. Романюк А. В.Гуров «»2012 г.

«»2011 г.

СОГЛАСОВАНО

СОГЛАСОВАНО

Проректор по учебной и воспитаПредседатель Учебно-методического тельной работе Государственного объединения по химикоучреждения образования «Республитехнологическому образованию канский институт высшей школы»

_ И.М. Жарский _В.И.Шупляк «»2011 г.

«»2012 г.

Эксперт-нормоконтролер _ «»2012 г.

Минск

СОСТАВИТЕЛЬ:

Науменко А. А., доцент кафедры «Стандартизация» учреждения образования «Витебский государственный технологический университет», кандидат технических наук, доцент.

РЕЦЕНЗЕНТЫ

Матвеев К.С. – директор Республиканского инновационного унитарного предприятия «Научно-технологический парк Витебского государственного технологического университета»

Субботин А.Н. – заместитель управляющего фабрики нетканых материалов Открытого акционерного общества «Витебские ковры»

Кафедра трикотажного производства учреждения образования «Витебский государственный технологический университет»

(протокол № 22 от 27.06.2011г.)

РЕКОМЕНДОВАНА К УТВЕРЖДЕНИЮ В КАЧЕСТВЕ ТИПОВОЙ:

кафедрой «Стандартизация» учреждения образования «Витебский государственный технологический университет»

(протокол № 12 от 02.06.2011 г.);

Научно-методическим советом учреждения образования «Витебский государственный технологический университет»

(протокол № 10 от 23.06.2011 г.);

Научно-методическим советом по технологиям легкой промышленности учебно-методического объединения по химико-технологическому образованию (протокол № 6 от 20.06.2011 г.).

Ответственный за редакцию: Егорова Е.А.

Ответственный за выпуск: Лапырева О.К.

СОДЕРЖАНИЕ

Пояснительная записка ………………………………………………………… Примерный тематический план ……………………………………………….. Содержание учебного материала …………………………………………….. Информационно-методическая часть ………………………………………...

1. ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

1.1.Актуальность изучения учебной дисциплины Типовая учебная программа дисциплины «Моделирование и оптимизация технологических процессов» предусматривает изучение основных теоретических положений моделирования как метода изучения технологических объектов и процессов, а также приемов его использования для решения практических задач.

Знание основных концепций и методологии моделирования и оптимизации является существенной составляющей профессиональной подготовки специалиста в области технологии швейных изделий и обуви. В этой связи курс «Моделирование и оптимизация технологических процессов» имеет важное значение. Он позволяет связать его методологию с конкретными методами применительно к задачам, решаемым специалистом в вышеназванных областях.

Материал курса способствует изучению дисциплин: «Проектирование ткацкого производства», «Проектирование швейно-трикотажного производства», «Проектирование хлопкопрядильного производства», формирующих профессиональный профиль специалиста.

Типовая учебная программа разработана на основе компетентностного подхода и требований к уровню подготовки специалиста, сформулированных в образовательных стандартах ОСРБ 1-50 01 02–2008 и ОСРБ 1-50-02-01- для специальностей 1-50 01 02 «Конструирование и технология швейных изделий» и 1-50 02 01 «Конструирование и технология изделий из кожи».

1.2.Цели и задачи учебной дисциплины Целью дисциплины «Моделирование и оптимизация технологических процессов» является изучение научных, технических, методических основ моделирования и оптимизации технологических процессов в легкой промышленности.

Основными задачами преподавания и изучения дисциплины являются:

– в области моделирования: изучение его видов и методов построения моделей технологических процессов;

– в области оптимизации: изучение методов решения однокритериальных и многокритериальных задач оптимизации.

1.3. Требования к уровню освоения содержания учебной дисциплины В соответствии с образовательными стандартами ОСРБ 1-50 01 02–2008 и ОСРБ 1-50 02 01-2008 в результате изучения дисциплины студент должен обладать компетенциями академическими (АК):

АК-1 – владеть исследовательскими навыками;

АК-2 – уметь работать самостоятельно и повышать свой профессиональный уровень;

АК-3 – уметь формулировать и выдвигать новые идеи;

АК-4 – владеть междисциплинарным подходом при решении проблем;

АК-5 – иметь навыки, связанные с использованием технических устройств, управлением информацией и работой с компьютером;

АК-6 – уметь создавать модели объектов и проверять их адекватность;

АК-7 – уметь ставить и решать задачи оптимизации.

социально-личностными (СЛК):

СЛК-1 – быть способным к социальному взаимодействию;

СЛК-2 – обладать способностью к межличностным коммуникациям;

СЛК-3 – уметь вести дискуссию, аргументировано защищать свою позицию, признавать доказательства чужой правоты;

профессиональными (ПК):

ПК-1 – владеть общими сведениями о моделировании и оптимизации технологических процессов;

ПК-2 – знать общие подходы к построению моделей технологических процессов;

ПК-3 – знать основные методы построения математических моделей процессов;

ПК-4 – уметь определять динамические характеристики объектов;

ПК-5 – уметь ставить и выбирать методы решения задач оптимизации;

ПК-6 – знать методы решения задач оптимизации;

ПК-7 – уметь ставить и решать многокритериальные задачи оптимизации;

Для приобретения профессиональных компетенций ПК-1 – ПК-7 в результате изучения дисциплины студент должен методику проведения анализа размерностей при исследовании технологических процессов;

алгоритмы построения математических моделей случайных процессов;

алгоритмы имитационного моделирования технологических объектов;

методы определения динамических характеристик объектов;

методы решения однокритериальных и многокритериальных задач оптимизации;

использовать методы математического моделирования для исследования технологических процессов в текстильной и легкой промышленности;

использовать методы построения и анализа математических моделей технологических процессов и объектов;

использовать методы решения однокритериальных и многокритериальных задач оптимизации.

1.4. Междисциплинарные связи Содержание тем опирается на приобретенные ранее студентами компетенций при изучении естественнонаучных и специальных дисциплин: «Высшая математика», «Технология швейных изделий», «Технология изделий из кожи».

1.5. Методы (технологии) обучения Основными методами (технологиями) обучения, отвечающими целям изучения дисциплины, являются:

– элементы проблемного обучения (проблемное изложение, вариативное изложение, частично-поисковый метод), реализуемые на лекционных занятиях;

– элементы учебно-исследовательской деятельности, реализация творческого подхода, реализуемые на практических занятиях и при самостоятельной работе;

– коммуникативные технологии (дискуссия, деловые игры), реализуемые на лабораторных занятиях.

1.6. Организация самостоятельной работы студентов При изучении дисциплины используются следующие формы самостоятельной работы:

– контролируемая самостоятельная работа в виде решения индивидуальных задач в аудитории во время проведения практических занятий под контролем преподавателя в соответствии с расписанием;

– управляемая самостоятельная работа, в том числе в виде выполнения индивидуальных заданий с консультациями преподавателя;

– подготовка рефератов по индивидуальным темам.

2. ПРИМЕРНЫЙ ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН

Дисциплина относится к циклу общепрофессиональных и специальных дисциплин образовательных стандартов ОСРБ 1-50 01 02–2008 и ОСРБ 1- 01–2008.

Общая трудоемкость дисциплины составляет 80 часов. Из общих часов, отводимых на изучение дисциплины, 42 часа – аудиторные, из них 28 часов – лекции, 14 часов – лабораторные занятия и 38 часов – самостоятельная работа.

Рекомендуемой формой итоговой оценки приобретенных компетенций является зачет.

Последовательность изучения тем соответствует иерархии этапов освоения материала в рамках учебной дисциплины «Моделирование и оптимизация технологических процессов»: от понятийного аппарата до методов построения моделей технологических процессов и алгоритмов решения задач оптимизации с применением этих моделей.

Примерное распределение часов по разделам № тем 1. Введение. Предмет, цели и основных понятий 2. Виды моделирования и теоретические основы поПК- строения математических 2.1. Физическое и математическое моделирование. Теория подобия и ее основные теоремы 2.2. Анализ размерностей 3. Цифровое математическое 3.1. Моделирование неслучайных процессов 3.2. Моделирование случайных процессов 4. Имитационное моделироСЛК-1, № тем 5. Динамические характериСЛК- 6. Оптимизация технологиСЛК-1, ческих процессов. УслоПК- 5, вия постановки и виды оптимизационных задач 7. Однокритериальные задаСЛК- 7.1. Аналитические методы оптимизации.

7.2. Численные методы оптимизации Метод обобщенной целевой 8.2. Методы уступок и штрафных функций 9. Решение оптимизационСЛК-

3. СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА

РАЗДЕЛ 1. ВВЕДЕНИЕ. ПРЕДМЕТ, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСА. СОДЕРЖАНИЕ ОСНОВНЫХ ПОНЯТИЙ

Структура, объем дисциплины, ее роль и место в учебном процессе. Значение моделирования в исследованиях, оптимизации и управлении технологическими процессами. Содержание понятия «модель и «моделирование». Моделирование как метод исследования, его отличительные признаки по сравнению с теоретическими и экспериментальными методами.

РАЗДЕЛ 2. ВИДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ

ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

Тема 2.1. Физическое и математическое моделирование. Теория подобия и ее основные теоремы. Сущность, достоинства и недостатки физического и математического моделирования. Теория подобия и определение понятия «подобие» с ее позиций. Критерии подобия. Основные теоремы теории подобия и их значение.

Тема 2.2. Анализ размерностей. Сущность анализа размерностей. Вторая теорема теории подобия как его теоретическая основа. Техника проведения анализа размерностей, его достоинства и недостатки. Анализ размерностей как метод моделирования процессов.

РАЗДЕЛ 3. ЦИФРОВОЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Тема 3.1. Моделирование неслучайных процессов. Цели моделирования. Применение рядов Тейлора и Фурье для построения цифровых моделей неслучайных процессов.

Сущность и цели цифрового математического моделирования. Этапы построения и исследования этих моделей на ЭВМ.

Тема 3.2. Моделирование случайных процессов. Цели моделирования.

Общее представление о спектре случайного процесса. Псевдослучайные числа и алгоритмы их получения на ЭВМ. Процессы авторегрессий. Моделирование случайных процессов авторегрессиями различных порядков.

РАЗДЕЛ 4. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Имитационная модель процесса как описание процесса с помощью машинного алгоритма, реализуемого на ЭВМ. Принципы построения имитационных моделей технологических процессов. Критерии адекватности имитационных моделей. Исследование процессов с помощью имитационных моделей при детерминированных и случайных воздействиях на него.

РАЗДЕЛ 5. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Динамические характеристики и их технологическое значение. Принцип их получения. Типовые входные воздействия на изучаемый объект или процесс.

Реакции на типовые входные воздействия как источник информации об изучаемом объекте или процессе.

РАЗДЕЛ 6. ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕС-СОВ.

УСЛОВИЯ ПОСТАНОВКИ И ВИДЫ ОПТИМИЗАЦИОННЫХ ЗАДАЧ

Объект оптимизации. Критерии оптимальности. Условия постановки задачи оптимизации. Виды задач оптимизации технологических процессов. Этапы решения задачи оптимизации.

РАЗДЕЛ 7. ОДНОКРИТЕРИАЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ ОПТИМИЗАЦИИ И

МЕТОДЫ ИХ РЕШЕНИЯ

Тема 7.1. Аналитические методы оптимизации. Аналитические методы безусловной оптимизации целевой функции одной и многих переменных.

Аналитические методы условной оптимизации целевой функции одной и многих переменных. Примеры использования этих методов при оптимизации механико-технологических процессов.

Тема 7.2. Численные методы оптимизации. Методы сканирования и случайного поиска. Методы сканирования, случайного поиска, релаксации, симплекс-метод. Градиентные методы оптимизации. Достоинства и недостатки этих методов.

РАЗДЕЛ 8. МНОГОКРИТЕРИАЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ ОПТИМИЗАЦИИ И МЕТОДЫ ИХ РЕШЕНИЯ

Тема 8.1. Метод обобщенной целевой функции. Компромиссный подход к решению многокритериальных задач оптимизации. Сущность, алгоритм и особенности метода обобщенной целевой функции. Достоинства и недостатки метода. Реализация метода на ПЭВМ как фактор повышения эффективности метода и результативности решения задач оптимизации.

Тема 8.2. Методы уступок и штрафных функций. Сущность, алгоритм и особенности метода. Условия применения и эффективность метода штрафных функций.

РАЗДЕЛ 9. РЕШЕНИЕ ОПТИМИЗАЦИОННЫХ ЗАДАЧ

СПЕЦИАЛЬНОГО ВИДА

Динамическое программирование и условия его применения для решения задач оптимизации. Алгоритм и эффективность метода.

4. ИНФОРМАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

4.1. Диагностика компетенций студента Оценка уровня знаний студента производится по десятибалльной шкале.

Для оценки достижений студента рекомендуется использовать следующий диагностический инструментарий:

– защита выполненных на практических занятиях индивидуальных заданий;

– проведение текущих тестовых заданий по отдельным темам;

– выступление студента на конференции по подготовленному реферату;

– защита выполненных в рамках управляемой самостоятельной работы индивидуальных заданий;

– сдача зачета по дисциплине.

Критерии оценок результатов учебной деятельности Оценка Показатели оценки Не зачтено Недостаточно полный объем знаний в рамках дисциплины;

знание части основной литературы, рекомендованной учебной программой дисциплины, использование терминологии, изложение ответа на вопросы с существенными ошибками;

слабое владение инструментарием учебной дисциплины; неумение ориентироваться в основных теориях, методах и направлениях дисциплины; пассивность на практических занятиях; низкий уровень культуры исполнения заданий.

Зачтено Достаточные знания в объеме учебной программы; использование научной терминологии, грамотная, логически правильное изложение ответа на вопросы, умение делать выводы; владение инструментарием учебной дисциплины, умение его использовать в решении учебных задач; способность самостоятельно применять решения в рамках учебной программы; усвоение основной литературы, рекомендованной учебной программой дисциплины; умение ориентироваться в теориях, методах и направлениях дисциплины и давать им сравнительную оценку; самостоятельная работа на практических работах, участие в групповых обсуждениях, достаточный уровень культуры исполнения заданий.

4.2. Примерная тематика лабораторных занятий 1. Построение математических моделей механико-технологических задач с применением анализа размерностей.

2. Моделирование динамического состояния нитей в процессах производства пряжи, тканей, трикотажа и нетканых материалов.

3. Моделирование механико-технологических процессов получения пряжи, тканей, трикотажа и нетканых материалов с использованием рядов Тейлора и Фурье.

4. Моделирование случайных процессов с применением авторегрессий.

5. Решение задач оптимального управления запасами ресурсов.

6. Оптимизация параметров контроля качества продукции.

7. Многокритериальные задачи оптимизации.

4.3. Основная литература п/п и учебных пособий, год издания 1. Моделирование технологических процессов: Учеб- Севостьянов А. Г., ник. – Москва : Легкая промышленность. - 1984. - Севостьянов П. А.

Оптимизация механико-технологических процесСевостьянов П. А.

сов текстильной промышленности. – Москва : Легпромбытиздат, 1991 г. – 293 с.

3. Моделирование сложных систем. Москва : Наука, Бусленко Н. П.

4. Курс статистического моделирования.- Москва : Ермаков С. М., 5. Машинные методы математических вычислений. – Форсайт Дж. и др.

6. Методы оптимизации. – Москва : Наука, 1978 г. – Моисеев Н. Н.

7. Планирование эксперимента в исследовании техно- Хартман К., Лецлогических процессов. – Москва : Мир, 1977 г. – кий Э., Шефер В.

8. Планирование и анализ эксперимента. – Москва :

Легкая индустрия, 1974 г. – 274 с.

9. Вычислительная техника и ее применение. Минск, Фурунжиев Р. И.

Вышэйшая школа, 1975 г. – 303 с.

10. Единицы физических величин и их размерности. – Сена Л. А.

Москва : Наука, 1988 г. – 185 с.

Математическое программирование. Алгоритмический подход : учебное пособие. – Минск : Вышэйшая школа, 2007. – 352 с.

Моделирование систем. Практикум по компьютерному моделированию : учебное пособие. - СанктПетербург : БХВ-Петербург, 2007. – 430 с.

4.4. Дополнительная литература п/п и учебных пособий, год издания 1. Оптимизация линейных систем. – Мн.: Изд-во БГУ, Габасов Р. Ф., 2. Моделирование сложных систем. – М.: “Изд-во Бусленко Н.П.

«Наука», 1989. – 400 с.

3. Надежность и эффективность в технике. СправочА.И ник в 10 томах. Т. 1..– М.: «Машиностроение», 1986-1990.