ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет приборостроения, информационных технологий и систем

Кафедра «Автоматика и телемеханика»

УТВЕРЖДЕНА

Ученым советом факультета приборостроения,

информационных технологий и систем

«_»2012 г. Протокол №

Декан П.П. Чураков

ПРОГРАММА

ГОСУДАРСТВЕННОГО ЭКЗАМЕНА,

включенного в состав итоговой государственной аттестации ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ 220201

«УПРАВЛЕНИЕ И ИНФОРМАТИКА В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ»

2012 1. В основу программы положены следующие вузовские дисциплины:

«Информатика», «Электротехника и электроника», «Теория автоматического управления», «Цифровая микросхемотехника», «Микропроцессорные системы управления», «Моделирование систем», «Системное программное обеспечение», «Информационное обеспечение систем управления».

2. Содержание программы Раздел 1. Теория управления и моделирование систем Управление и регулирование. Принципы регулирования по отклонению и возмущению. Алгоритмы управления. Основные понятия и определения. Функциональная схема САУ. Примеры объектов управления.

Следящая система. Устройство, работа, характеристики. Статическое и астатическое регулирование. Классификация САУ по характерным признакам.

Дифференциальное уравнение CAP. Понятие об установившемся режиме.

Установившиеся значения регулируемой величины и ошибки. Оценка точности для статической и астатической системы.

Работа системы в переходном режиме. Типовые возмущения. Основные качественные показатели.

Уравнения линейных систем в изображениях. Понятие о передаточной функции и амплитудно-частотной характеристике элементов и систем. Передаточные функции замкнутых систем относительно задающего и возмущающего воздействий. Передаточная функция системы по ошибке. Преобразование форм представления моделей.

Типовые звенья автоматических систем и их характеристики: переходная и импульсная. Передаточные функции и амплитудно-фазовая характеристики.

Экспериментальное определение частотных характеристик. Логарифмические амплитудная и фазовая частотные характеристики. Передаточные функции различных видов соединений звеньев. Правила преобразования структурных схем.

Понятие и определение устойчивости. Теоремы А.М. Ляпунова о связи устойчивости нелинейной и линеаризованной систем. Критерии устойчивости.

Алгебраические критерии устойчивости Раусса-Гурвица. Частотные критерии устойчивости. Критерий устойчивости А.В. Михайлова. Принцип аргумента. Критерий устойчивости Найквиста. Оценка устойчивости по логарифмическим, частотным характеристикам. Понятие о запасах устойчивости. Системы с запаздыванием.

Исследование устойчивости систем с запаздыванием. Структурная устойчивость систем.

Понятие о качестве управления. Оценка точности работы САУ в установившемся режиме при различных видах воздействий. Понятие о коэффициентах ошибок. Методы повышения точности САУ. Системы с комбинированным управлением. Условие инвариантности по управляющему и возмущающему воздействиям.

Методы оценки качества переходного процесса по вещественной частотной характеристике. Оценка качества переходного процесса по АЧХ. Интегральные оценки качества. Оценка качества по квадратичному интегральному критерию. Обобщенный интегральный критерий качества.

Задачи коррекции. Схемы корректирующих устройств и методы их включения в систему. Свойства корректирующих обратных связей, жесткая, гибкая и смешанная.

Синтез корректирующих устройств.

Особенности нелинейных систем и методы их анализа. Виды нелинейностей.

Методы исследования динамики. Фазовые представления процессов регулирования.

Фазовое пространство и фазовая плоскость. Общее уравнение фазовой траектории для релейных систем. Методика построения фазовой траектории.

Постановка задачи оптимального управления. Критерии оптимальности. Методы решения задач оптимального управления. Принцип максимума. Метод динамического программирования. Системы оптимальные по быстродействию.

Основные понятия теории моделирования. Классификация математических моделей и методов моделирования. Задачи моделирования систем управления.

Структура обобщенного объекта управления. Уравнения типовых управляемых процессов. Аппроксимация управляемых процессов линейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами. Структурированные модели объекта управления в виде дифференциальных уравнений и передаточных функций.

Математические модели систем управления в пространстве состояний. Линейные преобразования в пространстве состояний. Канонические формы моделей в пространстве состояний. Переход от моделей в пространстве состояний к структурированным моделям.

Дискретные модели. Математические модели импульсных систем на основе разностных уравнений. Передаточные функции дискретных систем на основе дискретного преобразования Лапласа и z–преобразования. Дискретные модели в пространстве состояний.

Математические модели внешних возмущений. Задача формирования стационарного, эргодического случайного процесса с заданными статистическими характеристиками. Формирование псевдослучайных числовых последовательностей с заданными законами распределения. Линейные модели и их применение для формирования и оценивания характеристик случайных процессов.

Устойчивость, управляемость, наблюдаемость и обусловленность математических моделей.

Основы теории подобия. Теоремы подобия. Критерии подобия. Анализ уравнений и размерностей.

Построение имитационных моделей. Основные понятия, определения и задачи имитационного моделирования. Построение имитационных моделей по временным характеристикам объекта.

Оценки точности моделирования. Основные понятия теории оценок. Точечные и доверительные оценки. Проверка статистических гипотез. Критерии согласия.

Раздел 2. Информатика Предмет информатики. Информатика как фундаментальная наука и как прикладная дисциплина. Понятие информации и ее свойства. Непрерывная и дискретная формы представления информации. Количество и единицы измерения информации.

Арифметические основы компьютера. Системы счисления. Представление целых и вещественных чисел в памяти компьютера. Представление отрицательных чисел. Прямой, обратный и дополнительный коды.

Логические основы компьютера. Основные понятия алгебры логики, законы, тождественные соотношения, типовые задачи по преобразованию логических функций.

Логические элементы компьютера.

История развития вычислительной техники, поколения ЭВМ. Принципы фонНеймана. Классификация ЭВМ (по назначению, размеру, специализации).

Обобщенная структура компьютера: основные компоненты и их краткая характеристика. Классическая архитектура, построенная на принципах фон Неймана.

Принцип открытой архитектуры, магистрально-модульный принцип.

Процессор: основные компоненты процессора и их назначение; основной алгоритм работы процессора. Оптимизация выполнения команд: конвейеризация, суперскалярность, кэширование. Характеристики процессора.

Классификация памяти компьютера. Внутренняя память: назначение, виды памяти, основные характеристики. Внешняя память: назначение, виды памяти, основные характеристики. Иерархическая организация памяти компьютера.

Периферийные устройства компьютера. Назначение и основные характеристики.

Драйверы устройств. Управление периферийными устройствами.

Программное обеспечение (ПО) компьютера. Уровни программного обеспечения.

Классификация ПО.

Системное программное обеспечение компьютера. Понятие операционной системы (ОС). Основные функции и структура ОС. Классификация ОС.

Информационная безопасность и защита информации. Методы защиты информации. Аппаратные методы защиты. Программные методы защиты. Резервное копирование. Криптографическое шифрование информации.

Компьютерные вирусы. Классификация компьютерных вирусов. Признаки заражения компьютера вирусами. Способы защиты от компьютерных вирусов.

Компьютерные сети: понятие, назначение, классификация. Эталонная модель взаимодействия открытых систем ISO/OSI. Понятие протокола, межуровневого интерфейса. Виды топологий локальных вычислительных сетей.

Глобальная сеть Internet: понятие, протоколы сети Internet, адресация компьютеров, адресация ресурсов. Основные сервисы сети Internet.

Процессы, операции над процессами. Процессы и нити, идентификация и группирование процессов; классификация процессов и ресурсов, задачи синхронизации, семафорная техника синхронизации, тупики, условия возникновения, предупреждение и обходы; межпроцессные коммуникации (сигнальный механизм, очереди сообщений, разделяемые сегменты памяти, сокеты).

Управление памятью. Методы распределения памяти. Понятие виртуальной памяти.

Файловая система. Имена файлов. Типы файлов. Логическая организация файла.

Физическая организация и адрес файла. Права доступа к файлу. Общая модель файловой системы. Архитектуры файловых систем. Структура файла. Системные операции для работы с файловой системой.

Управление вводом/выводом. Физическая организация устройств ввода-вывода.

Организация программного обеспечения ввода-вывода.

Управление прерываниями. Программные прерывания. Программы обработки прерываний. Перехват прерываний. Маскирование аппаратных прерываний.

Мультипроцессорные и распределенные ОС. Назначение и подходы к построению.

Сетевые ОС. Структура сетевой операционной системы. Одноранговые сетевые ОС и ОС с выделенными серверами.

Информационное обеспечение, информационные системы, базы данных, системы управления базами данных.

Жизненный цикл информационной системы (модели жизненного цикла, этапы жизненного цикла).

Основные этапы проектирования информационной системы. Структурный подход к проектированию информационных систем.

Основные требования к организации диалога и представлению данных в информационных системах.

Концептуальное, логическое и физическое проектирование баз данных.

Модель данных "сущности-связи", реляционная система, сетевая и иерархическая модели данных.

Системы управления базами данных (СУБД), основные функции СУБД, типовая организация СУБД.

Языки описания данных и языки манипулирования данными в системах управления базами данных.

Физическая организация данных, методы доступа.

Многозадачные и многопользовательские информационные системы.

Раздел 3. Техническое обеспечение систем автоматизации и управления Полупроводники. Структура и основные характеристики полупроводников.

Акцепторные и донорные примеси. P-n переход. Диоды. Основные характеристики, виды, параметры. Вольтамперная характеристика диода. Переходные процессы в диоде.

Частотные свойства диодов. Схемы выпрямителей и ограничителей. Стабилитроны, параметрический стабилизатор напряжения. Диоды Шотки. Туннельные диоды.

Транзисторы. Основные виды, характеристики, параметры и эквивалентные схемы.

Транзисторы p-n-p и n-p-n. Основные процессы в транзисторе. Вольтамперные характеристики. Ключевой и усилительный режимы работы транзистора. Способы задания рабочей точки. Построение нагрузочной прямой. Схемы замещения и малосигнальные параметры транзистора. Полевые транзисторы, разновидности. Принцип действия, вольтамперные характеристики. Автоматическое смещение для задания рабочей точки. Применение полевых транзисторов в качестве управляемых сопротивлений и аналоговых ключей.

Усилители. Основные параметры. Анализ усилительных каскадов. Классификация и основные параметры усилителей. Топологические методы анализа активных цепей.

Анализ основных схем усилительных каскадов. Усилитель с общим эмиттером, эмиттерный повторитель, источник тока на транзисторах. Амплитудно-частотные и переходные характеристики усилителей. Усилители мощности.

Операционные усилители. Структурная схема операционного усилителя (ОУ).

Дифференциальные усилители, вторичные параметры усилителя-шестиполюсника, ослабление синфазного сигнала. Идеальный ОУ. Применение обратных связей в усилителях. Масштабирующий усилитель (инвертирующий и не инвертирующий усилитель), повторитель, источник тока. Анализ инвертирующего усилителя с учётом реальных параметров ОУ. Суммирующий и разностный усилители. Интегрирующий и дифференцирующий усилители. Сдвиг нулевого уровня и дрейф схем на ОУ.

Программируемые ОУ. Частотные характеристики ОУ. Устойчивость.

Электронные узлы на основе операционных усилителей с частотно-зависимыми обратными связями. Пассивные и активные фильтры. Фильтры нижних и верхних частот, полосовые и режекторные фильтры. Передаточные функции, аппроксимирующие полиномы, эквивалентные схемы, анализ. Генераторы. Возникновение колебаний в частотно-зависимых активных цепях. RC–генераторы синусоидальных колебаний.

Кварцевая стабилизация частоты. Генераторы импульсов на основе ОУ.

Роль и место цифровой электроники в технических системах управления.

Аналоговая и цифровая электроника. Тенденции развития.

Формирователи импульсов, аналоговые компараторы. Компьютерные системы моделирования электронных схем. Формирователи импульсов на ОУ. Одновибраторы, компараторы, триггеры Шмитта.

Основные логические семейства и параметры цифровых микросхем. Базовые элементы ТТЛ, ЭСЛ и КМОП. Сравнительный анализ параметров интегральных микросхем разных типов. Логика с открытым коллектором. Тристабильная логика.

Комбинационная логика. Мультиплексоры. Демультиплексоры. Шифраторы и дешифраторы. Арифметические устройства. Компараторы. Арифметико-логические устройства.

Логические устройства с памятью. Триггеры RS, JK, D. Параметры триггеров.

Счетчики. Регистры. Запоминающие устройства. Таймеры.

Цифроаналоговые преобразователи. Аналого-цифровые преобразователи. АЦП последовательного и параллельного преобразования. Интегрирующие АЦП.

Роль и место микропроцессорных устройств в технических системах управления.

Тенденции развития. Принципы построения микропроцессорных устройств систем управления. Микропроцессоры и ЭВМ, функции микропроцессора в управляющих устройствах систем управления, области применения микропроцессорных средств.

Классификация и основные определения микропроцессорных средств. Аппаратные средства, программные средства, представление данных. Микропроцессор, микропроцессорная система, микро-ЭВМ. Микроконтроллер, микропроцессорная автоматическая система.

Архитектура микропроцессоров. Архитектура центрального процессора, особенности архитектуры микропроцессоров. Арифметическо-логическое устройство, регистры, системные шины, устройства памяти, представления адресной информации.

Структурная схема и устройство однокристального микропроцессора. Структура типового микропроцессора, состав и функциональное назначение отдельных узлов микропроцессора, управление и синхронизация микропроцессора.

Система команд микропроцессора. Форматы команд, типы команд, методы адресации, стековая память.

Однокристальные микроконтроллеры. Базовая организация однокристального микроконтроллера ВЕ51, периферийные средства, система команд, функциональное описание. Однокристальные микро-ЭВМ серии К1816, назначение, структура, состав функциональных узлов, основные режимы работы, система команд.

Интерфейс. Организация программно-управляемого обмена. Периферийные БИС, средства параллельного и последовательного ввода-вывода. Особенности сопряжения микропроцессорных устройств с АЦП и ЦАП.

Система прерываний, программируемый контроллер прерываний.

3. Литература К разделу 1.

1. Бессекерский, В.А. Теория систем автоматического регулирования / В.А. Бессекерский, Е.П.Попов. – М.: Наука, 1975.

2. Воронов, А.А. Основы теории автоматического управления. Ч.1. – М.-Л.: Энергия, 3. Воронов, А.А. Основы теории автоматического управления. Ч.2. – М.-Л.: Энергия, 4. Воронов, А.А. Основы теории автоматического управления. Ч.3. – М.-Л.: Энергия, 5. Куропаткин, П.В. Теория автоматического управления. – М.: Высшая школа, 1973.

6. Попов, Е.П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления. – М.: Наука, 1978.

7. Малеев, Б.А. Исследование элементов и систем автоматического регулирования:

Методические указания к выполнению лабораторных работ / Б.А. Малев, М.Б. Алексеева. – Пенза: Изд-во ППИ, 1988.

8. Математическое моделирование: Методы описания и исследования сложных систем. – М.: Наука, 1989.

9. Методы классической и современной теории автоматического управления:

Учебник в 3-х тт. Т.1: Синтез регуляторов и теория оптимизации систем автоматического управления / под ред. Н.Д. Егупова. - М.: Изд-во МГТУ им.

Баумана, 2000. – 736 с.

10. Советов, Б.Я. Моделирование систем / Б.Я. Советов, С.А. Яковлев. – М.: Высшая 11. Александров, А.Г. Оптимальные и адаптивные системы. – М: Высшая школа, 1986.

12. Изерман, Р. Цифровые системы управления / Пер. с англ. – М.: Мир, 1984. – 541 с.

К разделу 2.

1. Шафрин, Ю. Информационные технологии. В 2 частях. Часть 1 - Основы информатики и информационных технологий. – М.: Бином. Лаборатория знаний, 2. Галин, А. Информатика / А. Галин, Б. Соболь, Ю. Панов. – М.: Феникс, 2010. – 3. Романова, Ю. Информатика и информационные технологии / Ю. Романова, И. Лесничая, П. Музычкин. – М.: ЭКСМО, 2010. - 688 с.

4. Конноли, Т. Базы данных: проектирование, реализация и сопровождение. Теория и практика / Т. Конноли, К. Бегг, А. Страчан. – М.: Издательский дом «Вильямс», 5. Степанов, А.Н. Информатика. – СПб.: Питер, 2006. - 684 с.

6. Гиляревский, Р.С. Основы информатики. Курс лекций. - М.: Экзамен, 2004. - 292 с.

7. Балдин, К.В. Информатика / К.В. Балдин, В.Б. Уткин. - М.: Проект, 2003. - 304 с.

8. Острейковский, В.А. Информатики. Учебник для вузов. - М.: Высш. шк., 2000. с.

9. Алексеев, А.П. Информатика. - М.: Солон, 2001. - 368 с.

10. Гордеев, А.В. Системное программное обеспечение. - СПб.: Питер, 2005. – 416 с.

11. Таненбаум, Э. Современные операционные системы. - СПб.: Питер, 2006. – 1038 с.

12. Олифер, В.Г. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. / В.Г.

Олифер, Н.А. Олифер. – СПб.: Питер, 2010. - 944 с.

13. Столингс, В. Операционные системы. - М.: БХВ Петербург, 2005. - 832 с.

14. Петров, В.Н. Информационные системы. – СПб.: Питер, 2002. - 688 с.

15. Проектирование баз данных СУБД Microsoft/ Н.Н. Гринченко. - М.: Горячая линия - Телеком, 2004. - 240 с.

16. Хомоненко, А.Д. Базы данных. - СПб.: КОРОНА принт, 2002. - 672 с.

17. Тимошок, Т.В. Microsoft Access 2002. - М.: Вильямс, 2004. - 352 с.

18. Харрингтон, Дж. Разработка баз данных. - М.: DMK пресс, 2005. - 272 с.

К разделу 3.

1. Лачин, В.И. Электроника / В.И. Лачин, Н.С. Савелов. - Ростов н/Д.: Феникс, 2002. – 2. Хоровиц, П. Искусство схемотехники / П. Хоровиц, У. Хилл. - М.: Мир, 2001.

3. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов / Н.М. Тугов, Б.А. Глебов, Н.А.

Чарыков; Под ред. В.А. Лабунцова. – М.: Энергоатомиздат, 1990.

4. Носов, Ю.Р. Оптоэлектроника. – М.: Радио и связь, 1989.

5. Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC: Пер с англ. / Под ред. У. Томпкинса, Дж. Уэбстера. – М.: Мир, 1992.

6. Рутковски, Дж. Интегральные операционные усилители / Пер. с англ. – М.: Мир, 7. Гусев, В.Г. Электроника / В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. – М: Высш. школа, 1991.- 622 с.

8. Опадчий, Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника: Учебник для вузов. Под ред.

О.П. Глудкина/ Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.Н. Гуров. – М.: Горячая линия – Телеком, 2003.-768 с.

9. Гутников, В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. – Л.:

Энергоатомиздат, 1988.

10. Угрюмов, Е.П. Цифровая схемотехника. – СПб.: БХВ-Петербург, 2001. – 528 с.

11. Зельдин, Е.А. Цифровые интегральные микросхемы в информационноизмерительной аппаратуре. – Л.: Энергоатомиздат, 1986. - 280 с.

12. Микроэлектронные устройства автоматики: Учеб. пособие для вузов. / А.А. Сазонов, А.Ю. Лукичев, В.Т. Николаев и др.; Под ред. А.А. Сазонова. – Энергоатомиздат, 1991. – 384с.

13. Шило, В.Л. Популярные микросхемы КМОП: Справочник. - М.: Горячая линия – 14. Микропроцессорные автоматические системы регулирования. Основы теории и элементы. Учеб пособие / Под ред. В.В. Солодовникова. – М.: Высшая школа, 1991.

15. Щелкунов, Н.Н. Микропроцессорные средства и системы / Щелкунов Н.Н., Дианов А.П. – М.: Радио и связь, 1989.

16. Микропроцессорные системы и микро-ЭВМ в измерительной технике / Под. ред.

Филатова А.П. Уч. пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1995.

17. Левенталь, Л. Введение в микропроцессоры: программное обеспечение, аппаратные средства, программирование. Пер. с англ. – М.: Энергоатмиздат, 1983.

Программу составили:

д.т.н., профессор В.П. Арбузов к.т.н., доцент М.П. Берестень Программа рассмотрена и одобрена на заседании кафедры «АиТ», протокол №1 от 11 сентября 2012 г.

Заведующий кафедрой «АиТ»,