МИНОБРНАУКИ РОССИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Алтайский государственный университет»

Анализ динамики сложных систем
рабочая программа дисциплины

Закреплена за кафедройКафедра вычислительной техники и электроники
Направление подготовки09.06.01. Информатика и вычислительная техника
НаправленностьСистемный анализ, управление и обработка информации
Форма обученияОчная
Общая трудоемкость3 ЗЕТ
Учебный план09_06_01_ИВиТ_Систем_ анализ-234-2020
Часов по учебному плану 108
в том числе:
аудиторные занятия 36
самостоятельная работа 45
контроль 27
Виды контроля по семестрам
экзамены: 5

Распределение часов по семестрам

Курс (семестр) 3 (5) Итого
Недель 19
Вид занятий УПРПДУПРПД
Лекции 36 36 36 36
Сам. работа 45 45 45 45
Часы на контроль 27 27 27 27
Итого 108 108 108 108

Программу составил(и):
д.т.н., профессор, Седалищев В.Н.

Рецензент(ы):
к.ф.-м.н., доцент , Рудер Д.Д.

Рабочая программа дисциплины
Анализ динамики сложных систем

разработана в соответствии с ФГОС:
Федеральный государственный образовательный стандарт высшего образования по направлению подготовки 09.06.01 ИНФОРМАТИКА И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА (уровень подготовки кадров высшей квалификации). (приказ Минобрнауки России от 30.07.2014г. №875)

составлена на основании учебного плана:
09.06.01 Информатика и вычислительная техника
утвержденного учёным советом вуза от 30.06.2020 протокол № 6.

Рабочая программа одобрена на заседании кафедры
Кафедра вычислительной техники и электроники

Протокол от 08.06.2020 г. № 79/19-20
Срок действия программы: 2020-2021 уч. г.

Заведующий кафедрой
к.ф.-м.н., Пашнев Владимир Валентинович, доц., зав. кафедрой "Вычислительной техники и электроники"

Визирование РПД для исполнения в очередном учебном году

Рабочая программа пересмотрена, обсуждена и одобрена для
исполнения в 2020-2021 учебном году на заседании кафедры

Кафедра вычислительной техники и электроники

Протокол от 08.06.2020 г. № 79/19-20
Заведующий кафедрой к.ф.-м.н., Пашнев Владимир Валентинович, доц., зав. кафедрой "Вычислительной техники и электроники"

1. Цели освоения дисциплины

1.1.Цель изучения дисциплины – формирование у будущих специалистов теоретических знаний и практических навыков по применению основ моделирования с использованием современных персональных компьютеров и программных средств для решения широкого спектра задач в различных областях, а именно: ознакомить студентов с принципами и методами построения моделей и моделирования, проведения численных экспериментов и интерпретации результатов, проверки построенных моделей на адекватность реальным объектам.
Основными задачами изучения дисциплины «Анализ динамики сложных систем» являются:
- овладение фундаментальными знаниями по основам моделирования различных систем, в том числе и вычислительных и информационных систем: получить целостное представление о науке и ее роли в развитии вычислительных технологий в области модели-рования процессов и систем; владеть общими вопросами и принципами моделирования;
- использование вычислительных систем для построения и уточнения математической модели реального объекта в процессе моделирования;
- приобретение практических навыков решения задач моделирования с использованием персональных компьютеров и математических пакетов программ, навыков проведения численных экспериментов и интерпретации результатов моделирования.
Дисциплине «Анализ динамики сложных систем» предшествует изучение дисциплин «Математика» и «Алгебра и геометрия», «Вычислительная математика». Данный курс требует от студентов наличия базовых знаний по математическому анализу, численным методам, математической логике и теории алгоритмов, а также об архитектуре вычислительных систем. Знания и навыки, полученные при изучении дисциплины «Анализ динамики сложных систем», используются при изучении общепрофессиональных и специальных дисциплин.

2. Место дисциплины в структуре ООП

Цикл (раздел) ООП: Б1.В.ДВ.03

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

ОПК-2: владением культурой научного исследования, в том числе с использованием современных информационно-коммуникационных технологий
ОПК-4: готовностью организовать работу исследовательского коллектива в области профессиональной деятельности
ОПК-5: способностью объективно оценивать результаты исследований и разработок, выполненных другими специалистами и в других научных учреждениях
ОПК-6: способностью представлять полученные результаты научно-исследовательской деятельности на высоком уровне и с учетом соблюдения авторских прав
ОПК-7: владением методами проведения патентных исследований, лицензирования и защиты авторских прав при создании инновационных продуктов в области профессиональной деятельности
ПК-1: способностью применять и разрабатывать методы и средства системного анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации применительно к сложным системам, с целью повышения эффективности функционирования объектов исследования
ПК-2: способностью выполнять теоретические исследования процессов создания, накопления и обработки информации, включая анализ и создание моделей данных и знаний, языков их описания и манипулирования, разработку новых математических методов и средств поддержки интеллектуальной обработки данных
УК-2: способностью проектировать и осуществлять комплексные исследования, в том числе междисциплинарные, на основе целостного системного научного мировоззрения с использованием знаний в области истории и философии науки
В результате освоения дисциплины обучающийся должен
3.1.Знать:
3.1.1.- об основных тенденциях развития про-граммных средств и методов моделирова-ния нелинейной динамики сложных си-стем
- о методах и способах проверки постро-енных моделей на адекватность реальным объектам.
3.2.Уметь:
3.2.1.- выполнять классификацию, назначение, свойства и возможности основных типов моделей, применяемых на системном и функционально-логическом уровнях дета-лизации проекта;
- применять основы анализа результатов моделирования;
- формулировать понятия, характеризую-щие модели и процесс моделирования;
- применять методики построения моде-лей.
3.3.Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть):
3.3.1.- навыками проведения формализации ис-следуемых структур на системном и функционально-логическом уровне дета-лизации проекта;
- планирования и проведения исследова-ний разработанных моделей;
- интерпретации полученных результатов, увязывая их с соответствующими техни-ческими характеристиками;
- использования ЭВМ, знания операцион-ных систем и языков программирования для решения задач моделирования.

4. Структура и содержание дисциплины

Код занятия Наименование разделов и тем Вид занятия Семестр Часов Компетенции Литература
Раздел 1. Особенности динамики нелинейных процессов в простых колебательных системах.
1.1. Ангармониччность колебаний. Общая характеристика особенностей колебательных процессов в нелинейных системах. Автоколебания как нелинейный процесс, основанный на использовании положительных и отрицательных обратных связей в системе. Основы построения нелинейных измерительных устройств с использованием взаимосвязанных осцилляторов Лекции 5 8 ОПК-2, ОПК-4, ОПК-5, ОПК-6, ОПК-7, ПК-1, ПК-2, УК-2 Л2.1, Л1.1
1.2. Динамическая составляющая нелинейности процесса измерительного преобразования. Динамические характеристики измерительных устройств. Принцип частотной коррекции нелинейности процесса измерительного преобразования. Особенности динамики нелинейных процессов в простых колебательных системах. Сам. работа 5 8 ОПК-2, ОПК-4, ОПК-5, ОПК-6, ОПК-7, ПК-1, ПК-2, УК-2 Л2.1
Раздел 2. Качественная теория динамических систем.
2.1. Маятник: движение маятника вблизи положения устойчивого и неустойчивого равновесия, точное решение задачи о маятнике, приведение уравнений к безразмерному виду. Маятник с затуханием. Качественное исследование динамических (автономных, линейных) систем. Лекции 5 10 ОПК-2, ОПК-4, ОПК-5, ОПК-6, ОПК-7, ПК-1, ПК-2, УК-2 Л1.1
2.2. Модель Вольтерры и его модификации. Межвидовая конкуренция. Сам. работа 5 12 ОПК-2, ОПК-4, ОПК-5, ОПК-6, ОПК-7, ПК-1, ПК-2, УК-2 Л1.1
Раздел 3. Предельные циклы и автоколебания. Самоорганизация и образование структур. Фракталы.Хаотическое поведение динамическое систем.
3.1. Затухающие колебания и незатухающие колебания. Предельные циклы: вводные примеры, классификация предельных циклов. Автоколебания в физических, химических и биологических системах: качественное рассмотрение автоколебательных систем, количественное рассмотрение автоколебаний. Распределенные системы. Брюсселятор. Фракталы в математике. Размерности: размерность самоподобия. Дискретный аналог уравнения Ферхюльста. Универсальность Фейгенбаума. Другие отображения. Система уравнений Лоренца. Лекции 5 4 ОПК-2, ОПК-4, ОПК-5, ОПК-6, ОПК-7, ПК-1, ПК-2, УК-2 Л2.1, Л1.1, Л1.2
3.2. Фракталы в природе. Хаотическое поведение динамическое систем: аттрактор Ресслера. Неавтономная система. Сам. работа 5 4 ОПК-2, ОПК-4, ОПК-5, ОПК-6, ОПК-7, ПК-1, ПК-2, УК-2 Л1.2
Раздел 4. Резонансные методы измерений.
4.1. Применение связанных колебаний в первичных измерительных преобразователях. Принципы построения и особенности функционирования измерительных устройств, основанных на использовании нелинейных процессов в сложных динамических системах. Лекции 5 4 ОПК-2, ОПК-4, ОПК-5, ОПК-6, ОПК-7, ПК-1, ПК-2, УК-2 Л1.1
4.2. Применение программы Micro-Capдля анализа нелинейных динамических процессов в сложных системах Сам. работа 5 5 ОПК-2, ОПК-4, ОПК-5, ОПК-6, ОПК-7, ПК-1, ПК-2, УК-2 Л1.1
Раздел 5. примеры практического использования нелинейных процессов в сложных динамических системах с целью получения, передачи и обработки информации
5.1. Общая характеристика измерительных устройств, основанных на использовании связанных колебаний в системах с конечным числом степеней свободы. Теоретические основы построения нелинейных измерительных устройств, основанных на использовании связанных колебаний в системах с двумя степенями свободы. О некоторых аналогиях связанных колебаний. Лекции 5 10 ОПК-2, ОПК-4, ОПК-5, ОПК-6, ОПК-7, ПК-1, ПК-2, УК-2 Л2.1, Л1.2
5.2. Изучение пакетов Mathematica, Maple, Маtlab, Mathcad Сам. работа 5 16 ОПК-2, ОПК-4, ОПК-5, ОПК-6, ОПК-7, ПК-1, ПК-2, УК-2 Л2.1, Л1.2
Раздел 6. Аттестация
6.1. Экзамен 5 27 ОПК-2, ОПК-4, ОПК-5, ОПК-6, ОПК-7, ПК-1, ПК-2, УК-2 Л2.1, Л1.1

5. Фонд оценочных средств

5.1. Контрольные вопросы и задания
1. Качественная теория динамических систем: дифференциальная модель маятника с затуханием.
2. Качественное исследование динамических систем.
3. Сводка результатов качественного исследования динамических систем.
4. Динамика биологических популяций: модель Мальтуса и логистическое уравнение (уравнение Ферхюльста).
5. Динамика биологических популяций: модель Вольтерры и его модификации. Межвидовая конкуренция.
6. Колебательные процессы в химии: затухающие колебания и незатухающие колебания.
7. Предельные циклы: вводные примеры, классификация предельных циклов.
8. Автоколебания в физических, химических и биологических системах: качественное рассмотрение автоколебательных систем и автоколебаний.
9. Самоорганизация и образование структур: распределенные системы.
10. Самоорганизация и образование структур: Брюсселятор.
11. Фракталы в математике.
12. Размерности фракталов: размерность самоподобия, размерность по Хаусдорфу-Безиковичу.
13. Фракталы в природе.
14. Хаотическое поведение динамическое систем: дискретный аналог уравнения Ферхюльста.
15. Хаотическое поведение динамическое систем: универсальность Фейгенбаума.
16. Хаотическое поведение динамическое систем: различные отображения.
17. Хаотическое поведение динамическое систем: система уравнений Лоренца.
18. Хаотическое поведение динамическое систем: аттрактор Ресслера.
19. Хаотическое поведение динамическое систем: неавтономная система.
20. Теория перколяции: критические показатели и масштабная инвариантность.
21. Теория перколяции: алгоритм Хошена-Копельмана.
22. Моделирование роста дендритов: ограниченная диффузией агрегация.
23. Моделирование роста дендритов: электрический пробой диэлектрика.
24. Клеточные автоматы: игра «Жизнь».
25. Клеточные автоматы: модель Винера-Розенблюта.
26. Клеточные автоматы: модель Ва-Тор.
27. Модель Изинга: алгоритм Метрополиса.
28. Задача о коммивояжере.
29. Распознавание образов.
30. Генетические алгоритмы.
5.2. Темы письменных работ (эссе, рефераты, курсовые работы и др.)
1. Исследование компьютерных систем с помощью имитационного моделирования.
2. Разработка и исследование моделей функциональных схем ЭВМ в многозначных алфавитах.
3. Исследование дифференциальной модели колебательной системы.
4. Математическое моделирование динамики биологических популяций.
5. Моделирование колебательных процессов в химии.
6. Моделирование автоколебательных систем в физике, химии и биологии - предельные циклы.
7. Моделирование самоорганизации распределенных систем – моделирование диссипативных структур.
8. Моделирование фрактальных структур.
9. Хаотическое поведение динамических систем.
10. Моделирование роста дендритов.
11. Изучение поведения клеточного автомата – игра «Жизнь».
12. Моделирование как метод динамических исследований.
13. Точность и достоверность аналогового моделирования.
14. Принципы структурного моделирования.
15. Схемы моделирования линейных звеньев систем автоматического управления из стандартных блоков ЭВМ.
16. Моделирование электрических цепей и физических элементов методом прямых аналогий.
17. Схемы моделирования некоторых функциональных зависимостей и выполнения нелинейных математических операций.
18. Исследование компьютерных систем с помощью имитационного моделирования.
19. Разработка и исследование моделей функциональных схем ЭВМ в многозначных алфавитах.
20. Исследование дифференциальной модели колебательной системы.
5.3. Фонд оценочных средств
ФОС приведены в Приложении.
Приложения

6. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

6.1. Рекомендуемая литература
6.1.1. Основная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л1.1 Павловский Ю.Н., Белотелов Н.В., Бродский Ю.И. Имитационное моделирование: учеб. пособие для вузов М.: Академия, 2008 ttp://www.lib.asu.ru/
Л1.2 Дьяконов В.П. VisSim+Mathcad+MATLAB. Визуальное математическое моделирование: СОЛОН - ПРЕСС // ЭБС "Университетская библиотека ONLINE", 2008 http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=117681
6.1.2. Дополнительная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л2.1 В. С. Зарубин Математическое моделирование в технике: учеб. для вузов М.: Изд-во МГТУ, 2001
6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет"
Название Эл. адрес
Э1 Лань e.lanbook.com/books/
Э2 Государственная публичная научно-техническая библиотека. www.gpntb.ru/
Э3 Российская национальная библиотека. www.nlr.ru/
Э4 Национальная электронная библиотека. www.nns.ru/
Э5 Российская государственная библиотека. www.rsl.ru/
Э6 Учебный центр компьютерных технологий «Микроинформ». www.microinform.ru/
Э7 Центр компьютерного обучения МГТУ им. Н.Э.Баумана. www.tests.specialist.ru/
Э8 Образовательный сайт www.intuit.ru/
Э9 Библиотека учебной и методической литературы www.window.edu.ru/
Э10 Журнал «Открытые системы» www.osp.ru/
Э11 Библиотека учебной и методической литературы www.ihtika.lib.ru/
Э12 Мудл https://portal.edu.asu.ru/course/view.php?id=4983
6.3. Перечень программного обеспечения
Для проведения лабораторных занятий необходимо использование компьютерного класса. На компьютерах должны быть установлены программные средства, поддерживающие работу с алгоритмическими языками С/C++, Pascal и т.п.
Open Office
Условия использования: http://www.openoffice.org/license.html
LibreOffice
Условия использования: https://ru.libreoffice.org/about-us/license/
7-zip
Условия использования: https://www.7-zip.org/license.txt
Acrobat Reader
Условия использования: http://wwwimages.adobe.com/content/dam/Adobe/en/legal/servicetou/Acrobat_com_Additional_TOU-en_US-20140618_1200.pdf
Microsoft Windows
6.4. Перечень информационных справочных систем
1 Федеральная служба государственной статистики РФ [Электронный ресурс]. - Электронные данные. - Режим доступа: http://www.gks.ru/.
2 Федеральный портал по научной и инновационной деятельности [Электронный ресурс]. -Электронные данные. - Режим доступа: http: //www.sci-innov.ru/.
3 Научная и учебно-методическая литература [Электронный ресурс]. - Электронные данные. - Режим доступа: http://www.intuit.ru.
4 Научный журнал «Вестник Российской академии естественных наук» [Электронный ресурс]. -Электронные данные. - Режим доступа: http: //www.ras.ru/publishing/rasherald/rasherald_archive.aspx.
5 Научный журнал «Интеграл» [Электронный ресурс]. - Электронные
данные. – Режим доступа:http: //www.portalnano.ru/read/databases/publication/j ournal_integral.
6 Научный журнал «Инновации» [Электронный ресурс]. - Электронные данные. – Режим доступа: http://ojs.innovjoum.ru/index.php/innov
7 Научный журнал «Информатика и системы управления» [Электронный ресурс]. – Электронные данные. - Режим доступа: http://ics.khstu.ru/
8 Научный журнал «Информационные системы и технологии» [Электронный ресурс]. - Электронные данные. - Режим доступа: http://gu- unpk.ru/science/joumal/isit
9 Научный журнал «Информационные технологии» [Электронный ресурс]. - Электронные данные. - Режим доступа: http://novtex.ru/IT/
10 Научный журнал «Нейрокомпьютеры: разработка, применение» [Электронный ресурс].-Электронные данные. – Режим доступа:http: //www.radiotec.ru/catalog.php?cat=j r7
11 Научный журнал «Программные продукты и системы» [Электронный ресурс]. - Электронные данные. – Режим доступа: http: //www.swsys .ru/
12 Электронная библиотечная система Алтайского государственного университета (http://elibrary.asu.ru/);
Электронно-библиотечная система Университетская библиотека on-line (http://www.biblioclub.ru)
Электронно-библиотечная система издательства «Лань» (http://e.lanbook.com)
Электронно-библиотечная система Юрайт (https://www.biblio-online.ru/)

7. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Аудитория Назначение Оборудование
208К сктб "радиотехника" - учебная аудитория для проведения занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических); проведения групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации Стол лабораторный – 3 шт.; компьютеры: марка Raspberry модель B 1Gb - 2 единицы; андроидный робот BIOLOID Premium Robot Kit; демонстрационная панель 24" Acer; дрель Makita DP 4010; дрель аккумуляторная Makita; компьютер Кламас 15-4460; мультиметр Fluke-17B; набор MINDSTORMS; ноутбук ASUS; ноутбук Lenovo-2шт.; осциллограф GDS-73354; осциллограф DPO2004B; планшет Apple iPad; планшет Huawei MediaPad; принтер для печати трехмерных объектов; станок токарный с ЧПУ; станок фрезерный Корвет-413; стол поворотный ф 100мм К-413; телевизор LED 47"LG47 -2шт.; тиски поворотные; тиски угловые.
001вК склад экспериментальной мастерской - помещение для хранения и профилактического обслуживания учебного оборудования Акустический прибор 01021; виброизмеритель 00032; вольтметр Q1202 Э-500; вольтметр универсальный В7-34А; камера ВФУ -1; компьютер Турбо 86М; масспектрометр МРС -1; осциллограф ЕО -213- 2 ед.; осциллограф С1-91; осциллограф С7-19; программатор С-815; самописец 02060 – 2 ед.; стабилизатор 3218; терц-октавный фильтр 01023; шкаф вытяжной; шумомер 00026; анализатор АС-817; блок 23 Г-51; блок питания "Статрон" – 2 ед.; блок питания Ф 5075; вакуумный агрегат; весы; вольтметр VM -70; вольтметр В7-15; вольтметр В7-16; вольтметр ВУ-15; генератор Г-5-6А; генератор Г4-76А; генератор Г4-79; генератор Г5-48; датчик колебаний КВ -11/01; датчик колебаний КР -45/01; делитель Ф5093; измеритель ИМП -2; измеритель параметров Л2-12; интерферометр ИТ 51-30; источник "Агат" – 3 ед.; источник питания; источник питания 3222; источник питания ЭСВ -4; лабораторная установка для настройки газовых лазеров; лазер ЛГИ -21; М-кальк-р МК-44; М-калькул-р "Электроника"; магазин сопротивления Р4075; магазин сопротивления Р4077; микроскоп МБС -9; модулятор МДЕ; монохроматор СДМС -97; мост переменного тока Р5066; набор цветных стекол; насос вакумный; насос вакуумный ВН-01; осциллограф С1-31; осциллограф С1-67; осциллограф С1-70; осциллограф С1-81; осциллоскоп ЕО -174В – 2 ед.; пентакта L-100; пирометр "Промень"; пистонфон 05001; преобразователь В9-1; прибор УЗДН -2Т; скамья оптическая СО 1м; спектограф ДФС -452; спектограф ИСП -51; стабилизатор 1202; стабилизатор 3217 – 4 ед.; стабилизатор 3218; стабилизатор 3222 – 3 ед.; станок токарный ТВ-4; усилитель мощности ЛВ -103 – 4 ед.; усилитель У5-9; центрифуга ВЛ-15; частотомер Ч3-54А; шкаф металлический; эл.двигатель; электродинамический калибратор 11032
Учебная аудитория для проведения занятий лекционного типа, занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических), групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации, курсового проектирования (выполнения курсовых работ), проведения практик Стандартное оборудование (учебная мебель для обучающихся, рабочее место преподавателя, доска)
Помещение для самостоятельной работы помещение для самостоятельной работы обучающихся Компьютеры, ноутбуки с подключением к информационно-телекоммуникационной сети «Интернет», доступом в электронную информационно-образовательную среду АлтГУ

8. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины

Методические указания не требуются