Документ 671107

ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального
образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»
«Согласовано»
«Утверждаю»
___________________
Руководитель ООП
по специальности 210601
декан ЭФ проф. В.А. Шпенст
_______________________
Зав. кафедрой ЭС
проф. В.А. Шпенст
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
«РАДИОАВТОМАТИКА»
Направление подготовки специалиста
210601 – радиоэлектронные системы и комплексы
Квалификация выпускника: специалист
Форма обучения: очная
Составитель: доцент каф. ЭС О. Л. Соколов
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2012
1. Цели и задачи дисциплины
Целями освоения дисциплины (модуля) «Радиоавтоматика» являются: изучение
принципов построения современных систем радиоавтоматики, теоретических основ их
анализа, синтеза и исследования.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина относится к базовым дисциплинам профессионального цикла С3.
Дисциплина основывается на знаниях, полученных в предшествующих дисциплинах:
«Математика», «Физика», «Основы теории цепей», «Физические основы микро и
наноэлектроники», «Электродинамика и распространение радиоволн» и взаимосвязана
с дисциплинами « Радиотехнические цепи и сигналы», «Схемотехника аналоговых
электронных устройств».
Освоение дисциплины необходимо как предшествующее для дисциплин
«Цифровые устройства и микропроцессоры», «Устройства генерирования и
формирования сигналов», «Устройства приема и обработки сигналов», «Основы теории
радионавигационных систем и комплексов», «Основы теории радиосистем и
комплексов
управления»,
«Радиолокационные
системы
дистанционного
зондирования».
3. Требования к результатам освоения дисциплины
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование:
 общекультурных компетенций
ОК1. Владение культурой мышления, способностью к обобщению, анализу,
восприятию информации, постановке цели и выбору путей ее достижения
ОК2. Способность логически верно, аргументировано и ясно строить устную и
письменную речь
ОК3. Способность к кооперации с коллегами, работе в коллективе
ОК4. Способность находить организационно-управленческие решения в нестандартных
ситуациях и готовность нести за них ответственность
ОК5. Способность стремиться к саморазвитию, повышению своей квалификации и
мастерства
ОК6. Способность критически оценивать свои достоинства и недостатки, намечать
пути и выбирать средства развития достоинств и устранения недостатков
ОК7. Способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в
профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и
моделирования, теоретического и экспериментального исследования
ОК8. Способность владеть основными методами, способами и средствами получения,
хранения, переработки информации, иметь навыки работы с компьютером как
средством управления информацией
ОК9. Способность работать с информацией в глобальных компьютерных сетях
 общепрофессиональных компетенций
ПК1. Способность представлять адекватную современному уровню знаний научную
картину мира на основе знания основных положений, законов и методов естественных
наук и математики
ПК2. Способностью выявлять естественно-научную сущность проблем, возникающих в
ходе профессиональной деятельности, привлекать для их решения соответствующий
физико-математический аппарат
ПК3. Готовность учитывать современные тенденции развития электроники,
измерительной и вычислительной техники, информационных технологий в
профессиональной деятельности
ПК 4. Способность владеть методами решения задач анализа и расчета
характеристик электрических цепей
2
ПК 5. Способность владеть основными приемами обработки и представления
экспериментальных данных
В результате освоения дисциплины студент должен:
• Знать:
- основные принципы автоматического управления в радиотехнических системах и
устройствах;
- физический смысл, методы получения частотных характеристик;
- методы анализа качества систем РА;
- методы анализа и синтеза цифровых систем РА.
.
• Уметь:
- применять методы для решения задач проектирования современных систем РА:
- построить модель системы, зная модели отдельных ее составляющих;
- определять структуру и параметры регулятора в зависимости от требований,
предъявляемых к системе РА;
-осуществлять линеаризацию модели объекта при решении задач проектирования системы.
• Владеть:
- методами оценки устойчивости системы по модели, представленной в той или иной форме;
- способами перехода от одной формы представления модели к другой.
4. Объём дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоёмкость учебной дисциплины составляет 4 зачётных единиц.
Вид учебной работы
Всего часов
Семестры
6
144
Всего
144
Аудиторные занятия: в том числе
Лекции
Практические занятия (ПЗ), в том числе в
интерактивной форме:
Лабораторные работы
Самостоятельная работа: в том числе
Контрольные работы
Курсовой проект
Другие виды самостоятельной работы
Подготовка к лекциям, практическим,
лабораторным работам
Работа с литературой
Вид промежуточной аттестации (зачёт,
экзамен)
Общая трудоёмкость
час.
зач. ед.
58
28
14
58
28
14
16
86
16
86
16
16
70
Экзамен
70
Экзамен
144
144
4
4
3
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
№
Наименование
п/п раздела дисциплины
1
2
1 Введение
2
3
Раздел 1.
Принципы
построения и математические модели
непрерывных
систем РА
Раздел 3. Анализ
процессов в
системах РА
Содержание раздела
3
Предмет и задачи дисциплины. Место систем РА в
составе современных радиоустройств и систем. Общие
сведения о теоретической базе анализа и проектирования
систем радиоавтоматики. Краткие сведения об истории и
перспективах развития систем радиоавтоматики и роли
российских ученых в этом развитии.
Принципы построения систем РА
Основные понятия и определения. Принципы
построения систем РА. Классификация систем радиоавтоматики по отслеживаемому параметру радиосигнала
(фаза, частота, временной сдвиг и т. п.), рассматриваемого в качестве задающего воздействия; по
характеру уравнения, описывающего поведение системы
(непрерывное или дискретное, линейное или нелинейное,
с постоянными или переменными параметрами); по
поведению в условиях априорной неопределенности
статистических характеристик задающего воздействия и
помех и другим признакам. Типовые системы
радиоавтоматики.
Математические модели непрерывных систем РА
Математическое описание элементов обобщенной
функциональной схемы как средство анализа систем РА.
Цель анализа, понятие
показателей качества.
Обобщенная структурная схема системы РА математическая модель. Дифференциальное уравнение
системы. Операторный коэффициент передачи (ОКП) как
способ компактной формы (символической) записи
дифференциального уравнения линейной системы.
Правила отыскания ОКП для системы РА. Комплексный
коэффициент передачи (ККП), передаточная функция
(ПФ), импульсная характеристика (ИХ)
как почти
эквивалентные способы описания систем РА, их связь с
ОКП. Примеры построения ОКП и других характеристик
системы РА на примере типовых фильтров.
Компетенции: ПК 1, ПК 2, ОК 1-9
Анализ устойчивости систем РА
Понятие устойчивости - ее физический смысл.
Прямой и косвенные (алгебраический и частотные)
методы анализа устойчивости. Факторы, влияющие на
устойчивость. Запас устойчивости. Пути повышения
устойчивости.
Анализ процессов в системе РА при внешних
воздействиях
Анализ
детерминированных
процессов
при
характерных воздействиях и типовых звеньях методом
4
№
п/п
Наименование
раздела дисциплины
4
Раздел 4.
Нелинейные
системы РА
5
Раздел 5.
Дискретные
системы РА
Содержание раздела
преобразования Лапласа. Использование принципа
суперпозиции воздействий.
Ошибки слежения в
переходном и установившемся режимах, способы их
уменьшения. Системы с астатизмом и их свойства.
Анализ качества функционирования систем РА при
случайных воздействиях, описывающих отслеживаемый
параметр и помеху. Дисперсия ошибки в установившемся
режиме. Средний квадрат результирующей ошибки при
одновременных детерминированном и случайном
воздействиях как мера точности системы.
Компетенции: ПК 3, ПК 4, ОК 1-9
Особенности нелинейных систем РА, краткая
характеристика методов их анализа. Моделирование на
ЭВМ как современное средство анализа и оптимизации
нелинейных
систем
РА.
Метод
гармонической
линеаризации нелинейных звеньев, оценка параметров
автоколебаний в системе и их устойчивости.
Статистическая равноценность замены нелинейной
характеристики линейной в методе статистической
линеаризации.
Оценка
влияния
характеристик
нелинейного звена на точность работы системы РА и
определение условий, при которых происходит срыв
слежения в нелинейной системе РА.
Необходимые
условия для анализа нелинейных систем РА методами
теории марковских процессов.
Компетенции: ПК 3, ПК 4, ОК 1-9
Импульсные системы РА
Представление импульсной системы в виде
соединения импульсного элемента и непрерывной части.
Получение реальных импульсов на выходе импульсного
элемента с помощью формирующего элемента.
Передаточная функция формирующего элемента.
Фиксатор и его реакция на модулированную
последовательность
кратковременных
импульсов.
Структурная схема импульсно-непрерывной системы.
Анализ
устойчивости
импульсных
систем
радиоавтоматики. Методы анализа детерминированных и
случайных процессов в линейных дискретных системах
радиоавтоматики. Оценка ошибок от детерминированных
и случайных воздействий. Условие эквивалентности
дискретных и непрерывных систем.
Цифровые системы РА
Структурная схема цифровой системы РА.
Преимущества и недостатки использования цифровых
систем РА по сравнению с аналоговыми.
Аналого-цифровые системы и цифровые системы
радиоавтоматики и их описание, использующее
математический аппарат дискретных систем: дискретных
функций времени, дискретного преобразования Лапласа и
z-преобразования.
Определение
характеристик
5
№
п/п
6
Наименование
раздела дисциплины
Раздел 5.
Дискретные
системы РА
Содержание раздела
дискретных систем РА: дискретных передаточных
функций,
разностных
уравнений,
операторных
коэффициентов передачи, комплексных коэффициентов
передачи.
Цифровые
дискриминаторы
систем
радиоавтоматики, их статистические эквиваленты.
Цифровые фильтры систем радиоавтоматики. Синтез этих
фильтров по
аналоговому прототипу. Способы
реализации
цифровых
фильтров
в
системах
радиоавтоматики Примеры построения цифровых систем
радиоавтоматики. Методы и приемы анализа цифровых
систем радиоавтоматики: моделирование на ЭВМ,
сведение к линейным дискретным системам, сокращение
числа элементов временной дискретизации, переход к
эквивалентным непрерывным системам. Погрешности
цифровых систем, вызванные квантованием по уровню и
округлением. Использование микропроцессоров в
цифровых системах РА.
Компетенции: ПК 1-5, ОК 1-9
Импульсные системы РА
Представление импульсной системы в виде
соединения импульсного элемента и непрерывной части.
Получение реальных импульсов на выходе импульсного
элемента с помощью формирующего элемента.
Передаточная функция формирующего элемента.
Фиксатор и его реакция на модулированную
последовательность
кратковременных
импульсов.
Структурная схема импульсно-непрерывной системы.
Анализ
устойчивости
импульсных
систем
радиоавтоматики. Методы анализа детерминированных и
случайных процессов в линейных дискретных системах
радиоавтоматики. Оценка ошибок от детерминированных
и случайных воздействий. Условие эквивалентности
дискретных и непрерывных систем.
Цифровые системы РА
Структурная схема цифровой системы РА.
Преимущества и недостатки использования цифровых
систем РА по сравнению с аналоговыми. Аналогоцифровые системы и цифровые системы радиоавтоматики
и их описание, использующее математический аппарат
дискретных систем: дискретных функций времени,
дискретного преобразования Лапласа и z-преобразования.
Определение характеристик дискретных систем РА:
дискретных
передаточных
функций,
разностных
уравнений, операторных коэффициентов передачи,
комплексных коэффициентов передачи. Цифровые
дискриминаторы
систем
радиоавтоматики,
их
статистические эквиваленты. Цифровые фильтры систем
радиоавтоматики. Синтез этих фильтров по аналоговому
прототипу. Способы реализации цифровых фильтров в
системах
радиоавтоматики.
Примеры
построения
6
№
п/п
7
Наименование
раздела дисциплины
Раздел 6.
Оптимальные и
адаптивные
системы РА
Содержание раздела
цифровых систем радиоавтоматики. Методы и приемы
анализа
цифровых
систем
радиоавтоматики:
моделирование на ЭВМ, сведение к линейным
дискретным системам, сокращение числа элементов
временной дискретизации, переход к эквивалентным
непрерывным системам. Погрешности цифровых систем,
вызванные квантованием по уровню и округлением.
Использование микропроцессоров в цифровых системах
РА.
Компетенции: ПК 1-5, ОК 1-9
Критерии оптимизации. Сведение задачи синтеза
фильтра в контуре следящей системы к общей задаче
оптимальной линейной фильтрации. Интегральные
уравнения для импульсной переходной функции
оптимального фильтра. Определение комплексного
коэффициента передачи
оптимального линейного
фильтра. Методика расчета. Определение потенциальной
точности слежения при использовании в системе
оптимального фильтра. Синтез оптимальных фильтров
методом пространства состояний. Адаптивные системы и
их виды.
Заключение. Перспективы развития систем РА в связи с
дальнейшей миниатюризацией (при развитии
нанотехнологий) и цифровизацией радиоаппаратуры на
новой элементной базе.
5.2 Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми
(последующими) дисциплинами
№ тем данной дисциплины, необходимых
Наименование
для изучения обеспечиваемых
№
обеспечиваемых
(последующих) дисциплин
п/п
(последующих)
дисциплин
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12
1 Цифровые
устройства и
1.1 1.2. 1.3 1.4 1.5 2.1 2.2 2.3 2.4 3.1 3.2 3.3
микропроцессоры
2 Устройства приема и
1.3 1.4 1.5 3.1 3.2 3.3 4.1 4.2 4.3 5.1 5.2 6.1
обработки сигналов
3 Устройства
генерирования и
1.1 1.3 1.4 1.5 3.1 3.2 3.3
- 4.2 формирования
сигналов
4 Радиотехнические
1.1 1.2 1.3 1.4 2.2 2.3 2.4 3.1 3.2 3.3 4.1 6.1
системы
7
5.3. Разделы дисциплин и виды занятий
№
п/п
1.
2.
3.
4.
5.
6
Наименование
раздела
дисциплины
Введение. Принципы построе-
ния и математические модели
непрерывных систем РА
Элементы и схемы систем РА
Анализ процессов в системах
РА
Нелинейные системы РА
Дискретные системы РА
Оптимальные и адаптивные
системы РА. Заключение.
Лекц.
Практ. Лабор.
зан.
работы
СРС*
Всего
час.
10
14
4
4
2
4
20
30
4
6
4
10
24
4
8
6
4
4
15
15
23
33
16
20
4
Примечание: СРС – самостоятельная работа студентов
6. Лабораторный практикум
№
п/п
1.
2.
3.
4
5
Наименование
раздела
дисциплины
2.2.
Функциональные
и структурные
схемы
непрерывных
систем РА
3.2. Анализ
процессов
в системе РА при
внешних
воздействиях
Раздел 4.
Нелинейные
системы РА
5.1. Импульсные
системы РА
5.2. Цифровые
системы РА
Наименование лабораторных работ
Работа 1. Исследование системы автоматической
подстройки частоты (АПЧ)
Работа 2. Исследование на стенде переходных
процессов в системе фазовой автоподстройки частоты
(ФАПЧ)
Работа 3. Исследование на ПК нелинейной
автоколебательной системы РА
Работа 4. Исследование импульсного
радиодальномера с автоматическим сопровождением
по дальности
Работа 5. Исследование на ПК устойчивости
цифроаналоговой системы фазовой автоподстройки
частоты
(ЦАФАПЧ)
8
7. Практические занятия
№
п/п
1.
2.
3.
4.
5
Наименование
раздела
дисциплины
Функциональные и
структурные схемы
непрерывных
систем РА
Анализ
устойчивости
систем РА
Анализ процессов в
системе РА при
внешних
воздействиях
Импульсные
системы РА
Цифровые системы
РА
Тематика практических занятий (семинаров)
Трудоемкость
(час.)
Занятие № 1 по теме «Функциональные и
структурные схемы непрерывных систем РА
2
Занятие № 2 по теме «Анализ устойчивости
систем РА»
3
Занятие № 3 по теме «Анализ процессов в
системах РА при внешних воздействиях»
3
Занятие № 4 по теме «Импульсные системы
РА»
Занятие № 5 по теме «Цифровые системы
РА»
3
3
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
ЛИТЕРАТУРА
8.1. Основная литература
1. Соколов, О. Л., Радиоавтоматика: письменные лекции /О. Л. Соколов, О. С.
Голод,А. Б. Войцеховский– СПб.:Изд-во СЗТУ, 2003.- 71 с.
2. Коновалов, Г. Ф. Радиоавтоматика: учебник для вузов/Г. Ф. Коновалов – М.:
Высш. шк., 2003 – 286 с.
8.2. Дополнительная литература
3. Первачев, С.В. Радиоавтоматика: учебник для вузов/С. В. Первачев. – М.:
Радио и связь, 1982 – 295 с.
4. А.с. 1667096 СССР. Устройство для моделирования нелинейной
автоколебательной системы радиоавтоматики / О. Л. Соколов (СССР).-Опубл.
30.07.91, Бюл. № 28.
5. Пат. 2015546 Российская Федерация. Устройство для моделирования
импульсного радиодальномера с автоматическим сопровождением по дальности /О.
Л. Соколов (РФ).-Опубл. 30.06.94, Бюл. № 12.
6. А. с. 1605251 СССР. Устройство для моделирования системы автоподстройки
частоты / О. Л. Соколов (СССР).-Опубл. 07.11.90, Бюл. № 41.
7. Пат. 2069892 Российская Федерация. Устройство для моделирования
импульсного радиодальномера с автоматическим сопровождением расстояния до
диэлектрического слоя / О. Л. Соколов, А. И. Потапов, И. Ф. Кацан (РФ).-Опубл.
27.11.96, Бюл. № 33
8.3. Доступ к полнотекстовым базам данных из сети Интранет СПГГУ:
- БД JSTOR полнотекстовая база англоязычных научных журналов www.jstor.org
- Научная электронная библиотека www.eLibrary.ru (доступ к полным текстам ряда
научных журналов с 2007 по 2009 г. )
9
8.4. Электронные ресурсы других библиотек:
Национальные отечественные и зарубежные библиотеки
1.
Российская государственная библиотека http://www.rsl.ru
2.
Российская национальная библиотека http://www.nlr.ru
3.
Всероссийская государственная библиотека иностранной литературы им. М. И.
Рудомино http://www.libfl.ru
4.
Библиотека Академии Наук http://www.rasl.ru
5.
Библиотека РАН по естественным наукам http://www.benran.ru
6.
Государственная публичная научно-техническая библиотека http://www.gpntb.ru
7.
Государственная публичная научно-техническая библиотека Сибирского
отделения РАН http://www.spsl.nsc.ru/
8.
Центральная научная библиотека Дальневосточного отделения РАН
http://lib.febras.ru
9. Центральная научная библиотека Уральского отделения РАН http://www.uran.ru
10. Библиотека Конгресса http://www.loc.gov/index.html
11. Британская национальная библиотека http://www.bl.uk
12. Французская национальная библиотека http://www.bnf.fr
13. Немецкая национальная библиотека http://www.ddb.de
14. Библиотечная сеть учреждений науки и образования RUSLANet
http://www.ruslan.ru:8001/rus/rcls/resources
15. Центральная городская универсальная библиотека им. В.Маяковского
http://www.pl.spb.ru
16. Научная библиотека им. М.Горького Санкт-Петербургского Государственного
университета (СПбГУ) http://www.lib.pu.ru
Фундаментальная
библиотека
Санкт-Петербургского
Государственного
Политехнического университета (СПбГПУ) http://www.unilib.neva.ru/rus/lib/
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины:
Для обеспечения освоения дисциплины необходимо наличие учебной
аудитории, снабженной мультимедийными средствами для презентаций лекций,
видеофайлов практических занятий и виртуальных лабораторных работ.
Проведение лабораторных занятий требует наличия специализированных
учебных стендов по заявленной номенклатуре лабораторных работ, оснащённых
современной контрольно-измерительной аппаратурой.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО и с учетом
рекомендаций ПрООП ВПО по направлению подготовки специалиста 210601.65
«Радиоэлектронные системы и комплексы».
10. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины:
Изучение дисциплины производится в тематической последовательности.
Студенты очной формы обучения работают в соответствии с временным режимом,
установленным учебным рабочим планом для данных форм обучения. Информация о
временном графике работ сообщается преподавателем на установочной лекции.
Преподаватель дает указания также по
организации самостоятельной работы
студентов, срокам выполнения лабораторных работ и проведения тестирования.
Дисциплина «Радиоавтоматика», как указывалось выше, является базовой
дисциплиной. В связи с этим, приступая к ее изучению, необходимо восстановить в
памяти основные сведения из курса общей физики, математики и указанных выше
специальных дисциплин.
10
Методика и последовательность изучения дисциплины соответствуют перечню
содержания разделов дисциплины. Материал каждой темы насыщен математическими
соотношениями, физическая интерпретация которых зачастую достаточно сложна,
поэтому изучение материала требует серьезной, вдумчивой работы.
Изучать дисциплину рекомендуется по темам, предварительно ознакомившись с
содержанием каждой из них по программе учебной дисциплины. При первом чтении
следует стремиться к получению общего представления об изучаемых вопросах, а
также отметить трудные и неясные моменты. При повторном изучении темы
необходимо освоить все теоретические положения, математические зависимости и
выводы. Рекомендуется вникать в сущность того или иного вопроса, но не пытаться
запомнить отдельные факты и явления. Изучение любого вопроса на уровне сущности,
а не на уровне отдельных явлений, способствует наиболее глубокому и прочному
усвоению материала. Для более эффективного запоминания и усвоения изучаемого
материала, полезно иметь рабочую тетрадь (можно использовать лекционный
конспект) и заносить в нее формулировки законов и основных понятий, новые
незнакомые термины и названия, формулы, уравнения, математические зависимости и
их выводы. Целесообразно систематизировать изучаемый материал, проводить
обобщения разнообразных фактов, сводить их в таблицы. Подобная методика облегчает
запоминание и уменьшает объем конспектируемого материала. До тех пор пока тот или
иной раздел не усвоен, переходить к изучению новых разделов не следует. Краткий
конспект курса будет полезен при повторении материала в период подготовки к
экзамену.
Разработчик:
Каф. ЭС
(место работы)
доцент
(занимаемая должность)
Соколов О.Л.
(инициалы, фамилия)
11