RP_proektir_MS - Владимирский государственный университет

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Владимирский государственный университет
имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»
(ВлГУ)
Кафедра «Автоматические и мехатронные системы»
УТВЕРЖДАЮ
Первый проректор
_____________ В.Г. Прокошев
«____»_______________2011 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
«Проектирование мехатронных систем»
для аспирантов специальности
05.13.06 «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами»
Форма обучения – очная
Год обучения – третий
Учебный план курса
Распределение по годам
1
2
3
Вид занятий (работ)
Всего зачетных единиц трудоемкости
(ЗЕТ)
Всего часов на освоение дисциплины
Лекции
Лабораторные
Практические (семинары)
ИТОГО аудиторных занятий
Самостоятельная работа
Аттестация
Контрольные работы, рефераты, РТР
Форма итоговой аттестации
Владимир 2011 г.
3
92
6
6
86
зачет
ЦЕЛИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Целью освоения дисциплины «Проектирование мехатронных систем» является
формирование у аспирантов знаний и компетенций в области проектирования исполнительных устройств роботов, выбора основного и вспомогательного технологического оборудования и построения РТС для различных видов производства.
Задачи курса – сформировать у аспирантов теоретические знания, навыки и
компетенции при проектировании оптимальных систем автоматического управления.
1. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ОСНОВНОЙ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ПРОГРАММЫ ПОСЛЕВУЗОВСКОГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО
ОБРАЗОВАНИЯ (ОПП ППО)
В результате изучения курса аспиранты должны уметь самостоятельно ставить задачи по анализу и проектированию мехатронных и робототехнических систем, решать задачи синтеза их структуры и параметров.
Материалы и сведения настоящей дисциплины используются в дальнейших
курсах «Моделирование систем», «Теория и методология экспериментальных исследований», также в период прохождения научно-исследовательской практики и
выполнения научно-исследовательской работы и подготовке диссертации.
2. КОМПЕТЕНЦИИ ОБУЧАЮЩЕГОСЯ, ФОРМИРУЕМЫЕ В РЕЗУЛЬТАТЕ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Аспирант в результате освоения дисциплины должен овладеть следующими
общекультурными компетенциями:
– способностью самостоятельно приобретать с помощью информационных
технологий и использовать в практической деятельности новые знания и умения, в
том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности, расширять и углублять свое научное мировоззрение;
– способностью генерировать новые идеи и научные гипотезы;
– способностью совершенствовать и развивать свой интеллектуальный и общекультурный уровень, добиваться нравственного совершенствования своей личности;
– способностью адаптироваться к изменению научного профиля и социальнокультурных условий своей деятельности;
– способностью к коммуникации в научной, производственной и социальнообщественной сферах деятельности, свободное владение русским и иностранным
языком как средством научного и делового общения;
Аспирант в результате освоения дисциплины должен овладеть следующими
профессиональными компетенциями:
общепрофессиональными:
– способностью свободно владеть фундаментальными разделами и новейшими
достижениями
науки
и
техники,
необходимыми
для
решения
научно-
исследовательских задач.
научно-исследовательская деятельность:
– способностью самостоятельно ставить конкретные задачи научных исследований, решать их с помощью современной аппаратуры, оборудования, информационных технологий с использованием новейшего отечественного и зарубежного опыта;
– способностью и готовностью применять на практике навыки составления и
оформления научно-технической документации, научных отчетов, обзоров, докладов и статей;
– способностью осуществлять свою научно-исследовательскую деятельность с
учетом социальных, этических и экологических аспектов.
педагогическая деятельность:
– способностью руководить научно-исследовательской работой студентов;
– способностью и готовностью к проведению занятий у студентов вузов по
дисциплинам соответствующего блока знаний.
В результате изучения дисциплины обучающийся должен демонстрировать
следующие результаты образования:
Знать: методику проектирования исполнительных устройств роботов
Уметь: решать задачи кинематики и динамики роботов
Владеть: матричными методами решения прямой и обратной задач, методами
проектирования исполнительных устройств роботов и робототехнических систем,
навыками работы с пакетами прикладных программ «Matlab» с использованием пакета «SimMechanics»
3 СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ «Проектирование мехатронных систем»
Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетных единицы, 92 ч.
Распределение часов ( ауд. ) К. п., к. р.,
Номер Название
раздела
и темы
раздела (темы)
РГР,
Все- Лек- Прак- Лабораго ции
титорные контр. р.,
дом. зад.
ческие занятия
и др.
занятия
Внеаудиторная
СРС
(часов)
Введение
1
2
3
Концепция построения
и проектирования мехатронной системы
Проектирование исполнительных приводов,
информационной и
управляющей частей
мехатронной системы
Математическое и компьютерное моделирование в проектировании
мехатронных систем
Итого:
20
2
18
44
2
42
28
2
26
92
6
86
4 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ КУРС
Введение. Современное состояние проблемы разработки и проектирования мехатронных систем. Перспективы развития методов проектирования . Цели и задачи изучения дисциплины.
Тема1 Концепция построения и проектирования мехатронной системы
Структура и принципы интеграции мехатронных систем.Структура и задачи мехатронной системы. Информационный и энергетический потоки в системе. Интерфейсы и уровни интеграции компонентов мехатронной системы. Системный
подход и критерии качества при проектировании мехатронной системы.
Коэффициент мехатронности и критерий совершенства мехатронной системы. Качественные показатели движения. Системный подход и метод параллельного проектирования. Основные этапы проектирования.Исходные данные и алгоритм проектирования. Этапы проектирования мехатронной системы. Содержание технического задания, технического и рабочего проектов. Алгоритм системного проектирования.
Тема 2 Проектирование исполнительных приводов, информационной и
управляющей частей мехатронной системы
Кинематические и динамические задачи при проектировании мехатронной системы
Прямая и обратная задачи о положении точек и звеньев механизма системы. Векторно - матричные методы решения задач. Задачи динамики мехатронной системы и методы их решения.
Управляемые приводы и их настройка. Структура управляемых приводов мехатронных систем. Особенности приводов постоянного и переменного тока. Проектирование и настройка регуляторов приводов. Математическое и компьютерное моделирование исполнительных приводов. Линейные и нелинейные математические
модели исполнительных приводов. Компьютерная модель привода и ее исследова-
ние с использованием пакета визуального моделирования « Simulink» пакета «
MATLAB».
Виды датчиков, используемых в мехатронных системах и их характеристики
Параметры, измеряемые в мехатронных системах. Способы и датчики для их измерения. Выбор датчиков и их математические модели Встраивание датчиков в
мехатронную систему. Математические модели датчиков
Задачи и уровни управления в мехатронных системах. Особенности и состав
задач управления мехатронной системой. Управление многомерными и многосвязными системами. Пространственное и временное управление. Свободное
движение и движение в условиях внешних связей. Исполнительный, тактический
и стратегический уровни управления.Системы управления исполнительного
уровня. Структура систем управления на исполнительном уровне. Алгоритм ПИД
- регулирования. Адаптивное регулирование по эталонной модели. Нечеткие регуляторы исполнительного уровня. Системы управления тактического и стратегического уровней. Траекторные движения рабочего органа и способы его программирования. Планирование траекторий движения; интерполяция и аппроксимация.
Модели внешней среды. Системы управления с комбинированными обратными
связями. Структура систем управления при выполнении технологических операций. Стратегическое управление мехатронными системами. Интеллектуальное
управление в мехатронике. Принципы построения систем интеллектуального
управления в мехатронике. Структура «машинного» интеллекта и человеко – машинных систем. Интеллектуальные системы управления на основе нейронных сетей. Модельное управление.
Тема 3 Математическое и компьютерное моделирование в проектировании
мехатронных систем
Построение модели мехатронной системы. Математические методы описания мехатронных систем. Технология создания модели; структура, сложность, упрощения. Модели пространства состояний мехатронной системы. Методы линеаризации нелинейных характеристик компонентов мехатронных систем.Типовые нели-
нейные характеристики компонентов мехатронной системы. Методы линеаризации: разложение в ряды, линеаризация сплайн – функциями, гармоническая и интегральная линеаризация. Линейные модели пространства состояний. Передаточные функции и пространство состояний. Управляемость и наблюдаемость системы. Компенсация нулей и полюсов и свойства системы. Синтез системы с помощью методов пространства состояний. Визуальное моделирование и САПР в проектировании мехатронных систем.
Библиотеки и пакеты компьютерного моделирования для мехатроники. Построение компьютерной модели. Ошибки моделирования. Обработка результатов машинного эксперимента. Автоматизированное проектирование при создании мехатронной системы.
5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Освоение дисциплины «Проектирование мехатронных систем» предполагает
использование следующих инновационных форм проведения занятий:
– опережающее обучение (темы 1-3);
– видеотренинги (темы 1-3);
– методы групповой работы (темы 1-3);
- компьютерная симуляция (процессов, объектов и т. п. по профилю дисциплины);
- мультимедийные технологии при проведении учебных занятий;
- встречи с ведущими преподавателями университета и ведущими специалистами из НИИ и предприятий.
6. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ, ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ И УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ АСПИРАНТОВ
Вопросы для подготовки к зачету.
1 Постановка задач задачи проектирования мехатронной системы.
2 Основные этапы проектирования мехатронных систем.
3 . Информационный и энергетический потоки в системе.
4 Интерфейсы и уровни интеграции компонентов мехатронной системы.
5 Системный подход и критерии качества при проектировании мехатронной системы.
6 Коэффициент мехатронности и критерий совершенства мехатронной системы. Качественные показатели движения.
7 Системный подход и метод параллельного проектирования. Основные этапы
проектирования
8 Исходные данные и алгоритм проектирования. Этапы проектирования мехатронной системы.
9 Содержание технического задания, технического и рабочего проектов. Алгоритм системного проектирования.
10 Кинематические и динамические задачи при проектировании мехатронной системы.
11 Прямая и обратная задачи о положении точек и звеньев механизма системы.
Векторно - матричные методы решения задач.
12 Задачи динамики мехатронной системы и методы их решения.
13 Управляемые приводы и их настройка. Структура управляемых приводов
мехатронных систем.
14 Особенности приводов постоянного и переменного тока.
15 Проектирование и настройка регуляторов приводов.
16 Математическое и компьютерное моделирование исполнительных приводов.
17 Линейные и нелинейные математические модели исполнительных приводов.
Компьютерная модель привода и ее исследование с использованием пакета визуального моделирования « Simulink» пакета « MATLAB».
18 Виды датчиков, используемых в мехатронных системах и их характеристики.
19 Параметры, измеряемые в мехатронных системах. Способы и датчики для их
измерения.
20 Встраивание датчиков в мехатронную систему.
21 Задачи и уровни управления в мехатронных системах.
22 Управление многомерными и многосвязными системами. Пространственное
и временное управление.
23 Исполнительный, тактический и стратегический уровни управления.
24 . Структура систем управления на исполнительном уровне. Алгоритм ПИД –
регулирования.
25 Адаптивное регулирование по эталонной модели. Нечеткие регуляторы исполнительного уровня.
26 Системы управления тактического и стратегического уровней. Траекторные
движения рабочего органа и способы его программирования. Планирование траекторий движения; интерполяция и аппроксимация.
27 Интеллектуальное управление в мехатронике. Принципы построения систем
интеллектуального управления в мехатронике. Структура «машинного» интеллекта
и человеко – машинных систем. Интеллектуальные системы управления на основе
нейронных сетей.
28 Построение модели мехатронной системы. Математические методы описания мехатронных систем.
7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
7.1. Основная литература
1 Подураев Ю.В. Основы мехатроники. М.: Изд – во МГТУ СТАНКИН 1999г.
2 Карнаухов Н.Ф. Электромеханические и мехатронные системы : учебное пособие / Н. Ф. Карнаухов .— Ростов-на-Дону : Феникс, 2006 .— 319 c.
3 Воробьёв В.Е. Основы электромеханики [Электронный ресурс] : письменные
лекции / В.Е. Воробьёв .— Электронные текстовые данные(1 файл : Кб) .—
Санкт-Петербург : Северо-Западный государственный заочный технический
университет, 2003 .— 79 с.
4. Юревич Е. И. Основы робототехники : учебное пособие для вузов по направ-
лению 652000 "Мехатроника и робототехника" (специальность 210300 "Роботы и робототехнические системы") / Е. И. Юревич .— 2-е изд. — СанктПетербург : БХВ-Петербург, 2007 .— 401 c.
5. Попов Е.П., Верещагин А.Ф., Зенкевич С.Л. Манипуляционные роботы. Дина-
мика и алгоритмы.- М.: Наука , 1978
7.2. Дополнительная литература
1 Розанов Ю. К. Электронные устройства электромеханических систем : учебное
пособие для вузов / Ю. К. Розанов, Е. М. Соколова .— Москва : Академия,
2004 .— 270 c. : граф., схемы .— (Высшее профессиональное образование,
Электротехника) .— На тит. л. изд-во указано на лат. яз. — Библиогр.: с. 265266.
2Козырев В. В. Планетарные редукторы в составе роботов и мехатронных систем : учебное пособие / В. В. Козырев ; Владимирский государственный университет (ВлГУ) .— Владимир : Владимирский государственный университет (ВлГУ),
2008 .— 47 с. : ил.
8. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
1.Лекционные занятия:
а) комплект электронных презентаций/слайдов,
б) аудитория, оснащенная презентационной техникой (проектор, экран, компьютер/ноутбук).
2. Практические занятия: а) компьютерный класс, б) презентационная техника (проектор, экран, компьютер/ноутбук),
в) пакеты ПО общего назначения (MS Office, MS Visio, MS PowerPoint,
Matlab).
3. Прочее:
4. а) рабочее место преподавателя, оснащенное компьютером с доступом в
Интернет;
5. б) рабочие места, оснащенные компьютерами с доступом в Интернет,
предназначенные для работы в электронной образовательной среде.
Рабочая программа составлена согласно федеральным государственным требованиям к структуре основной профессиональной образовательной программы послевузовского профессионального образования (аспирантура), по специальности
05.02.05 – Роботы, мехатроника и робототехнические системы утвержденным приказом Минобрнауки России № 1365 от 16 марта 2011 г.
Рабочую программу составил _________ к.т.н., доцент Умнов В.П.
Программа рассмотрена и одобрена на заседании кафедры «Автоматические и
мехатронные системы» 5 сентября 2011, протокол №1.
Зав. кафедрой __________________ А.А.Кобзев
Рабочая
программа
рассмотрена
и
одобрена
на
заседании
технического совета ВлГУ 30 сентября 2011, протокол № 1.
Председатель НТС ______________ С.Г. Мосин
Программа переутверждена:
на ______________ учебный год, протокол № ___ от _______________
Зав. кафедрой __________________
Программа переутверждена:
на ______________ учебный год, протокол № ___ от _______________
Зав. кафедрой __________________
Программа переутверждена:
на ______________ учебный год, протокол № ___ от _______________
Зав. кафедрой __________________
научно-