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

Автоматические системы управления в робототехнике

рабочая программа дисциплины
Закреплена за кафедройКафедра вычислительной техники и электроники
Направление подготовки09.04.01. Информатика и вычислительная техника
ПрофильНейроинформационные технологии и робототехнические системы
Форма обученияОчная
Общая трудоемкость4 ЗЕТ
Учебный план09_04_01_НТРС-2-2019
Часов по учебному плану 144
в том числе:
аудиторные занятия 36
самостоятельная работа 81
контроль 27
Виды контроля по семестрам
экзамены: 2

Распределение часов по семестрам

Курс (семестр) 1 (2) Итого
Недель 6
Вид занятий УПРПДУПРПД
Лекции 12 12 12 12
Лабораторные 24 24 24 24
Сам. работа 81 81 81 81
Часы на контроль 27 27 27 27
Итого 144 144 144 144

Программу составил(и):
к.ф.-м.н., доцент, Пашнев В.В.

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

Рабочая программа дисциплины
Автоматические системы управления в робототехнике

разработана в соответствии с ФГОС:
Федеральный государственный образовательный стандарт высшего образования по направлению подготовки 09.04.01 ИНФОРМАТИКА И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА (уровень магистратуры) (приказ Минобрнауки России от 30.10.2014г. №1420)

составлена на основании учебного плана:
09.04.01 Информатика и вычислительная техника
утвержденного учёным советом вуза от 25.06.2019 протокол № 9.

Рабочая программа одобрена на заседании кафедры
Кафедра вычислительной техники и электроники

Протокол от 03.06.2019 г. № 68/18-19
Срок действия программы: 2019-2020 уч. г.

Заведующий кафедрой
д.т.н., Седалищев Виктор Николаевич, проф., зав. кафедрой "Вычислительной техники и электроники"


Визирование РПД для исполнения в очередном учебном году

Рабочая программа пересмотрена, обсуждена и одобрена для
исполнения в 2019-2020 учебном году на заседании кафедры

Кафедра вычислительной техники и электроники

Протокол от 03.06.2019 г. № 68/18-19
Заведующий кафедрой д.т.н., Седалищев Виктор Николаевич, проф., зав. кафедрой "Вычислительной техники и электроники"


1. Цели освоения дисциплины

1.1.Целью дисциплины является изучения основ автоматического управления техническими системами и их приложениям в работотехнике. В курсе рассматриваются проблемы устойчивости, качества переходных процессов, статическая и динамическая точность систем управления. Решаются задачи программного управления, стабилизации, возбуждения колебаний, синхронизации объектов управления работотехнических, мехатронных и иных систем.

2. Место дисциплины в структуре ООП

Цикл (раздел) ООП: Б1.Б

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

ОК-4 способностью заниматься научными исследованиями
ОК-5 использованием на практике умений и навыков в организации исследовательских и проектных работ, в управлении коллективом
ОК-7 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
ПК-3 знанием методов оптимизации и умение применять их при решении задач профессиональной деятельности
В результате освоения дисциплины обучающийся должен
3.1.Знать:
3.1.1.параметры и характеристики различных схем управления работотехническими и мехатронными системами; методы и средства моделирования процессов управления; производить расчет и выбор исполнительных элементов, вести анализ устойчивости, точности и качества процессов управления, проводить расчеты, синтезировать алгоритмы управления, вести разработку алгоритмов и программных средств реализациии систем управления; разрабатывать проектную и конструкторскую документацию.
3.2.Уметь:
3.2.1.состовлять структурные схемф систем управления; проводить моделирование и анализ переходных процессов систем управления; обосновывать и разрабатывать технические требования к системам управления; проводить испытания опытных образцов роботехнических систем.
3.3.Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть):
3.3.1.в программном математическом моделировании; навыки работы с электронными измирительными приборами; приемы конструирования; проводить испытания аппаратуры; владеть навыками расчета и экспериментального определения параметров систем управления; ситтезом схем управления.

4. Структура и содержание дисциплины

Код занятия Наименование разделов и тем Вид занятия Семестр Часов Компетенции Литература
Раздел 1.
1.1. Введение. Устройство роботов, основные подсистемы. Организация системы управления. Лекции 2 2 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
1.2. Принципы составления уравнений автоматических систем. Линеризация уравнений динамики. Преобразование Лапласа и Фурье для решения линейных дифференциальных уравнений. Передаточная функция. Переходная функция. Интеграл Дюамеля. Сам. работа 2 6 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
1.3. Основные сведения из ТАУ. Математическое представление объекта управления, передаточная функция. Устойчивость системы, показатели качества системы, частотные характеристики. Робастность системы управления, физическая реализуймость системы САУ.Виды регуляторов. Лекции 2 2 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
1.4. Типовые звенья САУ. Типовые воздействия. Определение устойчивости по Ляпунову. Критерий Гурвица (алгебраический), критерии устойчивости Михайлова и Найквиста(частотный). Анализ качества САУ по переходным и частотным характеристикам.Логарифмические частотные характеристики. Задачи синтеза системы оптимального управления. Сам. работа 2 10 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
1.5. Цифровые системы управления. Специфика, способы описания. Методы модуляции. Связь дискретных и непрерывных систем Лекции 2 2 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
1.6. Методы модуляции: ШИМ и АИМ. Представление о спектральном анализе и методе авторегрессий.Теорема Котельникова. Z - преобразование. Связь z - преобразования с преобразованием Лапласа и Фурье. Разностные уравнения. Устойчивость дискретных систем. Сам. работа 2 6 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
1.7. Электрический двигатель в цифровой системе управления. Генерация задающего воздействия. Математическая модель манипулятора. Управление движением манипулятора.Сисстемы циклового, дискретного позиционного, непрерывного управления. Лекции 2 2 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
1.8. Синтез системы управления электродвигателем постоянного тока по позиции. Насышение упрвления, принцип дуального управления. Генерация задающего воздействия. Сам. работа 2 6 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
1.9. Математические модели системы с колесами. Представление о системах с неголономными ограничениями. Управление движением колесных роботов. Линейные и нелинейные методы. Лекции 2 2 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
1.10. Обработка данных с различных датчиков. Машинное зрение. Планирование траектории. Интелектуальная система управления. Архитектура системы управления и программное обеспечение. Лекции 2 2 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
1.11. Задачи определения собственного местоположения и построение карты для мобильных роботов. Линейные и нелинейные методы. Организация интелектуальной системы управления. Сам. работа 2 4 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
1.12. Индивидуальное задание по разработке и расчету системы управления робототехнической системой. Лабораторные 2 24 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
1.13. Обработка результатов. Подготовка отсчетов по лабораторной работе. Сам. работа 2 18 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
1.14. Расчетное задание. Анализ САУ по заданной структурной схеме. Нахождение эквивалентной передаточной функции, переходной функции, исследование устойчивости, построение частотных характеристик. Сам. работа 2 14 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
1.15. расчетное задание. Постороение системы управления нелинейной САУ. Фазовый портрет. Алгоритм упрвления системой. Переходнй процесс нелинейной САУю Сам. работа 2 17 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2
Раздел 2. Аттестация
2.1. Экзамен 2 27 Л2.2, Л2.1, Л1.1, Л1.2

5. Фонд оценочных средств

5.1. Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
Общие вопросы робототехники:
1. Роботы, их классификация, основные системы. Классификация сенсорных систем. Краткая
характеристика основных типов приводы роботов (электрические, гидравлические,
пневматические).
2. Организация и классификация систем управления роботами. Человек в системе управления
роботами. Основные принципы построения систем управления группами роботов. Адаптивные
и интеллектуальные системы управления (представления).
3. * Интеллектуальные системы управления: основные принципы организации системы
управления, обработка визуальной информации (сегментация, способы распознавания объектов).
4. * Интеллектуальные системы управления: основные принципы организации системы
управления, задачи построения траектории, построения карты местности и привязки к ней
(SLAM).
Элементы ТАУ:
5. Динамическая система (ДС). Линейные стационарные непрерывные конечномерные ДС,
способы описания: система ДУ, передаточная функция, весовая функция, структурные схемы.
6. Основные принципы управления: программное управление, компенсация, управление по
ошибке. Грубость и физическая реализуемость.
7. Устойчивость ДС. Амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристики. Понятие о
качестве системы управления.
8. Методы построение регуляторов. Подбор коэффициентов ПИД регулятора, метод обратной
динамики.
9. Идентификации я систем. Основные понятия о аналитический методе, частотных методы,
метода пространства состояний.
Математические модели в робототехнике:
10.Математическая модель электрического привода: непрерывная модель, статические
характеристики, электродвигатель в цифровой системе управления.
11. * Кинематическая модель манипулятора. Преобразование скоростей и усилий между
абсолютной системой координат и системой координат звеньев. Прямая и обратная задача
кинематики.
12. * Формализм Лагранжа. Динамическая модель манипулятора. Модель приводов.
13. * Постановки задач управления для манипулятора: дискретное цикловое управление,
дискретное позиционное, непрерывное, системы с управление по силе. Раздельное управление
приводами.
14. * Совместное управление приводами манипулятора. Компенсация взаимного влияния
различных степеней свободы.
15. * Управление с обратной связью в абсолютной системе координат. Представление о системах
управления по силе.
16. * Колесные мобильные роботы. Колесо, неголономные ограничения создаваемые колесом, типы
систем передвижения.
17. * Колесные мобильные роботы. Кинематическая, расширенная кинематическая и динамическая
модель робота. Пример.
18. * Постановки задач управления движением мобильных роботов: движение по заданной кривой,
по заданной траектории, перемещения в заданное положения. Движение по кривой: система
координат Френета, движение по кривой без контроля ориентации, движение с контролем
ориентации (представление).
19. * Постановки задач управления движением мобильных роботов: движение по заданной кривой,
по заданной траектории, перемещения в заданное положения. Движение по траектории:
движение по заданной траектории без контроля ориентации, переход к цепочечной форме,
движение с контролем ориентации.
5.2. Темы письменных работ для проведения текущего контроля (эссе, рефераты, курсовые работы и др.)
рефераты и курсовые работы учебным планом не предусмотрены
5.3. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации
ФОС приведен в Приложении

6. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

6.1. Рекомендуемая литература
6.1.1. Основная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л1.1 Охорзин В.А., Сафонов К.В. Теория управления: Учебники Издательство "Лань", 2014 e.lanbook.com
Л1.2 Коновалов Б.И., Лебедев Ю.М. Теория автоматического управления: Учебные пособия Издательство "Лань", 2016 e.lanbook.com
6.1.2. Дополнительная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л2.1 Ощепков А. Ю. Системы автоматического управления: теория, применение, моделирование в MATLAB: Учебные пособия Издательство "Лань", 2013 e.lanbook.com
Л2.2 Дьяконов В.П. MATLAB R2007/2008/2009 для радиоинженеров: Учебные пособия Издательство "ДМК Пресс", 2010 e.lanbook.com
6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет"
6.3. Перечень программного обеспечения
Matlab
Условия использования: https://matlab.ru/services/license
Open Office
Условия использования: http://www.openoffice.org/license.html
LibreOffice
Условия использования: https://ru.libreoffice.org/about-us/license/
Visual Studio
Условия использования: https://code.visualstudio.com/license
Acrobat Reader
Условия использования: http://wwwimages.adobe.com/content/dam/Adobe/en/legal/servicetou/Acrobat_com_Additional_TOU-en_US-20140618_1200.pdf
Paint.net
Условия использования: http://www.getpaint.net/license.html
Mozila FireFox
Условия использования: https://www.mozilla.org/en-US/about/legal/eula/
Chrome
Условия использования: http://www.chromium.org/chromium-os/licenses
DjVu reader
Условия использования: http://www.djvu.name/djvu-editor.html
Microsoft Windows
7-Zip
6.4. Перечень информационных справочных систем
Электронная библиотечная система Алтайского государственного университета (http://elibrary.asu.ru/);

7. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Аудитория Назначение Оборудование
209К лаборатория схемотехники и микропроцессорных систем - учебная аудитория для проведения занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических); проведения групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации Учебная мебель на 15 посадочных мест; рабочее место преподавателя; доски меловые 1шт. компьютеры: марка Aquarius модель Cel-2533 - 2 единицы; внутрисхемный программатор-отладчик PICkit 3 - 5шт.; компьютер Парус 945 - 13шт.; монитор 15"LG Flatron; монитор 17"Samsung 793 MB; набор PICkit 3; паяльная станция -5шт.; плата оценочная DEO-Nano - 8шт.;системный блок Celeron 2400$/ методические указания по выполнению лабораторных работ: Разработка микропроцессорных систем на базе микроконтроллера PIC16F84; Микроконтроллеры семейства MCS; Методы кодирования и сжатия информации
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
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)
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

8. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины

МУ по освоению дисциплины приведены в Приложении