Управление в технических системах (Автоматика и мехатроника)

Модуль «Теория автоматического управления» посвящен основам теории автоматического управления. Рассматриваются математические модели динамических систем в форме переменных состояния, каноническая форма управляемости, модальное управление, пример построения модального регулятора, восстановление состояния динамических объектов, пример построения наблюдателя состояния.

В модуле «Микропроцессорная техника в мехатронике и робототехнике» изучаются архитектура современных микроконтроллеров, работа с датчиками и внешними устройствами, используемыми в робототехнике, микроконтроллерное управление электрическими приводами основных типов, основы построения систем автоматического управления исполнительными механизмами.

В модуле «Основы компьютерного зрения» рассматриваются основ технического зрения с использованием библиотеки OpenCV. Рассматриваются основные вопросы работы с изображениями и видеопотоком, морфологические и пороговые преобразования, способы сглаживания изображений.

Модуль «Основы электромеханики и электрические машины» освещает основные физические законы, описывающие преобразование энергии в электрических машинах. Рассматривается классификация электрических машин и раскрываются особенности работы машин каждого типа.

Модуль «Системы управления электроприводов» имеет целью изучение принципов построения электроприводов, замкнутых по скорости или по положению, с силовой частью постоянного и переменного тока, формирование навыков выполнения статических и динамических расчетов таких электроприводов.

В ходе курса предусмотрено выполнение тестовых заданий.

Курс включает:

• тематические видеолекции;
• многовариантные тестовые задания на оценку.

Предусмотрено итоговое контрольное тестирование по содержанию всего курса.

Курс рассчитан на 10 недель изучения. Средняя недельная учебная нагрузка обучающихся по курсу составляет 4 часа. Общая трудоемкость курса – 2 зачетных единицы.

1. Попов Е. П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления. М.: Наука, 1980.
2. Востриков А. С., Французова Г. А. Теория автоматического регулирования. 2003.
3. Методы классической и современной теории автоматического управления: Учеб. в 3-х т. Т.1 / Под. ред. Н. Д. Егупова. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000.
4. Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического управления. М.: Профессия, 2003.
5. Микропроцессорные системы: Учеб. пособие для вузов по направлению подготовки бакалавров и магистров «Информатика и вычислительная техника» / Е.К.Александров, Р.И.Грушвицкий, М.С.Куприянов и др.; Под общ. ред. Д.В.Пузанкова, 2002. 
6. Голик С. Е. Микроконтроллеры: архитектура и программирование. Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ, 2006.
7. Микропроцессорная техника в мехатронике и робототехнике: учеб. пособие. / сост.: Путов В. В., Путов А. В., Игнатьев К. В. и др. СПб, 2017.
8. Цифровая обработка сигналов: Учебник для вузов / А. Б. Сергиенко. - СПб. : Питер, 2003.
9. Ян Эрик Солем Программирование компьютерного зрения на языке Python. ДМК Пресс, 2016г.
10. Иванов-Смоленский А. В. Электрические машины. – Изд. дом МЭИ, 2006.
11. Лавров А. Г. Электрические машины. Дополнительный раздел. Учебное пособие СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2022.
12. Терехов В. М. Системы управления электроприводов: учебник для студ. высш. учеб. заведений. Под ред. В.М. Терехова. – 2-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2006.
13. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. - М.: Академия, 2006.

Модуль 1. Теория автоматического управления  

• Математические модели динамических систем в форме переменных состояния
• Каноническая форма управляемости
• Модальное управление
• Пример синтеза модального регулятора
• Восстановление состояния динамических систем
• Пример построения наблюдателя состояния

Модуль 2. Микропроцессорная техника в мехатронике и робототехнике

• Введение в теорию микроконтроллеров
• Цифровые порты ввода/вывода микроконтроллеров AVR
• Система прерываний микроконтроллера
• Таймеры/счётчики микроконтроллера
• Встроенный аналого-цифровой преобразователь микроконтроллера
• Работа с сервоприводами
• Работа с ультразвуковым дальномером
• Протоколы обмена информацией

Модуль 3. Основы компьютерного зрения             

• Введение в техническое зрение и OpenCV
• Операции над изображениями и видеопотоком
• Основы применения фильтров к изображениям
• Применение пороговых преобразований
• Сглаживание изображений
• Морфологические преобразования

Модуль 4. Основы электромеханики и электрические машины

• Основные законы электротехники
• Вопросы магнитной проводимости
• Классификация электрических машин
• Трансформаторы
• Машины постоянного тока
• Вращающееся магнитное поле
• Асинхронные машины
• Синхронные машины

Модуль 5. Системы управления электроприводами

• Электропривод. Термины и определения
• Релейно-контакторные схемы управления
• Замкнутые и разомкнутые системы управления
• Моделирование СУЭП в математическом пакете Matlab
• Регуляторы. Синтез и настройка регуляторов. Модальный оптимум
• Дискретные регуляторы. Синтез регуляторов цифровой системы управления
• Преобразователи частоты. Широтно-импульсная модуляция
• Скалярное управление
• Векторное управление
• Сферы применения электропривода

ОПК­3 – Способен использовать фундаментальные знания для решения базовых задач управления в технических системах с целью совершенствования в профессиональной деятельности.

ОПК­4 – Способен осуществлять оценку эффективности систем управления, разработанных на основе математических методов.

ПК­1 – Способен принимать участие в проектировании объектов профессиональной деятельности и проводить обоснование проектных решений в соответствии с техническим заданием и нормативно­технической документацией, соблюдая различные технические, энергоэффективные и экологические требования

ПК­2 – Способен разрабатывать программное обеспечение, необходимое для обработки информации и управления в мехатронных и робототехнических системах, а также для их проектирования.

ПК4 – Способен проводить эксперименты на действующих макетах, образцах мехатронных и робототехнических систем по заданным методикам и обрабатывать результаты с применением современных информационных технологий и технических средств.

ПК­5 – Способен проводить вычислительные эксперименты с использованием стандартных программных пакетов с целью исследования математических моделей мехатронных и робототехнических систем.

СПК­1 – Способен осуществлять настройку мехатронных и робототехнических систем различного назначения.

Знает основы управления динамическими системами; принципы построения, функциональные возможности и архитектурные решения современных микроконтроллеров; алгоритмы обработки изображений; основные физические законы, описывающие преобразование энергии в электрических машинах; принципы работы, технические характеристики, конструктивные особенности разрабатываемых систем управления электроприводами.

Умеет разрабатывать устройства связи микроконтроллеров с объектами управления; применять методы улучшения изображений с помощью цифровой обработки; разрабатывать специальное программное обеспечение для обработки изображений; объяснять свойства и характеристики электрических машин; применять способы реализации систем управления электроприводами и выполнять их моделирование.

Владеет навыками применения методик построения модального регулятора и наблюдателя состояния к расчету и компьютерному моделированию; навыками применения микроконтроллеров в приводах мехатронных и робототехнических систем; навыками работы с основными типами современных датчиков и внешних устройств, используемых в робототехнике и мехатронике; навыками микропроцессорной обработки данных в информационных системах, навыками решения задач обработки изображения в системах технического зрения; навыками решения инженерных задач, связанных с проектированием электрических машин; навыками построения схем систем управления электроприводами.