• A
  • A
  • A
  • АБB
  • АБB
  • АБB
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта
Бакалавриат 2019/2020

Функциональные узлы и компоненты систем управления

Статус: Курс обязательный (Информатика и вычислительная техника)
Направление: 09.03.01. Информатика и вычислительная техника
Когда читается: 3-й курс, 3, 4 модуль
Формат изучения: Full time
Язык: русский
Кредиты: 5

Программа дисциплины

Аннотация

Целью курса «Функциональные узлы и компоненты систем управления» является усвоение студентами назначения двигательной, управляющей, сенсорной и информационной составляющих систем управления. В курсе изучаются устройство и методы управления приводами, принципы работы датчиков различных физических величин, назначении и устройство элементов сопряжения и управления. Практические занятия направлены на формирование у студентов навыков разработки и отладки средств сопряжения с датчиками, элементов силовой электроники, управления приводами. Курс углубляет знания, полученные студентами в курсах «Электроника и электротехника», «Схемотехника». Полученные при изучении курса знания применяются при прохождении практики, работе над проектами, выполнении ВКР.
Цель освоения дисциплины

Цель освоения дисциплины

  • Усвоить принцип действия и управления приводом, понять назначения двигательной, управляющей, сенсорной и информационной систем робота, узлов систем управления, модулей и компонентов цифровых и аналоговых устройств: активных и пассивных, дискретных и интегральных элементов, электромагнитных и коммутационных устройств, элементов индикации и модулей отображения информации.
  • Изучение методов сопряжения серийно-выпускаемых функциональных узлов с микроконтроллерами при построении систем сбора и обработки информации и управления.
Результаты освоения дисциплины

Результаты освоения дисциплины

  • Понимание назначения двигательных и сенсорных функций систем управления.
  • Знания в области силовой элементной базы, принципов работы источников питания и узлов стабилизации напряжения, понимание принципа действия приводов и алгоритмов управления, представление об области применения, владение схемотехникой источников питания и управления приводами.
  • Понимание принципов работы датчиков различной физической природы, представление об областях применения датчиков, знания в области получения измерительной информации с датчиков.
  • Навыки в части сопряжения и отладки узлов при макетировании элементов систем контроля.
Содержание учебной дисциплины

Содержание учебной дисциплины

  • Введение
    Определение термина «робот» по ГОСТ Р 8373-2014. Понятия «Манипулятор», «Роботизированное устройство», «Система управления роботом». Задачи, выполняемые роботами. Классификация роботов. Структурная схема робота, История развития робототехники.
  • Управление движением человека
    Общая схема управления движением человека. Строение нервных клеток. Нейроны. Центральная нервная система. Мозг. Система управления движениями. Управление звеньями тела. Схема управления суставом. Функциональная схема иерархической системы управления движением.
  • Приводы в робототехнических системах
    Назначение и классификация приводов. Требования, предъявляемые к приводам. Приводы прямого управления и сервоприводы. Типовая схема привода манипулятора. Области применения гидравлических, пневматических и электрических приводов. Пневматический и гидравлические приводы. Принцип действия. Поступательное и поворотное движение. Пневмоцилиндры и гидроцилиндры. Конструкции приводов. Регулирование скорости. Ограничение хода привода. Электрические приводы (ЭП). Функциональная схема электропривода. Классификация электроприводов. Характеристики двигателей, применяемых в робототехнике. Сравнение параметров приводов разных типов.
  • Электродвигатели
    Двигатели переменного тока. Принцип действия, конструкция двигателя. Схема включения, статические характеристики и режимы работы. Понятие координат электродвигателя. Регулирование координат двигателя с помощью резисторов. Расчет резисторов. Регулирование координат электропривода напряжением. Регулирование скорости двигателя переменного тока изменением частоты питающего напряжения. Регулирование скорости двигателя. Импульсный способ регулирования координат в двигателе переменного тока. Двигатели постоянного тока (ДПТ). Классификация двигателей постоянного тока. Схемы включения и статические характеристики двигателя постоянного тока. Регулирование скорости двигателя с помощью резисторов. Расчет регулировочных резисторов. Регулирование тока и момента при пуске, торможении и реверсе. Регулирование скорости двигателя постоянного тока изменением напряжения. Импульсное регулирование скорости. Регулирование координат в системе «Источник тока – двигатель». Регулирование координат с помощью резисторов. Бесколлекторные (вентильные) ДПТ. Шаговые двигатели. Способы управления шаговыми двигателями. Микрошаговое управление. Гибридный шаговый двигатель. Последовательность сигналов управления шаговым двигателем для различных способов управления.
  • Элементы силовой электроники для управления электродвигателями
    Состав силовых элементов управления электроприводами. Силовые диоды. Тиристоры. Силовые МОП и IGBT транзисторы. Транзисторные ключи. Статические и динамические характеристики управляющих элементов. Выпрямители тока. Классификация и структурная схема выпрямителя. Однофазные выпрямители. Многофазные выпрямители. Управляемый выпрямитель тока. Режимы работы, регулировочные характеристики. Непрерывный и граничный режимы. КПД выпрямителя тока. Пути улучшения энергетических показателей. Инверторы. Классификация инверторов. Направление потока мощности. Переход от выпрямительного к инверторному режиму. Условия устойчивой работы инвертора. Рекуперирующие и реверсивные преобразователи. Системы управления ведомых преобразователей. Преобразователи постоянного напряжения (ППН). Понижающий ППН. Повышающий ППН. Реверсивный, нереверсивный понижающий ППН. Автономные инверторы напряжения(АИН). Преобразователи частоты. Классификация и принципы построения частоты Двухзвенные преобразователи частоты (ДПЧ). Функциональные схемы ДПЧ. ДПЧ на основе управляемого выпрямителя и АИН. Непосредственные преобразователи частоты. Фильтрация. Элементная база систем управления. Контроллеры управления. Классификация контроллеров. ШИМ контроллеры. Усилители мощности импульсов управления. Классификация и требования к усилителям мощности импульсов управления. Усилители мощности импульсов управления тиристорами. Усилители мощности управления транзисторами. Драйверы силовых транзисторов. Усилители мощности импульсов управления транзисторами с трансформаторной развязкой. Применение ШИМ для управления двигателями постоянного тока. Интегральные схемы управления двухфазных и трехфазных двигателей. Схемы управления ДПТ. Схемы управления скоростью ДПТ.
  • Источники питания аппаратуры
    Линейные источники питания. Структурная схема, компоненты источника питания. Расчет трансформатора. Фильтрация выходного напряжения. Оценка нестабильности выходного напряжения. Умножители напряжения. Высоковольтные стабилизаторы. Импульсные источники питания. Понижающий прямоходовый преобразователь. Обратноходовый преобразователь. Проектирование магнитных элементов преобразователей. Выбор силового ключа. Выбор контроллера. Проектирование цепи обратной связи. Двухтактные преобразователи напряжения.
  • Источники питания аппаратуры (продолжение)
    Источники опорного напряжения. Стабилитроны. Стабилитронные ИМС. Использование Uбэ-стабилитронов. Оценка температурной стабильности источников опорного напряжения. Микросхемы интегральных источников опорного напряжения.
  • Общие сведения о датчиках, применяемых в робототехнике и системах управления
    Датчики и их параметры. Диапазон входных и выходных значений. Погрешность измерений. Классификация погрешностей. Методы компенсации и учета погрешности. Основные типы преобразователей- параметрические и генераторные датчики. Физические принципы датчиков. Резистивные преобразователи, удельное сопротивление, температурный коэффциент сопротивления, тензочувствительность, влагочувствительность. Датчики на основе магнетизма и магнитной индукции, эффекта Холла, пироэлектрического эффекта, эффекта Пельтье. Датчики температуры, давления. Датчики, регистрирующие световое излучение.
  • Схемы получения измерительной информации с датчиков
    Схемы получения измерительной информации. Схема измерителя разности потенциалов и измеритель тока. Измерительный усилитель. Усилители заряда. Мостовые схемы. Уравновешенный и неуравновешенный мосты. Температурная компенсация моста. Мостовые усилители. Генераторные схемы включения датчиков. Генераторы тока. Использование токовых зеркал для генерации тока. Токовое зеркало Уилсона. Управление коэффициентом отражения тока. Схемы токовых зеркал с несколькими выводами. Источники тока с плавающей нагрузкой. Генератор тока Хауленда. Генераторы синусоидальных, прямоугольных и пилообразных сигналов для питания датчиков. Преобразователи напряжения в частоту.
  • Датчики перемещения и положения
    Резистивные датчики положения и перемещения. Емкостные измерители. Электромагнитные датчики положения. Фотоэлектрические датчики положения и перемещений. Ультразвуковые датчики. Радары. Датчики толщины и уровня. Преобразователи перемещений в последовательность сигналов (энкодеры). Виды энкодеров. Интегральные датчики на основе эффекта Холла.
  • Датчики скорости и динамических факторов
    Тахогенераторы. Тахогенераторы постоянного и переменного тока. Пьезоэлектрические измерители скорости. Магнитоупругие датчики. Электростатические датчики. Емкостные измерители скорости. Электромагнитные датчики. Интегральные акселерометры и гироскопы.
Элементы контроля

Элементы контроля

  • неблокирующий Опрос на лекции
  • неблокирующий Практические занятия
  • неблокирующий Домашнее задание
  • блокирует часть оценки/расчета Устный экзамен
Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация

  • Промежуточная аттестация (4 модуль)
    0.12 * Домашнее задание + 0.12 * Опрос на лекции + 0.36 * Практические занятия + 0.4 * Устный экзамен
Список литературы

Список литературы

Рекомендуемая основная литература

  • - Нагорный В.С. — Средства автоматики гидро- и пневмосистем - Издательство "Лань" - 2014 - ISBN: 978-5-8114-1652-3 - Текст электронный // ЭБС Лань - URL: https://e.lanbook.com/book/52612
  • - Фролов В.Я., Сурма А.М., Васерина К.Н. — Силовая полупроводниковая элементная база. Технология производства. Конструктивные решения: учебное пособие - Издательство "Лань" - 2019 - ISBN: 978-5-8114-3507-4 - Текст электронный // ЭБС Лань - URL: https://e.lanbook.com/book/115497
  • - Шалыгин М.Г., Вавилин Я.А. — Автоматизация измерений, контроля и испытаний: учебное пособие - Издательство "Лань" - 2019 - ISBN: 978-5-8114-3531-9 - Текст электронный // ЭБС Лань - URL: https://e.lanbook.com/book/115498
  • Агеев О.А. - Отв. ред., Петров В.В. - Отв. ред.-ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН 2-е изд., испр. и доп. Учебное пособие для вузов-М.:Издательство Юрайт,2018-158-Университеты России-978-5-534-00792-3: -Текст электронный // ЭБС Юрайт - https://biblio-online.ru/book/informacionno-izmeritelnaya-tehnika-i-elektronika-preobrazovateli-neelektricheskih-velichin-414488
  • Борисенко А. Л.-СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УЗЛЫ. Учебное пособие для вузов-М.:Издательство Юрайт,2019-126-Университеты России-978-5-534-10075-4: -Текст электронный // ЭБС Юрайт - https://biblio-online.ru/book/shemotehnika-analogovyh-elektronnyh-ustroystv-funkcionalnye-uzly-438274
  • Рачков М. Ю.-ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИКИ 3-е изд., пер. и доп. Учебное пособие для бакалавриата и специалитета-М.:Издательство Юрайт,2019-264-Бакалавр и специалист-978-5-534-09039-0: -Текст электронный // ЭБС Юрайт - https://biblio-online.ru/book/pnevmaticheskie-sistemy-avtomatiki-428924
  • Фролов Ю. М., Шелякин В. П. ; Под ред. Фролова Ю.М.-ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД: КРАТКИЙ КУРС 2-е изд., испр. и доп. Учебник для академического бакалавриата-М.:Издательство Юрайт,2019-253-Бакалавр. Академический курс-978-5-534-00092-4: -Текст электронный // ЭБС Юрайт - https://biblio-online.ru/book/elektricheskiy-privod-kratkiy-kurs-437851

Рекомендуемая дополнительная литература

  • - Смирнов Ю.А. — Технические средства автоматизации и управления: учебное пособие - Издательство "Лань" - 2018 - ISBN: 978-5-8114-2376-7 - Текст электронный // ЭБС Лань - URL: https://e.lanbook.com/book/109629