учебная программа дисциплины - Кафедра робототехники и

Министерство образования Российской Федерации
Красноярский государственный технический университет
УТВЕРЖДАЮ
Декан электромеханического факультета
_______________ В.А. Тремясов
«_____» _____________2003 г.
УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
Дисциплина Основы моделирования систем
Направление 652000 – Мехатроника и робототехника
Специальность 210300 – Роботы и робототехнические системы
Факультет электромеханический
Кафедра робототехники и технической кибернетики
Красноярск, 2003 г.
УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего
профессионального образования по направлению подготовки 652000 – Мехатроника и робототехника специальности 210300 – Роботы и робототехнические системы
Программу составили к.т.н., доцент каф. РиТК Ткачев Н. Н.
_____________________________________________
Образовательная программа согласована с выпускающей кафедрой
робототехники и технической кибернетики
Заведующий кафедрой Масальский Г.Б.
__________________________________
«_____»_______________2003__г.
Образовательная программа обсуждена на заседании кафедры
робототехники и технической кибернетики
«______» _________________ 2003__ г. Протокол № ________
Заведующий кафедрой Масальский Г.Б.__________________________________
Дополнения и изменения в рабочей программе на 2003/2004 учебный год.
В рабочую программу вносятся следующие изменения
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
________________________
Рабочая программа пересмотрена и одобрена на заседании кафедры __________
«____» _____________ 2003__г. Протокол № ________
Заведующий кафедрой Масальский Г.Б.__________________________________
Внесенные изменения УТВЕРЖДАЮ:
Декан электромеханического факультета Тремясов В.А..____________
Примечание: Изменения в программе можно указывать в отдельном приложении.
2
1.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
"Основы моделирования систем" является общепрофессиональной дисциплиной, непосредственно и тесно связанной с другими дисциплинами.
1.1. Цель преподавания дисциплины
Ц е л ь ю к у р с а я в л я е т с я изучение основных методов и этапов моделирования объектов и систем управления.
1.2. Задачи изучения дисциплины
Задача дисциплины состоит в формировании профессиональных знаний и навыков в области:
 синтеза структуры и параметров моделей;
 проверки адекватности моделей;
 использования для моделирования современных программных средств.
1.3. Рекомендация по изучению дисциплины
Изучение дисциплины опирается на общеобразовательные курсы «Математика», «Введение в специальность», «Физика», «Информатика», «Основы робототехники». Материалы дисциплины используются в курсах «Управление роботами и РТС»,
«Методы искусственного интеллекта в робототехнике», «Приводы роботов», «Моделирование и исследование РТС» и т.д.
Рабочая программа по курсу составлена с учетом фактического плана графика
учебного процесса:
5 семестр - 17 недель.
Результирующим итогом, определяющим квалификационную степень подготовки студента по дисциплине «Основы робототехники» является сдача студентом экзамена.
2. ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ОСВОЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
В результате изучения курса студент должен уметь:
- синтезировать модели сложных технических систем;
- проверять адекватность полученных моделей;
- составлять алгоритмы и программы для проведения имитационного моделирования;
- разрабатывать и исследовать модели в среде MATHCAD и MATLAB с использованием пакетов расширения SIMULINK, STATISTIC TOOLBOX, CONTROL
SYSTEM TOOLBOX.
Для решения поставленных задач студент должен знать:
-
способы описания кинематики манипуляторов;
методы решения прямой и обратной кинематических задач;
основные разделы теории вероятностей и математической статистики;
методы алгоритмизации задач;
языки программирования MATHCAD и MATLAB
современные системы компьютерной математики(MATHCAD, MATLAB).
3
3. ОБЪЕМ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ
Всего
Семестр
час
5
Общая трудоемкость дисциплины
102
102
Аудиторные занятия
68
68
Лекции
34
34
Лабораторные работы (ЛР)
34
34
Самостоятельная работа
34
34
РЗ
РЗ
экзамен
экзамен
Вид учебной работы
Индивидуальная работа
Расчетно-графические работы
Курсовой проект
Вид итогового контроля (зачёт, экзамен)
4. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
4.1. Тематический план
№п/п
Раздел дисциплины
Лек Лр
1
Математическое моделирование
2
2
Прикладные пакеты для моделирования
2
2
3
Построение блок-схем в системе "SIMULINK"
2
2
4
Основные элементы системы "MATLAB"
4
2
5
Программирование в системе "MATLAB" и работа с массивами
6
10
6
Моделирование случайных величин
2
2
7
Проверка гипотез о виде распределения
4
4
8
Анализ тесноты статистической связи между количественными переменными
4
4
9
Оценивание и аппроксимация корреляционной функции
4
4
10
Множественный регрессионный анализ
4
4
Пз
4.2. Содержание разделов дисциплины
Т е м а 1. Математическое моделирование /2 часа/
Математическое моделирование в технике. Понятие математической модели.
Структура математической модели. Свойства математических моделей. Структурные и функциональные модели. Теоретические и эмпирические модели. Особенности функциональных моделей. Иерархия математических моделей и формы их
представления.
4
Т е м а 2. Прикладные пакеты для моделирования /2часа/
Пакет "MATLAB". Пакет моделирования динамических систем "SIMULINK". Состав и возможности "SIMULINK". Запуск "SIMULINK". Библиотека модулей "SIMULINK".
Создание модели. Пакет расширения STATISTIC TOOLBOX, его состав и возможности. Пакет расширения CONTROL SYSTEM TOOLBOX, его состав и возможности.
Т е м а 3. Построение блок-схем в системе "SIMULINK" /2 часа/
Построение блок-схем. Выделение объектов, операции с блоками, перестановка блоков модели, установка параметров блоков, удаление блоков, отсоединение блоков, изменение угловой ориентации блоков, изменение размеров блоков,
изменение и перемещение имени блока, создание соединительных линий, создание
разветвления линий, создание сегментов линий, перемещение излома линий, проставление меток сигналов и комментариев, создание и манипулирование метками
сигналов, создание и манипулирование комментарием. Создание подсистем. Создание подсистем путем добавления блока "Sybsystem", создание подсистем путем
группировки существующих блоков. Сохранение модели. Запись и печать модели.
Т е м а 4. Основные элементы системы "MATLAB" /4 часа/
Основные элементы системы "MATLAB". Математические выражения, числа.
Форматы чисел, комплексные числа. Константы и переменные, переменные, задаваемые пользователем типов double и char. Классификация типов массивов. Понятие "Рабочая область", сохранение данных из рабочей области в дисковом файле,
загрузка данных из дискового файла в рабочую область. Операторы системы
"MATLAB".
Тема 5. Программирование в системе "MATLAB" и работа с массивами
/6 часов/
Файлы-функции и файлы-сценарии. Подфункции. Область видимости данных.
Передача параметров в файлы-функции и из файлов-функций.
Циклы: "FOR" и "WHILE".
Ветвление программы: "IFELSEIFELSE" и "SWITH".
Функции работы с массивами.
Т е м а 6. Моделирование случайных величин /2 часа/
Некоторые наиболее часто используемые непрерывные распределения.
Равномерное
распределение.
Нормальное
распределение.
Гаммараспределение. Моделирование случайных величин. Генерирование случайных
чисел с заданной функцией распределения. Алгоритмы преобразования равномерно распределенных случайных чисел в случайные числа с заданной функцией
плотности. Алгоритм преобразования равномерно распределенных в интервале
случайных чисел в случайные числа, имеющие равномерное распределение на
поверхности сферы единичного радиуса. Датчик многомерных нормально распределенных случайных чисел с заданным вектором математических ожиданий и ковариационной матрицей. Формирование стационарной случайной функции с заданной корреляционной функцией.
5
Тема 7. Проверка гипотез о виде распределения /4 часа/
Параметрические критерии согласия. Критерий согласия Пирсона. Непараметрические критерии согласия. Критерий согласия Колмогорова. Критерий согласия Смирнова.
Тема 8. Анализ тесноты статистической связи между количественными переменными. /4 часа/
Корреляционный анализ. Понятие корреляции. Простая линейная корреляция при несгруппированных данных. Доверительные интервалы для истинного
значения коэффициента корреляции. Множественная корреляция. Частные коэффициенты корреляции и их выборочные значения.
Тема 9. Оценивание и аппроксимация корреляционной функции /4 часа/
Общие сведения, автокорреляционная и взаимная корреляционная функции и их
оценивание. Интервалы корреляции. Аппроксимация корреляционной функции.
Тема 10. Множественный регрессионный анализ /4 часа/
Линейный множественный регрессионный анализ. Построение регрессионной модели. Оценка значимости коэффициентов регрессии. Проверка значимости
уравнения регрессии. Общий случай.
5. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
№ № раздела
Наименование лабораторных работ
1
3
Построение блок-схем в системе "SIMULINK"
2
2,3,4
Основы графической визуализации, работа со справкой и примерами,
графика "MATLAB"
3
4,5
Программирование в системе "MATLAB"
4
2
Пакеты расширения STATISTIC TOOLBOX и CONTROL SYSTEM
TOOLBOX
5
6
Моделирование случайных величин
6
7
Проверка гипотез о виде распределения
7
8
Анализ тесноты статистической связи между количественными
переменными
8
9
Оценивание и аппроксимация корреляционной функции
9
10
Множественный регрессионный анализ
10 2-5
Моделирование позиционной системы управления манипулятором
5.1. Лабораторные занятия, их наименование и объем в часах
Лабораторная
"SIMULINK" /2 часа/
работа
1.
Построение
блок-схем
в
системе
Цель работы: Построение блок-схем. Выделение объектов, операции с блоками. Запуск модели и анализ результатов.
6
Лабораторная работа 2. Основы графической визуализации, работа
со справкой и примерами, графика "MATLAB" /2 часа/
Цель работы: Овладение навыками работы в системе "MATLAB", построерие графиков.
Лабораторная работа 3. Программирование в системе "MATLAB"
/6 часов/.
Цель работы: Создание М-файлов сценариев и функций. Освоение управляющих структур. Отладка программ.
Лабораторная работа 4. Пакеты расширения STATISTIC TOOLBOX и
CONTROL SYSTEM TOOLBOX /2часа/
Цель работы: Освоение основных принципов работы с пакетами расширения STATISTIC TOOLBOX и CONTROL SYSTEM TOOLBOX.
Лабораторная работа 5. Моделирование случайных величин /2 часа/
Цель работы: Освоение методов моделирование случайных величин.
Лабораторная работа 6. Проверка гипотез о виде распределения
/4 часа/
Цель работы: Освоение методов проверки гипотез.
Лабораторная работа 7. Анализ тесноты статистической связи
между количественными переменными /4 часа/
Цель работы: Получение практических навыков, необходимых при решении
задач корреляционного анализа.
Лабораторная работа 8. Оценивание и аппроксимация корреляционной функции /4 часа/
Цель работы: Изучение методов оценивания и аппроксимации корреляционной функции и получение практических навыков, необходимых при исследовании случайных процессов.
Лабораторная работа 9. Множественный регрессионный анализ
/4 часа/
Цель работы: Получение практических навыков, необходимых для построения регрессионных моделей и проверки их адекватности.
Лабораторная работа 10. Моделирование позиционной системы
управления манипулятором /4 часа/
Цель работы: Получение практических навыков, необходимых для моделирования позиционной системы управления манипулятором в среде" MATLAB "с
использованием "SIMULINK".
7
5.2. Расчетное задание.
Цель задания: Научиться разрабатывать и исследовать модели роботов и
робототехнических систем.
Форма выдачи студентам расчетного задания:
Расчетно-графическое задание по дисциплине ”Основы моделирования систем”
Гр,.ЭМ_____
Студент______________________
Дата утверждения:________________________
Дата сдачи РГЗ: 12.11.2002 г.
Тема: Моделирование позиционной системы управления манипулятором
6. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
6.1. Рекомендуемая литература
Основная литература:
1. Зарубин В. С. Математическое моделирование в технике: Учеб. для вузов / Под ред. В. С. Зарубина, А. П. Крищенко. – М.: Изд-во МГТУ им Баумана,
2001. – 496 с. (Сер. Математика в техническом университете; Вып. XXI, заключительный).
2. Ткачев Н.Н. Статистические методы в математическом моделировании
и научных исследованиях: Лабораторный практикум для студентов специальности
2103. – "Роботы и робототехнические системы"/КГТУ,Красноярск, 1996, 148 с.
3. Дьяконов В. MATLAB: Учебный курс. – СПб.: Питер 2001 – 560 с.: ил.
4. Дьяконов В. SIMULINK 4. Специальный справочник. – СПб.: Питер 2002
– 528 с.: ил.
5. В. Г. Потемкин. Система инженерных и научных расчетов MATLAB 5.х:-В
2-х т. Том2.-М.:ДИАЛОГ-МИФИ, 1999.-304 с.
6. В. Г. Потемкин. Система инженерных и научных расчетов MATLAB 5.х:-В
2-х т. Том1.-М.:ДИАЛОГ-МИФИ, 1999.-366 с.
7. А. Гультяев. MATLAB 5.2. Имитационное моделирование в среде
Windows: Практическое пособие. – СПб.: КОРОНА принт, 1999 – 288 с.: ил.
8. Медведев В. С., Потемкин В. Г. Control System Toolbox. MATLAB 5 для
студентов/ Под общ. ред. к. т. н. В. Г. Потемкина. – М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1999. – 287
с. – (Пакеты прикладных программ).
9. Мэтьюз, Джон, Г., Финк, Куртис Д. Численные методы. Использование
MATLAB, 3-е издаине.: Пер. с англ. – М.: Издательский дом "Вильямс", 2001. – 720
с.: ил.
10. Бенькович Е. С., Колесов Ю. Б., Сениченков Ю. Б. Практическое моделирование динамических систем – СПб.: БХВ-Петербург, 2002. – 464 с.: ил.
Дополнительная литература:
1. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем - искусство и наука.
М.: Мир, 1975. – 418с.:ил.
2. Ткачев Н.Н., Масальский Г.Б., Переверзев П.С. Курсовое проектирование по информатике. Учебное пособие. – Красноярск, 1997, 152 с.
8
3. Бусленко Н. П. Математическое моделирование производственных процессов. М.: Наука, 1964. 362 с.:ил.
4. Бусленко Н. П. Моделирование сложных систем. М.: Наука, 1978.
400 с.:ил.
5. Прикладная статистика: Исследование зависимостей: Справочное издание / С. А. Айвазян, И. С. Енюков,Л. Д. Мешалкин; Под ред. С. А. Айвазяна. М.:
Финансы и статистика, 1985. 487с.: ил.
6. 7. Хан Г., Шапиро С. Статистические модели в инженерных задачах.
М.:Мир, 1969. 396с.:ил.
7. Петрович М. Л., Давидович М. И. Статистическое оценивание и проверка гипотез на ЭВМ. М.: Финансы и статистика,1989. 191с.:ил.
8. Иванова В. М. Случайные числа и их применение. М.: Статистика, 1984.
111 с.:ил.
9. Лавренчик В. Н. Постановка физического эксперимента и статистическая обработка его результатов. M.: Энергоатомиздат, 1986. 273 с.: ил.
10. Большев Л. Н., Смирнов Н. В. Таблицы математической статистики. М.:
Наука, 1983. 416 с.: ил.
11. Сборник научных программ на Фортране. Вып. 1. Статистика Пер. с
англ. C. Я. Виленкина. М.: Статистика, 1974, вып. 1. 316 с.
12. Прикладная статистика: Основы моделирования и первичная обработка
данных: Справ. изд. Айвазян С. А., Енюков И. C., Мешалкин Л. Д., Под ред. Айвазяна С. A. М.: Финансы и статистика, 1983. 471 с.: ил.
13. Ферстер Э., Ренц Б. Методы корреляционного и регрессионного анализа. М.: Финансы и статистика. 302 с.: ил.
14. Мирский Г. Я. Характеристики стохастической взаимосвязи и их измерения. М.: Энергоиздат. 1982. 320 с.: ил.
15. Пижурин А. А., Розенблат М. С. Исследование процессов деревообработки. М.:Лесн. пром-сть,1984. 232 с.:ил.
16. Зажигаев Л. С., Китьян А. А., Романиков Ю.И. Методы планирования и
обработки результатов физического экперимента. М.: Атомиздат, 1978. 232 с.: ил.
17. Прикладная статистика: Исследование зависимостей: Справ. изд./ С. А.
Айвазян, И. С. Енюков, Л. Д. Мешалкин; Под ред. С. А. Айвазяна. М.: Финансы и
статистика,1985. 487с.: ил.
18. Львовский Е. Н. Статистические методы построения эмпирических формул: Учеб. пособие для втузов. М.: Высш. шк., 1988. 239 с.: ил.
19. Ящерицын П. И., Махаринский Е. И. Планирование эксперимента в машиностроении: Справочное пособие Мн.: Высш. шк., 1985. 286 с.: ил.
20. Шепелев Е. Г. Математические методы и модели управления в строительстве: Учеб. пособие для вузов. М.: Высш. шк., 1980. 213 с.: ил.
21. Спиридонов А. А. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов. М.: Машиностроение, 1981. 184 с.: ил.
22. Пижурин А. А., Розенблат М. С. Исследование процессов деревообработки. М.: Лесная промышленность, 1984. 232 с.: ил.
23. Н. Н. Мартынов, А. П. Иванов. MATLAB 5.x. Вычисления, визуализация,
программирование – М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 2000. – 336 с.
9
6.2. Средства обеспечения освоения дисциплины
6.2.1. График самостоятельной работы студента по дисциплине
Осенний семестр
К
у
р
с
3
Сентябрь
Вид
1 8 15
сам.
рабо- 7 14 21
ты
1 2 3
Л
ЛР
1 2 3
РЗ
Октябрь
Ноябрь
Декабрь
Январь
22 29 6 13 20 27 3 10 17 24 1 8 15 22 29 5 12
28 5 12 19 26 2 9 16 23 30 7 14 21 28 4 11 18
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Э Э Э
3 3 4 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10
В
З З
Часов
Самостоятельной
работы
10
14
10
Л – лекции; ЛР – лабораторные работы; РЗ – расчетное задание; Э – экзамены;
К – каникулы; 1 – подготовка, выполнение и защита ЛР № 1
; – изучение тем теоретического
материала; В – выдача; З – защита.
6.2.2. Конспект лекций
Рукописный вариант у преподавателя. Литература [1-10].
7. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ.
Для выполнения лабораторных работ и выполнения расчетного задания используется вычислительный центр кафедры РиТК, ВЦ ЭМФ и ВЦ КГТУ, оснащенные ПЭВМ.
8. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОРГАНИЗАЦИИ ИЗУЧЕНИЯ
ДИСЦИПЛИНЫ
8.1. Рекомендации по изучению дисциплины
Изучение дисциплины опирается на курсы «Информатика», «Математика», «Физика», «Основы робототехники» и др. Материалы дисциплины используются в курсах
«Управление роботами РТС», «Моделирование и исследование РТС», «Приводы роботов» и в других общепрофессиональных и специальных дисциплинах.
8.2. Методические указания студентам
Основным источником подготовки по теории и к лабораторным работам является конспект лекций.
При подготовке и выполнении лабораторных работ дополнительно необходимо
использовать [2 – 9].
Защита лабораторных работ предполагает знание соответствующей темы лекций.
При выполнении расчетного задания следует обратиться к [3 – 9].
Выполненные расчетное задание защищается индивидуально преподавателю с
обоснованием хода решения и полученных результатов.
8.3. Рекомендации по использованию информационных технологий
При выполнении лабораторных работ и расчетного задания студент должен свободно владеть системами MATLAB и MATHCAD.
10
Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки 652000 – Мехатроника и робототехника.
Программу составил: _________________доцент каф..РиТК Ткачев Н. Н.
Программа одобрена на заседании учебно-методической комиссии кафедры
РиТК
«_______» ___________ 2003 г. Протокол № _____
Председатель УМК кафедры РиТК __________________ /Г. Б. Масальский/
11